临近空间大气湍流层顶的若干关键科学问题研究

The atmosphere turbopause has important effect on the aerodynamic drag coefficient and working environment of flight vehicles, in this project we turn to the study of a frontier filed about the near space atmosphere turbopause. According to the different observation equipment and different calculation methods may get different turbopause altitudes, we synthetically use TIMED satellite's temperature, density and wind field observation data, and use the numerical differentiation method of temperature and density information to calculate the vertical gradient. At the same time, we combine variational decomposition and reconstruction method of wind speed to calculate vertical wind field from horizontal wind field, and then the height of turbopause is corrected by the information of vertical wind field. The ground detection data can be collected, the processing method of observation data also can be developed. In addition, we can get the vertical turbulence field and verify the validity and feasibility of the calculation method. Based on the power spectrum we can analyze the periodic variation features of turbopause altitude. Making use of the wavelet analysis, we can calculate the wavelet coherence between the turbopause altitude, mesopause altitude, atmospheric stratification stability and the sequence signal of atmospheric wave. At the same time, the correlation coefficient in the same period and time delay coefficient between the above signals are analyzed. Based on the information flow analysis method, their correlation and interplay mechanism between signals are revealed. The research findings of this project will provide theoretical basis and technical support for the near space atmosphere predict model.

大气湍流层顶对飞行器的气动阻力系数和工作环境有重要影响，本项目在临近空间大气湍流层顶这一前沿领域开展研究，针对不同的观测设备和不同的计算方法得出不同湍流层顶高度的问题，综合利用TIMED卫星的温度、密度以及风场观测数据，利用数值微分方法计算温度和密度信息的垂直变化梯度，同时结合风速变分分析重构方法从水平风场提取垂直风场，利用垂直风场信息对温度、密度信息计算出的湍流层顶高度进行修正。收集已有的地基探测数据，发展地基探测数据处理方法，得到垂直方向的湍流场，与卫星数据计算得到的湍流层顶高度进行相互验证。基于功率谱分析湍流层顶高度的周期变化特征，利用小波分析计算其与中间层顶高度、大气层结稳定性和大气波动时序信号之间的小波相干性，同时分析以上信号之间的同期相关系数和时延系数，基于信息流分析方法揭示信号之间因果关系及相互影响机制。项目研究成果可为发展临近空间大气环境预报模式提供理论基础和技术保证。

大气湍流层顶实际为地球重力波、地形扰动波和大气热力、动力共同作用的高度，其精确位置与重力波产生湍流机制的强度有关, 也与热层底部的大气动力学、热力学等状况密切相关。湍流层顶以下，大气主要成分的相对丰度可假设与高度无关，湍流层顶以上,由于湍流停息创建了大气扩散分离的条件,中性成分的垂直分布与各自的分子量大小有关,因此,湍流层顶是大气下层均匀混合和上层扩散分离的交界面，其对飞行器的气动阻力系数和工作环境有重要影响。因此，湍流层顶高度的确定是中高层大气中划分湍流活动范围的重要依据，对研究临近空间飞行器绕流阻力、升力、侧力及力矩、热流变化等空气动力学特征有重要的参考意义。.本项目利用TIMED卫星的温度、密度和风场观测数据，提出一种新的湍流层顶高度计算方法。利用收集的地基湍流层顶观测数据对所提算法的有效性和可行性进行相互验证。利用计算的湍流层顶高度数据，基于Lomb-Scargle功率谱分析湍流层顶高度的周期变化特征，利用小波分析计算其与中间层顶高度、大气层结稳定性和大气波动时序信号之间的小波相干性，同时计算以上信号之间的同期相关系数和时延系数，最后利用Liang-Kleeman 信息流方法来研究信号之间的因果联系，以揭示信号之间关联性以及相互影响机制。.本项目提出了基于大气温度标准差梯度廓线确定临近空间波动湍流层顶高度的新方法，该方法解决了以往方法在高纬度地区适用性受限的问题，同时提升了波动湍流层顶高度的计算精度。实现了对临近空间湍流层顶的全球观测，并系统分析了临近空间湍流层顶的时空变化特性。利用最新更新和改进的SABER温度廓线观测数据，形成临近空间卫星观测数据集，分析了近20年臭氧恢复期高垂直分辨率的中层大气温度变化趋势，以及中间层顶温度和平流层顶温度的变化趋势。在保证分析资料均一性的同时，为优化大气化学气候模式的模拟能力以及深入了解临近空间大气的物理属性，提供了合理的观测参考。