中层顶区域气辉辐射特征与物理机制研究

A ground-based instrument detecting atmospheric radiation was developed with spectrometer at Beijing supported by “Chinese Meridian Project ”, and the nightglow has been observed for 5 years. In this work, the rotational temperatures are derived using observed OH and O2 airglow spectra. Based on the ground observations and airglow emission rate and temperature detected by SABER on board TIMED satellite, the variations of airglows at different heights over Beijng, the global distributions of temperatures and airglow emissions at mesopause region are researched. In addition, there are complicated coupling processes between dynamics and photochemistry. So the ground-based and satellite airglow detections provide observational facts to the physical mechanism in airglow radiation, and improve the physical model of the coupling between the atmosphere waves and airglows.

在子午工程资助下利用光谱仪在北京地区自主搭建的一套大气辐射观测系统，并对夜间气辉辐射进行了连续5年的观测。本文利用已经积累OH和O2气辉光谱进行了转动温度反演，并结合TIMED卫星上SABER的气辉和温度探测数据，对北京地区上空大气不同高度上气辉的波动变化特征，以及中层顶区域气辉辐射、大气温度的全球分布特征进行研究分析。此外，中层顶区域存在复杂的动力学和光化学耦合过程。通过地基与卫星气辉观测对气辉辐射中涉及的物理过程提供观测依据，从而改进大气波动与气辉光化学耦合的物理模型。

气辉辐射受化学和动力学过程共同控制。当大气波动在气辉层传播过程中，气辉的辐射强度和温度对波动会有不同的响应。地基和卫星的气辉观测为研究大气波动引起的气辉扰动提供了很好的手段。. 首先，利用位于中国兴隆天文台的地基O2和OH(6-2)带气辉观测数据提取了大气波动。计算了不同周期波动的Krassovsky比值η。结果发现在重力波和潮汐周期波段：O2的η大小随周期增大而增加，其相位φ 几乎都是负值，并且随周期没有明显变化趋势。然而，对于短周期波动，尤其是1至2小时的波动，φ会出现一些正值。OH的η大小在1至3小时周期波动之间随周期增加而增大，然后随周期没有明显变化。与O2的类似，其相位在短周期波动为正值，但是其平均值明显比O2的要小。两种气辉η的相位基本上都是负值，说明温度的扰动总是领先于强度的扰动。利用提取的周期从2天至24天的行星波波动参数，计算了Krassovsky比值η。发现η大小几乎是常数，不随周期有明显变化。其相位也随周期也没有明显的变化，且近似等于0。. 其次，利用TIMED卫星上SABER探测器的OH气辉发射和大气温度观测数据，研究了OH气辉辐射对不同尺度大气潮汐波和行星波的响应情况。通过提取的OH气辉辐射强度和温度的大气波动参数，计算了Krassovsky 比值η。结果显示η 的大小和相位随纬度和高度都有很大不同，同时也发现η与潮汐或行星波的波模有很大相关性。.所以以上研究表明气辉辐射强度和温度对大气波动有着不同的响应，这对我们了解气辉辐射机制中动力学和化学耦合过程的认知有重要意义。.此外，在OH气辉辐射研究过程中，发现水汽吸收对于气辉转动温度计算有重要影响，基于我们提出了一种利用OH(8-3)带气辉光谱计算大气水汽柱含量的方法。该方法的最大优势是可以实时、快速地出沿天文观测视线上的水气含量，有助于精确地对天文观测进行水汽校正。