热层大气密度对太阳辐射27 d短期震荡的响应规律

在近地空间目标和碎片的定轨预报任务中,需要准确计算热层中性大气密度。太阳辐射约27 d周期的短期震荡是影响大气密度的一种重要的空间环境因素,它会引起大气密度在全球尺度上的涨落。选择CHAMP、GRACE-A和SWARM-C这3颗极轨卫星星载加速仪数据推导出的大气密度资料,提取其中的27 d短期变化信号,与太阳极紫外辐射(S_(10)指数)的27 d短期变化进行多元回归分析,研究热层大气密度对太阳辐射短期变化的响应规律,及其在不同高度、辐射水平、昼夜半球和纬度等方面的差异。结果表明:太阳辐射短期变化对大气密度的影响与高度负相关(主要因素)、与辐射水平正相关(次要因素);对白天半球的影响是夜间半球的约2倍;在白天半球,辐射影响随着纬度增大而减弱,夜间半球恰好相反。将以上观测结果与NRLMSISE00模型模拟结果对比,发现模型低估了太阳辐射短期变化对大气密度影响的(50%~60%),且低估了高度差异,但高估了辐射水平差异。利用SOHO卫星对太阳26~34 nm波长极紫外辐射1 h分辨率的测量值,研究了大气密度对辐射的响应延迟时间,约为18 h(0.75 d)。研究结果对于优化大气模型建模、修正大气密度具有借鉴价值。

太阳极紫外辐射对热层大气密度的影响

对2001-2021年SOHO卫星的极紫外辐射测量数据,以及CHAMP,GRACE-A和SWARM-C卫星资料推导出的高分辨率大气密度数据进行统计分析,发现大气密度与极紫外测量值的相关系数大于密度与F10.7指数的相关系数,证实极紫外辐射在不同地方时的影响程度存在显著差异,从而驱动大气密度的周日变化。利用三颗卫星的高度差异揭示极紫外辐射对大气密度的加热效应在350~500 km范围随着高度增加而减弱。统计得到极紫外辐射影响在地方时和纬度上的空间差异:对夏季半球的影响大于冬季半球;在白天,对中纬度地区的影响高于赤道和高纬度地区;在夜间,密度对辐射的斜率在夏季半球高纬度地区存在峰值,在冬季半球中纬度存在谷值,模型DTM2000和NRLMSISE00未能准确刻画。为了改进经验模型,提出基于球谐函数的拟合方法,优于主流模型周日效应采用的表达式,对周日效应建模和修正提供有益借鉴。利用昼夜间能量传输和热层大气经向环流机制探讨了统计结果的物理机制。

热层大气密度反演与建模研究进展

热层是位于地球表面大约90 km到近1000 km的大气圈层,它与电离层和低层大气都存在着复杂的耦合关系;同时热层作为人类航天器空间活动的主要区域,其大气直接影响着各类低轨航天器的运行轨迹.近年来,热层大气观测资料的逐步增加推动了热层大气变化特性的研究和大气模式的发展.本文首先综述了基于多源卫星观测数据的热层大气密度反演算法.着重介绍了基于精密轨道数据以及加速度计数据反演密度的主要算法,以及各种反演策略的优缺点.总结了当前工程常用的MSIS、Jacchia以及DTM热层大气模式在数据源、算法实现过程及其适用范围等方面的异同.接着介绍了基于当前最新大气密度观测数据结合已有大气模式,应用多项式、稀疏矩阵拟合以及数据同化等技术的大气模式优化研究进展.最后概述了基于观测数据研究热层大气响应磁暴、耀斑以及日食等空间事件方面的科学进展.

2003年11月超强磁暴热层大气密度扰动及其与焦耳加热和环电流指数的关系——CHAMP卫星观测

本文利用CHAMP卫星加速度仪测量数据,计算和分析2003年11月20～21日大磁暴期间大气质量密度扰动的全球分布特征;研究暴时变化与极区大尺度对流引起的全球焦耳加热总功率及环电流指数SYM-H之间的关系.结果表明,磁暴期间400km高度上热层大气质量密度大幅度上升,NRLMSISE-00模式预测值与此相比有很大差别;暴时大气密度的增大存在昼/夜半球不对称性:白天强于夜晚,且白天随纬度的分布呈现出比较复杂的图像,在赤道附近和南半球中低纬区(10°N～50°S)大气密度增大较强,并呈双峰分布,两个峰分别位于0°和45°S,另外在极区也出现大气密度扰动的局部极大,而在夜晚,大气密度变化南北半球比较对称,在赤道低纬区大气密度增大较强;互相关分析表明,中低纬区大气密度变化滞后于全球焦耳加热总功率3～7h,滞后于环电流指数(SYM-H)0～3h,与二者存在很强的相关,表明极区焦耳加热和赤道环电流过程对暴时热层大气密度扰动有重要影响.

基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年)CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析,得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量.研究结果表明,ρ受太阳活动影响较大,其太阳周变化分量与F_(10.7)指数变化之间的相关系数可高达94.5%;ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小,且在中高纬地区,南半球的值明显大于北半球的值,在低纬地区则出现基本对称的双峰分布,即赤道质量密度异常(EMA)结构.在ρ的年变化中,呈现出明显的季节变化,即夏季低冬季高;同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强,随纬度增加而增强.将本文结果与经验模式NRLMSISEOO在观测条件下的输出数据进行对比,发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致,但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小,年变化幅度略大,且NRLMSISEOO模式不能再现EMA结构.研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.

基于经验正交分析法的暴时热层大气密度时空分布规律

本文选取2002--2006年期间的36个强磁暴为研究对象，对CHAMP卫星加速度仪反演的实测大气密度进行经验正交分解，研究暴时热层大气密度的纬度分布特征，以及大气密度与ap指数、Dst指数的关系．结果表明，大气密度的纬度分布与季节相关，夏季半球的密度大于冬季半球，春秋季节南北半球的大气密度几乎对称分布；春秋季节白天大气密度在低纬地区呈现出赤道密度异常结构，在中高纬地区密度随纬度增加而减小，夜间则呈现抛物线的形状，赤道附近密度值最小．大气密度的纬度分布特征在若干天内具有良好的稳定性，发生时间相近的磁暴事件，纬度分布曲线非常相似，并且暴前与暴时的纬度分布变化不大．相关性分析表明，大气密度滞后ap指数2～6h，相对Dst指数平均提前0～1h，对磁暴的响应速度在日照区比在阴影区快，大气密度与ap指数、Dst指数具有较好的相关性．

大磁暴期间TIEGCM模式和CHAMP卫星热层大气密度扰动特性的统计研究

本文统计分析了2001—2005年的39次大磁暴事件(Dst<-100nT)期间TIEGCM模式和CHAMP卫星大气密度数据.研究结果表明,模式结果与实测数据具有较好的一致性,但仍存在一定的偏差.大气密度及增量与SYM-H指数相关性较好,并且随纬度、光照条件和地磁活动水平变化.模式低估了磁暴期间大气密度的增幅,特别是在地磁活动水平较强时模式与实测的偏差较大.模式的偏差在高纬地区高于低纬地区,日侧高于夜侧.Dst指数越低,偏差越大,而当Dst指数低于-150nT以后,绝对偏差和相对偏差变化不明显.

基于卫星加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式结果的比较研究

利用CHAMP/STAR加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式反演的热层大气密度进行比较,结果表明,热层大气密度在春秋季期间高于冬夏季,并且太阳活动高年比低年更加显著;日照面和阴影区大气密度的比值在低纬地区由太阳活动高年的4下降到太阳活动低年的2左右,中纬地区大约由3变化到1.5,高纬地区变化较小;NRLMSISE-00模式能够较好地模拟热层大气密度的变化趋势,但是磁暴期间模式精度较差.统计结果表明,模式整体比反演结果偏高,2002—2008年相对偏差分别为16.512%,20.004%,18.915%.18.245%,25.161%,33.261%和41.980%;NRLMSISE-00模式在高纬地区的相对偏差为27.337%,高于中低纬地区的24 047%;模式在中等太阳活动水平相对偏差较为稳定,基本在15%左右.

磁暴期间热层大气密度变化

基于CHAMP卫星资料,分析了2002—2008年267个磁暴期间400km高度大气密度变化对季节、地方时与区域的依赖以及时延的统计学特征,得到暴时大气密度变化的一些新特点,主要结论如下：1）两半球大气密度绝对变化（δρa）结果在不同强度磁暴、不同地方时不同.受较强的焦耳加热和背景中性风共同作用,在北半球夏季,中等磁暴过程中夜侧和大磁暴中,夏半球的δρa强于冬半球;由于夏季半球盛行风环流造成的扰动传播速度快,北半球夏季日侧30°附近大气,北（夏）半球到达峰值的时间早于南（冬）半球.而可能受半球不对称背景磁场强度所导致的热层能量输送率影响,北半球夏季强磁暴和中磁暴个例的日侧,南半球δρa强于北半球;春秋季个例中日侧30°附近大气,北半球先于南半球1～2h达到峰值.2）受叠加在背景环流上的暴时经向环流影响,春秋季暴时赤道大气密度达到峰值的时间最短,日/夜侧大气分别在Dstmin后1h和2h达到峰值.至点附近夜侧赤道大气达到峰值时间一致,为Dstmin后3h;不同季节日侧结果不同,在北半球冬季时赤道地区经过更长的时间达到峰值.3）日侧赤道峰值时间距离高纬度峰值时间不受季节影响,为3h左右.在春秋季和北半球冬季夜侧,赤道大气密度先于高纬度达到峰值,且不同纬度大气密度的峰值几乎无差别,表明此时低纬度存在其他加热源起着重要作用。

强地震活动事件期间热层大气密度异常变化的探测结果

地震活动一直是人类非常关注的自然灾害事件,其对热层大气密度的影响还不是非常清楚.2008年5月12日中国四川汶川发生震级8.0级强震事件,随后,在6月14日日本本州东部,7月5日鄂霍次克海和7月19日日本本州东海岸发生震级7.0～7.6级强震事件,利用期间中国星载大气密度探测器在630 km高度上就位探测的热层大气密度对探测结果进行综合分析,结果表明,强地震震源中心区域上空附近热层大气密度出现异常降变.在时间上,强地震发生前1～3天内就已开始出现大气密度降变,强地震发生日附近降变达到谷值,降变比达0.40～0.65.这种降变的纬度区域范围震前位于强震中心所处纬度的±3°～±9°,强震发生当日扩大到±8°～±20°.

中纬热层大气质量密度经向结构差异研究

本文利用CHAMP卫星以及全球电离层-热层模型（GITM）来研究太阳活动低年（2007—2009年）中纬热层大气质量密度（ρ）的经度结构变化.结果如下：（1）ρ存在明显的经度单波结构（单峰和单谷）,且南北半球反相,波峰和波谷随着地方时增加而向东移动;（2）模拟表明离子拖曳效应在ρ结构差异的形成中起到了重要的作用,欧亚地区电子密度经度差异性较弱,不足以影响ρ经度分布,导致该地区ρ经度差异不明显;（3）在磁中纬地区,太阳天顶角的经度差异可达20°~30°,太阳光加热的经度不均匀性是导致ρ经度差异的另一个主要原因.

2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化

在第23至第24太阳活动周的峰年之间,太阳活动谷年具有持续时间长,极低F_(10.7)太阳辐射通量(低至65)和超长期的零太阳黑子数记录等特点,因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会.尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性.本文利用高度650 km以上星载大气密度探测器2007—2009年的连续探测数据进行分析,结果表明,在太阳辐射通量F_(10.7)极低值期间,较高热层大气密度对F_(10.7)的起伏具有更显著的响应变化.当F_(10.7)由70降至65时,日均大气密度会有4～5倍的显著降变,远大于通常大气模式中的降变值.同样在F_(10.7)极低值期间,较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变,当日K_p指数之和由23增至30时,较高热层大气密度则会有80%～160%的强增变.

太阳活动与热层大气密度的相关性研究

为分析太阳活动对热层大气的影响，使用250km，400km，550km高度处热层大气密度与太阳n0．7指数数据，研究了二者的周期变化及相关关系．结果表明，热层大气密度的变化与太阳活动呈现相似的变化趋势；两者均具有显著的27天及11年周期变化特征，热层大气密度还存在7-11天及0．5年和1年的变化特征，且高度越高越明显；热层大气密度对太阳活动的最佳响应滞后为3天，无论何种地磁活动水平下，400km高度处相关性高于250km，550km处相关性最小，且太阳活动下降相期间高于上升相；250km，400km和550km高度处热层大气密度和太阳活动的统计结果分别为饱和、线性和放大关系；高度越高的热层大气密度对太阳活动响应越敏感．

强磁暴期间TIEGCM模式与CHAMP卫星热层大气密度的比较分析

利用NCAR-TIEGCM模式计算了2003年11月20—21日强磁暴期间410km高度上的大气密度，并与CHAMP／STAR加速度计反演数据进行对比和分析．结果表明，模式结果能够准确反映磁暴期间大气密度的分布和变化情况，与实测结果在变化趋势和量级上具有较好的一致性，但在精细结构和数值大小上仍存在一定差异．模式低估了磁暴期间大气密度的增幅，实测大气密度增幅高达250％-400％，而模式结果为100％-125％．模式结果与实测数据的偏差在高纬地区高于低纬地区，日侧高于夜侧．通过模式和实测数据的分析发现，磁暴期间大气密度扰动具有日夜侧和南北半球不对称性．此外，模式能够准确反映磁暴期间大气密度扰动从高纬向低纬的传播以及大气密度对SYM—H指数响应的延迟特性．

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F_(10.7)响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间(1996—2008年)400km高度上的大气密度,并统计分析大气密度对太阳辐射指数F_(10.7)的响应.结果表明,在第23太阳活动周内,大气密度的变化趋势与太阳辐射指数F_(10.7)的变化趋势基本一致,但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数F_(10.7)的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4,而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍,而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与F_(10.7)指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区,太阳辐射高年大气密度与F_(10.7)指数的相关系数比低年的大.不同纬度上,大气密度与太阳辐射指数F_(10.7)的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.

微小型热层大气风场仪能量分析器设计优化

为满足低轨航天器高精度大气阻力分析及热层−电离层耦合机理研究需求,需要开展基于皮纳卫星的热层大气全球组网探测。文章对一种基于平行平板式静电场能量分析器的热层大气风场仪原理进行分析,指出其可获得热层大气沿着和垂直于卫星轨迹的风速,并利用COMSOL多物理场仿真软件对能量分析器进行优化设计,使得离子的能量分辨率和最大通过率分别较优化前提高1倍和1.5倍。

不同强度磁暴期间热层大气密度响应特征分析

利用CHAMP卫星数据,对2002-2008年12个不同强度磁暴事件期间的热层大气密度变化特征进行分析,并研究对应磁暴期间大气模式NRLMSISE-00分布特征.结果表明,大磁暴期间日侧大气密度峰值从高纬到低纬的时间延迟为2 h,中小磁暴期间的延迟时间为3~4h;春秋季暴时大气密度分布基本呈南北对称分布,而夏冬季大气密度的分布是夏半球大于冬半球,春秋季暴时大气密度大于夏冬季;NRLMSISE-00大气模式得到的热层大气密度很好的体现了半球分布以及季节分布的特征,但模式模拟结果偏小;Dst指数峰值比ap指数峰值更能反应大气密度的变化情况.

磁暴期间热层中性大气受热抬升的观测例证

采用AE-D卫星上中性大气数密度的观测资料 ,分析了 1 975年 1 1月内多次磁暴期间热层大气中氦和原子氧与氮分子之数密度比值的变化 .结果表明 ,磁暴对中性大气加热的理论是符合实际情况的 .低热层大气受热抬升使较高高度上的大气中质量较轻成分的数密度相对比例有明显下降 ,而较重成分的百分比则有增加 .与地磁宁静期间相比 ,在 1 40—1 6 0km高度上n(He) /n(N2 )之比值降低了一个数量级 ,而n(Ar) /n(N2 )的增幅则略大于一个数量级 .此比值的变化幅度大小随高度而变 ,但各高度上暴时变化的发展趋势是基本一致的 .

地磁扰动期间热层大气N2数密度异常增变

采用天宫一号轨道大气环境探测器的在轨探测数据,分析了2012年3月和10月地磁扰动期间的热层大气成分数据,对磁暴期间N2异常增变的涨幅、时间、空间特性,低纬地区N2异常增变特点,以及冬夏半球N2异常增变的差异进行探讨,探讨认为:N2数密度的异常增变与地磁扰动及其扰动程度密切相关,增变现象通常出现在夏半球高纬区域上空,磁扰期间所出现的N2数密度异常增变现象与地磁扰动对热层大气加热机理紧密相关.

基于能量衰减法利用CHAMP卫星精密轨道数据反演热层大气密度

利用CHAMP卫星精密轨道数据,使用新的反演方法,即能量衰减法反演了热层大气密度,并将反演结果与加速度计数据反演的大气密度以及经验模式结果对比.主要结论如下:(1)利用卫星精密轨道数据,可以使用能量衰减法反演热层大气密度,其反演结果与半长轴衰减法一致;(2)反演密度的时间间隔与反演精度相关.对于CHAMP卫星,采用20min左右的积分时间较为合适;(3)应用能量衰减法反演密度,可同时对加速度计数据进行标定;(4)使用精密轨道数据反演密度精度与卫星高度、地方时等相关.