高空大气多参数时空分布特性研究

发布时间：2020-06-09 14:50

【摘要】：大气参数时空分布在大气辐射传输计算、光学工程大气影响评估和矫正等方面有着重要的应用价值,研究中高层大气参数的时空分布特性对于确定高空大气的动力学和能量收支以及低轨道卫星的空间环境评估等都具有重要意义。本文在总结了国内外中高层大气参数时空分布研究的基础上,开展了利用长期积累的探空数据集对全球对流层顶结构的时空变化研究,以及利用长期卫星观测数据对临近空间大气温度、臭氧的时空分布研究和热层一氧化氮红外辐射冷却率的全球分布研究。发现了中高层大气参数长期变化的一些新规律,主要研究成果如下:(1)通过对全球海量探空廓线数据的分析研究,我们获得了全球对流层顶高度和温度的时空分布特性和变化趋势。全球对流层顶高度整体抬升率是～220米/十年,而全球对流层顶温度的十年变化率是-0.60K/十年。全球各纬度带的对流层顶高度变化率在纬度分布上呈现“U”型分布。全球各纬度带对流层顶温度都呈现长期变冷的趋势,且对流层顶温度的十年变化率在高纬度比中纬度和低纬度小。研究结果表明高纬度和低纬度间的对流层顶高度之差逐年缩小;而高纬度和低(或中)纬度间的对流层顶温度之差逐年扩大。(2)通过对SABER数据集中温度廓线的分析研究,我们获得了临近空间大气温度在高度和纬度上的分布特性,以及太阳11年周期活动对临近空间各高度层大气温度长期变化趋势的影响情况。临近空间大气温度在南北半球纬度分布上基本是对称的。65km以上大气温度年际变化与太阳11年活动周期是显著相关,且大气温度对太阳活动的响应幅值基本上是随着高度的增加而逐渐递增。中间层顶温度以及对太阳活动的响应值在纬度分布上都呈现“V”型分布;响应值的标准差在纬度分布上呈现“W”型分布,而它们间的相关系数呈现“M”型分布;研究结果表明中间层顶各纬度带温度对太阳活动响应的波动大小取决于它们在该纬度带对应的相关系数大小,相关系数越小,波动幅度越大,反之亦然。(3)通过对SABER数据集中臭氧廓线数据的分析研究,结果显示中间层顶不仅是临近空间大气温度的极小值区域,也是臭氧混合比的极大值区域。SABER观测结果进一步验证了南北两极地区上空臭氧洞的存在,且南极地区臭氧空洞比北极上空的大。临近空间臭氧在纬度带分布上基本是南北半球对称,而其对太阳11年周期活动的响应是南北半球不对称的,尤其在中间层顶区域的响应值基本上从南极地区向北极地区递减。全球中间层顶臭氧的年际变化与太阳辐射、氧原子、大气温度的长期变化是强相关的,而与氢原子的长期变化是不相关的。(4)通过对SABER数据集中NO红外辐射冷却率数据的分析处理,我们给出了 NO辐射冷却率在热层(高度100km～280km,时间2002～2016)的时空变化过程。结果显示NO辐射冷却率以及对太阳和地磁活动的响应幅值在南北半球纬度分布上基本都是对称的,且热层NO冷却率的长期变化在100～225 km高度间和太阳11年周期变化一致;地球的地磁活动对100～190 km高度的NO冷却率年际变化有显著影响。太阳活动和地磁活动对NO红外辐射冷却率变化的影响不同之处主要体现在:在同一高度层太阳活动对NO冷却率的影响是随着纬度的增加而减少,而地磁活动对NO冷却率的影响是随着纬度的增加而增加。该研究首次获得了地球热层的NO冷却率对太阳活动以及地磁活动的响应系数及其随高度和纬度的空间分布规律。
【图文】：

站点探空数据进行了严格的质量控制（Ｄｕｒｒｅｅｔａｌ．，２００６，２００８），并建立了系统每逡逑天自动更新追加新的探空廓线数据，且对全球用户提供免注册免认证的ＦＴＰ在线逡逑数据下载服务。图２．１中星型标注出了邋ＩＧＲＡ中２６５２个探空站点的全球经纬度分布逡逑情况，因为有部分探空站点在可移动船上或浮标上，经纬度不固定，图２．１中没逡逑有标出这些站点。由图可以看出ＩＧＲＡ中的站点覆盖了全球范围，但全球分布不逡逑均匀，其中亚洲、欧洲以及美国的站点较密，南极洲、加拿大以及俄罗斯北部的逡逑站点分布较稀疏。逡逑￣７，－：二逦＾逦！逡逑…＊丨＾逡逑图２．１．邋ＩＧＲＡ中探空站点的全球经纬度分布情况逡逑ＮＣＤＣ目前提供的最新探空数据集版本是ＩＧＲＡ邋２，ＩＧＲＡ邋２版本从２０１６年８月逡逑下旬起从测试状态进入完全运行状态，并替代之前版本ＩＧＲＡ邋１邋（Ｄｕｒｒｅ，邋２０１６）。逡逑而ＩＧＲＡ邋１版本数据现在还在继续提供给全球用户在线下载服务，但是ＩＧＲＡ邋１版逡逑本数据不在提供更新

ＳＡＢＥＲ探测仪大约每５８秒扫描地球大气１次，获取大约１５？２８０千米的大气参逡逑数数据，探测的大气成分主要有大气温度（１５？１１０ｋｍ）、臭氧（２０？１１０ｋｍ）、一氧化逡逑氮红外辐射（１００？２８０ｋｍ）、二氧化碳、原子氧、气辉等。图２．２是ＳＡＢＥＲ探测仪对逡逑全球大气进行连续扫描的示意图（操文祥，２０１２）。ＳＡＢＥＲ绕地球一周约１．６小时，逡逑每天绕地球约１５圈。在每一次轨道运行中，ＳＡＢＥＲ探测仪扫描范围从主半球的逡逑？８３°到副半球的？５３°，大约６０天左右交换一次主副半球（即一个扫描周期），周而逡逑复始，轮流在８３°Ｓ？５３°Ｎ或５３°Ｓ？８３°Ｎ之间进行扫描观测。因此，在５３°Ｎ？８３°Ｎ逡逑和５３°Ｓ？８３°Ｓ的范围内，一年中实际上只有６个月的观测时间有数据。而高于？８４。逡逑纬度范围的两极地区，ＳＡＢＥＲ探测仪是扫描不到的，所以在８４°Ｎ？９０°Ｎ和８４°Ｓ？逡逑９０°Ｓ的范围内没有观测数据。逡逑＿逡逑图２．２．邋ＳＡＢＥＲ探测仪对全球大气进行连续扫描的示意图，，图中扫描周期是５３°Ｓ？８３°Ｎ，实心逡逑箭头代表上升轨道
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P35

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本文编号：2704847