【摘要】：大氣參數(shù)時空分布在大氣輻射傳輸計算、光學(xué)工程大氣影響評估和矯正等方面有著重要的應(yīng)用價值,研究中高層大氣參數(shù)的時空分布特性對于確定高空大氣的動力學(xué)和能量收支以及低軌道衛(wèi)星的空間環(huán)境評估等都具有重要意義。本文在總結(jié)了國內(nèi)外中高層大氣參數(shù)時空分布研究的基礎(chǔ)上,開展了利用長期積累的探空數(shù)據(jù)集對全球?qū)α鲗禹斀Y(jié)構(gòu)的時空變化研究,以及利用長期衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對臨近空間大氣溫度、臭氧的時空分布研究和熱層一氧化氮紅外輻射冷卻率的全球分布研究。發(fā)現(xiàn)了中高層大氣參數(shù)長期變化的一些新規(guī)律,主要研究成果如下:(1)通過對全球海量探空廓線數(shù)據(jù)的分析研究,我們獲得了全球?qū)α鲗禹敻叨群蜏囟鹊臅r空分布特性和變化趨勢。全球?qū)α鲗禹敻叨日w抬升率是～220米/十年,而全球?qū)α鲗禹敎囟鹊氖曜兓适?0.60K/十年。全球各緯度帶的對流層頂高度變化率在緯度分布上呈現(xiàn)“U”型分布。全球各緯度帶對流層頂溫度都呈現(xiàn)長期變冷的趨勢,且對流層頂溫度的十年變化率在高緯度比中緯度和低緯度小。研究結(jié)果表明高緯度和低緯度間的對流層頂高度之差逐年縮小;而高緯度和低(或中)緯度間的對流層頂溫度之差逐年擴大。(2)通過對SABER數(shù)據(jù)集中溫度廓線的分析研究,我們獲得了臨近空間大氣溫度在高度和緯度上的分布特性,以及太陽11年周期活動對臨近空間各高度層大氣溫度長期變化趨勢的影響情況。臨近空間大氣溫度在南北半球緯度分布上基本是對稱的。65km以上大氣溫度年際變化與太陽11年活動周期是顯著相關(guān),且大氣溫度對太陽活動的響應(yīng)幅值基本上是隨著高度的增加而逐漸遞增。中間層頂溫度以及對太陽活動的響應(yīng)值在緯度分布上都呈現(xiàn)“V”型分布;響應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)差在緯度分布上呈現(xiàn)“W”型分布,而它們間的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)“M”型分布;研究結(jié)果表明中間層頂各緯度帶溫度對太陽活動響應(yīng)的波動大小取決于它們在該緯度帶對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)大小,相關(guān)系數(shù)越小,波動幅度越大,反之亦然。(3)通過對SABER數(shù)據(jù)集中臭氧廓線數(shù)據(jù)的分析研究,結(jié)果顯示中間層頂不僅是臨近空間大氣溫度的極小值區(qū)域,也是臭氧混合比的極大值區(qū)域。SABER觀測結(jié)果進一步驗證了南北兩極地區(qū)上空臭氧洞的存在,且南極地區(qū)臭氧空洞比北極上空的大。臨近空間臭氧在緯度帶分布上基本是南北半球?qū)ΨQ,而其對太陽11年周期活動的響應(yīng)是南北半球不對稱的,尤其在中間層頂區(qū)域的響應(yīng)值基本上從南極地區(qū)向北極地區(qū)遞減。全球中間層頂臭氧的年際變化與太陽輻射、氧原子、大氣溫度的長期變化是強相關(guān)的,而與氫原子的長期變化是不相關(guān)的。(4)通過對SABER數(shù)據(jù)集中NO紅外輻射冷卻率數(shù)據(jù)的分析處理,我們給出了 NO輻射冷卻率在熱層(高度100km～280km,時間2002～2016)的時空變化過程。結(jié)果顯示NO輻射冷卻率以及對太陽和地磁活動的響應(yīng)幅值在南北半球緯度分布上基本都是對稱的,且熱層NO冷卻率的長期變化在100～225 km高度間和太陽11年周期變化一致;地球的地磁活動對100～190 km高度的NO冷卻率年際變化有顯著影響。太陽活動和地磁活動對NO紅外輻射冷卻率變化的影響不同之處主要體現(xiàn)在:在同一高度層太陽活動對NO冷卻率的影響是隨著緯度的增加而減少,而地磁活動對NO冷卻率的影響是隨著緯度的增加而增加。該研究首次獲得了地球熱層的NO冷卻率對太陽活動以及地磁活動的響應(yīng)系數(shù)及其隨高度和緯度的空間分布規(guī)律。
【圖文】：

站點探空數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制（Ｄｕｒｒｅｅｔａｌ．，２００６，２００８），并建立了系統(tǒng)每逡逑天自動更新追加新的探空廓線數(shù)據(jù)，且對全球用戶提供免注冊免認(rèn)證的ＦＴＰ在線逡逑數(shù)據(jù)下載服務(wù)。圖２．１中星型標(biāo)注出了邋ＩＧＲＡ中２６５２個探空站點的全球經(jīng)緯度分布逡逑情況，因為有部分探空站點在可移動船上或浮標(biāo)上，經(jīng)緯度不固定，圖２．１中沒逡逑有標(biāo)出這些站點。由圖可以看出ＩＧＲＡ中的站點覆蓋了全球范圍，但全球分布不逡逑均勻，其中亞洲、歐洲以及美國的站點較密，南極洲、加拿大以及俄羅斯北部的逡逑站點分布較稀疏。逡逑￣７，－：二邐＾邐！逡逑…＊丨＾逡逑圖２．１．邋ＩＧＲＡ中探空站點的全球經(jīng)緯度分布情況逡逑ＮＣＤＣ目前提供的最新探空數(shù)據(jù)集版本是ＩＧＲＡ邋２，ＩＧＲＡ邋２版本從２０１６年８月逡逑下旬起從測試狀態(tài)進入完全運行狀態(tài)，并替代之前版本ＩＧＲＡ邋１邋（Ｄｕｒｒｅ，邋２０１６）。逡逑而ＩＧＲＡ邋１版本數(shù)據(jù)現(xiàn)在還在繼續(xù)提供給全球用戶在線下載服務(wù)，但是ＩＧＲＡ邋１版逡逑本數(shù)據(jù)不在提供更新

ＳＡＢＥＲ探測儀大約每５８秒掃描地球大氣１次，獲取大約１５？２８０千米的大氣參逡逑數(shù)數(shù)據(jù)，探測的大氣成分主要有大氣溫度（１５？１１０ｋｍ）、臭氧（２０？１１０ｋｍ）、一氧化逡逑氮紅外輻射（１００？２８０ｋｍ）、二氧化碳、原子氧、氣輝等。圖２．２是ＳＡＢＥＲ探測儀對逡逑全球大氣進行連續(xù)掃描的示意圖（操文祥，２０１２）。ＳＡＢＥＲ繞地球一周約１．６小時，逡逑每天繞地球約１５圈。在每一次軌道運行中，ＳＡＢＥＲ探測儀掃描范圍從主半球的逡逑？８３°到副半球的？５３°，大約６０天左右交換一次主副半球（即一個掃描周期），周而逡逑復(fù)始，輪流在８３°Ｓ？５３°Ｎ或５３°Ｓ？８３°Ｎ之間進行掃描觀測。因此，在５３°Ｎ？８３°Ｎ逡逑和５３°Ｓ？８３°Ｓ的范圍內(nèi)，一年中實際上只有６個月的觀測時間有數(shù)據(jù)。而高于？８４。逡逑緯度范圍的兩極地區(qū)，ＳＡＢＥＲ探測儀是掃描不到的，所以在８４°Ｎ？９０°Ｎ和８４°Ｓ？逡逑９０°Ｓ的范圍內(nèi)沒有觀測數(shù)據(jù)。逡逑＿逡逑圖２．２．邋ＳＡＢＥＲ探測儀對全球大氣進行連續(xù)掃描的示意圖，，圖中掃描周期是５３°Ｓ？８３°Ｎ，實心逡逑箭頭代表上升軌道
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P35

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本文編號：2704847