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熱層風(fēng)是理解中高層大氣動力學(xué)和電動力學(xué)過程的關(guān)鍵參數(shù)。地基被動光學(xué)干涉儀廣泛應(yīng)用于熱層風(fēng)觀測，且是目前唯一可實(shí)現(xiàn)高層大氣中性風(fēng)場直接探測的儀器，其通過測量630 nm氧原子氣輝的多普勒頻移反演風(fēng)速，通過掃描東西南北及天頂五個(gè)方位重構(gòu)局地風(fēng)場。作為一種被動光學(xué)遙感設(shè)備，干涉儀易受雜散光污染而引入誤差，如在極光活動期間，干涉儀熱層風(fēng)觀測常出現(xiàn)顯著的南北或東西差異，對動力學(xué)過程分析造成干擾，亟需厘清測風(fēng)過程中的污染因素及機(jī)理。
2024年5月10日和10月10日兩次強(qiáng)磁暴期間，子午工程四子王旗站（41.8°N，111.9°E）的兩部不同光學(xué)原理的干涉儀（法布里-珀羅與空間外差）均在極光時(shí)段觀測到南北側(cè)經(jīng)向風(fēng)相差超400 m/s、垂直風(fēng)向下超100 m/s，且與極光亮度同步快速變化（如圖1），因此推測與大氣散射使非視線方向極光輻射進(jìn)入光學(xué)干涉儀視場造成測風(fēng)偏差有關(guān)。
為探究異常風(fēng)場成因，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中高層大氣研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了低層大氣散射輻射傳輸模型，通過模擬極光輻射在低層大氣內(nèi)的散射過程，定量評估了散射對光學(xué)干涉儀熱層風(fēng)觀測的偏差影響。模擬結(jié)果基本再現(xiàn)了觀測到的異常風(fēng)場特征，證實(shí)低層大氣散射是主要污染因素之一（如圖1）。散射引入的視線風(fēng)偏差，其正負(fù)符號與極光亮區(qū)的視線風(fēng)速保持一致；大小隨視線與亮區(qū)夾角增大而顯著升高，具有方位不均勻性。極光出現(xiàn)在臺站北方后，散射將北方強(qiáng)光區(qū)的視線風(fēng)速“彌散”到其它方位，使光學(xué)干涉儀在其它方向觀測到了來自北方的輻射污染，從而造成水平風(fēng)速差異（如圖2）。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對光學(xué)干涉儀觀測受光污染機(jī)制的理解，也為中緯度紅色極光頻發(fā)區(qū)內(nèi)干涉儀測風(fēng)數(shù)據(jù)的甄別提供了理論依據(jù)和技術(shù)路徑。
相關(guān)研究成果以“Impact of lower atmospheric scattering on ground-based optical thermospheric wind observations with spatially uneven airglow”為題，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Atmospheric Measurement Techniques上。論文第一作者為空間中心碩士研究生魏曉龍，通訊作者為姜國英副研究員與朱亞軍研究員。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定支持項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、子午工程、太陽活動與空間天氣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等相關(guān)項(xiàng)目的資助。
圖 1 四子王站2024年5月10-11日氣輝亮度及熱層風(fēng)的干涉儀觀測與模擬
(a) 630 nm氣輝亮度（45°仰角下8個(gè)地理方位及天頂方向）；紅色時(shí)段為可見極光時(shí)段。(b–d) 分別為經(jīng)向、緯向和垂直風(fēng)；實(shí)線（圓點(diǎn)：空間外差，菱形：法布里-珀羅）為實(shí)測，虛線為散射模擬結(jié)果；灰色實(shí)線為相對方向平均值。(a–d)為5月10日結(jié)果；(e–h)類同，對應(yīng)5月11
圖 2 散射機(jī)制及模型示意圖
論文信息：
Wei X., Jiang G., Zhu Y., et al. 2025. Impact of lower atmospheric scattering on ground-based optical thermospheric wind observations with spatially uneven airglow. Atmos. Meas. Tech. [J], 18: 6959-6977. https://doi.org/10.5194/amt-18-6959-2025
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