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中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

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地球物理学报 2017年第2期60卷 499-506页

作者：巴金胡雄闫召爱郭商勇程永强中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学地球科学学院北京100049

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100km处重力波耗... 详细信息

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10~8m^(-3)m·s^(-1),85~90km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91km处达到了1.40×10~8m^(-3)/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.

关键词：钠荧光多普勒激光雷达大气重力波耗散钠层结构钠原子垂直通量钠原子产生率

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基于碘分子滤波器的大气测温激光雷达的研究

基于碘分子滤波器的大气测温激光雷达的研究

作者：闫召爱中国海洋大学

学位级别：硕士

温度是大气科学研究的基础。为了研究大气温室效应、城市热岛效应、逆温层、地球重力波等问题,需要扩大大气温度测量的范围和手段。对与人类活动有密切关系的对流层大气温度观测尤为重要。本文主要介绍了一种使用碘分子滤波器测量对流... 详细信息

温度是大气科学研究的基础。为了研究大气温室效应、城市热岛效应、逆温层、地球重力波等问题,需要扩大大气温度测量的范围和手段。对与人类活动有密切关系的对流层大气温度观测尤为重要。本文主要介绍了一种使用碘分子滤波器测量对流层大气温度的方法及激光雷达系统。碘分子滤波器被用来滤除大气气溶胶散射信号以及鉴别Cabannes散射谱线宽度。望远镜接收到的信号分成两部分,一部分经过一次滤波器,另一部分经过两次滤波器。这两部分信号都被滤除了气溶胶散射的影响,然而其Cabannes散射信号被吸收的程度不同。因此,根据这两部分信号,可以获得大气温度的信息。基于该思想,对使用碘分子滤波器测量大气温度进行了初步研究。在分析Cabannes散射与温度的关系时,使用了S6模型。该模型比高斯模型更接近于实际情况,是大气温度和压强的函数。根据标准大气参考值,给出了不同高度上的Cabannes散射谱线,并与高斯模型、洛仑兹模型进行了比较。鉴于Cabannes模型的复杂性,本文给出了使用泰勒级数展开的简化方法,以及使用自恰方法同时求解大气的温度和压强。同时分析了使用该方法测量大气温度的灵敏度以及信噪比。测温激光雷达装置是在非相干多普勒测风激光雷达的基础上建立以来的。使用光纤连接各主要接收器件。它证明了基于碘分子滤波器测量大气温度的可行性。其优点在于:该系统不仅可以测量大气的温度,还可以测量大气风场以及大气的气溶胶混合比。总之,本文从Cabannes散射与温度的关系着手,介绍了使用碘分子滤波器测量大气温度的理论,给出了反演温度的方法,分析了测量灵敏度,并建立了激光雷达系统证明了该方法的可行性。

关键词：碘分子滤波器大气温度对流层激光雷达

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钠原子D_2线无多普勒饱和荧光光谱的测量

光学学报 2010年第4期30卷 1036-1040页

作者：闫召爱胡雄郭商勇程永强吴小成中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190 中国科学院研究生院北京100049

建立了用于测量钠原子光谱的无多普勒饱和荧光光谱测量系统。在该系统中使用了线宽约100kHz的窄线宽染料激光器和光电二极管探测器。钠泡温度控制在65℃。两束相向传播的激光束在钠泡中重叠共同激发荧光。光电二极管被放置在钠泡的侧面... 详细信息

建立了用于测量钠原子光谱的无多普勒饱和荧光光谱测量系统。在该系统中使用了线宽约100kHz的窄线宽染料激光器和光电二极管探测器。钠泡温度控制在65℃。两束相向传播的激光束在钠泡中重叠共同激发荧光。光电二极管被放置在钠泡的侧面接收、探测激发的荧光。LabVIEW软件控制的数据采集卡采集光电二极管的信号。通过扫描染料激光器的激光频率,可以观测到钠原子的无多普勒特征D_(2a),交叉共振以及D_(2b)。当激光频率扫描的步长约为2 MHz时,在实验中观测到了D_(2a)中的三条谱线。

关键词：光谱学超精细光谱饱和荧光钠原子

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一种全球临近空间大气密度建模方法及应用

北京航空航天大学学报 2020年第12期46卷 2227-2235页

作者：程旋肖存英杨钧烽胡雄闫召爱柳丹中国科学院国家空间科学中心空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 北京师范大学天文系北京100875 中国科学院大学北京100049

基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20~100 km大气密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对偏差,分析了USSA76相对偏差的分布特征。... 详细信息

基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20~100 km大气密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对偏差,分析了USSA76相对偏差的分布特征。以网格数据为驱动,将大气密度表征为平均值与大尺度扰动量和小尺度扰动量的加和,大尺度扰动和小尺度扰动分别采用余弦函数和一阶自回归模型表征,初步建立了全球临近空间大气密度模型。通过对比模型仿真值与激光雷达观测值,表明模型仿真值与观测值具有较好的吻合度,验证了建模方法的可行性。利用蒙特卡罗方法可再现给定轨迹上所有可能的大气状态。

关键词：临近空间大气密度建模仿真应用

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临近空间38°N大气密度特性及建模技术

北京航空航天大学学报 2017年第9期43卷 1757-1765页

作者：肖存英胡雄杨钧烽闫召爱刘涛程旋中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049

针对临近空间大气环境复杂时空变化的定量表征和仿真建模,基于11年TIMED/SABER大气密度数据,采用网格划分和数学统计的方法,得到了38°N大气密度在20~100 km的气候平均值和标准差。定量结果用于表征和分析了静态缓变气候平均态以及动态... 详细信息

针对临近空间大气环境复杂时空变化的定量表征和仿真建模,基于11年TIMED/SABER大气密度数据,采用网格划分和数学统计的方法,得到了38°N大气密度在20~100 km的气候平均值和标准差。定量结果用于表征和分析了静态缓变气候平均态以及动态瞬变大气扰动态的变化规律,结果表明,38°N大气平均密度随高度、季节、经度变化显著。在此基础上,提出了临近空间大气密度表征为气候平均量和大气扰动量之和的建模方法,并建立了大气随机扰动自回归模型,通过仿真试验及与激光雷达大气密度实测数据的比较,结果表明该建模方法可行。

关键词：临近空间大气密度飞行器仿真建模

临近空间飞行平台青藏高原大气NO_(x)原位观测实验

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科学通报 2022年第27期67卷 3348-3356页

作者：王馨悦杜丹闫召爱张爱兵胡雄中国科学院国家空间科学中心北京100190 空间环境探测重点实验室北京100190 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国气象局空间天气重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京100081 中国科学院大学北京100049

大气NO_(x)气体分析仪是中国科学院战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”“太阳风暴在临近空间环境的响应”任务的主载荷之一,是我国自主研发的原位探测临近空间大气NO_(x)的载荷,并已成功测量临近空间高空气球飞行路径NO、NO_(2... 详细信息

大气NO_(x)气体分析仪是中国科学院战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”“太阳风暴在临近空间环境的响应”任务的主载荷之一,是我国自主研发的原位探测临近空间大气NO_(x)的载荷,并已成功测量临近空间高空气球飞行路径NO、NO_(2)、NO_(x)混合比.分析仪基于可见-紫外光谱吸收法原理,用动态流导法将飞行路径上1×103~1×10^(5) Pa的自然大气压缩至8×10^(4)~1×10^(5) Pa,构建了长期稳定的常压工作环境,把商用氮氧化物光谱仪的适用范围从地表拓展到高空.2019和2020年夏季,中纬度青藏高原大柴旦地区开展的两次高空气球科学实验均搭载了大气NO_(x)气体分析仪,实现了对流层5 km到平流层30 km大气NO_(x)的原位测量,并获取了青藏高原上空NO、NO_(2)、NO_(x)混合比的科学探测数据.

关键词：大气NO_(x)气体分析仪临近空间NO_(x)原位探测临近空间科学实验系统高空气球科学实验青藏高原

基于CO_(2)测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

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空间科学学报 2021年第6期41卷 905-910页

作者：张炳炎闫召爱郭文杰胡雄中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO_(2)观测数据,分析CO_(2)浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO_(2)浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO_(2)浓度数据分别进行拟合,生成... 详细信息

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO_(2)观测数据,分析CO_(2)浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO_(2)浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO_(2)浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO_(2)浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.

关键词：大气辐射传输红外辐射 CO_(2)浓度

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大气重力波引起的偶发钠层研究

红外与激光工程 2016年第10期45卷 93-98页

作者：程永强胡雄闫召爱郭商勇王博中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049

利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站(廊坊,39°N,116°E)的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层(SSL)进行了研究。首先从大气重力波方程出发,计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之... 详细信息

利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站(廊坊,39°N,116°E)的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层(SSL)进行了研究。首先从大气重力波方程出发,计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之间的相位关系;其次利用了钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的实测数据对大气重力波引起的偶发钠层进行了分析研究;经研究分析可知,由于大气重力波引起强的水平风切变和垂直风场风向反转的共同作用,其堆积效应使得钠原子密度增强,形成了偶发钠层。

关键词：钠荧光多普勒激光雷达流星雷达大气重力波偶发钠层

廊坊地区中间层顶钠原子垂直动力学输送特征观测分析

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地球物理学报 2018年第2期61卷 449-457页

作者：巴金胡雄闫召爱郭商勇程永强杨钧烽中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学地球科学学院北京100049 中国科学院空间应用工程与技术中心北京100094 中国科学院大学北京100049

利用中科院国家空间科学中心廊坊观测站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达观测数据对钠原子的重力波输送和湍流输送进行分析,利用流星雷达观测数据对钠原子的环流输送进行分析,结果显示重力波动力学输送、重力波化学输送、湍流混... 详细信息

利用中科院国家空间科学中心廊坊观测站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达观测数据对钠原子的重力波输送和湍流输送进行分析,利用流星雷达观测数据对钠原子的环流输送进行分析,结果显示重力波动力学输送、重力波化学输送、湍流混合输送及环流输送对钠原子输送贡献的量级相当.其中重力波动力学输送在85~100km整体为负向,在90~95km占主要地位的平均输送速度为-3.1cm·s^(-1);重力波化学输送在85~94km为正向,94~100km基本为负向,在85~90km占主要地位的平均输送速度为3.3cm·s^(-1);湍流混合输送在85~95km为负向,95~100km为正向,在85~90km占主要地位的平均输送速度为-4.9cm·s^(-1);85~100km环流输送整体为正向,平均输送速度为1cm·s^(-1).88~95km四种动力学输送产生的平均合速度为-1cm·s^(-1),负向的垂直输送特征对钠原子"源""汇"平衡十分重要.本文结果可为不同大气圈层之间重力波产生的能量物质交换机制研究和圈层之间的耦合过程研究提供观测事实参考,为大气化学成分的垂直输送机制建模提供参数化依据.

关键词：钠原子重力波动力学输送化学输送湍流混合输送环流输送