大气空间和季节性气候特征对RLV升力式再入飞行的影响

为提升重复使用运载器(RLV)竞争力精细化设计边界,在融合3颗卫星载荷采集的大气数据基础上,采用大/小尺度扰动分别建模的方法,建立了沿RLV再入飞行轨道的全域参考大气模型,开展了大气密度空间性和季节性(1月、4月、7月和10月)气候变化对跟踪RLV高纬度升力式再入标准轨道的影响分析。结果显示季节性和轨道空间性变化带来的大气密度偏差特性和散布特性,会强烈影响跟踪标准轨道的终端分布特征。这表明引入大气参考模型可以提升RLV性能,降低运行成本。

基于三维曲面Spline模型研究中国不同地区的磁场分布

利用地面台站以及子午工程测点,CHAMP卫星实测数据,建立了中国地区主磁场的三维曲面Spline(3DSS)模型。基于该模型进行了我国的高原地区(青藏高原28°N-38°N,78°E-102°E)、平原地区(长江中下游平原27°N-34°N,111°E-122°E)以及海洋地区(东海和南海部分区域16°N-30°N,123°E-136°E)的磁场模拟。分别基于高原及平原的实测数据建立了各自的3DSS模型。另外分别建立了对应的二维Taylor(2DTY)、三维Taylor多项式(3DTY)模型以比较验证。建模时考虑了所有测点的场源移除、地面及卫星数据间的数据真空、边界效应等问题。为了考察模型相对于实测值的模拟精度,对三个地区分别选取若干个测点不参与建模,将所建模型分别模拟这些测点,并计算残差、变化率及均方根偏差(RMSE)。结果显示无论是全国3DSS模型还是小区域3DSS模型,其变化率除了Y分量略大,其余分量都在1%以内,模拟精度均要好于2DTY和3DTY模型。小区域(高原及平原)3DSS模型能较好反映区域磁场分布。模型对高原的拟合最好,平原次之,海洋地区最差,说明3DSS模型不需要太多的测点即可完成建模,但建模精度依赖于测点的数量及分布。

天气尺度到气候尺度太阳风变速对中高纬大气环流的影响

通过对冬季太阳风短时(天气尺度)降速与北大西洋涛动和北极涛动等北半球中高纬度环流指数的时序重叠分析,结合对1963年以来48个冬季太阳风平均速度与北极涛动等指数的相关分析发现,从短时太阳风降速到向亚极光带沉降的辐射带高能电子通量显著下降,北极涛动也有迅速的响应,这预示着从太阳风到大气环流存在天气尺度的短时关系链,在这一时间尺度现有理论中仅有"空间粒子-大气电-云微物理"联系机制能较好地解释;太阳风速度与北极涛动的正相关信号在气候尺度上也有显著体现,太阳风可能通过高能电子沉降与北半球冬季中高纬度环流相联系,这表明太阳风通过大气电-云微物理过程驱动的过程是太阳活动影响气候变化的不可忽视的途径;开展太阳风起源、空间环境与大气(环流、电场)和地磁系统的联合观测及数值模拟是揭示日地天气与气候联系的重要研究内容之一.

月球南极尘埃等离子体环境特性

由于缺少大气和全球性磁场的保护,空间等离子体环境可直接作用于月球表面的月壤层,月壤中较小粒径的月尘带电后会在月面附近形成复杂的尘埃等离子体环境,影响探月任务的顺利实施.针对月球南极尘埃等离子体环境,本文利用SPIS(spacecraft plasma interactions software)软件,仿真研究了月球南极0—200 m高度范围的等离子体和月尘的空间分布情况及月面充电特性,揭示了月面附近尘埃等离子体环境特征及悬浮在月面附近的带电月尘对等离子体环境的影响.仿真结果与Apollo探测数据和Popel团队的理论数据吻合.研究结果:表明空间电位随着高度升高而增加,月球南极附近0—10 m电位约为–40 V,在100 m处空间电位约为–20 V;在10 m以下高度范围内月尘密度为10^(7.22)—10^(4.66) m^(–3);月表附近尘埃等离子体中的电子密度为10^(5.47) m^(–3),离子密度为10^(6.07) m–3,并随着高度升高而增大;带电月尘会影响月尘的空间分布,主要是通过影响空间电场的分布,进而导致电子分布差异,对离子的影响不大.

海口中层大气温度变化特性的Rayleigh激光雷达观测研究

中层大气温度变化的探测与研究是当前气候变化研究课题的一个组成部分,本文基于海南激光雷达2010—2020年间的长期观测,通过对中层大气Rayleigh散射信号的反演,探讨了海口(19.9°N,110.3°E)上空中层大气(32~64 km)温度变化特性.研究结果显示,中层大气温度呈周期性变化趋势,年、半年、季节变化幅度最大值分别为6.0、3.8、1.7 K,平流层顶位于42~51 km高度,日平均温度最高为~262 K.平流层温度主要表现为年变化趋势,半年和季节变化不明显;平流层顶和低中间层温度变化趋势具有年和半年变化特征,季节变化不明显.在太阳活动性发生明显变化的周期里,平流层顶温度的年际变化趋势对辐射通量F10.7指数变化有较明显的响应;而在太阳活动平静的年份里,温度变化趋势与太阳辐射通量变化的相关性不明显.

深度学习模型中间层特征压缩技术综述

深度学习模型中间层特征压缩作为深度学习领域中一个新兴的研究热点被广泛关注并应用于边端—云端智能协同任务中。针对深度学习模型中间层特征压缩的研究现状,对当前压缩方式中存在的问题进行分析总结。首先,系统地分类阐述了基于图像/视频编解码框架、基于特征通道比特分配和基于深度学习网络结构的三种深度学习模型中间层特征压缩方式;随后,对比了三种深度学习模型中间层特征压缩方式在数据集上的表现;最后,探讨了当前深度学习模型中间层特征压缩研究面临的挑战,展望了中间层特征压缩技术未来的发展趋势。

基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率

利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据,对2018年3月至2019年11月期间两部雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征进行了对比分析。比较了在地磁平静期(Kp<3)和地磁扰动期(Kp>3)的不规则体回波发生率变化特征,分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45°-64°MLAT范围内普遍存在,其中55°-64°MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45°-54°MLAT的地区,除了春秋分季外,地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。

第23太阳活动周期太阳风参数及地磁指数的统计分析

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region,简称CIR)是造成日地空间行星际扰动和地磁扰动的两个主要原因,提供了地球磁暴的主要驱动力,进而显著影响地球空间环境.为深入研究太阳风活动及受其主导影响的地磁活动的时间分布特征,本文对大量太阳风参数及地磁活动指数的数据进行了详细分析.首先,采用由NASA OMNIWeb提供的太阳风参数及地磁活动指数的公开数据,通过自主编写matlab程序对第23太阳活动周期(1996-01-01—2008-12-31)的数据包括行星际磁场Bz分量、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压等重要太阳风参数及Dst指数、AE指数、Kp指数等主要的地磁指数进行统计分析,建立了包括269个CME事件和456个CIR事件列表的数据库.采用事例分析法和时间序列叠加法分别对两类太阳活动的四个重要太阳风参数(IMF Bz、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压)和三个主要地磁指数(Dst、AE、Kp)进行统计分析,并研究了其统计特征.其次,根据Dst指数最小值确定了第23太阳活动周期内的355个孤立地磁暴事件,并以Dst指数最小值为标准将这些磁暴进一步分类为145个弱磁暴、123个中等磁暴、70个强磁暴、12个剧烈磁暴和5个巨大磁暴.最后,采用时间序列叠加法对不同强度磁暴的太阳风参数和地磁指数进行统计分析.统计分析表明,对于CME事件,Nsw/Pdyn(Nsw表示太阳风质子密度,Pdyn表示太阳风动压)线性拟合斜率一般为正;对于CIR事件,Nsw/Pdyn线性拟合斜率一般为负,这可作为辨别CME和CIR事件的一种有效方法.从平均意义上讲,相较于CIR事件,CME事件有更大的南向IMF Bz分量、太阳风动压Pdyn、AE指数、Kp指数以及更小的Dstmin.一般情况下,CME事件有更大的可能性驱动极强地磁暴.总体而言,对于不同强度的地磁暴,Dst指数的变化呈现出一定的相似性,但随着地磁暴强度的增强,Dst指数衰减的速度变快.CME和CIR事件以及其各自驱动的地磁暴事件有着很多不同,因此,需要将CME事件驱动的磁暴及CIR事件驱动的磁暴分开研究.建立CME、CIR事件及地磁暴的数据库以及获取的统计分析结果,将为深入研究地球磁层等离子体片、辐射带及环电流对太阳活动的响应特征提供有利的帮助.

基于CHAMP卫星的区域卫星磁异常球冠谐分析（英文）

基于CHAMP卫星的矢量磁测数据,结合最新的IGRF12模型,并假设所有CHAMP卫星的网格测点位于同一高度(307.69km),基于498个测点,建立了2010.0年中国地区要素X、Y、Z和总强度F的卫星磁异常球冠谐(SCH2010)模型,建模前利用CM4模型移除了外源场。模型极点位于36°N和104°E,球冠半角为30°。通过比较△X、△Y、△Z以及X、Y、Z的均方偏差(RMS)的数值变化,确定截断阶数Kmax=9为合适的截断阶数。结合IGRF12所建立的卫星高度的中国地磁参考场(CGRF2010)模型与CM4模型具有较好的一致性,分析比较了基于SCH2010模型与类似磁异常模型的地面磁异常分布,发现各要素磁异常的强度与分布高度一致。通过比较F在不同高度处的磁场分布,发现SCH2010模型在不同高度的估算都符合地磁场的变化规律。比较发现SCH2010与CM4模型的空间变化率一致性较好。所建模型相较于其它区域拟合模型而言,可反映地磁场的更多细节,但球冠谐模型本身及建模过程为两个误差源。

中国不同纬度背景Na层夜间和季节变化特征的激光雷达研究

基于子午工程的北京、合肥和海南三个Na荧光激光雷达对中国不同纬度上空夜间背景Na层的长期观测,分析了我国沿东经120°N上空Na层的夜间变化和季节变化特征.对照2010年12月17日夜间三个雷达站的观测结果,发现三个地方Na层的夜间变化并不具有相关性.Na层长期变化的年加半年变化拟合结果显示,北京和合肥上空Na层柱密度具有明显的年变化特点,而海南上空Na层柱密度的半年变化特征更明显;Na层的质心高度和RMS宽度具有明显的半年变化特点,但海南地区Na层的RMS宽度的长期变化不具有半年变化特征.Na层参数的统计和对照显示,Na层柱密度的季节变化与大气温度季节变化相关,在冬季最大,在夏季最小.Na层柱密度随纬度升高而增大,同时年变化性逐渐增强;质心高度随纬度变化趋势不明显,但三个地方Na层质心高度的长期变化都具有较明显的半年变化特征;在各个月份中,北京地区Na层RMS宽度最大,合肥地区Na层RMS宽度最小,海南地区居中.

北京上空中层顶区域重力波参数关系的激光雷达研究

基于子午工程项目北京钠激光雷达的长期观测数据(2010年4月到2011年9月),采用Yang等人(2008)的重力波参数提取方法,提取了在253个夜晚2 208 h的有效观测时间里出现的162个钠层单色重力波的垂直波长、周期、幅度值和幅度增长因子参数值。统计分析显示激光雷达所观测到的中层顶区域重力波具有系统性的参数关系,λz=0.226T0.530ob、KE=6.66×10-10k-3.091z和KE=8.97×10-6×f-1.696ob。这些实验观测结果验证了Gardner(1994)扩散滤波理论的结果,但同时发现仅认为波致涡流扩散是重力波衰减的主要途径是不完全正确的,其它因素引起的衰减在重力波的饱和和耗散机制中也起到了重要作用。

电离层掩星反演的变分同化方法

电离层掩星数据反演的传统方法是Abel反演法及其改进方法,而实际电离层的非球对称给电离层电子密度反演带来误差.本文研究了在气象领域广泛应用的变分同化方法在掩星数据反演电离层电子密度廓线的可行性,利用IRI和Nequick模型模拟掩星真值场和背景场进行数值模拟反演,并与Abel反演法反演结果进行对比.结果表明,变分同化反演方法能够有效综合模式和观测数据,使得反演结果精度较高;与Abel反演法相比,反演的电子密度廓线F2层峰值浓度误差在10%以下,而Abel反演法在20%～30%之间;而且变分同化反演法对误差扰动有较好的过滤性,因此实用性较强.

昆明平流层-对流层雷达系统及初步探测结果

基于昆明站（25.6°N,103.8°E）ST雷达近一年的风场观测结果给出了5～22.1km高度范围内风场的季节变化特征及利用镜面反射方法和雷达回波功率数据估测了对流层顶的高度.结果显示：17 km是平均风特征发生变化的高度,即17 km以下夏季为西向风和南向风,其他季节为东向风和北向风,而17 km以上纬向风几乎全年盛行东向风,经向风变化则更为复杂,且二者与HWM07模式结果的变化特征不完全一致.估测得到的昆明上空对流层顶高度范围是14～17.6 km,由此推测对流层中强烈的对流活动很可能是形成平均风场该特征的主要原因.

伴随着高速流的磁尾电流片拍动观测研究

磁尾电流片在磁尾动力学过程中起着重要作用.卫星观测表明磁尾电流片经常处于拍动状态.但磁尾电流片拍动的特性和产生机制至今仍然没有被完全弄清楚.本文主要利用欧洲空间局Cluster卫星数据,研究一个伴随高速离子流的电流片拍动事件.该电流片拍动事件具有很强的周期性.拍动的周期约是2min,磁场振荡幅度约为20nT.能量电子和离子的通量具有周期性增强和减弱的特征.电流密度X和Y分量也具有周期性的振荡,并且振荡周期与磁场振荡周期一致.通过对粒子流速矢量与电流矢量的分析,发现粒子运动具有涡旋的特征.因此可以推断,该磁尾电流片的拍动不是由磁尾等离子体片高速流产生的,而是与局地等离子体不稳定性有关.

基于Rayleigh激光雷达实验观测的中层大气温度反演与重力波事件识别

基于子午工程激光雷达的大气Rayleigh散射实验观测数据,开展了中层(30~65 km)大气温度结构反演计算和大气重力波事件识别的研究工作。在Chanin-Hauchecorne大气温度反演方法的基础上,采用SABER/TIMED、COSMIC卫星测量数据的对照分析方法,提高了中层大气温度结构反演的准确性;采用小波分析方法提取温度扰动的主要波动成分,并计算重力波活动的垂直波数谱F_(a)(m)和时间频率谱F_(a)(ω),增强了重力波事件识别以及特征参数提取的可靠性。基于设计的数据分析流程,完成了2011—2013年海南激光雷达站观测数据的分析工作,提取202个中层大气重力波事件的特征垂直波长λ_(z)^(*)和特征周期T_(ob)^(*)。统计分析结果显示,海口上空中层大气常见重力波的特征垂直波长为5~9 km,特征周期为5~13 h。该数据分析方法能满足Rayleigh激光雷达对中层大气温度结构精确探测以及重力波活动特性观测研究的需要,可为子午工程激光雷达观测数据的广泛应用提供服务。

基于三维Taylor多项式和曲面Spline模型的区域磁异常场研究（英文）

使用三维Taylor多项式模型,结合曲面Spline模型以及1960.0、1970.0、1980.0、1990.0和2000.0年的实测三要素数据以研究中国大陆地区的地磁异常场。为了获取较为真实可靠的磁异常场,从实测数据中移除了主磁场和电离层磁场和磁层磁场的感应场部分。将两种模型所得到的磁异常与基于实测点和Kriging插值法得到的磁异常相比较。通过将所有测点归算至2000.0年以研究磁异常的整体分布情况。结果显示无论分布还是强度,基于曲面Spline模型和基于Kriging插值法的总强度F的磁异常基本相似。对于整体分布而言,地磁要素X、Y、Z和F的磁异常分布都以负值为主。基于三维模型的磁异常显示随着经度的增加,要素X的强度由-100增加到0nT左右,要素Y的强度从400降低到20nT左右,大陆东部地区基本为负值。要素Z和F的强度变化非常相似,大部分地区都为-50nT左右,西藏西部有一更强的负异常区域。Spline模型可以更好地反映磁异常细节,而实测点的分布不均会产生一些较大的磁异常。考虑了高度因素的三维模型可进行更好的模拟,其与Kriging方法所建的磁异常分布较为一致。

钠层密度翻转现象的激光雷达观测与研究

基于国家子午工程项目钠激光雷达的长期观测数据, 统计分析了北京和海南两地出现的钠层密度翻转现象，发现这种现象往往出现在钠层的下部，宽度在2~7 km范围，持续时间约为2~8 h。观测结果显示，钠层密度翻转结构的出现常伴随着大尺度重力波的传播活动，且钠层密度翻转的消失过程也和较大尺度重力波的破碎过程有较好的对应关系。这表明，除风剪切和自身动力学不稳定因素外，大尺度和小尺度重力波相互作用引起的垂直对流不稳定效应可能是大尺度重力波破碎的另一个重要原因。

冷锋期间武汉MST雷达低平流层回波异常现象

武汉MST雷达是中国子午工程建设的两台中高层大气无线电探测雷达之一.该雷达探测频率在VHF频段,雷达回波在低平流层和对流层上部具有角谱特性,可为研究大气动态稳定性提供有效技术手段.本文利用武汉MST雷达2016年4月17日冷锋活动期间及平静天气的角谱实验数据,从雷达回波特性变化、风场空间分布、湍流生成机制以及内重力波影响四个方面分析并解释了MST雷达对流层顶上部区域出现持续异常强回波带的成因.分析结果表明,对流层冷锋的强对流作用诱发内重力波,内重力波向上传播至低平流层后受增强的剪切急流影响发生耗散甚至破碎,激励了长时间跨度的K-H不稳定性,进而导致水平反射层结构发生扰动生成湍流,使得雷达回波结构发生变化.

高层大气探测激光雷达研究进展

大气探测激光雷达利用激光与大气的相互作用来主动遥感测量大气参数,在大气科学研究、环境监测、气象预报等领域发挥着越来越重要的作用。大气密度随高度呈指数下降,对流层以上的高层大气密度稀薄,探测难度较高,探测手段较少,探测数据也较少。随着激光雷达技术的发展,激光雷达对高层大气密度、温度、风场等参数的探测能力逐步提高,获得了较为丰富的高时间、空间分辨的观测数据,并应用于中高层大气模式发展、临近空间环境保障等领域。系统地介绍了高层大气激光雷达探测机制、国内相关激光雷达的探测能力及台站建设情况,并对高层激光雷达的发展趋势和应用前景进行了展望。

自主火星探测高集成离子与中性粒子分析仪

小型化、高集成化是深空探测载荷发展的主要趋势。在我国自主火星探测计划中,设计了一种高集成化的火星离子与中性粒子分析仪。采用从传感器到电子学进行最大限度共用的设计思路,在一台仪器中实现对离子和能量中性原子进行能量、方向和成分的探测,大大降低了仪器对卫星平台的资源需求。仪器采取静电分析进行离子的方向和能量测量、采取飞行时间方法进行离子成分的测量。中性原子采用电离板电离成带电离子,后端的能量测量和成分测量与离子相同。鉴定件样机已经完成了初步的测试定标,结果表明其满足设计要求。