探测气辉辐射，捕捉大气脉动

中高层大气气辉是一种微弱的光辐射现象，是大气光化学反应过程的产物。大气光化学反应过程产生激发态的分子或原子，当这些处于激发态的大气分子或者原子跃迁到低能态时会产生某种特定波长的光辐射，即气辉辐射。

中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的中高层大气研究团队从2009年开始，以国家重大科技基础设施项目——“子午工程”为依托，开展了多种手段的中高层大气气辉辐射的地基探测。利用气辉的地基探测，并与国际上的卫星探测相结合，开展了一系列研究工作。 

1.全天空气辉成像仪的组网探测

利用地基探测对中高层大气波动事件的物理演化过程进行连续观测的优势，同时为了弥补单台站地基探测覆盖范围小的不足，该团队在中国华北地区（河北、山东、辽宁、山西、河南）利用自主研制的全天空气辉成像仪，建成了国际上第一个无缝隙的全天空羟基（OH）气辉探测台网（见图1）。

团队利用该探测网，研究了中国华北地区从2012年以来底层大气强烈雷暴事件引起的中高层大气的剧烈扰动事件，结合中国的风云卫星和美国的AIRS/Aqua与VIIRS/Suomi NPP卫星，给出了强烈雷暴在高层大气产生上千公里的大范围环形重力波的观测证据（见图2）。

在地球表面的河流和海洋中广泛存在涌潮现象，例如最著名的钱塘江大潮。同样，在90千米高度的大气中也存在类似的物理现象。利用OH气辉的全天空气辉成像仪，团队发现了一次强烈的大气涌潮事件（Bore事件），结合激光雷达的探测，团队观测到了中层顶区域（80~100千米高度）钠层对这一强烈涌潮事件的响应过程（见图3），发现当这次强烈的大气涌潮事件到达时，钠层突然下移了大约4千米，显示该事件对大气产生了剧烈的扰动。

利用OH气辉的全天空气辉成像仪的探测，团队第一次给出了中国华北地区大气重力波活动的季节特性。重力波在冬季主要向西南方向传播，夏季主要向东北方向传播。除此以外，作为大气不稳定性的重要标志，团队也分析了小尺度的波纹（ripple），同样也显示出强烈的季节变化特性：夏季和冬季的发生频率比较高，夏季主要向西传播，冬季主要向东传播。

利用OH波段全天空气辉成像仪，团队在90千米的高空观测到大量剧烈的大气波动，利用自主研制的原子氧630纳米波段全天空气辉成像仪观测到在250千米的高空同样存在各种大气波动现象。团队首次从气辉图像中揭示了250千米高空中尺度场向不规则结构（波长为150千米）的存在（见图4），从而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。这一研究成果突破了对场向不规则体结构传统的认识，加深了团队对场向不规则结构和电离层行进扰动产生机制的理解。 

2.对中高层大气气辉光谱的探测

团队从2011年开始研发大气气辉光谱探测系统，对中国北方地区上空氧分子（O₂），钠原子（Na）、氧原子（O）和OH等多种气辉辐射开展了探测研究。利用该系统3年（2012-2014）的OH气辉光谱的地基探测数据，对OH多个谱带的转动温度开展研究。团队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）进行了比较分析，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20摄氏度，并且与卫星探测的温度也有较大差异，这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，团队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探测的温度和相应的气辉辐射的探测数据进行了比较研究（见图5），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。 

3.全球气辉分布的研究

美国于2001年底发射的TIMED卫星对多种波段的气辉辐射进行全球连续观测，同时反演得到大气温度以及包括臭氧在内的多种大气微量成分的数密度。该卫星至今已经积累了长达14年之久的观测资料，目前仍在正常运行。团队利用该卫星的观测结果给出了OH和O₂夜间气辉辐射的地方时变化特征、季节变化特征以及全球分布结构，探讨了OH气辉辐射的光化学过程，揭示了平流层暴发性增温对气辉的调制过程，利用TIMED卫星对气辉的长达一个太阳周的探测给出了一氧化氮（NO）、 O₂、和OH气辉对11年太阳活动周的响应及其全球分布。团队结合大气温度的全球分布特征，研究大气波动对气辉辐射经向分布的影响，给出了大气潮汐波对OH气辉调制的全球分布和季节变化特征（见图6）。

利用卫星数据，分析了白天气辉的结构特征，第一次给出了OH白天气辉垂直分布的双峰结构及其全球分布和季节变化（见图7），揭示了引起这些变化的光化学过程，并与夜间气辉进行了比较研究。

这些对气辉的观测和研究极大地丰富了团队对中高层大气气辉辐射的认识和理解。团队自主研制的地基观测设备为进一步了解中高层大气的光化学过程和动力学过程提供了最新的研究资料，同时也提高了中国科研人员在国际相关研究领域的竞争能力。 

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