本文關(guān)鍵詞：利用地基氣輝觀測(cè)對(duì)中層頂區(qū)大氣重力波以及Na層氣輝輻射特性的研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：氣輝是中高層大氣中產(chǎn)生的重要光化學(xué)現(xiàn)象之一。氣輝輻射攜帶重要的光化和動(dòng)力學(xué)信息,可以作為研究中高層大氣特征的重要示蹤劑。本文主要基于地基氣輝光學(xué)觀測(cè)儀,開(kāi)展了以下3方面的研究工作:(1)基于OH全天空氣輝成像儀觀測(cè)的中國(guó)地區(qū)上空的重力波傳播特性為了研究中國(guó)地區(qū)上空的重力波傳播特征,我們?cè)谥袊?guó)大陸組建了OH全天空氣輝成像儀觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。其中,位于中國(guó)北方的全天空氣輝觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是世界上第一個(gè)無(wú)縫隙的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),此觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)由6臺(tái)OH全天空氣輝成像儀組成,東西方向和南北方向的覆蓋范圍分別約為2000 km和1400 km。它們分別位于:朔州(39.8°N,112.1°E),興隆(40.4°N,117.6°E),東港(40.0°N,124.0°E),新鄉(xiāng)(35.7°N,113.7°E),臨朐(36.2°N,118.7°E)和榮成(37.3°N,122.5°E)。本論文中,使用該網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間在2012年1月至2013年12月。位于富克(19.5°N,109.1°E)和桂平(23.4°N,110.1°E)臺(tái)站的OH氣輝成像儀也被使用來(lái)對(duì)中國(guó)低緯地區(qū)上空的重力波進(jìn)行分析。位于富克和桂平臺(tái)站的氣輝成像儀進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)間分別為2010年3月至2012年7月和2012年9月至2013年11月。同時(shí),結(jié)合TRMM衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),SABER/TIMED衛(wèi)星觀測(cè)參數(shù),以及ECMWF、MERRA再分析資料、流星雷達(dá)和HWM-07模型的水平風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)討論了影響重力波傳播方向各向異性的因素和中間層-低熱層大氣重力波的傳播形態(tài)。結(jié)果表明,重力波的水平波長(zhǎng),觀測(cè)周期和水平相速度在中國(guó)中緯和低緯地區(qū)上空具有相似的分布范圍,它們分別主要分布于10-35 km,4-12 min和30-100 m/s。重力波的傳播方向在中國(guó)中緯和低緯地區(qū)上空均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。重力波在中緯地區(qū)的夏季主要沿北向傳播;在冬季主要朝向赤道方向和平行于赤道方向傳播。然而,重力波在低緯地區(qū)的夏季主要沿東北方向傳播,在冬季主要沿東南和西南方向傳播。分析也表明,中緯地區(qū)觀測(cè)的重力波在夏季、春季和秋季的北向傳播趨勢(shì)可能主要由位于觀測(cè)臺(tái)站南方的對(duì)流活動(dòng)導(dǎo)致。然而,對(duì)流層附近的急流活動(dòng)可能在決定冬季重力波主要傳播方向方面起到重要作用。且低層-中層大氣背景風(fēng)的濾波效應(yīng)僅在部分季節(jié)與重力波緯向傳播方向各向異性吻合較好。(2)基于東港臺(tái)站的OH氣輝成像儀觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)重力波波源的事件分析利用東港(40°N,124°E)臺(tái)站于2013年15-16日晚的OH氣輝成像觀測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)道了兩個(gè)重力波事件(event 1和event 2)。同時(shí),結(jié)合反射線追蹤方法,通過(guò)北京十三陵(40.3°N,116.2°E)臺(tái)站的多普勒流星雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和SABER/TIMED衛(wèi)星觀測(cè)的溫度參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),重力波event 1和event 2分別產(chǎn)生于(39.3°N,117.2°E)和(47.1°N,121.3°E)。結(jié)果也表明,event 1的波源位置與其附近的對(duì)流活動(dòng)和大氣向上向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定性吻合較好。然而,event 2可能由其波源附近的對(duì)流活動(dòng)或大氣向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定性產(chǎn)生。通過(guò)MERRA再分析資料分析發(fā)現(xiàn),觀測(cè)的兩個(gè)重力波的水平相速度83.5 m/s(event 1)和80.1 m/s(event 2)遠(yuǎn)大于低層大氣高度自產(chǎn)生源到觀測(cè)位置的水平風(fēng)速(-10-45 m/s)。因此,觀測(cè)的重力波event 1和event 2是可能從低層大氣傳播到中層-低熱層大氣的。(3)利用地基氣輝光譜儀和SABER/TIMED衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Na層氣輝輻射特征的研究利用鈉氣輝儀于2011年7月至2015年3月在興隆(40.2°N,117.4°E)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)鈉的相對(duì)強(qiáng)度(R_D)的季節(jié)分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明,R_D分布于1.2-2.2,其平均值為12.073.1±,且R_D在夏季的數(shù)值分布小于其它季節(jié)。同時(shí),結(jié)合位于延慶(40.5°N,116.2°E)臺(tái)站的鈉激光雷達(dá)觀測(cè)的鈉密度參數(shù),和位于(40.2±5.0)°N,(117.4±5.0)°E范圍的SABER/TIMED衛(wèi)星觀測(cè)的大氣參數(shù),探究了R_D與各個(gè)大氣參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明,R_D與大氣溫度(T),氧原子混合比[O],臭氧分子混合比([O_3]),[O]/[O_2],或大氣分子密度([M])均沒(méi)有明顯的關(guān)系。由于Na密度峰值高度季節(jié)平均值在夏季(小于90 km)低于其他3個(gè)季節(jié)(均高于91 km);Na密度峰值季節(jié)平均值在冬季最大,春季和秋季次之,夏季最小;且R_D的季節(jié)平均值在冬季最大,春季和秋季次之,夏季最小。分析表明,R_D的季節(jié)變化可能與Na密度峰值高度和峰值密度大小有關(guān)。另外,基于修訂的Chapman輻射機(jī)制,假設(shè)R_D=AR_(D(A))+XR_(D(X))來(lái)對(duì)R_(D(A))和R_(D(X))在總的R_D中的比例進(jìn)行估測(cè),結(jié)果表明,該比例A/X≈1.0。
[Abstract]:Airglow is one of the most important photochemical phenomena in the upper atmosphere. Airglow photochemical and dynamical information important to carry, can be used as an important tracer characteristics of the upper atmosphere research. This paper is mainly based on the foundation of airglow optical observation instrument, the research work has been carried out in the following 3 aspects: (1) based on the observed OH all sky airglow imager the China area of gravity wave propagation to gravity wave propagation characteristics of Chinese over the area, we established the OH all sky airglow imager observation network in China mainland. Among them, the all sky airglow observation network in Chinese north is the world's first seamless observation network, the observation network consists of 6 sets of OH all sky airglow imager, the coverage of East-West and north-south direction are respectively 2000 km and 1400 km. respectively located in Shuozhou (39.8 ~ N, 112.1 ~ E (40),. .4 ~ N, 117.6 ~ E), Donggang (40 degrees N, 124 degrees E), Xinxiang (35.7 degrees N, 113.7 degrees E), Linqu (36.2 ~ N, 118.7 ~ E) and Rongcheng (37.3 degrees N, 122.5 degrees E). In this paper, using the observation data of the network time from January 2012 to December 2013. In Falker (19.5 ~ N, 109.1 ~ E) and Guiping (23.4 ~ N, 110.1 ~ E) OH airglow imager station is also used to gravity waves on over low latitude regions were analyzed. China airglow imager located at Falker and Guangxi PingTai Railway Station were observed time respectively. From March 2010 to July 2012 and from September 2012 to November 2013. At the same time, combined with the TRMM satellite data, SABER/TIMED satellite parameters, and ECMWF, MERRA reanalysis data, the meteor radar and the HWM-07 model of the horizontal wind field data, discussed the impact of gravity wave propagation direction of anisotropy and the middle layer and lower layer communication form air gravity waves. The results show that, The level of wavelength gravity observation cycle and horizontal phase velocity over the mid latitude and low latitude regions in China has similar distribution range, they are mainly distributed in 10-35 km, 4-12 min and 30-100 m/s. propagation direction of gravity waves in the equatorial and low latitude regions over China showed significant seasonal variation. In the summer of gravity wave middle latitude mainly along the north to spread; in winter mainly towards the equator direction parallel to the equator and the propagation direction of gravity waves in summer. However, in the low latitude regions along the Northeast spread in winter mainly along the southeast and southwest direction of propagation. The analysis also shows that the middle latitude observations of gravity waves in summer, spring and autumn the North may spread to the trend is mainly caused by convection in the observation stations in the south. However, the nearby rapids activities may be in determining the propagation direction of gravity waves in winter mainly. Play an important role. And the low layer filtering effect of middle atmospheric background wind only in some seasons and the gravity wave propagation direction of zonal anisotropy agree well. (2) the event data of OH airglow imager Donggang station of gravity wave source based on the analysis of the use of Donggang (40 ~ N, 124 ~ E) station reported two gravity wave event in OH airglow imaging observation data on the evening of 2013 15-16 (Event 1 and event 2). At the same time, combined with ray tracing method against, through the Beijing Ming Dynasty Tombs (40.3 ~ N, 116.2 ~ E) at Doppler meteor radar wind data and SABER/ TIMED satellite temperature parameter analysis event 1 and event, gravity waves were produced in 2 (39.3 ~ N, 117.2 ~ E) and (47.1 ~ N, 121.3 ~ E). The results also show that the event 1 source position and near atmospheric convection and upward downward movement produced in the process of instability however good agreement, Event 2 may be produced by convection or near its sources of atmospheric upward movement in the process of instability. The MERRA reanalysis data analysis found that the observed two gravity wave horizontal phase velocity of 83.5 m/s (1 event) and 80.1 m/s (Event 2) is far greater than the horizontal wind speed low atmospheric height production source to observe the position of the (-10-45 m/s). Therefore, gravity wave observed by event 1 and event 2 from the lower atmosphere is likely to spread to the middle - lower thermosphere. (3) research on the Na layer of airglow features using sodium airglow apparatus in July 2011 to March 2015 in the prosperous foundation airglow spectrometer and SABER/TIMED satellite observations the data (40.2 ~ N, 117.4 ~ E) observation stations, relative intensity of sodium (R_D) seasonal distribution characteristics were analyzed. The results show that the distribution of R_D in 1.2-2.2, the average value of 12.073.1 +, and R_D in the summer of numerical distribution In the other seasons. At the same time, based in Yanqing (40.5 ~ N, 116.2 ~ E) sodium lidar observations of sodium density parameters in the station and is located in (40.2 + 5) N, (117.4 + 5) SABER/TIMED satellite observations of atmospheric parameters DEG E, explore the relationship between R_D and various atmospheric parameters between. The results show that the R_D and air temperature (T), atomic oxygen mixture ratio [O], molecular ozone mixing ratio ([O_3]), [O]/[O_2], or atmospheric molecular density ([M]) had no obvious relationship. As the peak height of seasonal average Na density in summer (less than 90 km) is lower than the other 3 seasons (higher than 91 km); Na density peak seasonal average value in winter, spring and autumn, summer minimum; and the R_D season average highest in winter, spring and autumn, summer minimum. Analysis shows that the seasonal variation of R_D may be related to the density of Na peak height and peak density in size. Based on. Chapman radiation mechanism and revision of the hypothesis of R_D=AR_ (D (A) (+XR_) D (X)) to R_ (D (A)) and R_ (D (X)) in the total proportion of R_D estimation, the results show that the ratio of A/X is 1.0.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P412

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本文編號(hào)：1363219