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临近空间大气环境探测资料分析研究

范志强  
【摘要】:临近空间位于航空器飞行高度与轨道飞行器飞行高度之间,是空天一体化作战不可或缺的中间平台,具有重要的战略地位及独特的军事应用价值。临近空间范围内也有包括大气温度、密度以及风场的天气尺度的显著变化,这些变化对平流层飞艇、高超声速飞行器等临近空间飞行器的飞行有着非常重要的影响,因此临近空间飞行器的研制与应用迫切需要相应的临近空间气象保障。临近空间大气环境探测资料的分析应用是临近空间气象保障体系的重要组成部分,本文针对临近空间天基卫星遥感探测技术与空基气象火箭落球探测技术的研究现状及存在的问题,主要研究了卫星遥感资料误差特征、多源卫星遥感资料变分融合、无线电掩星观测弯曲角电离层残差修正、气象火箭落球探测数据处理关键技术等四个方面的问题。具体工作概括如下:(1)综合分析临近空间内SABER卫星观测资料与COSMIC掩星观测资料的温度误差特征,为临近空间多源卫星观测资料的变分融合提供误差基础。首先利用高分辨率无线电探空资料验证了两种卫星观测资料在32 km以下较高的探测精度。其次对COSMIC观测数据与SABER观测数据进行相互比较,发现两种卫星的观测资料的温度数据随高度的变化特征总体一致,两者间的温度偏差存在随高度、纬度和季节变化的分布特征。最后结合两者之间的温度偏差与COSMIC掩星折射率误差数据计算COSMIC观测数据与SABER观测数据的温度误差矩阵,计算结果表明,COSMIC温度标准误差随着高度的增加而增加,在低平流层的温度标准误差约为0.5 K,在40 km时它们大多大于3.5 K,且最大误差值约为5.5 K;在平流层SABER的探测精度较高,其温度标准误差大部分在0~3.5 K之间,在40km处温度标准误差小于1 K。(2)基于克里格插值方法对SABER温度观测数据和COSMIC温度观测数据进行变分融合,获取15 km~40 km高度范围内全球大气温度分析场,其中变分融合时使用的误差协方差矩阵来自第三章中两种卫星温度观测数据误差统计结果。交叉对比的结果表明:变分融合后的温度场在15 km~35 km高度范围内与COSMIC观测温度场较为一致,两者之间的平均温度偏差在-1 K到1 K之间,标准偏差在3K到4 K之间;而在35 km~40 km高度范围内变分融合后温度场与SABER温度场更为一致,两者之间的平均温度偏差在0 K~0.5 K范围内,标准偏差在1.8 K~2 K范围内。变分融合后的温度场很好地综合了SABER观测数据在40 km附近的高精度优点和COSMIC观测数据在15 km~30 km范围内的高精度优点,两种卫星观测数据的融合效果明显。(3)以NRLMSISE-00大气经验模式和NeQuick电离层模式为大气背景,基于Abel积分方程建立模拟掩星弯曲角及其电离层残差的模型,该模型的仿真测试结果表明电离层残差随高度逐渐增加,并与电离层电子密度廓线关系密切。利用该模型验证Healy and Culverwell(2015)提出的新电离层修正方法,即在原来的双频弯曲角线性组合的基础上加入新项κ(a)(α_(L1)(a)-α_(L2)(a))~2以削弱电离层残差;本文通过表征κ值随地方时、纬度、高度和太阳活动水平的变化特性来改进此电离层修正方法,模拟结果表明改进后的弯曲角电离层修正方法能更好的消除电离层残差,当新的κ值被应用于弯曲角电离层修正时,在白天时间、40°N纬度区域、太阳活动水平为F_(10.7)=210的条件下,模拟的大气掩星观测弯曲角电离层残差从大约5×10~(-8) rad下降到1×10~(-9) rad。(4)针对气象火箭落球探测数据处理中的关键技术进行研究,包括空气阻力系数的计算方法以及大气温度的计算方法,探讨了由大气密度廓线反演大气温度廓线的计算方法并统计分析了其中的系统误差;然后基于落球探测基本原理、空气阻力系数计算方法与大气温度计算方法建立完整的气象火箭落球探测大气参数反演系统,最后用一次飞行试验数据验证了该大气参数反演系统,其结果表明大气参数反演系统有效可靠,通过飞行试验数据反演获得的风场数据较为准确,而由于阻力系数的不确定性,大气密度与大气温度计算结果均存在一定的误差。


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