GBAVTII探测西安上空夜气辉反演O_(2)(0-1)柱浓度及其波动的研究

探测高层大气的粒子浓度具有重要的科学意义.本文利用安装在中国西安城区(海拔457m, 34.23°N,109.01°E)的自制地基气辉成像干涉仪GBAVTII(Ground-based atmosphere VER&temperature imaging interferometer)对峰值高度在94 km处的867.7 nm O_(2)(0-1)夜气辉长期定点观测,反演得到O_(2)(0-1)的柱浓度,并根据大气温度及O_(2)(0-1)粒子柱浓度的扰动提取得到大气重力波、行星波周期.本文首先阐述了地基GBAVTII探测气辉的原理,并从气辉辐射理论及地基探测模式导出气辉强度表达式,建立地基仪器探测得到的气辉的积分体发射率IER(Integrated Emission Rate)与大气中O_(2)(0-1)柱浓度的关系,然后利用2019年以来的多日观测数据,得到西安地区上空O_(2)(0-1)粒子的柱浓度量级为10~4cm^(-2);经对比发现2020年9月17日GBAVTII探测O_(2)(0-1)柱浓度结果与NRLMSISE-00模型数据的相对误差在0.5%~30%.我们从GBAVTII整夜拍摄气辉成像干涉图中反演出西安上空90~100 km的大气温度和O_(2)(0-1)柱浓度及扰动特征,得到周期在8~10 h左右的潮汐波,去掉潮汐趋势的温度和柱浓度残差序列,利用小波分析提取得到周期为2.3 h的重力波.最后我们利用2022年4月21日—2022年5月6日期间的O_(2)(0-1)柱浓度探测序列得到日平均柱浓度并提取准2日的行星波周期.GBAVTII所探测得到大气波动的周期尺度与其他已有中纬度地区的探测结果相吻合.

1.27 μm O_(2)(a^(1)Δ g)气辉临边观测辐射传 输特性

1.27μm波段的O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射具有辐射信号强、空间跨度大、自吸收效应弱等诸多内禀优势,是临近空间大气遥感的重要目标源,对于中高层大气的动力学及热学特性研究,全球温室气体探测,以及臭氧浓度三维层析等卫星遥感具有重要的科学意义和应用价值。首先基于O_(2)(a^(1)Δg)光化学反应模型,研究了O_(2)(a^(1)Δg)气辉的产生机制及湮灭机理,在此基础上,计算得到了O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率廓线,并基于HITRAN数据库给出的谱线强度及爱因斯坦系数,提出了两种计算O_(2)(a^(1)Δg)气辉光谱分布的方法。采用最新的分子光谱参数、光化学反应速率常数及F10.7太阳紫外通量等参数,结合光化学反应模型计算得到的O_(2)(a^(1)Δg)气辉体辐射率廓线信息,借助逐线积分算法,建立了1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型,并分析了自吸收效应对不同临边观测高度处气辉辐射光谱强度的影响。然后,利用剥洋葱算法,对大气图像扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)在临边观测模式下测得的O_(2)分子近红外大气带的气辉辐射信号进行处理得到了目标层O_(2)(a^(1)Δg)气辉辐射光谱,并通过谱积分算法反演得到了O_(2)(a^(1)Δg)气辉的体辐射率廓线信息。最后通过对比气辉临边观测辐射传输理论模型计算得到的以及SCIAMACHY仪器测量反演得到的1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)辐射光谱及体辐射率廓线信息,验证1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的可靠性与合理性。基于比对结果,对O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边辐射强度和体辐射率的影响因素进行了分析。分析结果表明,在50 km以上的高空区域,理论计算结果与卫星实测结果吻合性较好,而随着海拔高度的降低,两者的偏差逐渐增大,这是因为在临边观测模式下,中低空区域的卫星遥感信号受自吸收效应及大气散射效应影响严重。此外,与HITRAN数据库给出的谱线强度参数相比,基于爱因斯坦系数建立的O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边辐射模型与卫星实测结果更加吻合。1.27μm O_(2)(a^(1)Δg)气辉临边观测辐射传输理论模型的建立,对于临近空间大气遥感,奠定了理论基础。

基于O_(2)分子1.27μm气辉反演临近空间温度廓线的新方法

1.27μm波段O_(2)(a^(1)Δg)气辉的辐射强度高、自吸收效应弱,是反演临近空间大气温度的理想目标源。基于O_(2)分子气辉光谱理论以及“剥洋葱”算法,利用扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY)的近红外临边观测数据,成功反演50~100 km区域的大气温度廓线。与SABER、ACE-FTS及激光雷达的观测结果对比表明,在55~85 km的切线高度范围内温度测量误差优于±10 K,而在55 km以下与85 km以上空间区域,由于受到自吸收效应、大气散射以及OH气辉的光谱污染等干扰,温度反演结果出现显著偏差。

火星O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉高光谱分辨辐射传输特性研究

1.27μm波段的氧分子近红外气辉是火星大气最重要的气辉辐射之一,该气辉高光谱分辨辐射传输模型的建立对于研制火星探测载荷,反演火星大气的风场温度场与臭氧浓度,以及研究火星空间物理,有重要的科学价值与工程意义.在研究火星大气O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉光化学反应模型的基础上,提出了O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉体辐射率的计算方法,并建立了火星大气气辉辐射传输理论;通过与用于研究火星大气特征的光谱学探测仪(Spectroscopy Spectrograph for the Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars,SPICAM)的实测数据进行对比,验证了所建立的火星O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉高光谱分辨辐射传输模型的准确性;针对火星与地球大气的O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉,在体辐射率、自吸收效应,以及临边辐射光谱特性三个方面进行了系统深入的比较,对比结果表明,火星大气由于密度低、氧气丰度小,其自吸收效应可以忽略不计,但其O_(2)(a^(1)Δ_(g))气辉辐射强度与地球大气相当,可以用于火星大气的风场温度场与臭氧浓度的探测与反演.

磁暴期间OI 135.6 nm气辉经纬及高度分布的变化特征

利用GUVI探测器观测的OI 135.6 nm气辉辐射数据,研究了2003年10月和11月两次持续时间不同的强磁暴期间气辉辐射强度经纬度分布及纬度–高度分布的变化。结果表明,全球大部分区域内OI 135.6 nm气辉辐射强度在磁暴期间会随着Dst指数的降低而增强,与磁暴的剧烈程度呈现准正相关关系。从纬度上看,气辉辐射强度的增强会由磁静期的磁赤道两侧附近向高纬地区延伸至南北半球50°附近,增幅基本在80%以上,最大可超过200%,且经纬度分布在磁暴期间的变化情况呈现出南北不对称性和纬向不对称性;从高度上看,气辉辐射强度的增强会由磁静期的300~400 km(即电离层F2层高度)扩散至其他高度,特别是在100~200 km(即低热层高度)的部分纬度上会出现相比其他高度更为显著的增强,增幅超过300%;气辉辐射出现增强的时间与磁暴相位基本同步。

2016年河北兴隆站中性风温和气辉辐射强度分布数据集

中高层大气中性风与温度数据和气辉辐射强度分布数据对中高层大气研究非常重要,这两类数据对中高层大气物理过程和光化学过程的研究具有十分重要的科学意义。本文中高层大气中性风温和气辉辐射强度分布数据分别来自于2016年Fabry-Perot干涉仪和全天空气辉成像仪在河北兴隆站(40.2°N,117.4°E)观测的数据。通过光学干涉仪5个不同天顶角方向的循环探测,获取中高层大气87 km、96 km和250 km高度区域的中性风场和温度数据;利用全天空气辉成像仪鱼眼镜头获取180度视场内站点上空87 km高度区域的大气气辉辐射强度分布数据,提取该高度区域大气波动信息。通过统计分析这两类数据,研究者能够得到多个气辉高度区域内大气风场和辐射强度的时变特征,为中高层大气内上下圈层耦合、太阳活动变化、特殊天气事件相关的气辉辐射研究提供实测的分析资料。

利用OI135.6nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究

测量夜间135.6nm大气气辉辐射强度是目前有效的电离层探测方式之一,我国即将在风云三号卫星上搭载仪器,利用该波段夜气辉辐射测量来反演电子总含量(本文所指电子总含量表示卫星高度以下大气柱的电子含量)及峰值电子密度,因此非常有必要开展相关的气辉发光模型及反演研究.在介绍氧原子135.6nm波段夜气辉激发机制基础上,考虑辐射在传输过程中受到大气氧原子的散射及氧气分子的吸收,采用迭代法求解包含多次散射及大气吸收衰减的辐射传输方程,得到该波段的体发射率,最终通过考虑包含辐射传输的路径积分计算得到135.6nm气辉辐射强度值.对结果的分析表明:该气辉模型能较好地描述体发射率随高度的分布特征,计算得到的135.6nm夜气辉辐射强度在不同时空及太阳活动的分布与相应条件下峰值电子密度(NmF2)及电子总含量(TEC)的分布基本一致.相同的时空及太阳活动输入条件下,模式计算的135.6nm夜气辉辐射强度与国外同类模式结果的值平均偏差约为3%.文中最后介绍了通过135.6nm夜气辉的辐射强度探测来反演电离层峰值电子密度NmF2及电子总含量TEC的反演方法.

星载远紫外极光/气辉探测发展综述

地球热层和电离层是近地卫星运行的主要场所,也是空间天气对人类活动影响的重要区域.气辉和极光是高层大气中的重要发光现象,其辐射特性、特别是紫外波段的辐射特性,是高层大气和电离层物理化学过程信息的重要来源.本文详细分析了国外远紫外极光/气辉探测和相应探测器的发展里程,并结合我国相关研制技术和水平,提出了发展星载极光/气辉探测的基本考虑和建议.

基于多台站OH全天空气辉成像仪观测的中国中纬地区重力波传播特性

利用位于中国中纬地区6个OH气辉成像仪2012年1月至2013年12月两年的观测数据,我们研究分析了重力波传播特征.结果表明重力波的水平波长、观测周期和水平相速度分别主要分布于10-35km,4-12min和30-100m·s-1范围.夏季,重力波主要沿极向方向传播.然而,冬季,他们有向赤道方向和平行于赤道方向的传播趋势.同时,我们结合TRMM卫星和ECMWF数据,发现在夏季重力波的北向传播趋势可能主要由观测台站南方的对流活动导致.然而,对流层顶附近的急流可能在冬季重力波的主要传播方向方面做出较大贡献.分析结果也表明,低层-中层大气背景风的滤波效应仅在夏季与中国中纬地区重力波纬向传播方向各向异性吻合较好.

重力波诱导OH气辉分布的变化

利用全隐欧拉格式和全球热层 -电离层 -中间层 -电动力学环流耦合模式 (TIME GCM) ,本文分析了非线性重力波在向上传播过程中对OH气辉廓线的影响 ,结果表明 ,当较小垂直尺度重力波经过OH气辉发射层时 ,对其峰值分布有明显的影响 ,有时会出现双峰现象 ,说明非线性重力波传播是引起气辉双峰分布的一个直接原因 ;重力波在中层顶区域的破碎在OH气辉分布均有不同程度的表现 ,这不仅可以解释一些实际的观测 。

中性气体释放人工产生气辉

电离层中分子性的离子与电子的复合要比氧离子与电子的辐射性复合快得多,因此火箭发动机产生的尾气和空间等离子体主动实验中主动释放的中性气体会对电离层有很大的影响,这么大的电离层扰动现象在过去的实验中经常可以观测到,根据中性气体在热层背景中的扩散方程,考虑电离层F区主要的离子化学反应,研究了H2,H2O和CO2气体在电离层高度上的扩散过程和电离层对所释放气体的响应,计算了气辉的体发射系数和发射强度．结果表明,中性气体在电离层高度上扩散非常迅速,在F区的一些高度上,主要正离子成分由O+ 转变为其他分子离子,且在释放过程中伴随气辉发射,发射气辉的波长和特征与释放物质的种类有关。

利用OH夜气辉反演原子氧数密度时输入参数的不确定度对反演结果的影响

借助OH夜气辉辐射的光化学模式,由OH夜气辉辐射反演中间层-低热层区域的原子氧数密度时,输入参数的不确定性将导致反演得到的原子氧数密度具有不确定性.以在sudden death猝灭模式下通过OH_((8-3))振动带体辐射率反演原子氧数密度为例,分别研究了大气参数和OH气辉辐射率的不确定度引起的反演不确定度、化学反应速率常数的不确定度引起的反演不确定度,以及所有输入参数的不确定度共同引起的反演不确定度,找出其不确定度对反演结果影响最大的参数.结果表明,三种反演不确定度均随着高度的升高而增大,温度和体辐射率的不确定度对第一种反演不确定度的贡献最大,反应速率常数b_((8))和A_((8-3))的不确定度对第二种反演不确定度的贡献最大.

GBAII探测地球上空90~100 km气辉MTF研究

分别利用He-Ne激光632.8 nm、O_(2)(0-1)867.7 nm和O(^(1)S)557.7 nm谱线作为光源,研究了地基气辉成像干涉仪的光学传递函数,给出了优化设计、理论计算和实际拍摄图片的MTF值。优化设计MTF的所有值均在0.3以上,部分视场MTF高于0.6;对557.7 nm和867.7 nm波长的气辉,理论计算的MTF分别为0.508和0.510;由室内外实验拍摄获取的GBAII成像干涉图得出的MTF值分别大于0.84、0.58、0.24,与国际著名的星载风成像干涉仪WINDII的0.35 MTF值相当。

基于中国东港台站的OH气辉成像观测数据对重力波波源的事件分析

利用东港(40°N,124°E)台站于2013年9月15—16日的OH气辉成像观测数据报告了两个重力波事件(1和2).同时,结合北京十三陵(40.3°N,116.2°E)台站的多普勒流星雷达风场数据和位于39.4°N,130.6°E位置处的SABER/TIMED卫星的温度参数分析发现,观测的两个重力波事件于2013年9月15—16日02∶00—03∶00LT时间段,和70~110km高度是自由传播的.利用反射线追踪方法分析表明,重力波事件1和事件2分别产生于(39.3°N,117.2°E)和(47.1°N,121.3°E).且事件1的波源位置与对流活动和大气向上向下运动过程中产生的不稳定性吻合较好.然而,通过ECMWF再分析资料和MTSAT卫星观测数据分析表明,事件2可能由对流活动或大气向上运动过程中可能产生的不稳定性导致.利用MERRA自地面到约70km高度的风场数据分析表明,观测的重力波事件1和事件2的水平相速度分别是83.5m·s-1(事件1)和80.1m·s-1(事件2),均大于低层-中层大气风速-10~45m·s-1.因此,观测的两个重力波事件是可能从低层大气传播到中层-低热层大气的.

法布里-珀罗气辉干涉成像仪的大气温度测量原理

讨论了法布里-珀罗干涉成像仪(FPI)对夜气辉的系统响应,更为明确地描述了建立该干涉系统数学模型的方法和结果。在此基础上阐述了利用FPI对热层大气温度进行测量的原理,并且通过分析稳频He-Ne激光器的干涉图对系统的传输函数进行了求解,对不同波长下系统传输函数的转换进行了讨论。干涉图的分析结果表明:该解析模型以及波长转换方法能够很好地表示干涉成像系统。另外对系统传输函数在实际气辉测量中的应用、系统的温度漂移以及误差估计也进行了简要讨论。

OH气辉对重力波响应的模式研究

重力波是中间层大气的重要能量来源,气辉观测为研究中间层重力波特性提供了极好的方法。本文利用最新的 OH 气辉激发机制,建立了一个较完整的光化、动力模式来分析重力波传播对 OH 气辉的影响。结果表明,化学反应速率系数不定性对 Krassovsky 比振幅的影响较小,但淬灭过程的影响必须考虑。Krassovsky 比的振幅和相位均依赖于波周期,其振幅在2.1和10.3之间变化;这表明 OH 气辉亮度的相对变化大于温度的相对变化。一般情况下,重力波引起的温度扰动超前于气辉亮度的变化。与实测资料比较发现,两者变化趋势基本一致,在短周期波时吻合较好。

反应HO_2+O→OH+O_2对OH夜气辉辐射的贡献

本文探讨了OH Meinel夜气辉辐射的光化学模式,给出OH(ν≤9)分子数密度分布的计算通式,重点研究了化学反应HO2+O→OH(ν≤6)+O2对ν≤6各振动能级上OH分子数密度分布以及(ν′—ν″)(ν′≤6)振动带气辉辐射的影响.结果表明,该反应对数密度的贡献随振动能级的减小而增大,对(ν′—ν″)振动带辐射的贡献随着较高振动能级ν′的减小而增大,以春分时为例,它可使第1振动能级上的OH分子最大数密度和(1—0)带的最大辐射率增加约33%,第6振动能级上的最大数密度和(6—ν″)带的最大辐射率增加约7%,(1—0)带的辐射强度增加约30%,(6—ν″)带的强度增加约11%.该反应使各振动能级上分子数密度的高度分布剖面以及各振动带体辐射率的高度分布剖面变宽,最大数密度、最大发射率所处的高度下降1km左右.此外,该反应的影响程度随着原子氧密度的降低而增大,随着温度的升高而增大,并且在夏至时最大,在冬至时最小.

2000年和2001年52°N地区OI_(5577)气辉强度与原子氧浓度峰值的时间变化特征

分析了2000年和2001年期间52°N地区OI5577气辉强度的夜间变化特征和季节变化特征．利用由 OI5577气辉强度反演原子氧浓度峰值的方法反演出原子氧浓度的峰值,分析了峰值的夜间变化特征和季节变化特征．结果表明, OI5577气辉强度的夜间变化特征随季节变化, 2000年春季的夜间强度最大值出现在0000LT 之后,夏季和秋季的出现在0000LT之前,冬季的出现在0000LT,2001年春季和秋季的夜间强度最大值出现在0000LT之前,夏季和冬季的出现在0000LT;OI5577气辉强度在2000年2月份,8月份和10月份出现最大值,在2001年9月份有最大值．就主要特征而言,反演出的原子氧浓度峰值的夜间变化特征和季节变化特征分别与OI5577气辉强度的一致．

北京近郊夜空气辉的观测和分析——中国第一批气辉观测数据(1986～1989)

本文扼要介绍中美科学合作夜空气辉观测研究的成果.首先,气辉合作研制成一套四通道的气辉观测仪器,其次,在北京近郊怀柔和兴隆二台站进行观测.从1986年至1989年积累114日成功地提供我国第一批气辉观测数据.本文着重分析其中41次对绿线5577和红线6300的时间变化,进行频谱分析,探讨气辉与大气扰动(声重波)和气辉与大磁暴之间的关系.最后文末提些今后开展气辉研究意见.

2009年1月5日廊坊OH气辉观测图像的谱分析

2009年1月5日在中国河北省廊坊市韩村镇(39.4°N,116.6°E)进行了中国首次中间层顶大气重力波成像观测实验,记录了近4 h的OH气辉辐射数据,给出了依据该数据计算所得的该时间段内廊坊韩村附近水平方向约185 km范围内的中间层顶OH气辉扰动的谱分析结果.所得到的传播方向确定的二维功率谱和角度谱揭示了该时间段内重力波活动的波长和传播方向分布特点,表明波长下限较短,西向传播分量明显大于东向分量.