2021年北极典型平流层爆发性增温事件研究与预报

本文选取了对我国2021年冬季寒潮事件可能有重要影响的2021年1月北半球平流层爆发性增温(SSW)事件为例,利用观测资料、再分析资料和预报模式,探讨了2021年1月的SSW事件的特征和机制并对其进行了预报研究。此次SSW事件(简称为“事件”)发生期间,北极平流层温度几天内上升近30°C,绕极西风环流减弱甚至在此次事件中出现了三次逆转为东风环流的现象。事件发生前期,太平洋海温和巴伦支—喀拉海(BK)海冰的出现异常的降低和减少现象;使用Eliassen-Palm通量(E-P通量)研究发现,这导致更多的对流层异常行星波活动上传到平流层;海温和海冰所导致的行星波活动的异常增多可能是导致此次SSW事件的主要因素。除此之外还发现,事件期间平流层位势高度正异常下传到对流层,与2021年1月中旬亚欧大陆出现的极端低温事件,存在显著的联系。最后,本文使用基于WACCM6模式和DART同化工具建立的平流层预报模型对此次事件进行了回报研究。该模型成功的预报了2021年1月发生的这次SSW事件,预报的温度大小和纬向风强度基本和观测结果一致。对回报试验的进一步研究发现,同化平流层温度、臭氧和水汽,减少预报初始场中平流层环流和温度误差,对准确预报这次SSW事件有重要的作用。初始场中没有同化平流层温度、臭氧和水汽的预报试验结果,与观测结果之间存在很大差异,甚至结果完全相反。

平流层飞艇载荷舱电子设备散热仿真分析

飞艇载荷舱电子设备的温度极大地影响了其工作可靠性,随着飞艇载荷舱应用途径的拓展,载荷总功率不断增长,设备设计功耗及热流密度显著提升,但平流层气体密度仅为地面的1/18,对流散热能力差,散热问题逐渐成为制约技术发展的关键问题。文章为了解决高载荷功率下的散热痛点,引入了两相流体回路散热方法,探究其与风扇强迫散热的散热能力,在分析载荷舱电子设备传热特性的基础上,基于计算流体力学,设计了风扇强迫对流散热系统,同时提出一种采用1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)流体回路对平流层载荷舱电子设备散热的方法,并使用表观热容法对其进行仿真,计算了两种散热方式下飞艇载荷舱的温度场和流场,得到了两种方式的散热能力。仿真结果表明,风扇的散热极限工率约为591 W,两相流体回路方式散热可以解决700 W的散热需求,使用风扇散热可以满足基本散热需求;使用两相流体回路方式散热可以对平流层飞艇载荷舱电子设备进行有效热控,为平流层大功率电子设备散热的设计和计算提供思路。

青藏高原地区一次深对流活动对平流层——对流层物质交换影响的模拟研究

利用WRF-Chem模式分析了2010年8月12日发生在青藏高原东南部的一次深对流过程中的平流层—对流层物质交换(STE)过程及其影响机制。结果表明,此次深对流系统具备穿透性对流特征,强上升气流能够直接将近地面含高浓度CO和低浓度O_(3)的空气输送至低平流层,使低平流层CO浓度升高、O_(3)浓度降低。同时,深对流活动激发了较强的湍流混合过程,在深对流活动结束后的3~4小时内,湍流混合作用导致上对流层下平流层(UTLS)区域持续发生STE过程,将对流层的冰晶、CO和O_(3)输送至低平流层,但受凝结脱水作用影响,湍流过程向低平流层传输的水汽减少。

平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温(SSW)是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一.SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目:“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.

平流层NAM事件中阻塞高压发生及其调制地面温度异常型的统计特征

本文利用1979~2020年ERA5逐日再分析数据,分析了在平流层北半球环状模(NAM)正负事件中,阻塞高压(简称阻高)发生及其调制地面温度异常型的统计特征。结果表明,北半球的四个阻高系统分别趋于在NAM事件的不同阶段发生,其中格陵兰阻高(GB)和北太平洋阻高(NPB)更趋于出现在正NAM事件的发展阶段和负NAM事件的衰减阶段,乌拉尔山阻高(UB)多出现在正NAM事件的衰减阶段和负NAM事件的发展阶段,而大西洋–欧洲阻高(AEB)则多发生在正、负NAM事件的衰减阶段。尽管NAM事件过程中有阻高发生的天数远少于无阻高发生的天数,但阻高的存在对平流层NAM影响下的地面温度异常空间型有显著的调制作用,特别是在正NAM事件中,GB的出现可导致欧亚大陆从整体偏暖或北暖—南冷型变为北冷—南暖型,同时导致北美大陆从整体偏冷或北冷—南暖型变为北暖—南冷型;此外在负NAM事件衰减阶段出现的UB,不仅可导致欧亚大陆的北冷—南暖型反转为北暖—南冷型,亦可使北美大陆由北暖—南冷型转为南暖—北冷型。相比之下,AEB和NPB两阻高发生时地面温度异常型多由平流层NAM的影响所主导,即阻高的调制作用并不显著。在NAM影响以及各阻高的协同作用下,从正NAM事件峰值至负NAM事件发展阶段,整个中纬度地区欧亚大陆偏冷、北美偏暖;从负NAM事件衰减阶段至正NAM事件的初始阶段则相反;两大陆地区的温度异常多呈中—高纬南北反位相变化特征。本文进一步通过蒙特卡洛随机取样检验,证实了上述关于阻高调制地面温度异常型的结论。

CAN总线通信中继在平流层无人飞行器中的应用研究

针对目前平流层无人飞行器能源系统CAN总线通信的缺陷,提出一种新的CAN总线通信中继的应用实施方案,从硬件和软件两个方面对CAN中继器进行原理分析与介绍,并在此基础上,对实际应用的平流层无人飞行器能源系统进行分析和可行性论证,给出多中继节点对系统的影响分析。该研究对于扩大平流层无人飞行器能源系统的规模和增强CAN总线通信架构的可靠性具有重要的指导意义。

平流层飞艇囊体材料老化测试研究概述

基于对国内外有关囊体材料老化测试研究文献的充分调研,综述了囊体材料老化机理、老化试验方法、试验对象的选取、性能影响表征与评价等方面的研究现状,老化后的囊体材料常用形貌表征、拉伸测试、透氦率表征及化学结构表征等4种表征方法。鉴于当前对平流层飞艇囊体老化研究缺乏统一的评价指标,且大多研究在囊体材料老化性能验证方面存在不足,提出了后续研究的手段和方向,为浮空器囊体材料的可靠性测试研究和发展提供参考。

青藏高原平流层臭氧谷形成机制分析

臭氧(O3)广泛分布在大气环境当中,属于较为主要的微量元素,尽管大气当中臭氧占比相对较小,但发挥着较为重要的太阳紫外辐射(0.2~0.29μm)吸收功能。臭氧层主要是在大气环境当中的平流层,能够有效阻隔太阳所散发的强紫外辐射(0.2~0.29μm),避免其直接到达地面,为地球生物的正常生存提供的基础条件。平流层当中的臭氧,不断吸收太阳紫外辐射,便会让大气平流层温度不断上升,属于平流层热能的主要来源。平流层的热力以及动力结构形式,在臭氧不断吸收太阳强紫外辐射的过程中,促使大气环境出现特定变化。由此看来,处于对流层上层与平流层下层的臭氧层会对地球大气环境产生巨大影响。土壤层在不断吸收能量的过程中进行加热,让平流层的温度场以及大气环流出现明显变化,这对于构建大气垂直温度结构以及辐射平衡起到了至关重要的作用,需要相关工作人员深入开展大气臭氧总量研究工作,从而为保护生态环境作出贡献。

南极春季臭氧损耗和恢复期的主要特征及其与平流层环流异常的关系

21世纪以来,南极臭氧总量经历了逐渐恢复的过程。本文基于近41年(1979—2019年)BS填充臭氧总量(Bodeker Scientific Filled Total Column Ozone)数据集和同期的ERA5再分析数据,分析了20世纪末(1979—1999年,损耗期)和21世纪初(2000—2019年,恢复期)南极春季(9—11月)臭氧总量和平流层环流的主要变化特征,研究了不同时期平流层环流异常与臭氧总量的关系,并通过行星波诊断了影响臭氧总量变化的可能途径。结果表明,(1)南极臭氧总量在损耗期以51.5 Du·(10 a)^(-1)的速率显著减小,在恢复期以14.2 Du·(10 a)^(-1)的速率持续增加;与臭氧总量存在显著相关的平流层云(PSC)面积、平流层下部极区温度、中部极区位势高度以及60°S平均纬向风在损耗(恢复)期也经历了快速(缓慢)变化;(2)在整个分析时段,臭氧总量与PSC面积、平流层温度、位势高度以及纬向风保持着显著且稳定的关系;其中恢复期臭氧总量与上述平流层各要素的关系更加显著;(3)与损耗期相比,恢复期由于平流层存在较强的Eliassen-Palm(EP)通量,伴随平流层中上部极区EP通量辐合和更大的负涡旋热通量,使得平流层温度升高,极涡减弱,不仅导致PSC面积减小,而且有利于南极臭氧总量恢复。

2013年极区平流层爆发性增温期间我国昆明地区临近空间大气波动特性研究

利用2012-12-01—2013-02-28期间昆明站与120°E子午链附近5个台站流星雷达观测的大气风场数据,分析了2013年极区平流层爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)事件对昆明地区临近空间平均风场、大气潮汐波的影响.结果表明2013年SSW期间,昆明站纬向东向风快速减弱并转向,北向风异常增强,周日潮汐和半日潮汐振幅均出现明显下降.结合小波分析结果发现:2013年SSW期间行星波有幅度增强现象,但主导准周期在不同纬度和不同时间表现不一致;昆明站垂测仪的foF2数据表现出明显的潮汐波状变化结构;行星波和半日潮汐的相互作用可能是临近空间调制电离层的主要机制,其耦合机制有待进一步研究.

平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究

针对平流层飞艇载有源雷达辐射功率大、能源供给受限、难以全天时工作问题,提出了一种有源无源一体化雷达系统设计方案.该系统基于圆阵天线的外辐射源雷达可与综合脉冲孔径雷达共用天线、馈线、接收、信号处理等设备,只需融合外辐射源雷达信号处理软件及配置资源即可,不需要额外增加硬件.仿真分析表明,通过有源无源一体化雷达设计,不仅拓展了系统工作模式,而且还改善了系统可用度,提高了系统探测效能.

基于MUAM模拟的20世纪末12月平流层十年际变化

利用中高层大气模式(MUAM)研究20世纪末12月平流层气候态的十年际变化,基于一组敏感性试验评估下边界条件、二氧化碳及臭氧浓度变化对平流层温度变化的分别影响,着重探讨了南北极局部增暖的机制差异。结果表明,相较于20世纪80年代,90年代12月北极中上平流层西风减速,中低层增温,这主要与下边界条件变化导致行星1波的上传显著增强(2波削弱)有关。同一时期,南极平流层低层西风加速温度降低,中上层东风减速温度升高,这主要与南极低平流层显著的臭氧损耗有关;下边界条件变化和中层局地的臭氧增加也有一定的贡献,但低层臭氧损耗所诱导的极涡加速使得波传播环境或条件有利于1~2波上传增强(1波主导)至更高高度可能是最终导致中上层增暖的主要原因。

赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控

平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧亏损有重要指示意义。在1979~2020年ERA5再分析资料中,早春北极平流层极涡年际变率与热带太平洋海温第二模态(主要空间型为赤道西太平洋海温异常)有关。通过CAM5数值模拟,进一步揭示了赤道西太平洋海温异常影响平流层极涡的途径:冬春季赤道西太平洋增暖时,在暖海温区深对流降水加强,异常的潜热加热通过Matsuno-Gill响应在其西北侧激发了Rossby波(对流层上层的高压异常)。该Rossby波沿大圆路径在北太平洋调整了北半球最强的槽脊系统的强度和位置,从而使得经向风1波分量的振幅减小,经向风3波和温度3波分量的位相差增大。两者分别减弱了下平流层的1波和3波的波作用通量上传,更少的涡动热量通量向极输送促进了春季北极平流层极涡增强。

平流层飞艇气动特性相似缩比分析与风洞试验

阐述了平流层飞艇气动特性天地相似缩比分析设计方法,给出了刚体模型与柔性体模型完成风洞试验需满足的相似准则数,并指导完成两类缩比模型研制及风洞试验。通过对两类缩比模型风洞试验数据的分析,发现平流层飞艇不同充气内压下气动特性规律基本一致,但较刚体模型有明显的差异;柔性特征下的气动阻力系数明显高于刚体,在零攻角状态下甚至高出一倍,引发滚转气动力矩特性出现稳定与发散的本质变化。这对平流层飞艇特别是低压保形下的柔性气动特性评估,克服现有采用刚体气动特性数据或工程估算方法进行“动阻平衡”飞艇总体设计存在较大偏差的弊端,具有重要工程应用价值。

不确定风场下平流层浮空器全局路径规划

平流层浮空器是开展临近空间应用的重要平台,其在不确定风场中的路径规划是开展应用的关键。研究对象是具有一定水平驱动能力的平流层浮空器,针对其低动态、大尺寸及易受风场影响等特点,基于马尔可夫决策过程(MDP)提出一种浮空器在不确定风场作用下的二维全局路径规划方法,寻找由当前位置快速部署到目标区域所需时间最短的最优路径。由于风场中可能存在误差,将风场不确定性引入MDP模型中,设计相关模型参数,建立确定风场和不确定风场2种环境模型。通过仿真,分析具有不同驱动能力的浮空器在2种风场模型下的区域可达性、最优路径和最优动作序列的选择,结果表明:最优路径和最优动作会根据起始点/目标点位置、浮空器水平驱动能力及风场模型的不同发生比较大的变化;浮空器的水平驱动能力越强,区域可达性越高,2种风场模型对浮空器的二维全局路径规划影响的差异也随之减弱。

BCC_GCM2.1模式对平流层环流变化特征的数值模拟及其模式评估

使用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.1的30年模拟试验资料,对平流层纬向环流场、高空急流、极涡及爆发性增温过程进行了数值模拟研究,并使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料对模式输出结果进行了对比、分析。结果表明:(1)在观测海温、二氧化碳、气溶胶等外强迫地驱动下,BCC模式能够很好地再现出与再分析资料一致的平流层纬向平均风场、温度场的分布特征和季节变化过程;模拟得到的温度廓线和高空急流与再分析资料的主要差别出现在南、北半球冬季的中高纬度地区;模拟得到的平流层温度普遍偏低,主要的差异位于对流层顶区域和平流层高层。(2)模拟的对流层上层的副热带急流位置偏南、强度也偏弱,而平流层中的绕极极夜急流则位置偏北、强度更大。这样的急流分布特征使模拟的行星波向赤道的波导更强,向极的波导偏弱;同时由于模式中本身可以形成的行星波就比再分析资料弱,因此导致模拟结果中北半球冬季的平流层极涡更加稳定、极区温度更低。(3)BCC模式对于平流层极涡的季节变化特征模拟得较好,但对强极涡扰动过程,即北半球冬季的平流层爆发性增温(SSW)事件则模拟效果不佳,不论是增温事件出现的频率,还是增温的时间、强度,模拟结果和再分析资料都还存在一定偏差,需要在今后的工作中逐步改善。

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点,为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求,设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器,完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计,采用收发合置的望远镜设计方案,无探测盲区,接收视场角较小,提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准,通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数,并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中,激光器的平均功率为500 mW,积分时间为10 s,距离分辨率为100 m,分析结果表明,风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s,计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下,其风向精度优于5°。

平流层大气环流的典型系统及变化特征综述

随着大气探测技术以及计算机性能的不断提高,近年来平流层探测数据日渐丰富,中层大气模式也得到了快速发展,平流层中一些重要的物理、化学以及动力过程得以深入研究,对平流层大气环流的认识也进一步加深。本文分析了平流层准2 a振荡(Quasi-Biennial Oscillation,QBO)、平流层残余(Brewer-Dobson,BD)环流和平流层极地环流等主要的平流层大气环流系统和信号的气候态特征、形成机制、年际变率以及长期趋势等,阐述了它们的主要影响因子和过程,讨论并展望了与平流层环流有关的一些主要科学问题。

基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制

为研究基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制问题。建立平流层浮空器动力学模型,提出一种基于深度Q网络(DQN)算法的平流层浮空器高度控制方法,以平流层浮空器当前速度、位置、高度差作为智能体的观察状态,副气囊鼓风机开合时间作为智能体的输出动作,平流层浮空器非线性动力学模型与扰动风场作为智能体的学习环境。所提方法将平流层浮空器的高度控制问题转换为未知转移概率下连续状态、连续动作的强化学习过程,兼顾随机风场扰动与速度变化约束,实现稳定的变高度控制。仿真结果表明:考虑风场环境对浮空器影响下,DQN算法控制器可以很好的实现变高度的跟踪控制,最大稳态误差约为10 m,与传统比例积分微分(PID)控制器对比,其控制效果和鲁棒性更优。

非保形平流层飞艇升空过程热力耦合建模与压差控制分析

针对非保形平流层飞艇升空过程中气囊膨胀导致压强变化的问题,将飞艇升空阶段分为自由膨胀上升阶段和成形上升阶段,建立非保形平流层飞艇升空热力耦合模型,该模型很好地反映了飞艇内部的气体体积变化和压强变化,为研究平流层飞艇压差控制提供模型基础;考虑飞艇内部状态不能实时获取,提出基于模糊观测器的平流层飞艇压差控制方法,为保证在线学习能力,采用在线顺序模糊极限学习机(OS-Fuzzy-ELM)去训练模糊系统参数。对非保形平流层飞艇升空过程进行运动仿真分析,阐述了控制飞艇压差的必要性;对不同目标压强差下的压差控制进行仿真分析。结果表明,所设计的压差控制器具有良好的输入跟踪能力,对飞艇压差控制器的设计具有重要参考价值。