中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.

平流层准零风层统计特征及准两年周期振荡对其影响分析

根据形成机制的不同将平流层准零风层(Quasi-Zero Wind Layer,QZWL)划分为由平流层准两年周期振荡(Quasi-Biennial Oscillation,QBO)各高度处于不同位相形成的第一类QZWL和由于平流层低层经向温度梯度逆转而形成的第二类QZWL;利用ERA-40再分析资料分析了两类QZWL在不同季节中空间结构的变化规律,讨论了平流层QBO对两类QZWL年际变化产生的影响。研究结果表明:第一类QZWL集中出现在冬季赤道附近地区,第二类QZWL在夏季热带外地区和冬季20°N～40°N太平洋地区上空;QZWL夏季高度比冬季低约3km,夏季QZWL出现高度比冬季稳定,约在50～70hPa之间;由于受到QBO的直接影响,第一类QZWL出现的高度和纬度范围存在明显的年际变化,第二类QZWL受到QBO的影响主要体现在QBO西风位相年和东风位相年相比,冬季20°N～40°N范围内存在第二类QZWL的概率较高。

瑞利测风激光雷达夜间准零风层观测结果分析

一台用于观测对流层和平流层风场的车载瑞利测风激光雷达于安徽合肥建成,该雷达使用双边缘技术,设计探测高度10~40 km,距离分辨率分别为100 m（20 km高度以下）和500 m（20 km高度以上）。在2011年夏季该雷达于新疆乌鲁木齐地区（42.1°N,87.1°E）进行了风场观测实验并成功观测到了平流层准零风层大气结构,给出了几组夜间典型的风场数据,根据观测结果得出：准零风层底部高度稳定在17~18 km高度而不随时间变化,而准零风层厚度则随时间有一个先增大后减小的趋势,并在北京时间凌晨0点~3点期间达到最大值。在观测中出现的准零风层厚度最大值超过15 km,最小值则仅有约2~3 km。分析认为：准零风层厚度的变化与夜间平流层接收到的紫外线辐射强度变化有关,同一时刻不同纬度上的平流层接收的紫外线辐射强度变化程度不同,导致平流层温度梯度继而大气环流的速度发生变化,从而引起准零风层厚度变化。

我国中纬度地区多普勒激光雷达准零风层多季节观测与分析

一台基于分子双边缘鉴频技术的车载瑞利多普勒激光雷达系统,于2014年至2016年先后在山西忻州(38.42°N 112.72°E)和甘肃酒泉(39.74°N 98.49°E)地区对平流层风场进行连续观测。观测结果表明:18~25 km范围内,酒泉春、秋季节以及忻州冬季均出现了准零风层大气结构,并伴有明显的上下浮动现象,该准零风层结构与2011年夏季新疆乌鲁木齐(42.1°N 87.1°E)多普勒激光雷达系统观测到的结果具有明显差异。分析认为:由于5月与10月处于短暂的季节过渡时期,中纬度地区平流层东风环流尚未稳定导致零风线的上下浮动;2015年1月忻州地区出现平流层准零风层与平流层爆发性增温有关。

准零风层新型临近空间浮空器区域驻留性能

以基于平流层底部的准零风层风场进行区域驻留的新型临近空间浮空器为研究对象,介绍了其工作原理和系统组成。通过建立动力学模型、高度调控模型和能源模型,分析浮空器在基于飞行速度约束和基于南北范围约束两种工作模式下的区域驻留能力,并讨论浮空器在这两种工作模式下的动态能源特性。对长沙地区风场环境的研究结果表明,相对于无控自由飞行状态,浮空器在两种工作模式下均可实现100 km直径范围的长时驻留,基于飞行速度约束工作模式对能量的消耗更低。

低纬地区平流层准零风层时空分布特征分析

利用ERA-Interim逐日再分析资料,使用EOF(Empirical Orthogonal Function)等统计方法,分析了中国低纬地区平流层准零风层(Quasi-Zero Wind Layer,QZWL)的时空分布特征,旨在为平流层飞艇寻找合适的运行区域及时段。低纬地区QZWL主要受到热带平流层大气环流季节性变化和平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation,QBO)的影响。在二者共同作用下,低纬地区QZWL高概率带可分为南北两支:"北支"出现在10月至次年4月间,QBO东风位相时期,"北支"中心纬度基本维持在20°N附近,西风位相时期,"北支"中心纬度随高度降低南移明显;"南支"仅出现在QBO西风位相期间,5~11月在5°N附近,其余时段与"北支"合并,可以认为是"北支"向南延伸。通过对比海口站和南沙站Weibull概率密度函数与风速资料的拟合结果,表明Weibull分布可以很好拟合不同QBO位相下平流层逐月风速频率分布,根据Weibull分布计算特定的累积概率风速值,可以作为选取适宜平流层飞艇运行的低风速风场的判据。海口站30~50 hPa高度11月至次年4月、南沙站50~70 hPa高度QBO西风位相时期全年均较为适合平流层飞艇运行。

中国区域临近空间准零风层的观测特征

准零风层(Quasi-zero Wind Layer)是指平流层下部风速较小的东西风转换层,是临近空间(20~100 km)开发利用的重要参考依据,也是当前临近空间飞行器浮空运行的研究热点。基于2010-2019年中国多个站点L波段探空资料,将中国分为5个区域(15°N-20°N,20°N-25°N,25°N-30°N,30°N-40°N,40°N-50°N),分析各区域准零风层的结构特点及其随纬度、季节的变化规律。根据实测风场分析发现平流层下部存在单层/双层准零风层,各区域的南北分布差异大致以25°N为界:单层准零风层主要出现在25°N以北的夏季;双层准零风层主要出现在25°N以南的10月至次年5月。单层/双层准零风层平均维持高度随纬度递增,且其厚度以双峰变化为主。此外,单层准零风层每月出现和维持天数均大于双层,30°N以北的单层准零风层在夏季的维持天数较其他区域长。

平流层准零风层的研究进展

平流层下部20 km高度附近的大气层在特定季节存在下层西风(东风)折转为上层东风(西风),且南北风分量很小的自然现象,这种纬向风的转换层称为平流层准零风层。平流层准零风层的低风速和风向变化的特点使其成为部署平流层飞艇和高空气球等弱动力或无动力临近空间飞行器的理想环境。针对国内外平流层准零风层的研究成果,归纳总结了平流层准零风层在北半球、中国及重点区域随时间变化的特征;系统分析了热成风原理、平流层准两年振荡、平流层爆发性增温、行星波涡动通量输送、南亚高压和副热带西风急流等因素对平流层准零风层形成的影响机理和特征;对比分析了MST雷达、激光雷达、探空火箭及高空气球等探测方法在平流层准零风层探测中的优缺点和部分探测事实;归纳总结了中层大气模式和数值天气模式在平流层准零风层预报中的优缺点,明确利用数值天气模式是当前开展平流层准零风层预报与气象保障的主要途径,平流层准零风层底高、厚度等诊断方案是定量化研究平流层准零风层精细结构及演变的基础;总结了基于平流层准零风层利用的飞行器工作原理;最后对未来科学研究的重点方向进行了展望。开展平流层准零风层研究进展回顾,对今后深入研究平流层准零风层以及平流层低速飞行器的部署和气象保障具有十分重要的意义。

基于风力发电的高空浮空平台能源平衡研究

针对平流层浮空器驻空过程中出现的能源需求问题,提出了一种基于风力发电的高空浮空平台,根据驻空时的浮重平衡、推阻平衡为基础,设计了系统的高度联合调节机制,建立了系统在高度变化过程中的能源平衡模型。在此基础上,根据特定区域的风场数据,计算驻空过程中系统整体的能量产生及能量消耗,对系统的能源平衡性能进行分析计算。研究结果表明,在两个特定点的实际风场中,系统均能在驻空的同时,满足自身的能源需求,保证系统的能源平衡。

基于平流层特殊风场的浮空器定点方案研究

平流层飞艇为了实现定点控制需要较大的能源消耗。借鉴平流层卫星的轨迹控制思想,基于平流层底部"准零风层"这一特殊风场特性,提出一种新型的平流层浮空器定点部署方案。通过对运行环境风场的统计分析,给出系统总体结构和工作原理:通过控制轨迹控制器姿态调整浮空气球高度,利用准零风层上下区域纬向风反向的特点实现东西方向控制;利用轨迹控制器产生经向控制力,通过系绳拖动气球实现南北方向控制。建立了浮空气球和轨迹控制器的动力学模型,提出了"质量集中-轻质刚杆"的系绳建模方法,完成了控制系统总体方案设计,并进行了仿真验证。仿真结果表明:利用平流层底部特殊风场特性的定点浮空气球,能够实现特定区域上空的定点驻留和机动飞行。

新疆地区夏季平流层低层风场特征分析及数值模拟

利用2017年6—8月的FNL再分析资料分析了新疆地区夏季平流层低层风场的时空演变特征,开展了平流层低层风场的高分辨率数值模拟和检验。结果表明:新疆地区夏季平流层纬向风随时间的变化存在经向差异,同时准零风层开始和结束的时间也存在经向差异,准零风层开始时间南部地区早于北部地区,而准零风层结束时间则相反。整个夏季新疆地区上空的准零风层处于70~40 hPa之间,其高度随时间呈先降低而后升高的变化趋势。准零风层数值模拟结果表明,模拟的准零风层参数与探空资料分析结果相比二者存在一致的变化趋势,准零风层起始高度的平均绝对误差为467 m,该高度对应的风速均方根误差为1.75m/s。

风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

针对平流层底部准零风层特点,提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器,系统采用南瓜形超压气球体制,建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型,利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上,建立动力学模型和高度调控模型,针对我国某地风场模型,设计东西、南北方向独立控制区域驻留策略以及基于风场综合利用的协同控制区域驻留策略,通过SIMULINK模块开展区域驻留仿真,并对五种控制模式下的飞行轨迹进行对比分析。

临近空间串联气球系统设计与特性分析

目前,零压气球和超压气球固有的不足限制了高空气球的飞行能力。提出了1种无需消耗压舱物和浮升气体即可实现昼夜高度自稳定且能够长时间迂回飞行的临近空间串联气球系统。结合了2种气球的优点,避开了现阶段高空气球发展遇到的困难。建立了昼夜飞行高度一定的串联气球系统的数学模型,设计了能够利用准零风层风场条件实现迂回飞行的串联气球系统,通过与单一零压气球系统对比,验证了该系统的优势。数值仿真分析了零压气球形状、系统设计高度对超压气球尺寸、最大超压量等关键参数的影响,为设计飞行性能更好的系统提供了重要参考依据。

利用自然能的轨迹可控临近空间浮空器初步设计

文章针对现有临近空间浮空器持久区域驻留期间面临的“超热”、“超压”和抗风机动飞行对材料和能源技术的挑战，提出一种充分利用自然界热能和准零风层风场环境的新型临近空间浮空器技术方案。文章分别介绍了新型临近空间浮空器的工作原理、系统组成、功能特点和飞行操控策略；通过浮空器热建模仿真分析和参数总体设计，研究了主气囊热控参数、浮空器白天和夜间“超热”能力，以及浮空器体积规模之间的耦合关系。结果表明，通过主气囊热控参数优化设计，可使浮空器白天“超热”值在100K以上，夜间“超热”值在20K以上，并给出了20～80K“超热”范围内的新型浮空器总体参数设计结果，这些结果满足浮空器高度调节所需浮升能力变化要求。

一种利用自然能飞行的临近空间浮空器研究

为实现临近空间浮空器的持久区域驻留和机动飞行,文章所研究的一种利用自然能飞行的临近空间浮空器利用自然界的热能和风能,通过简易可行的技术手段实现飞行高度和轨迹的控制,有望解决临近空间浮空器面临的能源问题和热问题。文章介绍了该新型浮空器的系统组成和主要特点,分析了该新型浮空器在设计最大运行高度处的浮重平衡,进行了系统设计参数的分析。该新型浮空器由超热空气和氦气提供浮力,计算结果表明氦气囊所占比例越大,所需的浮空器半径越小,且随着设计最大运行高度的升高及超热值的减小,所需的浮空器半径增大。

基于风场环境利用的平流层浮空器区域驻留关键问题研究进展

基于风场环境利用的平流层浮空器继承高空气球结构简单、技术成熟、快速响应、使用效费比高等特点,通过引入控制设计,克服轨迹控制和高度控制等方面的局限,具备一定的飞行轨迹规划和区域驻留能力,是当前临近空间飞行器发展的重要方向。本文基于对典型项目的调研分析,梳理了基于风场环境利用的平流层浮空器在区域驻留应用中的关键技术,重点讨论了风场感知与建模、风场利用方法、轨迹规划与决策等核心问题的研究现状,对现有方案进行深入分析,从实际应用的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。

临近空间浮空器区域驻留控制策略研究

为了实现临近空间浮空器区域驻留飞行,基于对热环境的分析,建立了带有副气囊高空气球的空气动力学与热力学耦合动力学模型。基于准零风层特殊风场,设计了临近空间浮空器区域驻留飞行控制策略,通过副气囊调节飞行高度,利用准零风层上下纬向风方向相反的特点实现东西方向控制,用螺旋桨控制实现南北方向控制,并利用ECMWF风场数据进行了数值仿真。仿真结果表明,临近空间浮空器可以在纬度41°(N)~43°(N),经度86.5°(E)~87.1°(E)之间的区域范围内飞行7天,证明了利用准零风层风场实现临近空间浮空器区域驻留飞行的可行性。