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        中國(guó)上空過渡流區(qū)大氣月平均狀態(tài)的模擬結(jié)果

        2015-12-23 06:48:24陳澤宇
        航天器環(huán)境工程 2015年3期
        關(guān)鍵詞:北京站太陽(yáng)活動(dòng)擾動(dòng)

        凌 超,陳澤宇

        (中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所 中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

        0 引言

        大氣密度變化影響著低軌飛行器的軌道、姿態(tài)和壽命,因此航天領(lǐng)域經(jīng)常使用大氣經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛠?lái)計(jì)算和預(yù)報(bào)大氣密度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外利用衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)與大氣經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷拇罅繉?duì)比研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)驗(yàn)?zāi)P碗m然存在一定誤差,但在描述高熱層大氣密度的變化上發(fā)揮著重要作用[1-6];另一方面,可以利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正[7-10]。

        隨著更多亞軌道飛行器的發(fā)展,中間層和低熱層區(qū)域的大氣環(huán)境日益成為關(guān)注的熱點(diǎn)[11-12]。由于這些區(qū)域的分子平均自由程與流場(chǎng)特征長(zhǎng)度比值在0.1~10 之間,故又稱之為過渡流區(qū)[13-15]。

        針對(duì)中國(guó)區(qū)域當(dāng)前應(yīng)用的需求,本文采用美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Laboratory,NRL)在MSIS(Mass Spectrometer Incoherent Scatter,質(zhì)譜儀和非相干散射雷達(dá))系列模型基礎(chǔ)上發(fā)展的NRLMSISE-00 模型[16]開展了模擬計(jì)算和分析。MSIS 系列模型最初是由Hedin 等[17-18]建立的,經(jīng)過了不斷的發(fā)展和更新,詳細(xì)介紹請(qǐng)參考文 獻(xiàn)[19-21]。MSIS 系列模型的核心資料庫(kù)源自非相干散射雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù),被認(rèn)為可以為中間層和低熱層大氣研究提供可靠的參考[22]。作者利用NRLMSISE-00 模型的分析結(jié)果,對(duì)中國(guó)東部和中部地區(qū)上空過渡流區(qū)80~140 km 高度的大氣密度和溫度的空間分布及其時(shí)變特征進(jìn)行了模擬研究。在當(dāng)前嚴(yán)重缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下,利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷玫降倪@些分析結(jié)果具有參考價(jià)值[23]。

        1 大氣模型和模擬方案

        發(fā)布于2000年的NRLMSISE-00 模型[16]是面向空間環(huán)境應(yīng)用的大氣模型,可以覆蓋從地表至逸散層的大氣層區(qū)域,而且在MSIS 系列模型數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上新增了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù),如來(lái)自拖曳力/加速度計(jì)的總質(zhì)量密度數(shù)據(jù)、掩星觀測(cè)的氧分子數(shù)據(jù)、非相干散射雷達(dá)的溫度數(shù)據(jù)等。

        作為一個(gè)解析模型,NRLMSISE-00 包括一組計(jì)算機(jī)程序。對(duì)于給定的時(shí)間和空間位置,同時(shí)輸入空間環(huán)境參數(shù),模型就可以輸出對(duì)應(yīng)的大氣密度和溫度。作為外強(qiáng)迫的空間環(huán)境參數(shù)主要包括來(lái)自于全球地面觀測(cè)網(wǎng)的各種指數(shù),分別是模擬日前1 天的無(wú)線電波段(10.7 cm 波長(zhǎng))太陽(yáng)輻射通量F107指數(shù)、地磁活動(dòng)Ap 指數(shù),以及以模擬日為中心的81 天F107 指數(shù)的平均值F107A。圖1*注*:文章中所采用的NRLMSISE-00 模型從美國(guó)戈達(dá)德空間飛行中心(GSFC)下載,其中空間環(huán)境參數(shù)F107 指數(shù)和Ap指數(shù)從美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)下屬的國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC) 獲取。給出了 2001年—2013年期間太陽(yáng)和地磁活動(dòng)指數(shù)的逐日變化,藍(lán)色點(diǎn)為F107 指數(shù)(單位:sfu,1sfu= 10-22W·m-2·Hz-1),紅色線為F107A 指數(shù),綠色點(diǎn)為Ap 指數(shù)。模擬時(shí)段包含了一個(gè)完整的太陽(yáng)活動(dòng)周期,便于分析過渡流區(qū)大氣狀態(tài)隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化特征。從圖可知,描述太陽(yáng)活動(dòng)水平的F107 指數(shù)呈現(xiàn)出明顯的11年周期,其中2002年處于太陽(yáng)活動(dòng)高年,2008年—2010年為太陽(yáng)活動(dòng)低年,在這之后太陽(yáng)活動(dòng)水平又開始逐漸增強(qiáng)。

        針對(duì)當(dāng)前關(guān)注的中國(guó)中緯度地區(qū),作者首先選取了北京和酒泉作為參考站點(diǎn),兩個(gè)站點(diǎn)分別位于緯度相近的中國(guó)東部和中部。然后,對(duì)參考站點(diǎn)過渡流區(qū)大氣密度和溫度開展逐日模擬。同時(shí),為了考察過渡流區(qū)大氣狀態(tài)隨緯度的變化特征,還在酒泉站的南北分別選取了格爾木和酒泉北兩個(gè)站點(diǎn)開展模擬工作。表1給出了這4 個(gè)參考站點(diǎn)詳細(xì)的地理經(jīng)緯度。

        表1 參考站點(diǎn)地理位置 Table1 Locations of four reference stations

        利用NRLMSISE-00 模型模擬過渡流區(qū)大氣狀態(tài)時(shí)把整個(gè)中間層也包括進(jìn)來(lái),因此模擬結(jié)果在垂直高度上可以覆蓋50~140 km。由于顯著的大氣潮汐出現(xiàn)在80~100 km,不可忽略潮汐過程在該區(qū)域的影響,所以將模擬的時(shí)間分辨率設(shè)置為1 h。對(duì)于每個(gè)站點(diǎn),首先在各高度層利用模擬得到的小時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算日平均值(去除周日潮汐),得到逐日平均數(shù)據(jù)集;然后,按照自然月把日平均值進(jìn)行歸并,得到2001年—2013年逐月的平均值,最后得到多年平均值。

        2 模擬結(jié)果

        對(duì)于大氣密度和溫度,伴隨各種擾動(dòng)過程的偏差相對(duì)于背景狀態(tài)通常表現(xiàn)為一個(gè)小量。為了凸顯這些小量所反映的過程,本文在描述大氣密度變化時(shí),采用歸一化密度的表達(dá)方式,即=ρM/ρmean, 其中ρM為月平均密度,ρmean為多年平均密度。大氣溫度變化則采用溫度距平的表達(dá)方式,即Ta=TM-Tmean,其中TM和Tmean分別代表月平均和多年平均溫度。

        2.1 40°N 大氣狀態(tài)的變化特征

        通過比較北京站和酒泉站的模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)參考站點(diǎn)的變化特征基本一致(圖略)。這表明在當(dāng)前月平均分析尺度上,這兩個(gè)緯度相近的站點(diǎn)上空過渡流區(qū)大氣密度和溫度的變化是一致的,而且隨經(jīng)度變化較小。下面主要介紹北京站的分析結(jié)果。

        圖2給出了北京站上空大氣溫度及擾動(dòng)在50~140 km 高度的分布和變化特征。圖2(b)顯示,在80 km 以下溫度距平雖然隨高度升高有所增大,但變化相對(duì)較弱,溫度距平在-20~20 K 之間。在80km 以上,溫度距平除隨高度升高而增大以外,在一些時(shí)段還連續(xù)出現(xiàn)極值。在2001年—2004年期間,120 km 高度以上出現(xiàn)持續(xù)的溫度正距平,數(shù)值可達(dá)90 K 以上;與此相反,在2005年—2011年期間相同高度出現(xiàn)持續(xù)的溫度負(fù)距平,幅度雖比正距平要小,但在2007年—2009年期間負(fù)距平也達(dá)到-40 K的水平。與圖1的對(duì)比分析表明,這兩個(gè)反相的溫度距平擾動(dòng)與太陽(yáng)活動(dòng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系:太陽(yáng)活動(dòng)高年對(duì)應(yīng)溫度正距平,而太陽(yáng)活動(dòng)低年則對(duì)應(yīng)為溫度負(fù)距平。與太陽(yáng)活動(dòng)相關(guān)的類似變化也在同高度的大氣密度中出現(xiàn)。

        圖2 北京站上空大氣溫度分布及時(shí)變特征 Fig.2 Atmospheric temperature distribution and temporal variation at Beijing station

        圖3給出了北京站上空大氣密度及擾動(dòng)在50~140 km 高度的分布和變化特征。如圖3(b)所示,在 2001年—2004年期間,120 km 以上大氣密度顯著偏大(歸一化密度大于1),而在2005年—2011年期間大氣密度則偏?。w一化密度小于1)。過渡流區(qū)大氣密度隨太陽(yáng)活動(dòng)變化的現(xiàn)象也出現(xiàn)在更高的區(qū)域,此前有報(bào)道高熱層大氣密度出現(xiàn)隨太陽(yáng)活動(dòng)的周期變化[24-25]。

        圖3 北京站上空大氣密度分布及時(shí)變特征 Fig.3 Atmospheric density distribution and temporal variation at Beijing station

        圖3(b)顯示,密度擾動(dòng)幅度(相對(duì)于平均值的變化)在垂直方向上的變化相對(duì)較弱,但是出現(xiàn)了歸一化密度的變化中心,它們分別位于70 km 和100 km 高度附近。70 km 高度大氣密度擾動(dòng)隨時(shí)間變化的主要模態(tài)是年變化;100 km 高度大氣密度擾動(dòng)隨時(shí)間的變化則有不同,除了年變化以外開始出現(xiàn)明顯的半年變化,并且維持到140 km 高度。

        以前研究結(jié)果顯示,中、高熱層大氣密度存在半年周期變化[24,26-28],密度最大值出現(xiàn)在春季和秋季(4月和10月),密度最小值出現(xiàn)在夏季和冬季(7月和1月)。傅里葉譜分析的結(jié)果表明(圖略),北京站上空90 km 及以上高度大氣密度主要表現(xiàn)為半年周期變化。對(duì)于100 km,在上半年的半年變化中大氣密度在3月取得最大值(正相位),6月取得最小值(負(fù)相位)。模擬結(jié)果說明過渡流區(qū)大氣密度存在與中、高熱層大氣密度一致的半年周期變化,但密度取得最大/最小值的時(shí)間要顯著早于中、高熱層?;诟道锶~相位的分析結(jié)果,通過對(duì)比3月和6月的密度和溫度廓線在50~140 km 的分布,可以了解半年周期過程中大氣擾動(dòng)的特征。

        圖4分別給出了3月和6月北京站上空50~ 140 km 高度大氣歸一化密度(a)和溫度距平(b)隨高度的變化特征,為了考察太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)這種半年周期變化的影響,圖中同時(shí)給出了太陽(yáng)活動(dòng)高年(2002年)和低年(2008年)的情況,圖中紅/藍(lán)實(shí)線代表2002年3/6月的變化特征,而黑/綠虛線代表2008年3/6月的變化特征。圖4(a)顯示在90 km 以上及以下的高度,大氣密度半年變化過程的相位是相反的。例如,在90 km 以上,3月份密度大于6月份密度,而在90 km 以下正好相反。由于這種密度變化的垂直分布,使得90 km 附近的大氣平均密度可以比較穩(wěn)定地維持約6 個(gè)月??臻g環(huán)境的變化在80 km 以下對(duì)大氣造成的影響很小,NRLMSISE-00 模型也沒有在這個(gè)高度范圍建立起空間環(huán)境變化與大氣擾動(dòng)的關(guān)系,因此模擬結(jié)果中空間環(huán)境對(duì)大氣狀態(tài)的影響只出現(xiàn)在80 km 以上。從圖4(a)中可以看到,在115 km 高度以上,太陽(yáng)活動(dòng)高年的大氣密度明顯大于太陽(yáng)活動(dòng)低年的。值得注意的是,相反的變化出現(xiàn)在80~115 km,無(wú)論在3月或6月,大氣密度在太陽(yáng)活動(dòng)高年均小于在太陽(yáng)活動(dòng)低年的情況。圖4(b)給出了3月和6月大氣溫度距平隨高度的變化特征;與圖4(a)相比,溫度的典型變化特征與大氣密度類似。在50~65km 高度范圍,溫度在3月為負(fù)距平,在6月為正距平;在65~95 km 高度范圍,溫度距平變化則正好相反。在95 km 高度以上,溫度的變化特征主要受太陽(yáng)活動(dòng)的影響,無(wú)論是3月還是6月,太陽(yáng)活動(dòng)高年的溫度距平都大于太陽(yáng)活動(dòng)低年的,并且兩者之間的絕對(duì)差隨高度升高而顯著增大。

        圖4 北京站上空大氣狀態(tài)在3月和6月的變化特征 Fig.4 Variation of atmospheric conditions at Beijing station in March and June

        2.2 大氣狀態(tài)的緯度變化

        為了考察過渡流區(qū)大氣狀態(tài)特征隨緯度的變化,同時(shí)模擬了格爾木和酒泉北兩個(gè)參考站點(diǎn)。與酒泉站結(jié)果相似,格爾木站和酒泉北站過渡流區(qū)大氣變化特征與北京站結(jié)構(gòu)一致。作為對(duì)比,圖5和圖6分別給出了酒泉北站上空過渡流區(qū)大氣溫度和密度的多年平均值(a)以及擾動(dòng)量隨時(shí)間的變化特征(b)。從圖中可以看到,月平均尺度的大氣密度和溫度結(jié)構(gòu)以及隨時(shí)間的變化特征與北京站都是相似的(參見圖2和圖3)。但是,酒泉北站與北京站過渡流區(qū)大氣狀態(tài)的變化同樣存在明顯的差別。例如,溫度的變化特征(圖5(b))顯示,在90 km 以下,酒泉北站的溫度擾動(dòng)隨時(shí)間的變化幅度要明顯大于北京站相同高度的變化;在100 km 以上,溫度距平極值出現(xiàn)的起始高度比北京站的更低且極值更大。同樣,密度隨時(shí)間的變化特征(圖6(b))顯示,酒泉北站在80 km 附近的年變化過程要明顯強(qiáng)于北京站同高度的年變化過程。

        圖5 酒泉北站上空大氣溫度分布及時(shí)變特征 Fig.5 Atmospheric temperature distribution and temporal variation at Jiuquanbei station

        圖6 酒泉北站上空大氣密度分布及時(shí)變特征 Fig.6 Atmospheric density distribution and temporal variation at Jiuquanbei station

        圖7和圖8分別給出了格爾木站(GEM)、北京站(BJ)、酒泉站(JQ)和酒泉北站(JQB)4個(gè)參考站點(diǎn)過渡流區(qū)大氣密度和溫度擾動(dòng)的半年周期變化特征。圖7顯示4 個(gè)參考站點(diǎn)的大氣密度擾動(dòng)表現(xiàn)出較一致的垂直變化(詳細(xì)分析結(jié)果可見2.1 節(jié)),但存在顯著的緯度變化:在110 km 以下,密度擾動(dòng)幅度隨緯度的增加而增大,并且6月的擾動(dòng)幅度大于3月的;在110 km 以上,密度擾動(dòng)幅度隨緯度的變化不顯著,主要隨太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度的變化而變化,3月的擾動(dòng)幅度在太陽(yáng)活動(dòng)高年大于太陽(yáng)活動(dòng)低年,而6月則相反。同樣,過渡流區(qū)大氣溫度擾動(dòng)(圖8)的變化除了前述的垂直結(jié)構(gòu)以外,也顯示與大氣密度一致的緯度變化。在120 km 以下,大氣溫度擾動(dòng)的幅度隨緯度增加而增大;而在120~140 km,溫度距平的差別很小,特別是3月, 總體表現(xiàn)為緯度越高,溫度距平越大。溫度距平隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化主要出現(xiàn)在100 km 以上,太陽(yáng)活動(dòng)高年(2002年)為溫度正距平,3月大于6月;太陽(yáng)活動(dòng)低年(2008年)為負(fù)距平,6月大于3月。

        圖7 4 個(gè)參考站點(diǎn)大氣密度在3月和6月的變化特征 Fig.7 Variation of atmospheric densities at four reference stations in March and June

        圖8 4 個(gè)參考站點(diǎn)溫度距平在3月和6月的變化特征 Fig.8 Variation of temperature anomalies at four reference stations in March and June

        3 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)過渡流區(qū)大氣狀態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中的重要性,本文利用NRLMSISE-00 模型對(duì)中國(guó)東部和中部地區(qū)過渡流區(qū)80~140 km 高度的中性大氣密度和溫度的變化特征進(jìn)行了模擬研究。模擬時(shí)段從2001年—2013年,包含了最近一個(gè)完整的太陽(yáng)活動(dòng)周期。月平均尺度的分析結(jié)果顯示中國(guó)中緯度地區(qū)過渡流區(qū)大氣密度和溫度隨緯度和太陽(yáng)活動(dòng)的變化顯著,隨經(jīng)度的變化相對(duì)較弱,大氣密度和溫度擾動(dòng)具有典型的垂直分布和半年周期變化特征。主要結(jié)果如下:

        1)4 個(gè)參考站點(diǎn)的大氣狀態(tài)具有一致的變化特征。譜分析結(jié)果顯示,過渡流區(qū)大氣密度的半年周期變化主要出現(xiàn)在90 km 及以上的高度范圍。在半年變化過程中,90 km 高度以上,3月的大氣密度大于6月,而在90 km 以下則出現(xiàn)相反的情況;在115 km 以上,太陽(yáng)活動(dòng)高年的大氣密度明顯大于太陽(yáng)活動(dòng)低年,80~115 km 范圍則出現(xiàn)相反的變化。同樣,大氣溫度也表現(xiàn)出相似的垂直變化特征,在50~65 km,溫度3月為負(fù)距平,6月為正距平;在65~95 km,溫度距平則正好相反;在95 km 以上,溫度變化主要受太陽(yáng)活動(dòng)影響,太陽(yáng)活動(dòng)高年的溫度距平要顯著大于太陽(yáng)活動(dòng)低年。

        2)針對(duì)過渡流區(qū)大氣狀態(tài)的緯度變化,聯(lián)合分析了格爾木站、北京站、酒泉站和酒泉北站的大氣密度和溫度變化,結(jié)果顯示無(wú)論是密度還是溫度擾動(dòng),在中國(guó)中緯度過渡流區(qū)90~110 km 高度范圍擾動(dòng)幅度隨緯度的增加而增大,并且在110 km以下,密度擾動(dòng)幅度6月大于3月。在110 km 以上,3月的密度擾動(dòng)幅度在太陽(yáng)活動(dòng)高年大于太陽(yáng)活動(dòng)低年,而6月則相反。溫度距平在120~140 km高度范圍隨緯度的變化很小。

        本文主要是針對(duì)過渡流區(qū)大氣狀態(tài)的月平均及其變化特征進(jìn)行模擬研究。但在實(shí)際大氣變化中,大氣密度、溫度等參數(shù)存在更短周期的變化,不同緯度和經(jīng)度地區(qū)甚至可能存在顯著的局地?cái)_動(dòng)。因此,需要在不同的空間環(huán)境條件下對(duì)過渡流區(qū)大氣參數(shù)展開連續(xù)觀測(cè),以獲取更多的覆蓋更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)測(cè)資料,以便分析過渡流區(qū)更短周期的大氣變化和擾動(dòng)特征。

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