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埋首前行 探索中高层大气领域

——记中国科学院国家空间科学中心徐寄遥研究员及研究团队

2023-01-09 20:25:36   

编者按:仰望星空,除了漫天星光外,还有一些双眼不容易看到的暗淡光茫,气辉就以多姿多彩的“形态”隐藏其中。作为中高层大气光化学过程的产物,气辉观测是研究中高层大气复杂物理过程的重要手段。而中高层大气(十几公里~几百公里)又与人类生存环境以及航天活动关系极为密切,易受太阳和地磁活动的影响,同时对来自于地球表面的地形地貌和海陆分布以及低层大气台风、雷暴等强烈事件,也极为“敏感”。因此,气辉观测对中高层大气的研究意义重大。

 

徐寄遥,一位中高层大气研究领域的科研人员。已经年过六旬的他,仍奋斗在科研探索的“前线”,几十年如一日的研究,让他对中高层大气世界有了更深刻的认知,也在该领域做出了突出贡献。

从单台气辉成像仪的观测到全天空气辉成像仪的组网探测,气辉观测不仅获得了更庞大准确的数据,还促进了探索的多样性,而这份翻天覆地变化的背后,则是徐寄遥领导的中高层大气研究团队的兢兢业业,披荆斩棘。

 

徐寄遥(右)和袁伟在库尔勒站
 

兴趣和需求是科研的最大动力

中国,不仅拥有复杂多样的地形地貌,还覆盖了从中纬到低纬气象和高层大气/电离层不同特征的区域,横跨了大约4个时区,造就了我国上空中高层大气扰动受剧烈天气事件、地形变化强迫、上下大气层耦合等影响的独特特性。

由于大气波动在中高层大气中的传播范围较大,单台气辉观测仪有限的视野覆盖很难进行大范围的观测和不同区域的比较,因此,不能满足科研需求。虽然卫星观测具有大范围的全球视野,但是卫星观测的空间分辨率有限,也很难实现对空间某一点的长时间连续观测,无法得到中高层大气扰动的时空演化过程。

长期从事科研探索的徐寄遥,对此有着深刻的认知,如果想更好地对中高层大气扰动事件的物理过程进行深入的探索研究,组网观测成为必由之路。组网观测可以解决单台站气辉观测视野小以及卫星观测空间分辨率有限和固定区域空间采样不连续的问题,这也是未来观测和研究中高层大气方面新的发展趋势,而中国,已经走在了发展的前沿。基于这样的思考,中国科学院国家空间科学中心徐寄遥研究员领导的中高层大气研究团队在国家大科学工程“子午工程”、国家自然科学基金委员会、空间天气学国家重点实验室、以及中科院等单位的大力支持下,全力攻关,克服重重技术瓶颈,自主研发了全天空气辉成像仪和气辉光谱仪等观测设备。

而在设备相关的检验和测试完成后,徐寄遥团队就开始按照特定的科学目标,开始组网。从2010年开始,他们将40多套研制的全天空气辉成像仪、气辉光谱仪等气辉观测设备陆续安装在全国15个台站,构建了用于观测峰值高度分别位于约87km高度上的OH气辉和峰值高度位于约250km高度上的氧原子红光气辉的国际上第一个双层气辉探测网。尤其在我国华北地区密集的气辉台站排列形成了无缝隙的全天空OH气辉探测台网。根据特定的科学目标,还需要开展加密观测,增加临时站点,包括北方的平泉站、丰宁站,南方的大新站、桂平站。为了获取高质量的观测数据,所有站点均选择在偏僻的农村,避免人为的环境光污染,把设备安装在屋顶上,减少周围的物体对设备观测的遮挡。

在这一过程中,无论是自研设备,还是自主组网,徐寄遥和研究团队始终冲在“前线”。正是这份创新和探索的双层气辉观测网,才基本建设完成了覆盖我国上空的双层气辉观测网,在世界上开创了双层气辉观测网研究中高层大气的先例。实现了自主设定科学目标、自主研发探测仪器开展探测、利用探测的数据自主开展研究分析的研究模式。

气辉台网的建设使得对气辉的观测更加精细化,并具有宽阔的视野。其探测数据取得了一系列重要研究成果。在此基础上,“中间层和低热层大气短周期震荡研究”以及“基于子午工程和气辉观测网对上传重力波在中高层大气中传播和演化过程的研究”两个研究项目也在国家自然科学基金重点项目的支持下顺利开展。

 

协同与分工是团队合作的最好方式

中高层大气研究团队是一个协同合作又有分工侧重的团结的集体。袁伟、刘伟军、李钦增博士在气辉探测设备研制、自动化控制、数据采集、以及台站建设和维护等方面发挥了核心骨干的作用。尤其是近十多年来,袁伟博士几乎把所有的精力都投入到气辉台网的建设和日常维护上,确保了十余年台网的正常运行,使得团队其它成员能够安心开展数据分析和研究工作。

 

李钦增
 

中高层大气重力波是中高层大气研究中的非常重要的研究方向,也是李钦增博士的重点研究课题。其实,青藏高原对中层顶区域重力波特性的影响,一直是徐寄遥团队的探索方向。而李钦增博士则充分利用青藏高原附近的曲靖台站3年(2012—2014年)的87km OH气辉的探测数据,结合实时的流星雷达测风数据和SABER/TIMED测温数据以及再分析资料,发现了重力波的传播与同纬度带其它地区的统计结果有非常显著的差异,之后,利用ECMWF再分析资料的强对流降雨参量发现,夏季重力波波源主要受对流系统控制,而冬季,青藏高原地形强迫起到了关键的作用,它改变底层大气的激流,进而对重力波的产生和传播发挥重要影响。同时,李钦增博士台网对OH气辉的观测,对青藏高原上空中层顶区“潮涌”现象进行了研究,给出了大气波导对高层大气“潮涌”传播调制作用的观测证据。

电离层不规则体是高层大气和电离层研究非常重要的研究热点,同时它对通讯、导航定位等人类活动有不可忽视的影响。而电离层不规则体的研究正是孙龙昌和吴坤两位博士的主攻方向。他们利用全天空气辉成像仪台网在我国低纬地区(云南、广西、海南)的对波段的探测对等离子体泡事件演化过程进行了详细分析研究,给出了这一类电离层不规则体事件季节变化以及传播的统计规律。与此同时,利用我国低纬地区海南富克和广西桂平观测站的全天空气辉成像仪630 nm波段的观测数据对2013年10月4日的赤道等离子体泡事件演化过程进行了详细分析研究,发现事件中的等离子体泡存在特殊的结构形态,观测到的赤道等离子体泡呈现出明显的类波结构特征,相邻等离子体泡之间的间距与当天台风引起的大气重力波的水平波长基本一致。同时结合我国风云卫星对台风的探测、气象再分析资料、电离层的气辉探测、以及重力波传播理论,经过缜密分析,提出了电离层出现的类波结构的等离子泡很可能是由发生于低层大气的台风引起的大气重力波诱发的观点。为进一步研究重力波在中高层大气中传播和演化过程,提供了科学的依据和支撑。

行进式电离层扰动(TID)是我国中纬度上空非常重要的一类电离层不规则体现象。孙龙昌和吴坤两位博士利用气辉台网对此开展了大量研究。他们利用覆盖我国中纬地区的全天空气辉成像仪630 nm波段的台网观测数据,从气辉图像中揭示了中尺度(约为150km)场向不规则结构的存在,并利用二维自相关分析方法,发现中尺度场向不规则结构除了被主体电离层行进扰动包裹着朝西南方向运动,还有一个朝着垂直于主体电离层行进扰动传播方向(西北方向)的运动。进一步证明了极化电场在场向不规则体和中纬电离层行进扰动结构演化过程中扮演着非常重要的作用。同时他们还利用覆盖我国中纬和低纬地区的气辉台网的观测,对以TID为特征的中纬度电离层不规则体与以等离子体为特征的低纬度电离层不规则体的相互作用进行了观测研究。

 

刘伟军
 

利用OH气辉辐射光谱计算转动温度是非常重要的中层顶区大气温度的地基探测方法,被广泛应用于中层顶区的光化学和动力学过程的研究。团队中,刘伟军博士的主攻方向是利用气辉探测数据中层顶区域大气温度的反演研究。从探索之初,他便深耕OH气辉光谱的地基探测数据,对OH多个谱带的转动温度十分关注,并对目前国际上各研究团队常用的5组OH气辉辐射跃迁概率(爱因斯坦系数)进行比较分析,发现由这5组爱因斯坦系数计算的温度的最大差异可达近20k,且与卫星探测的温度也有较大差异,严重影响了全球各个观测台站探测的中层顶温度的比较分析。为解决这一问题,他采用统计学方法把连续3年地基探测的OH气辉光谱计算的温度与美国TIMED卫星上SABER探测的温度以及气辉辐射的探测数据进行了比较研究,给出了一套OH气辉各谱带最优的爱因斯坦系数比值。这套统一的爱因斯坦系数比值对全球处于不同经纬度台站OH转动温度探测的比较提供了重要的标准,并且有利于与卫星温度探测的交叉对比。这些参数也对建立精确的OH气辉辐射的光化学模式具有重要的参考价值。

以上仅仅是团队研究工作的一些典型例子。

中高层大气研究团队是一个既有分工又有合作的团结集体。针对华北地区强雷暴对中高层大气影响的研究,徐寄遥研究员组织团队优势力量,利用气辉台网在华北地区布局的六个密集排列形成的OH气辉的无缝隙全天空气辉探测,对2012年到2014年间华北地区强雷暴事件开展了协同合作研究,发挥团队各成员的优势,分别对气辉台网数据、全球雷电定位探测数据、在分析资料、风云卫星和美国的TIMED、AIRS/Aqua和VIIRS/Suomi NPP等卫星探测数据、以及无线电雷达数据进行分析与对比,开展了从对流层、平流层到中间层/低热层立体的详细探测研究。研究发现2013年夏季7、8月间连续发生的强烈雷暴事件非常独特,全天空气辉探测台网的探测表明这些雷暴事件对中高层大气产生了连续的剧烈扰动。研究表明,重力波可以通过大气波导的作用水平传播上千公里。

科研从来不是闭门造车,广泛的国际合作,可以为科研工作注入新的活力。例如:在徐寄遥团队与俄罗斯喀山国立大学合作中,他们利用自主研制的全天空气辉成像仪对俄罗斯西部区域进行了完整一年的OH气辉成像观测,不仅揭示了45ºN至75ºN纬度带范围内中层顶区域重力波的季节变化特性,也得出了重力波传播方向主要向东北方向传播,此传播特性明显不同于其它纬度台站的重要科学结论。在此基础上,通过再分析资料研究发现重力波波源在春季,夏季和秋季主要由高加索山脉区域对流系统控制,进一步验证了地形强烈影响着高层大气重力波的传播特性。

一次次的观测研究,体现了双层气辉网的重要性和观测优势。有了“进攻”的利器,徐寄遥带领团队,发起冲锋,短短几年,便实现了对我国上空中高层大气重力波和等离子体不规则体比较系统的观测和研究。尤其是近几年来,团队在JGR和GRL等重要学术杂志上共发表高水平学术论文20余篇,研究成果得到了国际同行的高度评价,并受邀在国际学术会议上作了10余次特邀报告。

作为中国科学院国家空间科学中心研究员,空间天气学国家重点实验室副主任。徐寄遥本人,更是铁肩扛责的代表。多年来,他主持或参与国家自然科学基金委、中国科学院、国家973计划等多项研究项目,并荣获2002年度国家杰出青年基金。

提及未来,徐寄遥十分期待。他说,“通过子午工程二期的建设,我国双层气辉网将进一步加强,同时对我国上空中高层大气和电离层的综合地基探测能力将处于国际先进水平,有了不断开拓的团队,我们对深度了解中高层大气的光化学过程和动力学过程充满信心。”

这就是徐寄遥,这就是他带领的团队,未来的他们将继续创新耕耘,潜精研思,为中高层大气探索贡献力量。(空间天气学国家重点实验室供稿)

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