光化学-动力重力波模型的研究与应用Ⅰ——模型描述

光化学-动力重力波模型的研究与应用Ⅰ——模型描述

一、The study and applications of photochemical-dynamical gravity wave model Ⅰ——Model description(论文文献综述)

马聚[1](2020)在《基于激光雷达观测的中间层和低热层大气耦合过程研究》文中研究说明中高层(20 km以上)大气区域空气非常稀薄,其中的物理、化学和动力学过程非常复杂,是日地空间物理研究中的重点区域。其中中间层顶和低热层(MLT)区域存在外星物质沉积产生的金属原子或离子层,高度范围80-105 km。在众多金属原子中,钠原子具有相对较高的粒子浓度和寿命,其后向散射截面也较大,因此成为了很好的中高层大气活动示踪物。发展高时空分辨率、高信噪比和高稳定性的中高层大气观测手段可以加深对该区域复杂的动力学和化学机制的理解。钠层中存在一些特殊现象,例如突发钠层和低热层增强钠层,统称增强钠层。它们都是指钠密度在短时间和窄高度范围内迅速增强的现象,但出现高度有所不同。自从Clemesha et al.(1978)第一次观测到突发钠层以来,其形成机制就一直受到科学家们的重点关注。主要的形成机制包括:流星直接注入、离子中和、温度上升以及电子沉降等,而低热层增强钠层的形成机制则可能更为复杂。大气波动,特别是重力波,是MLT区域大气与低层大气间能量、动量和成分的交换和重新分配的重要媒介。MLT区域也是重力波的饱和、衰减和耗散等重要动力学过程最为复杂的区域。本论文介绍了可以连续观测平流层到中间层顶的激光雷达系统,并利用位于北半球和南半球的激光雷达系统(中国和智利)对大尺度水平增强钠层的形成机制以及重力波与突发钠层的耦合过程进行了研究。激光雷达可以通过探测瑞利散射信号得到平流层和中间层的大气温度和密度,而钠层的钠原子密度则需要对钠共振荧光散射信号进行反演。一般而言,同时观测大气数据和钠层数据需要多套激光雷达系统共同工作以完成观测。在本文中介绍的瑞利-钠激光雷达系统,采用波分-时分复用的方法,使用单个光电倍增管完成了瑞利-钠双通道采集,实现对30 km-105 km大气的观测。该系统于2016年9月在中国合肥(31.5°N,117°E)完成升级改造,获得了大量观测数据。激光雷达系统的钠密度、大气温度、大气密度观测结果显示出该系统出色的时空分辨率和信噪比。对大气参数的季节变化分析以及对流星尾迹、平流层气溶胶的筛选和反演证明该系统的观测可以促进对大气动力学和化学过程更深入的理解。现有的激光雷达对增强钠层的报道一般都是对单个站点的研究,而大尺度水平范围的增强钠层特性及其与背景条件的联系依然有待研究,因此需要结合多个站点、多种仪器的观测数据进行更深入的研究。本文利用子午链上多个激光雷达系统,系统研究了合肥和武汉(30.5°N,114.4°E)2011-2018年共同观测的19个大尺度水平增强钠层事件,并讨论了其主要的形成机制。主要结论如下:(1)夏季增强钠层发生率明显高于其它季节;(2)持续时间较长的增强钠层在两地间的相似度较高,而持续时间短的增强钠层则显示出较强的局地特性;(3)大多数(70%)两地同时观测的大尺度增强钠层都与电离层突发E层有关,表明了中纬度地区在风剪切作用下“突发E层-增强钠层”因果链关系;(4)少数(30%)两地同时观测的大尺度增强钠层与大气波动(潮汐或者重力波)的动力学机制有关,揭示了水平大尺度波动对水平增强钠层的可能影响;(5)同时,观测也发现存在明显延迟增强钠层事件,暗示着长距离水平输运机制存在的可能性。智利安第斯激光雷达观测站(AL0,30.3°S,70.7°W)高光谱分辨钠激光雷达在2019年5月2日观测到了与波导重力波相关的突发钠层事件,在风场和温度场中同时显示出明显的中高频重力波。此外,本文提供了一种使用激光雷达观测数据计算重力波各项参数的新方法,使用相对温度与各方向风场的振幅比率和无耗散的极化关系来计算重力波的固有频率、水平波数和垂直波数等重要参数。利用这些参数可以计算出突发钠层事件过程中重力波传播形成的临界层和反转层,用于解释实际观测到的重力波耗散和波导现象。该案例研究可以与数值模拟结合,与各项观测数据进行对比分析,更好地理解钠层中重力波相关的动力学过程,同时也可以为大量激光雷达观测数据中的重力波提取以及数据统计提供一种新的方法。

王丽丽[2](2020)在《甚高频引力辐射的理论模型及数据分析研究》文中认为2015年LIGO首次直接探测到双黑洞并合产生的高频引力波,这进一步支持了爱因斯坦(Einstein)广义相对论。双中子星并合产生引力波的同时还伴随着电磁对应体辐射,这为天体物理的研究提供了新的窗口。目前针对引力波的研究,包括理论研究和实验探测,主要集中在中高频波段10-4-104 Hz。甚高频引力波的研究尤其是微波频段108-1010 Hz是非常有意义的。宇宙早期的随机引力波背景携带着早期宇宙的信息,因此甚高频随机引力波是我们的主要研究任务。电磁谐振方案主要探测108-1014 Hz的甚高频引力波。它与其他频段的引力波探测项目形成互补,共同检验各种宇宙学模型的更多可能性。本文我们主要从两个方面研究甚高频引力波。第一,我们研究了由原初小黑洞合并产生的甚高频随机引力波及其在电磁谐振探测方案中的物理效应;第二,我们研究了深度卷积神经网络算法在甚高频引力波探测中的应用。本文的第一个研究我们分为两部分。(1)10-7-10-5M⊙的原初双黑洞并合产生108-1010 Hz的甚高频随机引力波。原初黑洞作为暗物质候选者之一。利用其丰度的上限结合原初黑洞合并的事件率和双黑洞系统的能谱,我们可以得到随机引力波的能量密度谱上限ΩGW~10-7。在108-1010Hz频段,随机引力波的无量纲振幅强度上限变化从10-29.5到10-31.5。它可以被电磁谐振方案探测到。(2)我们研究了甚高频引力波在电磁共振系统中的物理效应。它主要分为两部分:①横向一阶扰动光子流。在x=0.035m处,横向一阶扰动光子流上限变化范围从102/s到1/s。在最优共振频率5×109 Hz处,横向扰动光子流可以达到6/s,相应的能量是10-5eV。而慢滚暴涨模型预言的甚高频遗迹引力波,在x=0.035m处,横向扰动光子流上限变化范围从10-2/s到1(0-4/s。在最优共振频率5×109Hz处,横向扰动光子流为10-4/s。②信噪比。在背景电磁场不变的情况下,一阶扰动光子流与背景光子流的比值S。通过计算,无论是横向一阶扰动光子流还是信噪比,随机引力波的效应都比遗迹引力波高4个数量级。因此,甚高频随机引力波在电磁共振系统中的效应更强,未来很有可能被探测到。本文的第二个研究主要分为两个部分。(1)分类任务。我们分别从特征图、准确率、以及接收者操作特征曲线(ROC)来衡量分类任务的优劣。特征图从定性上描述哪一部分的信息特征在分类任务中起关键作用。准确率和ROC曲线与坐标轴围成的面积(AUC)从定量上描述分类结果的好坏。与传统的机器学习算法比较,在整个振幅区间h(t)~10-36-10-30,深度卷积神经网络算法能够准确识别甚高频引力波信号和纯噪音,而几个传统的机器学习算法几乎不能识别信号的正负。(2)预测任务。在引力波的无量纲振幅h(t)~10-36-10-30,深度卷积神经网络算法有着更低的平均相对误差,小于0.016。在引力波的频率ve~108-1011,深度卷积神经网络算法给出较低的平均相对误差:0.12。与传统的机器学习算法比较,深度卷积神经网络算法在引力波的无量纲振幅、引力波频率和高斯光束的光腰半径三个参数评估上有着较低的平均相对误差。

杨晓君[3](2020)在《基于氧气A波段发射谱反演临近空间大气温度》文中提出临近空间大气温度不仅影响各种航天器的发射与再入轨过程的安全性,同时也是大气动力学和热力学等模型的建立和光化学耦合物理机制的重要参量。因此,临近空间大气温度场的研究在国际上具有重要的科学研究意义和较大的军事应用价值,是目前国际上研究的热点。国际上对临近空间大气温度廓线的研究始于上世纪六七十年代,而我国在这方面的研究起步较晚。本论文的主要内容包括以下几个方面:(1)基于氧气A波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论建立产生O2(b1∑g+)的光化学模型,然后基于此模型进行了气辉体发射率和气辉辐射强度的模拟。为了验证模型的正确性,将夜气辉体发射率计算结果与AURIC模型的结果进行了比较,对应高度基本吻合。基于计算和模拟结果对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了具体分析,包括夜气辉体发射率随温度和氧原子数密度的变化、日气辉体发射率随太阳天顶角的变化、氧气A波段发射谱随温度的变化以及辐射强度随切点高度的变化。(2)基于氧气A波段的临边辐射模拟数据进行临近空间大气温度廓线的反演,为了选取更加合适的反演方法,分别采用了贝叶斯方法和最小二乘法两种不同算法进行温度反演并基于结果进行了对比和分析。对比发现,80公里以下,信噪比为66~337时,基于贝叶斯反演的三条谱线761.59nm、762.2nm、764.05nm的平均反演误差分别为6.04K、2.5K、4.81K;采用最小二乘法反演的平均反演误差分别23.27K、11.84K、17.97K。信噪比为6~34时基于贝叶斯的三条谱线的平均反演误差分别为37.55K、16.76K、28.50K;采用最小二乘法反演的平均误差分别为180.26K、65.61K、121.33K。(3)基于氧气A波段的临边辐射强度模拟数据和贝叶斯方法对临近空间高度(60-110 km)的大气温度反演进行了研究及分析。基于无噪声和加入噪声情况下的临边辐射强度模拟值这两种模拟数据分别进行了温度反演,并对氧气A波段中的所有谱线的反演结果进行了分析,确定了氧气A波段各谱线权函数变化规律可作为谱线选择的判断依据。在无噪声情况下,当温度对自吸收的影响小于对线强的影响时,温度反演精度较高,平均反演偏差为4.1 K;当温度对自吸收的影响大于对线强的影响时,此时温度的反演精度较差,平均反演偏差达到34.9K。此外,基于辐射弱线进一步通过人为提高信噪比来分析辐射强度对反演精度的影响,发现辐射越强,信噪比越大,温度的反演精度越高,反之则越低。当气辉谱线线强达到10-26时,也可以用于80公里以上的温度反演并获得较好的反演结果,反演精度<5K。

李静[4](2018)在《中层大气不稳定结构及极区大气异常变化的研究》文中研究表明大气波动主要包括行星尺度波、潮汐波、和重力波等,它们在不同空间和时间尺度的大气耦合中起着关键作用。这些波动在低层大气中产生并向上传播,通过波耗散或破碎过程将动量和能量传输到背景大气中,从而对平流层和中间层的大气环流产生很强的动力学效应。另外,在波的传播过程中平均流场也会影响波的产生、传播和耗散。本论文利用地基和星载仪器长期观测的数据,一方面研究了中间层顶不稳定结构ripple的季节变化、及其与背景大气的关系,另一方面研究了北半球极区中高层大气对2015/2016年强厄尔尼诺(El Nino,EN)和准两年振荡(QBO)异常的响应。综合这些结果我们可以更好地了解波动在整个大气耦合中的作用。1、在中高层大气区域,大气重力波通过耗散和破碎将自身的动量和能量传输到平均流中,从而在驱动大气环流中起重要作用。对重力波耗散过程影响最大的机制是动力不稳定性和对流不稳定性,而OH全天空成像仪观测的ripple结构被认为是动力不稳定或对流不稳定的一种表征形式,因此研究ripple的特性和变化有着重要意义。然而,由于缺少长期的中间层温度和风场数据,关于ripple的研究仍留有很多疑问,如ripple与重力波的关系、其与背景大气稳定性和风场的关系等。针对以上问题,基于美国科罗拉多州Yucca Ridge Field台站的(40.7° N,104.9° W)OH全天空气辉成像仪、附近Fort Collins的窄带钠激光雷达和Platteville的中频雷达的观测的多年数据,我们首次对ripple的特性及季节变化、其与中间层背景风场和大气稳定性的关系进行了详细的统计研究。结果发现ripple的发生频率呈现出明显的季节变化和对地方时的依赖性,其秋冬季节(尤其是秋季)的发生率要高于其他季节。ripple结构的持续时间和空间尺度(水平波长)主要集中在5-20min和5-10km,且移动方向更偏向于南北向。以往研究普遍认为ripple结构是随着背景风场移动的,当它发生时大气是趋于不稳定的。然而我们的研究结果发现ripple结构并不总是随着背景风场移动,大气不稳定的发生率也(约17%)远低于ripple事件的发生率。多于一半的ripple结构并不随着背景风场移动,而且这些结构的动态不稳定参数Richardson数也相对高于随着背景风场移动的另一类ripple结构,这与前人对ripple和风场关系的研究结果并不一致。2、在北半球平流层,行星波(Rossby波)主要通过驱动Brewer-Dobson(BD)环流来影响极区温度和风场,进而引起极涡增强或减弱(比如平流层突然增温)。而2015/2016年冬季早期发生了有记录以来最强的厄尔尼诺事件,持续时间非常长,并且存在QBO的异常阻断。已有研究表明厄尔尼诺和QBO异常都会对北半球冬季极区的中高层大气产生重要影响。本文对北半球极区整个冬季(2015年10月-2016年3月)平流层和中间层大气对低层大气异常气候的复杂响应做了较全面的研究。基于北极圈内加拿大地区的Resolute Bay观测站(74.7 °N,265.1 °E)的OH全天空气辉成像仪、法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)、Aura 卫星上的微波探测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)数据,我们对2015/2016北极冬季早期(11、12月)的数据进行了分析,在北极中间层发现了多次非常少见的小尺度(水平波长小于20km)重力波事件。其中较为明显的是2015年11月23日和12月18日的两个重力波事件,对应的水平波长均为~18km,持续时间约为35min。基于Eureka台站的流星雷达、ECMWF再分析数据和MLS数据,我们对2015/2016年冬季北极平流层和中间层的风温和臭氧的变化进行了统计分析,发现在平流层,风场提前一个月转为西向风,温度提前一个月升高,且这些变化发生的都非常快,而3月份之前臭氧含量一直很低(与正常年份相比)。这一年平流层EP通量散度为负值且比往年低,表明Rossby波在这里破碎的比较多。而在中间层顶(80-95km),3月份之前比较暖,之后开始变冷,这和平流层温度变化呈负相关。以上结果表明在2015/2016年北极异常冬季情况下,对流层产生异常多的行星波并传播到平流层,在平流层破碎并释放动量和能量到背景大气中,对背景大气环流产生一个向西的拖曳(Rossby波的相速度在北半球冬季一般是向西的),由于北极冬季平流层纬向风一般是向东的,向西的拖曳使得背景大气纬向东向风场减速,也减弱了极涡和绕极环流(极涡是向东的),即减速了极区风场。同时增强的Brewer-Dobson造成极区下沉的增强,最终绝热加热使得极区变暖。但是2015/2016年冬季行星波破碎比往年更多,极涡减弱的也更剧烈,即极区风场减弱很快,提前向西转向且很迅速;Brewer-Dobson环流剧烈增强,使得平流层底部变暖较快。这很可能是由2016年3月份发生的异常平流层突然增温引起的,而这次突然增温也与异常厄尔尼诺和QBO现象直接相关。

龚少华,杨国韬,徐寄遥,薛向辉,焦菁,田大伟,傅军,刘正宽[5](2013)在《中国不同纬度背景Na层夜间和季节变化特征的激光雷达研究》文中认为基于子午工程的北京、合肥和海南三个Na荧光激光雷达对中国不同纬度上空夜间背景Na层的长期观测,分析了我国沿东经120°N上空Na层的夜间变化和季节变化特征.对照2010年12月17日夜间三个雷达站的观测结果,发现三个地方Na层的夜间变化并不具有相关性.Na层长期变化的年加半年变化拟合结果显示,北京和合肥上空Na层柱密度具有明显的年变化特点,而海南上空Na层柱密度的半年变化特征更明显;Na层的质心高度和RMS宽度具有明显的半年变化特点,但海南地区Na层的RMS宽度的长期变化不具有半年变化特征.Na层参数的统计和对照显示,Na层柱密度的季节变化与大气温度季节变化相关,在冬季最大,在夏季最小.Na层柱密度随纬度升高而增大,同时年变化性逐渐增强;质心高度随纬度变化趋势不明显,但三个地方Na层质心高度的长期变化都具有较明显的半年变化特征;在各个月份中,北京地区Na层RMS宽度最大,合肥地区Na层RMS宽度最小,海南地区居中.

涂翠[6](2011)在《全天空大气重力波成像仪研究》文中研究说明大气重力波是临近空间大气中的基本波动形式之一,在能量和动量传输过程中起到非常重要的作用。全天空大气重力波成像仪是一种以大气气辉辐射为示踪物,能有效对大气重力波成像的仪器。其优点在于:大视场成像;时间分辨率高;空间水平分辨率高;成本低。发展全天空大气重力波成像技术,对于研究大气重力波活动以及大气动力学,提高我国在大气领域的探测能力和相关研究水平具有重要的意义。本文系统研究了全天空大气重力波成像仪基本原理,硬件和软件研制方法,数据预处理方法,应用分析方法。主要内容包括如下几个方面:(1)概要介绍大气重力波与气辉辐射基本理论。在介绍大气结构的基础上侧重介绍大气重力波与气辉辐射基本理论。依据大气重力波线性理论分析了大气重力波对气辉辐射的影响,结果验证了气辉辐射有利于大气重力波观测。(2)详细研究了CSSAR全天空大气重力波成像仪的硬件和软件研制方法。研究了成像仪的基本原理、重点指标计算方法。完成了CSSAR全天空大气重力波成像仪的硬件研制、软件开发。另外总结了软件设计部分关键技术:时间控制和FITS文件存储实现。(3)系统研究了全天空大气重力波成像数据预处理过程。主要包括:去除本底,平场校正、方位校正、畸变校正和星星滤除等。结合CSSAR全天空大气重力波成像仪特征,在畸变校正过程中提出了鱼眼镜头校正环节和方法。(4)中国首次中层顶大气重力波成像观测实验及其数据初步分析结果。实验数据结果显示,当日03:00到05:00点之间,观测到了丰富的、明显的准单色大气重力波水平二维活动。初步分析了3个大气重力波个例,得到它们的水平波长、观测水平相速度、水平传播方位角和观测周期分别约为(12.3 km, 41 m/s, 327°, 5 min), (25 km, 35 m/s, 68°, 12 min)和(10 km, 48 m/s, 341°,3.5 min)。i(5)对一次典型的大气重力波事件开展了综合观测分析。该次事件分析结合使用了中频雷达和TIMED/SABER探测器数据。结果表明,该次事件很可能是由于温度波导导致产生。该次事件中,水平波长随时间递减,递减率约为15.6km/h;传播方位角存在周期性振荡变化,振幅2.5°,振荡周期55分钟,传播方位角振荡平衡位置约为155°。(6) CSSAR全天空大气重力波成像仪观测数据非模糊功率谱和角度谱分析方法研究,并利用该方法对CSSAR全天空大气重力波成像仪2009年1月5日晚观测数据进行了谱分析。谱分析结果清晰地展现该晚观测时间段内所有重力波活动的主要特性:波长下限较短,西向分量明显大于东向分量等。

BELETSKY A.B.[7](2011)在《Global distributions of OH and O2(1.27 μm)nightglow emissions observed by TIMED satellite》文中指出In order to investigate the global distributions of temporal variations of OH and O2 nightglow emissions,we statistically analyzed their variations with altitude,local time,and season,using the OH and O2 airglow emission rate data observed by the TIMED satellite between 2002 and 2009.The results indicated that the OH nightglow emission was stronger than dayglow emission and the O2 nightglow emission was weaker than dayglow emission.In the tropics,the OH nightglow intensity reached its maximum near midnight;at higher latitudes,the OH nightglow intensities after sunset and before sunrise were much strong.At the equinoxes,the O2 nightglow intensity in the tropics decreased with local time;at the solstices,the local time-latitude distribution of the O2 nightglow intensity had a valley(with weak emission).As for the altitude-latitude distributions of nightglow emission rates,the distribution for OH nightglow at the equinoxes had one peak(with strong emission)at the equator,with a peak height around 85 km;the peak for the March equinox was stronger than that for the September equinox.The distribution for O2 nightglow at the equinoxes had three peaks,lying at 30°in the spring and autumn hemispheres and at the equator,and the peak height at the equator was the lowest.The distributions for both OH and O2 nightglow emissions at the solstices had three peaks.Both nightglow intensities in the tropics had obvious annual and semi-annual variations,the peaks and valleys for semi-annual variations appeared near the equinoxes and solstices,respectively,and the peak at the March equinox was larger than that at the September equinox.The distributions of both OH and O2 nightglow intensities showed a hemispheric asymmetry.

刘晓,徐寄遥,李文强,高红[8](2009)在《模拟三维重力波传播过程的并行数值模式》文中进行了进一步梳理从三维大气运动的基本控制方程出发,基于MPI消息传递接口和区域分解的思想,建立了模拟三维可压缩大气中重力波传播过程的并行数值模式.在对垂直方向进行区域分解的基础上,针对跳点网格的特点,以垂直速度主格点线为子区域的下边界,状态变量主格点线为子区域的上边界进行区域分解.利用MPI消息传递接口来传递计算各子区域中变量时所要用到的相邻子区域上相应变量,从而顺利地完成对整个计算域的并行计算.根据线性重力波理论,通过模拟小振幅重力波的传播过程对所建模式进行了验证.结果表明,模式可以很好地模拟小振幅重力波在三维空间中的传播过程,模拟的重力波振幅随着传播高度的增加以指数形式增长,对能量传播路径以及有效扰动位能和扰动动能的模拟结果均与理论预测的结果吻合很好.另外,随着进程个数的增加,完成相同的计算量所用的计算时间也显着减少.这表明本文建立的并行数值模式不但能够很好的模拟重力波的传播过程,而且能够有效地节约计算时间.

肖存英[9](2009)在《临近空间大气动力学特性研究》文中指出临近空间大气是指20-120km的大气,是地球中高层大气的重要组成部分。临近空间大气存在着与太阳活动影响的日-地关系和低层气象变化相关的复杂耦合作用,与人类的生存和发展密切相关,对航天活动具有重要的影响,因此,对临近空间大气特性和内在机制的研究一直是各国科学家关注的领域。尤其是在近几年,临近空间的开发利用对临近空间大气的探测与研究提出了迫切的需求。在此背景下,本文选题临近空间大气动力学前沿研究,对临近空间大气进行了若干特性的分析及模式研究,主要研究内容可以概括为以下七个方面:(1)利用NCAR的二维物理模式(SOCRATES)模拟研究了临近空间大气温度和风场的气候变化特征,将模拟结果与中频雷达风场观测结果和TIMED/SABER卫星温度观测结果进行了比较,结果相互吻合。采用资料分析和模拟研究相结合的方法,利用武汉和日本中频雷达资料和SOCRATES模式,分析了中间层和低热层(MLT)大气的风场结构特性,首次利用模式模拟结果解释了北纬30oN中频雷达风场的季节变化特征,揭示了大气重力波在MLT大气结构中的重要性。(2)利用新的COSMIC GPS无线电掩星观测温度数据计算了大气重力波的位能,分析得到了低平流层大气重力波活动的全球分布特征,揭示了重力波波源和背景风场的影响,以及大气行星波的调制作用。(3)利用TIMED/SABER的温度数据,通过仿真模拟实验首次定量地分析了由于数据地方时覆盖不全造成的信号混淆对提取大气定常行星波的影响,并首次获得了20-135km全球大气定常行星波的活动特征,尤其是100-135km低热层大气行星波活动特征,发现在上中间层及低热层存在较强的大气行星波活动,分析结果对该领域的研究具有重要的意义。(4)利用ERA-40再分析风场资料,分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征。结果指出,准零风层一般处于1825km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化。根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5oN20oN),中低纬过渡区域(20oN32.5oN)、中高纬地区(32.5oN55oN)。(5)分析和比较了利用卫星温度资料计算水平风场的方法,包括地转风、梯度风和平衡风的计算方法。以DAAC提供的MLS/UARS 1992年12月份的大气温度数据为例,计算了20-55km高度范围的地转风、梯度风和平衡风,并与ERA-40再分析风场资料作了对比和分析。结果显示,计算出的风场与再分析资料的特征和规律基本一致,由此表明,利用卫星温度观测资料通过理论公式进行数值计算是获取高空风特征的一种非常有效的方法,是弥补20-60km直接观测资料少的一种有效的途径。此外,利用平衡风场的计算结果,文中首次定量的计算了平衡方程中各项的大小和比值,分析了各项的贡献和相对重要性。(6)利用COSMIC资料分析得到了2007/2008年平流层爆发性增温(SSW)期间10-60km大气的变化特征,揭示了上平流层和下中间层大气(USLM)在SSW过程中西风减弱或反转、温度降低的特性,并通过波流相互作用理论从动力学方面对大气的变化特性进行了解释,结果表明, 2007/2008年SSW的发生可能是由底部超过某个临界值的行星波向上传播,与平流层与中间层的平均流相互作用引起的。此外,文中还通过热力学方程和连续性方程计算和分析了剩余环流在SSW期间的变化特性,结果显示,剩余环流在SSW期间环流圈的方向会发生反转。(7)利用TIMED/SABER 7年的观测数据建立了临近空间20-90km的大气月平均气候模式,参量包括:温度、压强、密度和水平风场。之后,利用该气候模式分析了北京、武汉、拉萨和海南临近空间大气环境的变化特性,并尝试了人工神经网络在建立中层大气气候模式中的应用,成功地构建了一个三层的BPNN神经网络模型,反映了2007年2月份20-70km高度范围内的月平均温度结构特性,可为将来临近空间大气的建模工作提供参考。

CHEN Zeyu CHEN Hongbin CHEN Wen LU Daren(Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029)[10](2008)在《Advances in the Researches in Middle and Upper Atmosphere in 2006—2008》文中提出This paper summarizes the research results obtained by Chinese scientists and/or through international collaborations in 2006—2008.Specifically,this paper focus on the research fields in the middle and upper atmosphere,including developments in facilities and instruments,and the advancements in scientific issues.

二、The study and applications of photochemical-dynamical gravity wave model Ⅰ——Model description(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、The study and applications of photochemical-dynamical gravity wave model Ⅰ——Model description(论文提纲范文)

(1)基于激光雷达观测的中间层和低热层大气耦合过程研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 大气分层结构
        1.1.1 按温度分层
        1.1.2 电离层分层及基本特性
    1.2 大气探测手段
    1.3 激光雷达探测
        1.3.1 激光雷达探测基本原理
        1.3.2 瑞利激光雷达数据反演方法
        1.3.3 钠共振荧光激光雷达数据反演方法
        1.3.4 钠荧光共振微分散射截面计算
        1.3.5 光子噪声的影响
    1.4 本章小结
第2章 增强钠层与大气重力波
    2.1 钠层观测
        2.1.1 流星烧蚀
        2.1.2 钠层短期变化
        2.1.3 钠层长期变化
    2.2 突发钠层
        2.2.1 流星直接注入
        2.2.2 离子中和
        2.2.3 温度上升
        2.2.4 电子沉降
    2.3 低热层增强钠层
    2.4 大气重力波
        2.4.1 重力波的波源
        2.4.2 重力波的传播
        2.4.3 重力波线性理论
    2.5 本章小结
第3章 瑞利-钠激光雷达系统
    3.1 研究背景
    3.2 系统结构
        3.2.1 发射单元
        3.2.2 锁定单元
        3.2.3 接收单元
        3.2.4 控制单元
    3.3 观测数据与分析
        3.3.1 多通道观测
        3.3.2 流星尾迹观测
        3.3.3 周期变化观测
        3.3.4 合肥观测到的平流层气溶胶
    3.4 本章小结
第4章 大尺度水平增强钠层研究
    4.1 研究背景
    4.2 观测设备和方法
        4.2.1 钠激光雷达
        4.2.2 流星雷达
        4.2.3 电离层测高仪
        4.2.4 COSMIC掩星观测
        4.2.5 数据处理方法
    4.3 激光雷达共同观测的增强钠层事件
    4.4 形成机制讨论
        4.4.1 与突发E层有关的大尺度增强钠层
        4.4.2 可能被波调制的大尺度增强钠层
        4.4.3 与重力波倾覆相关的增强钠层
        4.4.4 具有明显时间延迟的大尺度增强钠层事件
    4.5 本章小结
第5章 波导重力波相关的突发钠层研究
    5.1 研究背景
    5.2 观测仪器
    5.3 案例分析
        5.3.1 原始数据
        5.3.2 扰动提取
        5.3.3 小波分析
        5.3.4 计算重力波参数
    5.4 本章小结
第6章 总结和展望
    6.1 总结
        6.1.1 瑞利-钠激光雷达系统
        6.1.2 大尺度水平增强钠层研究
        6.1.3 波导重力波相关的突发钠层事件
    6.2 展望
        6.2.1 合肥地区中间层顶区域钠层研究
        6.2.2 时间延迟的大尺度增强钠层研究
        6.2.3 中高频重力波与钠密度的藕合研究
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

(2)甚高频引力辐射的理论模型及数据分析研究(论文提纲范文)

中文摘要
英文摘要
1 引言
2 引力波
    2.1 引力波基本理论
    2.2 引力波源
    2.3 引力波的探测方案
3 机器学习算法
    3.1 传统机器学习
    3.2 深度学习
        3.2.1 人工神经网络
        3.2.2 卷积神经网络
        3.2.3 循环神经网络
        3.2.4 贝叶斯神经网络
4 甚高频随机引力波探测
    4.1 引力波电磁共振效应的研究背景
    4.2 甚高频引力波探测方案
        4.2.1 甚高频引力波探测方案的结构
        4.2.2 背景光子流的产生机制
        4.2.3 扰动光子流的产生机制
        4.2.4 背景噪音
    4.3 原初黑洞并合产生的甚高频随机引力波
        4.3.1 原初黑洞
        4.3.2 甚高频随机引力波
    4.4 数值计算和结果分析
        4.4.1 甚高频随机引力波的强度
        4.4.2 电磁共振效应的强度
    4.5 本章小结
5 利用深度学习对引力波信号进行识别和参数评估
    5.1 深度学习在引力波天文学中的应用简介
    5.2 样本数据集处理
        5.2.1 样本数据集
        5.2.2 样本预处理
    5.3 深度学习对甚高频引力波信号的识别
        5.3.1 数据的特征图表示
        5.3.2 卷积神经网络对甚高频引力波信号的识别
        5.3.3 多种分类器对甚高频引力波信号识别的结果比较
        5.3.4 小结
    5.4 深度学习对甚高频引力波源参数的误差评估
        5.4.1 卷积神经网络对无量纲振幅的参数估计
        5.4.2 卷积神经网络对频率的参数估计
        5.4.3 多种预测器对引力波源参数误差评估的结果比较
        5.4.4 小结
6 总结与展望
参考文献
附录
    A. 横向光子流表达式
    B. 作者在攻读博士学位期间发表的论文
    C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目
    D. 作者在攻读博士学位期间参加的学术交流活动
    E. 学位论文数据集
致谢

(3)基于氧气A波段发射谱反演临近空间大气温度(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 临近空间大气结构
    1.2 研究背景及探测意义
    1.3 气辉
        1.3.1 OI557.7nm气辉
        1.3.2 OI630.0nm气辉
        1.3.3 O_2A(0-0)气辉
        1.3.4 OH气辉
    1.4 探测方式
        1.4.1 地基
        1.4.1.1 主动探测
        1.4.1.2 被动探测
        1.4.2 空基
        1.4.2.1 气象火箭
        1.4.2.2 高空气球
        1.4.2.3 平流层飞艇
        1.4.3 天基
        1.4.3.1 天底探测
        1.4.3.2 临边探测
        1.4.3.3 掩星探测
        1.4.4 总结
    1.5 论文的章节安排
第2章 临近空间大气温度探测的理论基础
    2.1 探测目标气辉谱线
    2.2 HITRAN分子数据库
    2.3 温度反演的流程
        2.3.1 正演过程
        2.3.2 反演过程
    2.4 本章小结
第3章 正演模型的建立
    3.1 光化学模型
        3.1.1 共振散射
        3.1.2 碰撞湮灭
        3.1.3 Barth反应
        3.1.4 损耗过程
    3.2 辐射传输模型
    3.3 氧气A波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析
        3.3.1 体发射率模拟计算
        3.3.2 辐射强度模拟
    3.4 本章小结
第4章 温度反演
    4.1 反演模型
    4.2 反演算法
        4.2.1 贝叶斯方法
        4.2.2 最小二乘法
    4.3 两种反演方法结果对比分析
        4.3.1 无噪声时的反演结果分析
        4.3.2 添加噪声后的反演结果分析
    4.4 贝叶斯反演结果及分析
        4.4.1 正演模型
        4.4.2 无噪声时的反演结果分析
        4.4.3 添加噪声后的反演结果分析
    4.5 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 总结
        5.1.1 研究工作总结
        5.1.2 创新点
        5.1.3 存在的问题和进一步的工作
    5.2 未来工作展望
参考文献
作者简介
攻读学位期间的学术论文及研究成果
附录1
附录2
致谢

(4)中层大气不稳定结构及极区大气异常变化的研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 大气环流
    1.2 对流层和平流层耦合
        1.2.1 对流层对平流层的影响
        1.2.2 平流层对对流层的影响
    1.3 中高层大气动力学
        1.3.1 重力波和背景大气的相互作用
        1.3.2 重力波和大气不稳定结构
    1.4 本文工作目的和内容
第2章 大气波动
    2.1 原始方程组
    2.2 大气波动分类
    2.3 重力波和大气不稳定
        2.3.1 线性理论
        2.3.2 不稳定和湍流
        2.3.3 重力波破碎
        2.3.4 大气不稳定结构ripple
    2.4 行星波和背景大气
        2.4.1 大气行星波
        2.4.2 剩余环流和Elissen-Palm通量
        2.4.3 平流层突然增温
第3章 仪器和数据介绍
    3.1 全天空气辉成像仪
        3.1.1 气辉
        3.1.2 气辉辐射对重力波扰动的响应
        3.1.3 全天空气辉成像仪简介
    3.2 法布里-珀罗干涉仪(FPI)
    3.3 Aura卫星数据和ECMWF再分析数据
第4章 中纬度地区大气不稳定结构的特性研究
    4.1 仪器和数据处理
    4.2 Ripple结构的特性及季节变化
    4.3 Ripple结构和大气不稳定性的关系
    4.4 Ripple结构与背景风场的关系
    4.5 总结
第5章 北极冬季平流层和中间层大气对异常气候的响应
    5.1 中高层小尺度重力波的个例分析
        5.1.1 图像/数据处理
        5.1.2 结果
        5.1.3 讨论与总结
    5.2 异常气候下的北极冬季变化
        5.2.1 结果
        5.2.2 讨论与总结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

(5)中国不同纬度背景Na层夜间和季节变化特征的激光雷达研究(论文提纲范文)

1 引 言
2 Na荧光激光雷达系统、观测数据及分析方法
3 观测结果和讨论
    3.1 Na层的夜间变化
    3.2 夜间背景Na层的长期变化
4 结 论

(6)全天空大气重力波成像仪研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 全天空大气重力波成像研究的背景与意义
    1.2 全天空大气重力波成像的历史及国内外现状
    1.3 本文研究目的和主要研究内容
第二章 大气重力波与气辉辐射基本理论
    2.1 引言
    2.2 地球大气结构及组成
    2.3 地球大气波动理论
    2.4 气辉辐射基本理论
    2.5 大气重力波对气辉辐射的影响
第三章 CSSAR 全天空大气重力波成像仪
    3.1 引言
    3.2 全天空大气重力波成像技术
    3.3 CSSAR 全天空大气重力波成像仪的系统组成与性能参数
    3.4 CSSAR 全天空大气重力波成像仪运行控制软件研制
    3.5 本章小结
第四章 全天空大气重力波成像仪数据预处理
    4.1 引言
    4.2 去除本底预处理
    4.3 平场校正预处理
    4.4 方位校正预处理
    4.5 畸变校正预处理
    4.6 星星滤除预处理
    4.7 本章小结
第五章 中国首次中层顶大气重力波成像观测实验
    5.1 引言
    5.2 观测仪器说明
    5.3 实验条件说明
    5.4 观测数据预处理
    5.5 重力波分析与结果
    5.6 讨论和结论
第六章 一次重力波事件的综合观测分析
    6.1 引言
    6.2 联合观测实验说明
    6.3 数据与分析
    6.4 总结与讨论
第七章 CSSAR 全天空大气重力波成像仪观测数据谱分析
    7.1 引言
    7.2 谱分析方法
    7.3 谱分析方法模拟
    7.4 2009 年1 月5 日谱分析结果
    7.5 总结与讨论
第八章 总结与展望
    8.1 本文工作总结
    8.2 展望
附录一 FITS 图像格式存储程序
参考文献
攻读博士学位期间发表和已被录用的论文目录
致谢

(8)模拟三维重力波传播过程的并行数值模式(论文提纲范文)

1 引言
2 三维数值模式
    2.1 控制方程
    2.2 网格系统
    2.3 差分格式
3 并行化方案
    3.1 区域分解
    3.2 数据通信
4 并行数值模式的验证
    4.1 初始条件
    4.2 数值模式的验证
5 结论

(9)临近空间大气动力学特性研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 临近空间大气简介
    1.3 临近空间大气动力学探测与分析
    1.4 临近空间大气模式概况
    1.5 本文的研究动机和主要内容
    1.6 本章小结
第二章 SOCRATES 模式介绍和初步的模拟研究
    2.1 引言
    2.2 SOCRATES 模式介绍
        2.2.1 模式的物理学框架
        2.2.2 模式的辐射过程
        2.2.3 模式的动力学过程
        2.2.4 模式的化学过程
    2.3 临近空间大气温度场和风场的模拟
        2.3.1 大气温度场的模拟与比较
        2.3.2 大气风场的模拟与比较
    2.4 本章小结
第三章 北纬300N 大气风场的中频雷达观测及解释
    3.1 引言
    3.2 数据来源和数据分析
    3.3 模式参数
        3.3.1 大气行星波
        3.3.2 大气重力波
        3.3.2 大气潮汐波
    3.4 结果和讨论
        3.4.1 风场观测结果及与HWM93 模式的比较
        3.4.2 模式模拟结果及相关比较
        3.4.3 动力学过程对风场的影响
        3.4.5 经向风场的解释
    3.5 本章小结
第四章 全球平流层大气重力波活动的特性分析
    4.1 引言
    4.2 数据来源和计算方法
    4.3 结果和讨论
        4.3.1 重力波活动的全球分布特点
        4.3.2 重力波活动与背景风场的比较
        4.3.3 重力波活动与地形的比较
        4.3.4 热带地区重力波活动与对流活动的比较
        4.3.5 重力波活动与行星波活动的比较
    4.4 本章小结
第五章 全球20-120km 大气温度定常行星波活动的特性分析
    5.1 引言
    5.2 数据来源和数据处理
        5.2.1 TIMED/SABER 观测资料
        5.2.2 数据处理
        5.2.3 信号混淆问题的仿真
    5.3 结果和讨论
        5.3.1 非迁移性潮汐波和混淆结果
        5.3.2 定常行星波的振幅特性
        5.3.3 定常行星波的相位特性
        5.3.4 UMLT 定常行星波特性的解释和讨论
    5.4 本章小结
第六章 中国上空平流层准零风层的特征分析
    6.1 引言
    6.2 数据情况
    6.3 结果与分析
        6.3.1 随纬度的变化
        6.3.2 随季节的变化
        6.3.3 随经度的变化
    6.4 本章小结
第七章 利用卫星温度资料计算风场的方法分析与比较
    7.1 引言
    7.2 数据来源和数据分析
        7.2.1 MLS 温度观测资料
        7.2.2 ERA-40 再分析风场资料
        7.2.3 30hPa 位势高度资料
    7.3 风场计算方法
    7.4 风场计算结果和分析讨论
        7.4.1 风场随纬度、高度的变化
        7.4.2 纬圈平均风场随纬度、高度的变化
        7.4.3 风场随经度、纬度的变化
    7.5 平衡方程各项贡献的计算与分析
    7.6 本章小结
第八章 SSW 期间10-60km 大气的变化特性及动力学诊断
    8.1 引言
    8.2 数据来源和数据处理
        8.2.1 数据来源
        8.2.2 数据预处理
    8.3 结果和讨论
        8.3.1 2007/2008 年SSW 的诊断分析
        8.3.2 SSW 过程中全球温度及风场的变化特性
        8.3.3 SSW 过程中行星波的变化及与平均流的相互作用
        8.3.4 SSW 期间剩余环流的变化特性
    8.4 本章小结
第九章 建立临近空间中层大气月平均气候模式
    9.1 引言
    9.2 建模方法和过程
    9.3 模式结果及相关比较
        9.3.1 温度的分布特征及相关比较
        9.3.2 纬向风的分布特征及相关比较
    9.4 子午链台站临近空间大气环境特性分析
    9.5 本章小结
第十章 人工神经网络在建立中层大气模式中的应用
    10.1 引言
    10.2 数据来源和数据处理
    10.3 人工神经网络模型的构建与测试
        10.3.1 准备输入和输出样本
        10.3.2 神经网络的构建
        10.3.3 训练和测试
    10.4 进一步的模拟与比较
        10.4.1 纬圈平均温度结构
        10.4.2 行星波
    10.5 本章小结
第十一章 总结与展望
    11.1 本文研究工作总结
    11.2 未来研究工作展望
参考文献
攻读博士学位期间发表和已录用的文章目录
致谢

(10)Advances in the Researches in Middle and Upper Atmosphere in 2006—2008(论文提纲范文)

1 Preface
2 Facility Development
3 Satellite and Ground-Based Remote Sensing
4 Background of the Middle and Upper Atmosphere
    4.1 Metallic and Airglow Layers Over China Sector
    4.2
5 Global Structures of the MLT Tides
6 Quasi-Stationary and Travelling Planetary Waves
7 Gravity Wave Propagation and its Effects

四、The study and applications of photochemical-dynamical gravity wave model Ⅰ——Model description(论文参考文献)

  • [1]基于激光雷达观测的中间层和低热层大气耦合过程研究[D]. 马聚. 中国科学技术大学, 2020(01)
  • [2]甚高频引力辐射的理论模型及数据分析研究[D]. 王丽丽. 重庆大学, 2020
  • [3]基于氧气A波段发射谱反演临近空间大气温度[D]. 杨晓君. 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心), 2020(02)
  • [4]中层大气不稳定结构及极区大气异常变化的研究[D]. 李静. 中国科学技术大学, 2018(11)
  • [5]中国不同纬度背景Na层夜间和季节变化特征的激光雷达研究[J]. 龚少华,杨国韬,徐寄遥,薛向辉,焦菁,田大伟,傅军,刘正宽. 地球物理学报, 2013(08)
  • [6]全天空大气重力波成像仪研究[D]. 涂翠. 中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心), 2011(03)
  • [7]Global distributions of OH and O2(1.27 μm)nightglow emissions observed by TIMED satellite[J]. BELETSKY A.B.. Science China Technological Sciences, 2011(02)
  • [8]模拟三维重力波传播过程的并行数值模式[J]. 刘晓,徐寄遥,李文强,高红. 空间科学学报, 2009(06)
  • [9]临近空间大气动力学特性研究[D]. 肖存英. 中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心), 2009(03)
  • [10]Advances in the Researches in Middle and Upper Atmosphere in 2006—2008[J]. CHEN Zeyu CHEN Hongbin CHEN Wen LU Daren(Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029). 空间科学学报, 2008(05)

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光化学-动力重力波模型的研究与应用Ⅰ——模型描述
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