廊坊地区中间层顶钠原子垂直动力学输送特征观测分析

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85~100 km整体为负向,在90~95 km占主要地位的平均输送速度为-3.1 cm·s^-1;重力波化学输送在85~94 km为正向,94~100 km基本为负向,在85~90 km占主要地位的平均输送速度为3.3 cm·s^-1;湍流混合输送在85~95 km为负向,95~100 km为正向,在85~90 km占主要地位的平均输送速度为-4.9 cm·s^-1;85~100 km环流输送整体为正向,平均输送速度为1 cm·s^-1.88~95 km四种动力学输送产生的平均合速度为-1 cm·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.     

AIRS观测的东亚夏季平流层重力波特征

对流性重力波对中层大气环境有显著影响.重力波活动及重力波源的地理和季节性变化等信息是理解和模拟重力波效应的基础.卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS的4μm和15μm波段可用于识别30~40km高度范围和41km高度附近的重力波,其11μm通道可同步观测对流层深对流.观测个例表明,海面和陆面上空的平流层扰动影响范围均可达1000km,不同高度的扰动强度分布也存在差异.基于2007年6月至8月的AIRS观测资料,分析了东亚区域的对流层深对流活动和平流层的重力波,得到了深对流和重力波发生频率的水平分布.统计结果表明,东亚区域夏季夜间的深对流活动明显少于白天,但AIRS观测到的平流层重力波发生频率和扰动强度均显著大于白天,揭示了夜间对流层深对流诱发的平流层重力波在强度、范围等方面可能与白天存在显著差异.进一步对比分析表明,AIRS观测的平流层扰动高值区与深对流高值区明显不同.平流层重力波与对流层深对流之间的相关分析表明,在36°N以南的区域,41km高度上AIRS观测的重力波中,深对流云诱发的重力波的比例约为30%~100%.在10°N至36°N区间,90%的深对流均可诱发平流层重力波.分析得到的30~40km高度区间和41km高度附近的重力波水平分布对比表明,后一高度上的扰动强度明显大于前一高度,且前一高度在东南亚区域存在强扰动中心而在后一高度则没有.最后,给出了AIRS观测的几种典型形态的东亚区域平流层波动,表明了该区域平流层环境波动形态的复杂性和多样性.     

2011年5月26日北京上空TeSL与Es、大气风场的同时观测

本文报道了北京延庆（116.0°E,40.5°N）钠荧光激光雷达在2011年5月26日夜间观测到的一例低热层钠层（lower thermospheric-enhanced sodium layer,TeSL）事例,从数据采集开始到观测结束,该低热层钠层持续存在且不断增强,峰值密度从250 cm^-3增加至1500 cm^-3,峰值高度却从111 km逐渐下降到100 km.同一时间相距28 km的测高仪也观测到了出现在106~117 km的Es层,平均强度4.5 MHz;对流星雷达设备观测到的75~100 km的纬向风风速进行拟合,得到100~125 km的风速,风剪切节点从122 km下降到108 km.Es层和纬向风剪切节点的演化趋势与TeSL事件呈现出极好的相关性.我们计算了离子垂直速度及辐射复合反应的生成率,对钠原子的出现高度和密度做出解释,推测风剪切汇聚的Na⁺与Es层中的电子中和,是形成当日TeSL的主要机制.     

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流（位于~9 km高度）演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟. 事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下. 模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征. 模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象. 分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播. 功率谱分析结果表明盛行波动具有~700 km水平尺度、9~12 h时间尺度以及4~5 km垂直波长. 由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减. 同时,在18~20 km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应. 估算结果表明,在11~20 km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86 m·s^-1·day^-1的动力阻曳.     

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流(位于~9km高度)演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟.事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下.模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征.模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象.分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播.功率谱分析结果表明盛行波动具有~700km水平尺度、9~12h时间尺度以及4~5km垂直波长.由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减.同时,在18~20km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应.估算结果表明,在11~20km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86m·s-1·day-1的动力阻曳.     

重力波与潮汐之间的非线性相互作用

采用二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式, 研究了重力波与潮汐之间的非线性相互作用. 结果表明, 重力波在潮汐背景中传播时, 先后在z = 75~85, z = 90~110和z = 15~130 km 3个高度上发生不稳定. 垂直波长首先由12 km变成27 km左右, 新生成的长波逐渐被压缩并再次生成20 km左右的长波. 长波和短波出现的高度分别对应于反向和同向背景风场区域的高度. 在重力波主要的破碎区域(90~110 km)以上, 仍有部分重力波继续上传. 重力波在上传过程中除了对背景风场加速之外, 还增大了潮汐的振幅, 特别是在重力波发生不稳定之后, 对潮汐振幅的放大作用更加明显.     

利用激光雷达测量重力波三维结构

激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息.     

利用COSMIC RO数据分析青藏高原平流层重力波活动特征

本文利用2006年5月至2013年4月COSMIC干温廓线数据,提取了青藏高原地区大气重力波势能,以此研究了青藏高原大气重力波势能的分布频率模型和大气重力波活动的时空变化特征,并进一步分析了高原大气重力波活动与高原地形、风速和高原大陆热辐射之间的相关性.青藏高原地区大气重力波势能的分布频率服从对数生长分布;青藏高原地区大气重力波在16~18km和28~31km高度较活跃,而在20~26km高度较平静;高原大陆边缘各季节重力波活动均较活跃,而高原大陆上空大气重力波活动呈明显季节性变化,其在冬春季节较活跃,在夏秋季节较平静;2010年冬季青藏高原大气重力波活动异常平静;各季节整个高原上空大气重力波活跃度有随大气高度升高而降低的趋势,高原上低层大气重力波向高层传播会发生耗散作用.地形与风速是影响青藏高原大气重力波活动的重要因素.地形主要影响平流层底部的重力波活动;纬向风比经向风对该地区平流层大气重力波活动的影响大,纬向风总体上会促进高原大气重力波活动.青藏高原大陆热辐射对高原大气的加热作用是导致青藏高原大气重力波活动呈季节性变化的重要因素.     

北极地区低平流层惯性重力波的观测研究

南极地区重力波活动有大量报道,相对而言,北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点（78.9°N,11.9°E）无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据,统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示,月平均纬向风在20 km以下盛行东向风,再随着高度增加,逐渐呈现出半年振荡现象.对流层顶高度在5~13 km范围内变化,其月平均高度显示出年循环,最高出现在夏季,约为10 km,最低出现在冬季,约为8.5 km.对流层和低平流层月平均温度都显示出明显的年周期变化,这与中低纬度观测结果有所不同.结合Lomb-Scargle谱分析和矢端曲线方法,估算了准单色惯性重力波参数.个例研究表明,低平流层惯性重力波呈现出远离源区的自由传播性质.统计结果显示,惯性重力波的水平和垂直波长分别集中在50~450 km和1~4 km范围内,本征频率集中在1~2.5倍惯性频率间,这些值都比中低纬度观测值稍小.垂直方向本征相速度主要集中在-0.3~0 m·s^-1,而纬向和经向本征相速度集中在-40~40 m·s^-1之间.在5年的观测中,大约91.5%的惯性重力波向上传播.在冬季和早春,由于极地平流层极涡活动,激发出向下传播的惯性重力波,因此,向下传播的比例上升到相应月份的20%左右.由于低层大气盛行的东向风的滤波效应,低平流层大部分惯性重力波向西传播.波能量呈现出明显的年周期变化,最大值在冬季、最小值在夏季,与北半球中低纬度观测结果一致,表明北半球重力波活动普遍冬季强、夏季弱.     

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

大功率高频电波加热电离层中参量衰减不稳定性研究(1):数值模拟

参量衰减不稳定性(Parametric Decay Instability,PDI)在大功率高频(High frequency,HF)电波与电离层等离子体相互作用的过程中扮演着十分重要的角色,本文采用广义Zakharov方法对常规的等离子体流体力学方程组进行相应处理后,并在近似实际的电离层背景和电波传播模型下,构建了高频电波加热电离层激发PDI的数值计算模型.模拟结果发现:在毫秒量级的时间尺度上,大功率高频电波在寻常波(Ordinary wave,O波)反射点高度附近激发出了朗缪尔波(Langmuir wave)和离子声波(Ion-Acoustic wave)两种等离子体静电波模,模拟中产生的朗缪尔波和离子声波相应波数为5~11rad·m~(-1),结果与利用色散关系求出的理论值4~7 rad·m~(-1)近似一致,密度扰动幅值从10~6m~(-3)量级指数级增长到了10~(10)m~(-3)量级,直至能显著影响与"低频"密度背景相关的等离子体频率后,出现了等离子体"空穴"结构以及朗缪尔波被"俘获"现象,在扰动空间内的小尺度静电场幅值最高能达到100 V·m~(-1)量级,最终造成一种强烈的局地化"空穴"湍流现象.本文的研究有助于深入理解PDI的物理机制,对研究大功率高频电波与电离层等离子体之间复杂的非线性相互作用也有着非常重要的意义.     

一种基于LEO卫星信标的电离层层析成像新算法

LEO卫星信标是电离层监测的重要手段之一.利用电离层层析成像算法,LEO卫星信标能够实现区域电离层电子密度的快速重构.针对LEO卫星信标的特点,本文提出了一种函数基模型与像素基模型组合的电离层层析成像新算法.选择差分相对电离层总电子含量作为输入数据源,先通过函数基模型法获取电离层电子密度初始分布,再利用像素基模型法对初始分布进行二次迭代重构,该方法可有效降低电离层层析成像对背景电离层模型的依赖,同时能够实现电离层小尺度扰动结构的有效反演.利用数值仿真方法及低纬度电离层层析成像网的实测数据的反演结果验证了本文提出的新算法的可行性和可靠性.     

膨胀地球基本参数的初值及其平均变化率

本文讨论了地球膨胀过程的初始半径R₀、膨胀起始时间t₀以及半径R、转动惯量I、地表重力加速度g和反映地球内部物质分布状态参数y等膨胀基本参数的平均变化率。研究结果表明,在地球的地质年龄之内,地球膨胀的初始半径R₀>4619km,膨胀的起始时间t₀>43.8×10²Ma,膨胀过程中的地球半径R、物质分布状态参数y、转动惯量I、地表重力加速度g和表面积S随时间的平均变化率分别为:dR/dt=4×10^-4m/a,dy/dt=-6.7×10¹²/a,dI/dt=8.49×10²⁷kg·m~2/a,dg/dt=-1.23×10^-10kg·s^-2/a和ds/dt=6.41×10⁴m²/a。地球膨胀过程中的半径平均增长率,是首次用天文学方法研究得出,且该值介于其他作者用古地磁、古地理等方法所求得的地球半径增长率若干数值之间。     

大气污染对北京冬季城市和郊区辐射收支影响的观测分析

近年来城市化和大气污染对辐射收支的影响日益显著.本研究利用2013—2014年中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,采用南郊观象台的能见度资料将观测数据分为清洁天和污染天,并进行类比分析,以1月份为例,研究了北京地区大气污染和城郊差异对辐射收支的影响.结果表明:(1)从月平均值来看,各站污染天入射短波辐射均小于清洁天,衰减最大可达55.8W·m~(-2),直接辐射亦然,衰减最大可达161.1W·m~(-2),散射辐射相反,增加最大值为72.2W·m~(-2);长波辐射污染天大于清洁天,向下向上长波辐射增加最大值分别为85.0 W·m~2和70.0 W·m~(-2),且长波辐射的衰减与污染物浓度和大气温度相关;净辐射白天污染天小于清洁天,夜间相反.(2)从各站的对比可知,大气污染对入射短波辐射的衰减,南部郊区(13.2%)大于北部城区(7.4%),与北京地区"南北两重天"的污染物分布特征一致;且污染物对长短波辐射的影响呈现了从城区到郊区衰减率依次减小的现象.本研究为大气污染与气象条件的相互作用研究提供了观测基础.     

塔里木克拉通形成以来的背景热史研究

塔里木盆地是一个典型大型叠合盆地,发育在太古代-早中元古代的结晶基底之上,具有稳定克拉通性质.现今地表热流为43mW·m^-2,平均地温梯度为21℃·km-1,莫霍面温度为550℃,较低的热流背景值指示塔里木盆地经历了一个长期冷却加厚的过程.然而对于这样一个长期冷却过程,之前的研究都只停留在显生宙阶段,并未获得塔里木显生宙以前的热史.本文以塔里木地区已有的地热数据作为约束,依据地幔动力学模型设置底部边界条件,利用正演拟合的方法,反演出塔里木的背景热史,填补了该区域古生代以前热史研究的空白.结果表明,塔里木克拉通自形成以来背景热流不断降低(由85mW·m^-2降至43mW·m^-2),岩石圈持续加厚(由130km加厚到190km),在长时间尺度下,塔里木克拉通总体的热演化模式为长期冷却加厚,这与世界上其他典型克拉通的热演化规律类似.显生宙以来受到短期局部的构造-热事件影响,塔里木克拉通在长期冷却的趋势下叠加了约20～40mW·m^-2的热扰动.     

基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场

由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪,因此本文基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究. 研究结果表明：第一,基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM）,利用卫星轨道参数（轨道高度250 km、星间距离50 km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001）、关键载荷测量精度（星间距离10^-6 m、星间速度10^-7 m·s^-1、星间加速度10^-10 m·s^-2、轨道位置10^-3 m、轨道速度10^-6 m·s^-1、非保守力10^-11 m·s^-2）、观测时间30天和采样间隔10 s反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为9.331×10^-4 m. 第二,在120阶内,利用将来GRACE Follow-On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍,因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法. 第三,下一代GRACE Follow-On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200~300 km）、载荷精度更高（10^-7 ~10^-9 m·s^-1）和星间距离更短（50~100 km）.     

北京平原区西北部大地热流与深部地温分布特征

北京平原区蕴藏着丰富的中-低温水热型地热资源,其西北部分布着小汤山地热田和京西北地热田,两大地热田以南口—孙河断裂带为界.地热田及其外围地区基础的地热地质研究工作较少.为给地热学研究和地热资源精细勘探提供科学依据,本文基于前人23眼钻孔的温度测量数据以及近期完成的548件热导率和100件放射性生热率实测数据,研究了区域大地热流和0~4 km深部地温特征.结果表明：（1）研究区现今地温梯度为11.31~94.89℃·km^-1,平均值为31.79℃·km^-1;岩石热导率为0.895~5.111 W·（m·K）^-1,放射性生热率为0.257~2.305 μW·m^-3,大地热流为48.1~99.1 mW·m^-2,平均值为68.3 mW·m^-2,热流的分布受基底形态和断裂构造控制.研究区东部南口—孙河断裂带两侧小汤山和郑各庄地区为高热流异常区,中部马池口地区也存在局部高热流异常区.（2）在南口—孙河断裂带的不同位置,不同深度地层温度差异明显,体现出区域现今地温场不只受控于该活动断裂,更是多期次构造事件复合叠加的结果.（3）南口—孙河断裂带南侧存在两处有意义的较高地温异常区,分别为郑各庄异常区和马池口异常区,其中马池口异常区是未来地热开发利用有一定潜力的地区.