科研動態｜空間中心科研人員揭示低層大氣散射對熱層風場光學探測的影響機制

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熱層風是理解中高層大氣動力學和電動力學過程的關鍵參數。地基被動光學干涉儀廣泛應用于熱層風觀測，且是目前唯一可實現高層大氣中性風場直接探測的儀器，其通過測量630 nm氧原子氣輝的多普勒頻移反演風速，通過掃描東西南北及天頂五個方位重構局地風場。作為一種被動光學遙感設備，干涉儀易受雜散光污染而引入誤差，如在極光活動期間，干涉儀熱層風觀測常出現顯著的南北或東西差異，對動力學過程分析造成干擾，亟需厘清測風過程中的污染因素及機理。

2024年5月10日和10月10日兩次強磁暴期間，子午工程四子王旗站（41.8°N，111.9°E）的兩部不同光學原理的干涉儀（法布里-珀羅與空間外差）均在極光時段觀測到南北側經向風相差超400 m/s、垂直風向下超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入光學干涉儀視場造成測風偏差有關。

為探究異常風場成因，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣全國重點實驗室中高層大氣研究團隊構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的散射過程，定量評估了散射對光學干涉儀熱層風觀測的偏差影響。模擬結果基本再現了觀測到的異常風場特征，證實低層大氣散射是主要污染因素之一（如圖1）。散射引入的視線風偏差，其正負符號與極光亮區的視線風速保持一致；大小隨視線與亮區夾角增大而顯著升高，具有方位不均勻性。極光出現在臺站北方后，散射將北方強光區的視線風速“彌散”到其它方位，使光學干涉儀在其它方向觀測到了來自北方的輻射污染，從而造成水平風速差異（如圖2）。這一發現不僅深化了對光學干涉儀觀測受光污染機制的理解，也為中緯度紅色極光頻發區內干涉儀測風數據的甄別提供了理論依據和技術路徑。

相關研究成果以“Impact of lower atmospheric scattering on ground-based optical thermospheric wind observations with spatially uneven airglow”為題，發表在國際學術期刊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研發計劃、中國科學院青年團隊穩定支持項目、國家自然科學基金、子午工程、太陽活動與空間天氣全國重點實驗室等相關項目的資助。

圖 1 四子王站2024年5月10-11日氣輝亮度及熱層風的干涉儀觀測與模擬

(a) 630 nm氣輝亮度（45°仰角下8個地理方位及天頂方向）；紅色時段為可見極光時段。(b–d) 分別為經向、緯向和垂直風；實線（圓點：空間外差，菱形：法布里-珀羅）為實測，虛線為散射模擬結果；灰色實線為相對方向平均值。(a–d)為5月10日結果；(e–h)類同，對應5月11

圖 2 散射機制及模型示意圖

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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