Fabry-Perot干涉仪探测热层大气风场数据分析

发布时间：2020-09-10 08:58

　　热层是地球大气层中的一层,由于受到太阳辐射、重力波和各种超高速带电粒子流等外界能量的共同作用,热层中存在着复杂的耦合过程和动力学过程。热层大气风场是用来研究热层特性的一个重要参量,但相比于其他大气参量的广泛研究,热层大气风场的研究则相对较少。本文对热层大气风场的国内外发展状况进行了概括,并对热层大气风场探测手段之一的法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)的基本测量原理以及扫描式FPI和全天空式FPI设备结构、图像数据处理和水平风场反演算法进行了说明。基于武汉大学自主研发的扫描式FPI和全空式FPI采集到的有效风场数据,对热层大气风场进行统计分析,并简单分析了太阳辐射、地磁活动和离子拖曳等方面对热层中性风场的影响。根据2016年间廊坊站扫描式FPI对OI557.7nm观测的数据为基础,以14:00UT-20:00UT为统计分析时段,分别从风场的月变化特征、季节变化特征对热层水平风场进行分析,并都与同时段的HWM07水平风场经验模式进行对比。分析表明:(1)经向风场在1月、2月、10月、12月以南向风为主,其他月份的风场则是从南向风转为北向风;纬向风场在大部分的月份呈东向风,所有风速幅值均不超过30m/s。(2)热层风场随着季节的变换也表现出不同的形态。在与2013-2015年廊坊站风场特征对比时也有较好的相似性。根据北极黄河站全天空式FPI在2014年至2017年越冬期间对OI557.7nm观测的数据为基础,以北向水平风和东向水平风的形式分别统计分析了热层水平风场。结果表明在在大部分的统计天数内,热层水平风场变化都较为平稳,风场特征具有长时间的一致性,风速幅值都基本在100m/s以内。在个别月份如2015年12月的水平风场无论在北向还是东向均在12月12日前后发生了剧烈变化;2016年12月25日和26日的风场行为比前后时间表现的更为突出,风速幅值最高达到152m/s;2017年1月的北向水平风和东向水平风在所有统计天数内均表现的都非常剧烈。本文选取夏至日和冬至日前后三天的风场数据来分析太阳辐射对中纬度地区热层中性风场的影响;以2016年12月25日和12月26日的水平风场行为特征来分析地磁活动对高纬度地区热层中性风场的影响;以极光亚暴事件为背景,结合EISCAT雷达和SuperDARN给出的离子漂移速度数据来分析离子拖曳对热层中性风场的影响。结果表明日照辐射对于中纬度地区的热层风场有显著的影响;在地磁活跃期产生极光亚暴的情况时,风速变化剧烈且往往风速是垂直于极光弧的;由带电粒子和中性粒子碰撞耦合而产生的离子拖曳对热层中性风场的变化有不小的影响。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK81
【部分图文】：

年平均,纬向风,经向风,不同高度

逡逑区域上空中间层和低热层水平风场的平均变化特征。图１．２为１９９９－２０００两年的逡逑年平均经、纬向风场。其中实线表示纬向风场，虚线代表经向风场，炜向以东逡逑为正，经向以北为正。逡逑Ａｎｎｕｄ邋Ｍｅａｎ邋ｗｉｎｄｓ邋ａｔ邋Ｐｏｋｅｒ邋Ｆｌａｔ邋，逦￣逦￣逡逑脚－sE逦ｉｔ：口逡逑＿逦Ｍｅｒｉｄｉｃｘｖ＾邋（１９９９）逡逑ＩＣＫ＾－逦－￣Ｊｋ－邋ＭｅＪｉｄｌｏｒ＾邋（２０００）逡逑ｔ邋％逦、逦逦逦逡逑Ａ邋９逡逑４邋Ａ＇邋＾逡逑？９０逡逑Ａ－逡逑ｔ邋／邋；＇逦Ｔ：；逡逑１邋１邋＼邋ｕ逡逑＇Ｏ逦▲逦失－逡逑＂、．Ｉ逡逑Ａ邋＾逡逑Ａ＊邋６ｂ＾逦、、逡逑；逦１邋ｉ逦１邋Ｉ邋！逦！逦１邋ｉ逦＇逦＇逦＿＋逦＇逦１邋ｉ逡逑－１５逦－１０逦－ＳＯ逦５逦１０逦１５逦２０逡逑Ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋（ｍ／ｓ）逡逑图１．２邋１９９９－２０００年不同高度下的年平均经、纬向风逡逑由图１．２可以看到，年平均经向风场在所有高度下都基本为南向风，１９９９逡逑年平均纬向风在６８ｋｍ－８８ｋｍ范围内为西向风，在６８ｋｍ以下和８８ｋｍ以上的范逡逑围为东向风，２０００年平均纬向风在６０ｋｍ－９０ｋｍ范围内为西向风，在６０ｋｍ以下逡逑和９０ｋｍ以上的范围为东向风。逡逑２００６年，Ｙｕ．Ｉ．Ｐｏｒｔｎｙａｇｉｎ等利用位于德国、俄罗斯和加拿大的三个观测站逡逑采集的数据分析了中纬度热层／低热层风场［２２］。借助１９９６－２００４年间的数据

纬向风,雷达,模式,年平均

干涉图像,风场,热层大气,实物

年成功研制出国内首台车载双通道扫描式ＦＰＩ，且成功同时观测到ＯＩ５５７．７ｎｍ逡逑和ＯＩ６３０．０ｎｍ两个波段的气辉辐射并获得对应的干涉图像，并在２０１１年研制出逡逑全天空式ＦＰＩ，并送往北极展开对高纬度地区热层风场的越冬观测［３８４（）］。图１．５逡逑为武汉大学自制扫描式ＦＰＩ与全天空式ＦＰＩ实物图。逡逑．＾邋ｗｍ逡逑图１．５扫描式ＦＰＩ邋（左）和全天空式ＦＰＩ邋（右）实物图逡逑风场统计分析也是热层大气风场研究的重要一部分，我国在此方面也做了逡逑大量的研究。２００５年，张冬Zm等人［４１］利用武汉和日本两地的中频雷达探测数据逡逑对北yN３０°Ｎ地区中高层大气风场进行了分析，结果表明经、纬向平均风场具有逡逑明显的季节性变化特征。２０１０年中科院空间中心从国外引进了一台三通道扫描逡逑式ＦＰＩ用来探测辐射高度为８７，８９和２５０ｋｍ的ＯＨ８９２．０ｎｍ，邋ＯＩ５５７．７ｎｍ，和逡逑ＯＩ６３０．０ｎｍ的气辉，袁椌等［４２］利用该ＦＨ观测得到４月５日－５月１２日期间的数逡逑据处理得到了相应区域内的经、纬向风场数据，并与水平风场经验模式ＨＷＭ９３逡逑输出的风场数据相比较，结果如图１．６所示。可以看到观测的ＯＨ８９２．０ｎｍ和逡逑ＯＩ５５７．７ｎｍ气辉风场数据在风速和风向的变化上与ＨＷＭ９３模式之间有较好的逡逑一致性

【参考文献】