临近空间大气环境研究现状
临近空间大气模型的分析研究
临近空间⼤⽓模型的分析研究临近空间⼤⽓模型的分析研究摘要：建⽴临近空间中性⼤⽓模型，并对其进⾏适⽤性分析。
通过对模型精度、残差、标准差的计算，发现密度模型与温度模型的输出结果与实时观测结果具有较好的⼀致性，⽽风场模型的输出结果能较好地体现平均观测结果.最后，利⽤NSPM模型分析了中国地区临近空间区域的各⼤⽓参数(密度、温度、压强、经向风、纬向风)的变化特性.研究表明临近空间⼤⽓环境变化具有明显的季节性及区域性.关键词：临近空间;⼤⽓模型;精度分析临近空间(Near Space)是对海拔20 km到100km空间范围内的⼀个通⽤性称谓，包括地球平流层、中间层、低热层等，是地球中⾼层⼤⽓的重要组成部分.临近空间环境与⼈类⽣存和发展息息相关，同时，临近空间的开发和利⽤对临近空间环境特性研究及预报提出了迫切需求。
在地球⼤⽓层中飞⾏的飞⾏器，都要借助空⽓动⼒飞⾏，因此，作为提供空⽓动⼒的介质，空⽓的静态物理特性(密度、压强、温度等)和动态物理特性(如风场)对在⼤⽓层中飞⾏的飞⾏器的安全与准确⼊轨具有重要的影响.本⽂利⽤现有模型的部分模块，形成了适⽤于临近空间的中性⼤⽓模型.由于模型本⾝要反映物理实际，即模拟值与实际观测值要⼀致，故本⽂对临近空间的中性⼤⽓模型进⾏适⽤性分析.最后，作为临近空间⼤⽓参量模式的⼀个应⽤，分析了⼦午⼯程台站的临近空间⼤⽓环境特性.⼀、模型简介本⽂选⽤了⼤⽓模式NRLMSISE-00及风场模式HWM07以获取临近空间区域的各种⼤⽓参量，由于⼤⽓模式和风场模式模拟的各种⼤⽓参量的⾼度范围是从地⽽⾄外逸层，超出了临近空间的⾼度区域(20km⾄100 km ).另外，NRI,MSISE-00众多输出参量中仅⼤⽓密度和温度是临近空间的开发利⽤所需要的.针对临近空间应⽤需求，从这两种模式中抽取需要的模块进⾏集成，最后得到临近空间参量模式.如图1所⽰，对于⼤⽓模型NRI,MSISE-00，选取⾼度范围⼩于100 km的模块，得到临近空间⼤⽓模式M-A，再选取临近空间⼤⽓温度、密度模块，得到临近空间⼤⽓温度密度模式N-A，最后利⽤温度密度模块得到⼤⽓压强模块.对于⽔平风场模型HWM07，选取⾼度范围⼩于100 km的模块进⾏改进，得到临近空间⽔平风模式，然后将得到的温度、密度、压强、风场模块进⾏集成，得到临近空间环境参量模式NSPM.该模型经改编可在UNIX系统下运⾏，以满⾜实际应⽤需求.⼆、⼤⽓模型的适⽤性分析1.密度模型的适⽤性分析将合肥站瑞利激光雷达的⼤⽓密度观测结果与NSPM模式的输出结果进⾏⽐对，计算模型精度。
大气科学的研究现状
大气科学的研究现状大气科学是一门涉及大气层内气体物理、化学和动力学等方面的学科。
在充分认识现代气候变化、重污染等问题的重要性的背景下，大气科学的研究受到越来越多的关注。
在此，我们将对大气科学的当前研究现状进行探讨。
一、大气成分的研究对大气中各种气体成分的研究是大气科学的基础之一。
大气层主要由氮(N2)、氧(O2)、水蒸气(H2O)和稀有气体如氩(Ar)、氪(Kr)等组成。
此外，还有一些含量较低但对空气质量和大气化学循环至关重要的成分，如臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)等。
近年来对大气成分的研究愈加重视，研究人员不仅关注空气中各种气体浓度的变化，也关注它们来源、分布和变化的影响机理。
例如，CO2 是全球变暖的主要推手之一，大气科学界一直致力于研究其源与汇、分布规律、地面浓度含量、与温度的关系等问题。
同时，关注全球变暖的影响，也逐渐引起了对气候变化的研究。
其中包括研究气候变化规律及趋势，寻找适应和减缓全球变暖的路径等。
二、大气污染的研究随着工业化和城市化的不断发展，大气污染日益成为一个全球性问题。
在现代社会，人们不可避免地接触到各种有毒有害气体和颗粒物。
这种污染导致人类和其他生物体发生危害，同时也对生态系统造成了严重的影响。
大气科学研究人员致力于了解大气污染物种类、来源、扩散层次以及其对人类健康、生态系统等方面的危害。
例如，细颗粒物(PM2.5)可以进入人体肺部并引发各种疾病，氮氧化物(NOx)和硫化物(SOx)可通过光化学反应产生臭氧(O3)，引发空气重污染事件。
大气污染的流程是多层次、多阶段的，大气化学是研究这些流程的学科。
对大气污染物物理、化学和动力学特性的研究，有利于提高大气化学模型的准确度，从而指导大气污染的控制。
三、气候模型的研究气候模型是预测气候变化的基本工具。
气候变化的模拟需要精确掌握大气光学、辐射传输、动力学等多种因子，因此气候模型具有很高的复杂度。
北京及周边地区大气污染初步研究
北京及周边地区大气污染初步研究北京及周边地区大气污染初步研究一、引言大气污染对人类的健康和环境造成了严重的影响。
作为中国的首都，北京及周边地区一直以来都受到大气污染的困扰。
本文旨在对这一地区的大气污染问题进行初步研究，探讨可能的原因和解决方案。
二、大气污染状况1. PM2.5浓度PM2.5，即直径小于或等于2.5微米的颗粒物，是大气污染中最为关注的指标之一。
通过分析实测数据，我们发现北京及周边地区的PM2.5浓度普遍偏高。
这与人口密集、工业发展以及车辆尾气排放等因素密切相关。
2. 大气污染物种类除了PM2.5，还有许多其他大气污染物种类也值得关注，如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、臭氧（O3）等。
这些污染物的排放来源复杂，包括工业废气、汽车尾气、燃煤及其他能源的燃烧等。
三、大气污染原因1. 工业排放北京及周边地区的工业生产发展迅速，大量的工业废气排放成为大气污染的主要原因之一。
尽管目前已经实施了一系列的污染治理措施，但仍然存在一定的排放问题。
2. 交通尾气排放随着汽车保有量的不断增加，交通尾气排放成为日益突出的问题。
由于道路拥堵和排放控制措施的不到位，车辆尾气排放成为北京及周边地区大气污染的重要来源之一。
3. 区域传输由于地理、气象等环境因素的影响，北京及周边地区的大气污染还受到区域传输的影响。
风向、天气条件不良时，周边区域的污染物可能被吹到北京地区，进一步加剧了大气污染的程度。
四、大气污染影响1. 健康问题大气污染对人们的健康造成了严重威胁。
高浓度的PM2.5和其他污染物可引发呼吸系统疾病、心血管疾病等。
尤其是老年人、儿童和有慢性呼吸系统疾病的人群更容易受到影响。
2. 生态环境破坏大气污染不仅对人类健康造成威胁，也对生态环境造成了破坏。
污染物和酸雨对土壤和水体的影响不可忽视，对植被和动物的生存环境造成了压力。
3. 旅游业受损北京及周边地区拥有丰富的历史文化遗产和自然景观，但大气污染对旅游业造成了严重冲击。
大气污染现状分析及其预测模型研究
大气污染现状分析及其预测模型研究近年来，大气污染问题日益严重，已经成为人们关注的热点话题之一。
据统计，全球每年因空气污染而导致的早逝人数高达700万人，其中我国是空气污染问题最为突出的国家之一。
本文将从大气污染现状分析和预测模型研究两个方面来探讨这一问题。
一、大气污染现状分析1.1 污染物来源和种类大气污染的来源非常广泛，主要包括工业生产、交通运输、农业活动、城市建设等多个方面。
其中，二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、臭氧、一氧化碳等是主要的污染物种类。
1.2 污染物的危害空气中的污染物对人类健康和环境产生的影响非常严重，包括呼吸系统病变、心血管疾病、免疫系统功能下降等，其中孕妇和儿童更容易受到影响。
1.3 污染现状据报道，我国大气污染问题十分突出，全国近半数城市空气质量达不到国家二级标准，其中京津冀、长三角等城市群污染严重。
另外，2019年污染物排放总量增加、季节性污染和区域性污染问题也日益凸显。
二、大气污染预测模型研究2.1 预测模型的作用预测模型是指通过数据统计和数学模型进行预测，能够对未来的污染情况进行预测。
这种方法能够帮助我们及时采取措施，预防和减少污染的发生。
2.2 现有的预测模型主要有基于统计学的时间序列分析模型、基于数学运算和人工神经网络的物理模型、基于地理信息技术的空间交互作用模型等。
2.3 预测模型的不足虽然现有的预测模型能够对未来的污染情况进行一定程度的预测，但是预测精度仍有很大的提高空间；同时涉及的因素也过于单一，不能全面反映污染源和环境的综合影响。
三、总结大气污染问题已经成为我们不容忽视的环境问题，急需制定更为严格的环保措施，加强大气污染治理工作。
同时，也需要进一步提高预测模型的精度和预测能力，提高信息的获取和传递效率，为治理工作提供更为准确可靠的数据支持。
国内大气环境现状与污染监测措施思考
工业排放的污染物种类繁多，包括硫化物、氮氧化物、挥发性有机物等，这些污染物在大气中经过化学反应会形成更严重的二次污染。
工业排放的污染物排放量巨大，且排放源相对集中，对周围环境的影响也更为显著。
汽车尾气是交通运输排放的主要污染物，其中一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等对大气环境造成严重影响。
交通运输排放的污染物还会对城市空气质量造成严重影响，特别是在交通拥堵和车辆密集的地区。
AQI指数的实时监测和发布，有助于公众了解当前空气质量状况，采取相应的防护措施。
一氧化碳（CO）
主要来源于汽车尾气和燃煤燃烧。
二氧化氮（NO2）
主要来源于机动车尾气和工业生产排放。
二氧化硫（SO2）
主要来源于燃煤和燃油等化石燃料的燃烧。
PM2.5
主要来源于工业生产、交通运输、能源生产和生活中燃烧排放的烟尘和粉尘。
01
02
城市生活排放的污染物还会产生大量的异味和恶臭气体，对城市居民的生活质量造成影响。
城市生活中会产生大量的生活垃圾、餐饮油烟、燃煤烟尘等污染物，这些污染物会对大气环境造成严重影响。
污染监测措施与技术
03
空气质量自动监测站是污染监测的重要基础设施，通过实时监测空气中的污染物浓度，为污染预警和治理提供科学依据。
PM10
主要来源于道路扬尘气环境质量标准包括《环境空气质量标准》和《大气污染物排放标准》。
达标情况因地区和污染物类型而异，部分地区存在超标现象，尤其是京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区，大气污染问题较为突出。
污染原因探究
02
工业生产过程中会产生大量的废气、废水和固体废弃物，这些污染物未经处理或处理不达标就排放到环境中，对大气环境造成严重污染。
建立公众参与机制
室内大气环境污染现状调查与分析
室内大气环境污染现状调查与分析室内大气环境污染现状调查与分析一、前言随着城市化进程的加速以及人们对室内环境的需求加强，室内空气质量影响着人们的工作、生活及健康。
而室内大气环境污染已经成为一个重要的社会问题。
因此，本文旨在通过对当前室内大气环境污染现状进行调查与分析，为有关部门提供科学依据，推动改善室内环境。
二、调查目的和方法本次调查的目的旨在了解当前室内大气环境污染现状，包括污染源、主要污染物、污染程度等。
调查方法采用问卷调查和现场测量相结合的方法，通过调查问卷了解居民对室内环境的感受和需求，采用现场测量的方式分析污染物的种类和浓度。
三、调查结果1.污染源本次调查主要关注以下污染源：室内装修、室内外部环境、人体活动、家具、电器等。
经过问卷调查和现场测量，发现室内装修、室内外部环境和人体活动是当前室内污染的主要源头。
2.主要污染物本次调查发现，室内大气环境主要污染物包括以下几类：（1）挥发性有机物：甲醛、苯、甲苯、二甲苯等。
（2）氧化亚氮：一氧化氮、二氧化氮等。
（3）可吸入颗粒物：直径小于等于10微米的颗粒物。
（4）氧化物：二氧化碳、一氧化碳等。
3.污染程度通过现场测量，本次调查发现，居民的室内大气环境质量普遍存在“轻度污染”的状况，其中挥发性有机物和可吸入颗粒物是主要污染物。
四、解决办法面对室内大气环境污染，可以采取以下一些措施：（1）加强室内空气净化设备安装，如空气净化器等。
（2）减少污染源。
比如，在室内装修过程中要选择环保材料；外出回家后要及时换衣洗浴；定期检查家具和设备是否存在问题。
（3）促进室内通风，保持室内空气清新。
五、本文所涉及附件：本文未涉及附件。
六、法律名词及注释本文未涉及法律名词及注释。
七、可能遇到的艰难及解决办法在实际执行过程中，可能遇到以下艰难：（1）调查样本不够全面、典型。
解决办法：扩大样本范围，连续调查多个时间段；扩大调查人员专业组成等。
（2）部份受访者的存在误差或者不真实。
我国大气环境污染现状及治理对策
我国大气环境污染现状及治理对策我国是一个经济快速发展的国家，但同时也面临着严重的大气环境污染问题。
由于大气污染对人类健康和生态环境造成的影响日益显著，治理大气污染已成为我国发展的重要任务。
目前，我国大气污染的主要问题包括：PM2.5污染、臭氧污染、酸雨等。
其中，PM2.5是细颗粒物污染，直径小于等于2.5微米的颗粒物，对人体呼吸道有很强的渗透性，易引发呼吸系统疾病和心血管系统疾病，严重影响人们的生活质量和健康。
治理大气污染的对策主要包括：加强大气污染防治目标管理、推进污染源减排、改善工业结构、提高能源利用效率、加大科技创新力度、推动生态环境建设等。
首先，加强大气污染防治目标管理是治理大气污染的重要手段之一、政府需要制定出明确的目标和指标，建立考核评价体系，确保大气环境质量得到有效的改善。
其次，推进污染源减排是重要的治理手段之一、具体措施包括对工业企业进行排放标准的强制性要求，同时加强对工业企业的监管和执法力度，重点监督煤炭、钢铁、水泥等高耗能、高污染行业的污染排放情况。
再次，改善工业结构也是治理大气污染的重要策略之一、通过优化产业结构，提升高污染企业的综合治理水平，推动工业向清洁、低碳、高效的方向转型，实现可持续发展。
此外，提高能源利用效率也是治理大气污染的关键措施之一、减少能源浪费，推广节能技术，提高能源利用效率，可以有效减少大气污染物的排放。
此外，加大科技创新力度也是治理大气污染的重要手段。
通过加大科技创新投入，发展清洁能源技术，探索新的能源消费方式，可以有效减少大气污染物的排放量。
最后，推动生态环境建设也是治理大气污染的重要途径。
通过加强生态环境保护，提高环境质量，维护生态平衡，可以改善大气环境质量，降低污染物浓度。
总之，我国大气污染问题严重，但通过加强政府管理、推进污染源减排、改善工业结构、提高能源利用效率、加大科技创新力度和推动生态环境建设等综合措施并不断完善相关政策法规，可以有效改善我国大气环境质量，保护人类健康和生态环境。
大气环境污染现状及治理措施
根据国家环境保护部门发布的数据，近年来我国空气质量达标城市 比例逐渐提高，但仍存在部分城市空气质量较差。
季节性污染
冬季和春季是我国北方地区空气质量较差的季节，主要受采暖和沙 尘暴等因素影响。
主要污染物及其来源
PM2.5
主要来源于燃煤、机动车尾气、工业废气等 。
二氧化氮
主要来源于机动车尾气、燃煤等。
《巴黎协定》
确立了2020年后全球应对气候变化的行动框架，要求各国采取 有力措施，减少温室气体排放。
国内政策的完善与实施
制定严格的空气质量标准和污 染物排放标准，加强环境监测
和信息公开。
实施减排计划，推动清洁能源 替代传统化石能源，优化能源
结构。
加强工业污染治理，严格控制 污染物排放，鼓励企业采用环 保技术和清洁生产方式。
土地利用变化如森林砍伐、土地开垦等会导致植被覆盖减少，从而影响大气中污 染物的扩散和净化。
生活污染
生活污染主要来自居民生活产生的废 弃物，如垃圾焚烧、餐饮油烟等，这 些废弃物中含有大量的硫氧化物、氮 氧化物和挥发性有机物等污染物。
生活污染在大气污染中占有一定的比 重，尤其是在城市地区，随着城市化 进程的加速和人口密度的增加，生活 污染对大气环境的影响日益严重。
推广太阳能、风能等可再生能源，减少化石能源 的使用。
提高能源利用效率，降低单位产值的能耗。
鼓励节能环保产业的发展，推动绿色技术的研发 和应用。
建立空气质量监测和预警系统
在城市和区域范围内建立空气 质量监测网络，实时监测大气
污染物浓度。
根据监测数据，及时发布空 气质量预警信息，提醒公众
采取防护措施。
交通运
交通运输工具（如汽车、飞机、火车等）在行驶过程中会 产生大量的尾气，尾气中含有大量的颗粒物、硫氧化物、 氮氧化物和挥发性有机物等污染物。
北京及周边地区大气污染初步研究
北京及周边地区大气污染初步研究北京及周边地区大气污染初步研究近年来，北京及周边地区的大气污染问题越来越引起了人们的关注。
大气污染不仅对环境造成了严重影响，也对人民的健康造成了风险。
因此，对这一问题进行深入的研究是非常必要的。
一、大气污染的现状北京及周边地区的大气污染严重程度与日俱增。
其中，细颗粒物（PM2.5）是最严重的污染物之一。
PM2.5的直径小于或等于2.5微米，其粒径小、毒性高，能够直接进入人体呼吸系统，在长期暴露下对健康产生负面影响。
此外，二氧化硫、氮氧化物和臭氧等污染物也是常见的大气污染物。
大气污染的主要来源包括工业排放、车辆尾气排放、燃煤和生物质燃烧等。
工业生产是大气污染的重要原因之一，大量的废气在工业区域排放，导致空气质量严重下降。
车辆尾气排放是城市大气污染的主要来源之一，在高密度的交通拥堵地区，车辆尾气排放对大气环境产生了不可忽视的影响。
燃煤和生物质燃烧主要是冬季大气污染的重要原因，尤其是农村地区常以燃煤作为取暖方式，排放量大、污染物浓度较高。
二、大气污染对健康的影响大气污染物对人类的健康影响非常大。
当人们长时间暴露在高浓度的污染物环境中时，会出现眼、鼻、喉咙刺激、咳嗽、气喘、胸痛等呼吸系统疾病。
尤其对老人和儿童的威胁更大，会导致慢性呼吸系统疾病的发作和加重。
此外，大气污染还与心血管疾病、癌症等疾病的发生和发展相关。
三、大气污染治理的现状针对北京及周边地区的大气污染问题，相关政府部门采取了一系列措施进行治理。
首先，控制工业污染是大气治理的重要举措，对于高污染、高排放的企业实施减排措施，采取全面淘汰落后产能、提高环保设施设备的要求，确保企业的排放达标。
其次，限制尾气排放也成为治理大气污染的重要手段，加强车辆尾气排放管理，推广新能源车辆和公共交通工具，减少尾气排放。
第三，减少燃煤和生物质的使用是治理冬季大气污染的重要举措，引导农村地区改用清洁能源，并采取有效措施防止露天烧煤。
此外，相关部门还加强了大气监测和信息发布，提高了大众对大气污染的认识和预防意识。
大气环境与环境监测技术研究综述
大气环境与环境监测技术研究综述近年来，随着工业化和城市化进程的加快，大气环境污染问题日益突出。
为了保护和改善大气环境质量，许多国家和地区开展了大气环境研究和监测工作。
本文将综述大气环境问题以及环境监测技术的研究进展，并探讨其对环境保护的意义和未来发展方向。
大气环境问题是影响人类生活质量的重要因素之一。
首先是大气污染的问题，包括颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等大气污染物的排放与扩散。
这些污染物会对人体健康产生严重影响，导致呼吸道疾病的发生率增加。
其次，大气环境中的温室气体排放是导致全球变暖的重要原因之一。
温室气体的增加会引发极端天气事件，如洪涝、干旱、飓风等，威胁到人类和生态系统的可持续发展。
为了解决大气环境问题，各国开展了大气环境监测工作。
监测是环境保护的基础，只有准确了解大气环境质量才能有针对性地采取措施。
传统的大气环境监测主要依靠气象站和空气质量监测站的点位监测数据，但这种方法局限性较大，无法覆盖广大地区的空气质量情况。
因此，发展和应用先进的环境监测技术对于解决大气环境问题至关重要。
近年来，环境监测技术取得了许多突破性进展。
首先是大气污染物在线监测技术的发展。
传统监测方法需要手动采集和分析样品，周期较长。
而在线监测技术可以实时地测量大气污染物的浓度，提供更精确的监测数据。
其次是遥感技术在大气环境监测中的应用。
遥感技术可以通过卫星或飞机对大气污染物的分布进行遥感观测，提供大范围、高时空分辨率的监测数据。
此外，基于传感器网络的环境监测技术也日益成熟，可以实现多点位、全天候的大气环境监测。
环境监测技术的发展为大气环境保护提供了有力的支持。
通过准确监测大气污染物的排放和传播情况，可以及时采取相应的减排措施。
同时，监测数据也可以提供给科研人员，为大气环境机理研究提供重要的参考。
此外，环境监测技术在国际交流与合作中也起到了重要的作用，促进了各国在环境保护方面的合作与共享。
然而，目前的环境监测技术仍存在一些挑战和问题。
大气问题调研报告
大气问题调研报告大气问题调研报告一、背景介绍目前，随着经济的快速发展和城市化进程的加速，大气问题日益凸显。
大气问题对人类健康和生态环境带来严重影响，已经成为全球关注的焦点。
因此，本报告通过对大气问题的调研，旨在分析大气问题的原因和影响，并提出相应的解决方案，为改善大气质量做出贡献。
二、大气问题的原因1. 工业污染：工业化生产过程中排放出的废气、烟尘等污染物是大气污染的重要原因之一。
2. 交通尾气排放：汽车尾气是大气中的有害物质之一，特别是柴油车排放的细颗粒物和氮氧化物对大气质量影响较大。
3. 燃煤和发电排放：由于燃煤和发电过程中产生大量的二氧化硫、氮氧化物等污染物排放，导致大气中的颗粒物含量增加，使空气质量下降。
4. 农业污染：农业活动中使用的化肥和农药会产生挥发性有机化合物和氨气，使大气质量受到严重影响。
5. 自然因素：例如森林火灾、火山喷发等自然因素也会对大气质量产生一定的影响。
三、大气问题的影响1. 人体健康影响：大气污染物对人体呼吸道、心血管系统等健康带来严重威胁，容易导致呼吸道疾病、心血管疾病等疾病的增加。
2. 生态环境影响：大气污染会破坏生态平衡，影响植物生长，导致农作物减产、森林死亡等问题。
3. 能源消耗影响：大气问题会影响能源的利用效率，加剧能源消耗，对能源供应和经济发展带来不利影响。
4. 气候变化影响：大气问题与气候变化密切相关，空气中的温室气体排放会导致全球气温上升，加大气候变化的风险。
四、解决大气问题的措施1. 政府监管：政府应加强大气污染的监管工作，制定更为严格的法规，推动企业和居民减少污染物的排放。
2. 促进清洁能源发展：加大对清洁能源的扶持力度，推动煤炭替代能源的使用，减少燃煤和发电排放的污染物。
3. 倡导低碳生活：加强对公众的环保意识教育，倡导低碳生活方式，减少个人交通尾气排放等行为。
4. 加强农业管理：推广有机农业和智能农业技术，减少农药和化肥的使用，降低农业对大气质量的影响。
大气环境研究的最新进展与展望
大气环境研究的最新进展与展望随着经济的快速发展和人口的快速增长，环境污染已经成为了世界性难题。
其中，大气环境污染已经变得越来越严重。
由此而产生的各种健康问题、环境问题和社会问题需要我们不断加强研究，寻求解决方案。
目前，大气环境研究在开展问题分析、技术研究和数据支持等方面都取得了一定的进展。
本文将对近年来大气环境领域的最新进展和未来的发展进行探讨。
一、大气污染成因分析研究大气污染主要来自于交通、工业、农业和城市建设等领域，具有一定的多源性。
因此，在大气污染治理中，我们需要对污染的成因进行细致的研究。
当前，从以下几个方面进行的研究取得了一些进展。
（一）交通领域污染研究在交通方面，尾气污染一直是一大难题。
尾气中的氮氧化物、颗粒物、臭氧等成分，对人类健康和环境造成了严重的影响。
近年来，随着城市车辆的数量增加和国家对于尾气排放限制的加强，交通领域污染研究也逐渐得到了发展。
（二）工业和农业领域的污染研究工业和农业的污染主要在排放工艺、生产过程等方面产生。
随着工业和农业的发展，污染问题也越来越突出。
当前，工业和农业领域污染研究主要包括污染来源分析、污染治理技术研究和管理制度完善等方面。
（三）城市建设领域污染研究城市建设产生的污染主要来自于建筑工程和道路建设等方面。
不同的建筑材料和施工方式都会对大气环境造成一定的影响。
当前，城市建设领域污染研究主要包括材料来源、建设过程与环保制度等方面。
二、大气污染检测技术的进展在解决大气污染问题时，如何精确检测污染物质是一个极其重要的环节。
随着技术的提升，现代大气污染检测技术得到了广泛的应用。
当前，大气污染检测技术的进展主要包括以下方面。
（一）传感器技术的发展传感器技术是现代大气污染检测技术中的一项重要组成部分。
近年来，各种类型的传感器不断涌现出来，为大气污染检测提供了很好的技术支持。
（二）遥感技术的应用遥感技术主要通过红外、紫外和激光等方式来对大气污染进行检测和分析。
当前，遥感技术的应用主要集中在大气污染源探测和空气质量监测等方面。
国内大气环境现状与污染监测措施思考
国内大气环境现状与污染监测措施思考随着我国经济的快速发展，大气环境已经成为一个备受关注的问题。
尤其是近年来，大气污染问题已成为制约我国可持续发展的一个重大问题。
据统计，我国的主要城市空气质量指数（AQI）几乎都已严重超标。
因此，加强大气环境监测和治理已经成为我们的一个重要任务。
现状：目前，我国大气环境情况呈现出以下几方面的特点：1.重度污染地区明显增多近年来，随着我国城市化程度的不断提高，大气污染问题十分突出，空气质量糟糕的城市也越来越多。
特别是在冬季，一些城市的大气污染问题更加突出。
2.二氧化碳排放增长我国煤炭消耗量大，所以温室气体的排放也随之增加。
据统计，2017 年中国的二氧化碳排放量比上年增长了1.7%。
而且，由于我国经济的快速增长，这个问题还将持续存在。
3.多种污染物同时存在空气中的污染物种类繁多，包括二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机物和细颗粒物等。
这意味着我们必须采取多种措施，才能有效的改善环境。
监测措施：为了有效的治理大气污染，我国采取了以下措施：1.建立大气监测系统为了解决大气污染问题，我国政府成立了一个大气监测系统。
这个系统已经在全国范围内建立起来，以便对不同区域的空气质量情况进行监测。
2.开展空气执法行动我国政府采取了一系列措施，包括开展空气执法行动等等，以确保公司和工业企业符合国家空气污染法规，降低污染排放。
3.推广清洁能源我国政府通过推广新能源车辆和开发清洁能源等措施，引导社会向清洁能源转变，从而减少空气污染。
思考：1.提高大众的环保意识大众对环境保护的意识需要提高，这可以通过普及环保知识、减少人类活动对环境的破坏等措施实现。
2.加强环境监管为了提高环境监管的效率，需要政府增加培训机会，完善相关法律法规等。
3.加大经济投入除了政策的影响，经济因素同样重要。
企业必须承担环保责任，并通过优惠政策等方式鼓励研发新技术，以减少二氧化碳等温室气体的排放。
总结：大气环境质量是我国可持续发展的关键指标之一。
临近空间大气环境研究现状
第39卷第6期力学进展Vol.39No.6 2009年11月25日ADVANCES IN MECHANICS Nov.25,2009临近空间大气环境研究现状*吕达仁1,†陈泽宇1郭霞1田文寿21中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室(LAGEO),北京1000292兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000摘要临近空间指高度位于(20∼100)km之间的地球大气层.简要综述临近空间的已有了解和研究前沿,包括基本状态、主要过程与控制因子.介绍了基于已有探测资料的经验模式的建立和基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模拟.最后从临近空间大气环境保障应用角度提出研究的新建议.关键词临近空间,中层大气,平流层,中间层,低热层1引言临近空间指高度位于(20∼100)km之间的地球大气层.伴随着新一代航空器、浮空器和亚轨道航天器等的发展,临近空间正在成为开展高技术应用和国防安全活动的新领域,关于该领域大气环境的性质日益成为关注的热点.这个区域和大气物理学关注的高度位于(10∼100)km范围的“中层大气”基本重合,是大气物理学研究的传统领域.地球大气的基本状态取决于大气的能量收支.其中包括由于大气成分吸收太阳短波辐射而产生的加热和自身热发射导致的冷却,这些统称为辐射平衡过程,还包括由于动力过程导致的非绝热强迫.其中,大气成份的辐射吸收和发射性质控制了能量收支的主要过程,如图1所示,其结果形成了以温度为代表的大气分层结构.图2给出了从地面直到120km高度范围内,按照温度随高度变化的形式进行圈层划分的概念图像,其中包括对流层(troposphere)、平流层(stratosphere)、中间层(mesosphere)和热层底部(thermosphere)等区域.相对于组成太阳辐射能量的主要光谱波段,以氮气和氧气为主体的地球大气是准透明的,因此太阳辐射可以穿过大气层到达地面.这些抵达地面的太阳辐射能量中除了一部分被直接反射回空间(取决于地表反照率),其余部分通过地表能量分配过程转化为驱动大气运动的能量,其中包括可以直接加热大气的感热、通过被蒸发的液态水带入底层大气的潜热以及依赖于地表温度的长波辐射.对于10km高度以下的大气,来自底部的感热加热驱动出强烈的垂直对流活动,它们反映在伴随对流活动的水汽物质发生相变而形成的云和降水等表观天气现象中.基于这样的特点,该层大气被称为对流层.在本质上,对流活动实现了能量的垂直交换,尤其是伴随水汽相变形成潜热释放极大地提高了对流层大气能量垂直交换的效率,成为决定该层大气能量收支的重要机制.图1一些主要大气成份数密度垂直廓线(基于美国空军地球物理实验室数据)收稿日期:2009-03-25,修回日期:2009-10-30∗中国科学院自然科学创新重要方向项目(KZCX2-YW-123),国家自然科学基金面上项目(40875017)和国家自然科学基金重点项目(40333034)资助†E-mail:ludr@第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状675图2全球大气平均温度垂直廓线(基于美国空军地球物理实验室数据)与对流层不同,由于远离地表而缺少直接感热加热,中层大气中对流活动远不及对流层显著.同时由于缺少水汽这样的热机物质,对流活动也无法得到加强.基于当前研究结果,在全球月平均这样的时间尺度上,位于从10km 高度直到大约70km 高度范围中的大气基本处在辐射平衡的状态中[1].这个高度范围包括了平流层和中间层的下部,图3(a)给出了满足辐射平衡的全球温度分布和与之对应的纬向风分布.可以看到,与该季节照射到大气的平均太阳辐射通量的纬度分布一致,在平流层中形成了冬半球极区指向夏半球极区的温度梯度.图3b 进一步显示了与在冬半球温度梯度相伴的绕极西风(即“极夜急流”).图3北半球仲夏(6月)条件下,(20∼120)km 高度范围内沿纬圈平均的温度(a)和纬向风(b)全球结构.数据来自国际科联空间研究委员会推荐的全球平均大气模型(CIRA-86)除了通常意义上的辐射吸收和发射外,太阳辐射中位于高能谱段(例如紫外)的辐射能够在中层大气中激发出多种光化学反应.这些反应的结果不仅导致大气成份的变化,其间还伴随着能量的转换,直接影响到非绝热加热的性质.例如,在太阳紫外辐射的激发下,氧气和一些微量大气成份通过光化学反应形成了中心高度位于∼30km 的臭氧层.一方面,臭氧层是太阳紫外辐射(UV-B)的强吸收体,构成了地球生物圈和人类生存的保护伞;另一方面,臭氧层由于强烈吸收太阳紫外辐射而在平流层中形成了一个重要的热源.平流层的温度垂直结构在本质上正是由臭氧层的加热效应决定的.由于和辐射平衡过程之间存在密切的联系,中层大气化学成为当前备受关注的研究焦点.图3还说明在相当大的范围中,中层大气的基本状态是偏离辐射平衡的,它们反映了来自动力强迫的控制作用.首先,这种偏离辐射平衡的状态在中间层顶附近最为明显.如图3(a)所示,在87km 高度,与平流层相反,这里的温度梯度从夏半球极区指向冬半球极区.其中可以看到,低温中心出现在夏半球极区.基于详细的大气光谱学数据开展计算的结果[2,3]指出,这个出现在极昼环境中的冷中心与辐射平衡原理所预测的结果是完全不同的;与此同时,辐射平衡原理所预测的纬向风结构也和实际观测结果之间存在巨大的差异,不仅没有如图3(b)所显示的出现在夏半球高纬度的东风急流,而且风速也远远超过观测值.基于理论分析和开展数值模拟得到的研究结果,这些偏离辐射平衡现象的产生是由于伴随动力过程而产生的非绝热和动力强迫效应而导致的.例如,当前研究结果指出为了在数值模拟中再现上述极区夏季冷中间层顶和东风急流现象,需要在辐射强迫基础上增加额外的动力强迫[4,5].上述一些研究还表明起源于对流层的重力波在向上传播的过程中产生的动力阻曳和湍流扩散对形成上述温度和流场结构具有控制作用.偏离辐射平衡的现象也出现在平流层中.注意到图3中南半球处于仲冬季节.在极夜条件下,平流层中的臭氧和二氧化碳的红外热辐射将导致强烈的大气冷却,但图3(a)显示在平流层顶高度(55km)却存在着一个明显的高温区,这种现象是由“向下控制(downward control)”原理[6∼8]作用下在赤道和极地间形成的经圈环流中位于高纬度的下沉支中的绝热增暖效应的体现.在热带以外地区从平流层上部直到中间层下部区域中,纬向风的结构使得这里成为各种尺度大气波动(行星波、重力波)发生耗散的有利区676力学进展2009年第39卷域[9∼12]伴随这些耗散而形成的动力强迫可以持续地维持到季节以上的时间尺度,形成了图4中上部所示的“受波动驱动的热带外抽吸泵”[12],在它的作用下,由赤道和热带地区盛行的对流活动带入平流层底部的物质被进一步向高处输送并移向两半球中高纬地区,最终在高纬度和极区下沉,组成了一个跨越半球范围的经圈环流(即Brewer-Dobson环流).图4Brewer-Dobson环流的概念图像[12]就整体而言,有关中层大气过程的定量动态认识还停留在概念模式阶段.在理论和观测方面取得的研究成果局限在理解具有全球尺度的平均态方面.探测技术和投入不足是主要的制约因素.例如,除了利用火箭作为搭载探测仪器的平台外,目前还没有其他方法可以针对中层大气开展原位(in-situ)探测.由于大气密度过于稀薄并且中性空气分子与电磁波的相互作用十分微弱,直到1970年代中期才成功地将大功率大阵列的雷达系统应用到中层大气探测中,其中包括甚高频雷达(MST 雷达)、中频雷达等.利用这样的设备获得了平流层下部和中间层的风场以及湍流活动的信息.随着1960年代出现激光雷达,这种探测技术逐渐被应用来获取从近地面直到中间层顶的大气密度和温度、以及平流层臭氧和平流层下部风场等信息.所有这些探测都只能在少数大规模研究基地进行,对于全球和区域临近空间环境保障而言是无法满足要求的.自从1970年代开始,卫星探测中层大气的实验逐步开展,但是直到1990年代末才取得了实质性的进展.自从1999年“高层大气研究卫星计划(UARS)”实施以来,相继进行了“热层、电离层、中间层能量学计划(TIMED)”,ENVISAT计划.这些卫星计划都有针对中层大气探测的搭载设备,提供了关于大气风场、温度、密度以及各种大气成份的有效数据,可以说当前才真正开始了全球临近空间环境的持续探测.当前,中层大气环境研究的深入开展不仅受到来自临近空间应用的推动,从气候环境及其变化角度考察中层大气也已经成为当前的研究焦点.应用需求和科学探索的共同推动为中层大气研究的全面发展提供了良好的契机.随着大气科学界对中层大气过程、机理以及控制因子与大气上下层的耦合作用的认识和了解,必然会促进中层大气环境保障能力和水平的提高,促进高技术领域和航空航天领域对临近空间的新应用.本文将简要介绍对该层大气的研究现状和研究前沿,包括主要过程与控制因子、基于已有探测资料的大气要素和成份经验模式以及基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模式等.最后从临近空间大气环境保障应用的角度提出新的研究建议.2临近空间大气动力学研究临近空间是大气波动盛行的区域,其中既有高频——中小尺度的重力波,也有缓慢变化——尺度与地球纬圈长度相当的行星波和大气热力潮汐等.它们决定了这里大气扰动的主要形态,实现了动量的空间传播;尤其重要的是,受环境的控制以及通过和环境流场发生相互作用,稳定的传播状态被破坏,最终导致波动携带的动量被环境截获,成为作用在背景流场上的动力强迫和作用于环境物质上的湍流混合.在从平流层底部直到中间层顶范围内,几乎所有大气环流的典型结构无不受到上述波动强迫的影响和控制.在大气各圈层中行星波都是显著的波动.过去的研究偏重行星波活动在影响地面天气方面的作用,近年来研究的焦点逐渐投向寻找平流层行星波活动和地面天气气候异常的关系.随着再分析数据的积累,利用这种数据对平流层定常行星波活动的时空结构,尤其对各种典型冬春季节平流层环流与波动活动的关系取得了较详细的了解, Li等[13]对有关结果进行了总结.随着卫星观测成功地覆盖到中间层顶高度,第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状677对各类行星波在临近空间中的整体表现也取得了进一步的认识[14].例如,目前从观测资料得到的分析结果揭示了在冬春季节,平流层准定常行星波可以传播到中间层高度,另外还发现在赤道地区中间层顶附近也存在相当显著的定常波活动.卫星数据还进一步揭示了非定常波的活跃表现.相对于定常行星波,传播性的波动具有更强的垂直传播能力,尤其通过观测分析发现频率较高的波动更有利于传播到中间层,这使得平流层波动的周期集中体现5∼18d甚至更长,而中间层波动的周期集中表现为2∼5d.值得关注的是非定常波动的产生不仅取决于外部的强迫,在大气内部各种不稳定性的驱动下,通过共振机制也可以形成这样的波动(Rossby正交模),使得这种波动具有随处出现的性质,近期研究指出传播性行星波在夏季情况下对平流层化学物质的分布起着控制作用[15].除了行星波以外,大气热力潮汐也是中层大气波动的一个重要组成部分.它们是球面大气在由于太阳照射而形成的具有日变化性质的热源的驱动下产生的全球共振响应波动,其周期为一个完整的周日时段(24h)或它的谐波.根据这样的时变性质,周期为24h的潮汐统称为周日潮,而周期为12h的潮汐为半日潮,等等.观测结果显示这些起源于低层的波动可以传播到低热层高度(100 km以上),并成为中间层和低热层区域(MLT)最显著的扰动形式[16].自从1990年代末以来,以美国为主开展了多次关于中高层大气观测的卫星计划,连续获取了相当数量的对中间层和低热层大气矢量风和温度的观测数据,在这些数据基础上对一些典型潮汐成份的活动性随空间和季节的变化形式都取得了较深入的了解.例如,利用“高层大气研究计划(UARS, 1991年∼2005年)”获取的矢量风数据开展分析的结果揭示了热带和赤道地区迁移性周日潮在两分点和两至点季节表现出明显不同的活动性[17,18].目前作为UARS卫星计划的延续,TIMED[19](热层、电离层、中间层能量学计划)正在进行中.该计划除了继续开展风场探测外,TIMED上搭载的10通道宽带辐射计SABER进一步提供了相当准确的MLT温度测量[20].在这些数据基础上,对MLT 温度潮汐的性质也取得了相当详细的认识[21].自从Holton[5]揭示了重力波强迫对中间层环流的控制作用以来,关于重力波的研究一直是中层大气动力学关注的一个主要内容.重力波是一种中小尺度的波动,是中小尺度不平衡动力过程中能量频散的重要机制.目前已经认识到存在多种诱发机制;除了早期在地形强迫效应方面取得的认识外,观测研究显示各种中小尺度对流系统、天气尺度锋面以及高空急流等都可能激发出重力波.由于这些系统自身处在移动的过程中,而波动的产生与系统内部的暂态过程密切相关,这些都使得对波动的描述变得相当困难.近年来针对深厚对流系统开展研究认识到存在3种主要的重力波诱发机制,即“机械振荡器效应”、“障碍物效应”和“热力强迫效应”.在这些概念模式基础上针对实况个例开展的三维数值模拟研究进一步加深了对现实环境中重力波的诱发过程以及波动的强度等方面的综合性认识[22,23].与此同时,通过数值模拟研究还认识到,在高空急流系统的出口区,由于强烈地转调整过程而出现流场的辐散(合),相应地出现了传播性的重力波.重力波的产生依赖于局地系统,对这些局地波动活动分布的认识是估计全球效应的基础.在这方面虽然利用地基遥感探测(如激光雷达,风廓线雷达,全天空气辉成像仪等)数据开展研究取得了一定的效果,但是这些数据在空间覆盖和时间覆盖方面都存在严重不足.为此,卫星探测数据的应用得到了一些研究人员的关注,目前利用临边探测数据已经获取了多年中层大气重力波活动的信息.与此同时,随着全球定位系统的发展,其中的卫星探测可以提供高分辨的全球温度廓线数据,这对于研究平流层重力波活动起到了积极作用.与此同时,高分辨探空资料的应用得到了相当的重视.这种由文献[24]提出的方案可以利用那些积累下来的长期探空资料来提取下平流层/上对流层区域重力波活动信息.这对于获取中层大气重力波的源区性质提供了一个有效的途径.通过一些研究人员的发展[25∼27],形成了一组基于这种分析方案的标准程序.目前利用这种分析方案考察了南半球不同纬度平流层下部和对流层上部重力波活动的长期特征.另外,在WCRP/SPARC 计划的推动下,一组由美国国家海洋大气管理局气候资料中心(NOAA/NCDC)编辑整理的包括美国和一些热带太平洋岛屿的高分辨率探空资料被公布在SPARC数据网站上.在此基础上开展研究的结果对于刻画北半球重力波活动随季节和纬度变化的特征起到了重要作用[28].利用这些数据678力学进展2009年第39卷开展研究的结果还揭示了热带重力波活动的年际变化特征,尤其是发现了这种变化与赤道平流层纬向风准两年振荡(quasi-biennial oscillation,QBO)现象之间的密切关联[29].重力波强迫效应对于正确模拟中层大气环流的基本结构是必不可少的.目前在全球环流模式(GCM)中还无法解析地描述重力波活动,对其效应的估计需要通过参数化的形式来实现.早期的参数化方案不仅对传播过程的细节作了大量简化,对源区波动的性质也考虑得相当简单[30∼32].随着对源区波动时空谱结构认识的提高,当前的参数化方案不仅考虑了各种谱成份的传播过程,一些方案还同时考虑了谱成份在传播过程中发生相互作用的有关问题.无论如何,与早期建立参数化方案的策略相同,这些方案注重实现较高的计算效率以便节省计算时间,因此也是当前应用于各GCM的主要形式.与此不同,另一类参数化方案则是在控制波动传播的动力学方程组的基础上进行简化而建立的,具有半显式描述GCM网格中重力波传播性质的能力.应用这种方案的困难主要在于需要较多的计算时间,目前还没有得到普遍的使用.但是这种方案具有追踪波动传播细节的能力,有利于准确估计波动的效应,随着计算设备能力的提高,这种方案的优势应该得到关注.3中层大气模型简介从应用目标出发,几十年来,大气科学界一直致力于通过利用中层大气综合探测资料,结合有关控制大气基本物理过程的原理或半定量模型来建立适用于航空航天平台设计和应用评估的中层大气模型.目前关于中层大气模型的研究还相当薄弱,早期利用非相干雷达(Arecibo,Jicamarca, Millstone Hill和St.Santin)获取的中性大气温度,结合星载(AE-B,OGO6,SanMarco3,Aeros A和AE-C)质谱仪获取的N2密度资料(图1)建立了MSIS(mass spectrometer and incoherent scatter)大气模型[33],其中并没有包括中层大气.随着探测的发展,火箭探空技术实现了对中层大气的测量,在此基础上MSIS模型逐渐将中层大气包括进来,并不断改进,直到形成MSIS-86[34].该模型所描述的中层大气参数包括大气温度、密度、以及一些主要大气成份(如N2,He,O,O2,H,和Ar等).其中,对这些参数的时间、经纬度分布、季节变化、年变化、日/半日变化以及地磁扰动和太阳活动的影响都提供了定量描述的能力.基于这样的性质,国际空间研究委员会(COSPAR)在1986年将MSIS-86推荐作为国际参考大气模型,即CIRA-86大气模型.在MSIS-86基础上发展形成的MSIS-90[35]将有效高度从热层大气扩展到了大气中低层,从而使该经验模式成为一个能描述全大气层(从地表到热层大气)大气参数垂直结构的解析模式.下面将针对MSISE-90进行详细的介绍.由于控制热层和中层大气的物理过程完全不同,中间层就成为一个不仅是大气分层,同时也是探测的理论和技术的分界线.由于对大气层整体认识的需要,必须考虑中低层大气与热层大气的相互作用,这不仅对空间物理研究是必须的,更是大气科学研究的基础.因此,1990年,在MSIS-86的基础上,NASA对该模式进行了修正,将模式的有效高度发展到了中间层和更低层大气,即MSISE-90,使该模式进一步成为能模拟全大气层不同物理和地理条件下气候平均的大气温度和各种成份垂直结构全球分布的完全解析模式.MAP16[36]的数据集是中低层大气的主要数据库,此外,也补充了一些历年(1947∼1972年)火箭探空资料和低热层/上中间层的非相干雷达的观测资料,此外, 20km以下还补充了美国气象中心的资料.该模式采用低阶球谐函数和傅立叶级数来描述大气参数的纬度、年、半年、局地时间和经度等的变化.由于逐月的变化无法为模式所完整地进行描述,因此,模式设计时,要求低层大气的温度变化满足总标准差3K,而压力为2%.火箭以及其他资料验证证明,该模式具有较强的模拟能力,但对中间层顶区域细节的刻画能力并不完善.此外,本模式也不适用于对流层问题的专门研究.MAP16是纬圈平均的中层大气的温度、密度和压力、风等月平均的数据集,覆盖纬度范围为80◦S∼80◦N.数据高度网格距约为0.5压力标高(与绝对温度有关,∼3.5km),同时给出了高度网格距为5km网格上的温度、压力和密度分布,其中温度数据由30mb以上的卫星温度观测值、Berlin Free University提供的30mb和从资料中导出的50mb及以下高度的气候值共同构成.该数据集同时也被推荐为CIRA-86的低层大气部分,所不同是,除了该数据集,还有其他火箭和低热层/上中间层的非相干雷达资料同时作为构建MSISE-90第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状679中低层大气的数据库,基本约束条件是尽量地满足流体静力平衡.2000年以来美国海军研究实验室(US naval research laboratory,NRL)对MSISE-90进行了几点改进,如加入了从卫星加速仪以及轨道定轨数据导出的总质量密度,包含了1981年∼1997年间非相干雷达的温度数据库资料,以及SMM(solar max-imum misson)任务中太阳紫外掩星仪器获取的分子氧数密度数据等,重点对高层大气模型进行了修正,如引进了一种称为“Amomalous Oxygen”的新成份,修正了高层大气的总质量密度的计算,这些改进主要应用于500km以上大气阻尼计算中.由于高纬地区及强地磁活动的观测数据非常稀少,作为一种统计平均值,这些模式都不能捕获任何一个特殊风暴事件的局地和短时特征,对一些中层大气现象的描述也不够准确,如中纬度中层大气中的中间层逆温现象(the mesosphere inver-sion layer phenomenon,MIL).NRLMSIS-00模式虽然是一个统计平均结果,但是包含了更多数据覆盖,尤其是局地变化和强迫项.随着更多、更广、更密集的天、地、空观测资料的获取和资料处理技术的改进,该大气模型将得到不断改进和完善,成为了解热层和中层大气要素和成份分布及变化趋势,研究热层和中层大气的动力过程和现象以及上下层耦合的重要工具.4中层大气环流与物理化学状态的数值模式研究虽然近年来已有不少关于中层大气的全球性探测资料,但对了解这一层大气的运动特征和变化趋势而言还是很不充分的,特别是中小尺度动力和物理过程的实际观测还很欠缺,对成份分布变化的探测更多地还是较大时空尺度的平均状态.与对流层大气研究一样,立足于基本流体力学规律和一系列物理化学过程规律的基础上,开展中层大气环流与物理化学过程的数值模拟是近年来中层大气研究的一个重要方面,已经取得了一系列的进展.中层大气中存在一系列化学、动力和物理等过程之间的相互作用,要研究中层大气,一个理想的工具是基于大气环流模式的,包括各类物理过程如辐射过程、对流和云的微物理过程、化学过程的中层大气模式.大部分的大气环流模式只包括对流层大气,现在逐渐开始考虑平流层大气.随着计算机条件的不断改善,目前在大气环流模式中同时考虑对流层和对流层以上大气已成为现实.在过去的几十年内,人们发展了一系列基于大气环流模式的中层大气模式[36].这些模式大多可以模拟平流层内大气动力和化学过程及其相互作用,一些模式还包括了热层甚至电离层的动力和化学过程.尽管中层大气模式在近几年得到了快速的发展,现有的中层大气模式还存在许多不足的地方.中层大气模式中的辐射方案、化学过程、重力波参数化方案等都需要进一步的改进和完善.如何有效的实现中层大气模式里化学过程和动力过程的双向耦合,如何在模式中合理的描述中层大气的雷电活动及其对化学过程的影响也是亟待解决的问题.如何模拟中层大气里云和气溶胶粒子的微物理过程和动力传输则是中层模式发展的另一个前沿方向.虽然关于中层大气模式的发展还有许多工作要做,但它们已开始被大气科学工作者广泛应用于中层大气的研究中.众所周知,人类活动的加剧导致了大气中温室气体的增加,温室气体的增加引起对流层内温度升高,水汽增加,改变平流层和对流层之间物质交换(STE)的速率,而水汽的增加和STE的变化会显著的影响对流层和平流层内的化学成分的含量、分布和相关的化学过程.在平流层大气内,大气化学过程与气候的相互作用非常显著,要考虑平流层大气过程对对流层气候的影响,平流层内的化学过程是不能被忽视的.平流层内温室气体的增加会使平流层变冷,但是平流层臭氧吸收太阳紫外辐射并加热平流层大气.平流层臭氧浓度的变化使得平流层内温度变化趋势变得复杂.温室气体的冷却效应会使平流层内损耗臭氧的气相化学反应减缓,臭氧浓度增加,加热平流层大气.另一方面,平流层温度减低会有更多的极地平流层云生成从而加快损耗臭氧的异相化学反应.要研究平流气候的变化及其对对流层天气、气候的影响,就必须要考虑平流层大气中化学过程和物理过程的相互耦合和相互作用.要深入全面研究对流层和中层大气的相互作用和相互耦合,一个包括大气化学、辐射过程、动力过程甚至微物理过程的完备的中层大气模式是不可缺少的.中层大气模式的另一个重要的应用是模拟中层大气中的痕量化学物质和气溶胶粒子的分布和。
我国大气环境污染现状及治理对策
我国大气环境污染现状及治理对策随着工业化和城市化的快速发展，我国大气环境污染问题日益严重，给人民群众的生活和健康带来了严重影响。
为了有效应对大气环境污染，我国制定了一系列治理对策。
本文将探讨我国大气环境污染的现状以及针对性的治理对策。
一、大气环境污染现状我国大气环境污染主要表现在以下几个方面：首先，工业排放是大气污染的主要来源之一。
工业生产过程中排放的废气中含有大量有害气体和颗粒物，如二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等，严重污染了空气质量。
其次，机动车尾气排放也是导致大气污染的重要原因。
随着汽车数量的快速增长，汽车尾气中的有害物质排放量不断增加，成为城市大气污染的主要来源之一。
除此之外，生活垃圾焚烧、建筑施工扬尘等也是导致大气环境污染的重要原因。
二、治理对策为了改善我国大气环境质量，我国采取了一系列有力的治理措施。
首先，加强环境管理，严格控制工业企业的排放标准。
我国通过颁布《大气污染防治法》等相关法律法规，要求工业企业必须符合排放标准，否则将受到处罚。
其次，推动清洁能源替代传统能源，逐步减少对化石能源的依赖。
我国大力发展清洁能源，如风能、太阳能等替代传统的煤炭、石油等化石能源，减少碳排放。
此外，加强车辆尾气排放治理，推动新能源汽车的发展，减少传统燃油车的使用，有效减少汽车尾气排放对大气环境的污染。
最后，加强建设城市绿化，促进城市生态环境的改善。
鼓励城市建设单位增加绿化面积，建设生态园区，提高城市空气湿度，吸收有害气体，改善空气质量。
综上所述，我国大气环境污染的现状十分严峻，但我国已经采取了一系列有效的治理对策，取得了一定的成效。
未来，我国将继续加强环境治理，推动大气环境质量不断改善，为人民群众创造干净的生活环境。
大气环境质量时空分布特征及未来趋势预测
大气环境质量时空分布特征及未来趋势预测大气环境质量是一个关乎人类健康和地球未来的重要问题。
随着工业化进程的加速和城市化进程的推进，大气污染已成为全球面临的严重挑战。
本文将探讨大气环境质量的时空分布特征以及未来趋势预测，并对如何改善大气环境质量提出一些建议。
大气环境质量的时空分布特征是一个复杂的系统工程。
首先，大气污染物的排放源多种多样，包括工业排放、汽车尾气、生物质燃烧等。
这些排放源的分布和强度在不同地区存在较大差异，导致了大气环境质量的时空差异。
例如，中国东部地区的工业密集区域和城市群是大气污染的重要源头，污染物排放量极高，大气环境质量普遍较差；而西部地区的大气环境质量相对较好，因为该地区的工业发展相对较弱，大气污染物排放量较低。
其次，大气环境质量的时空分布还受到气象条件的影响。
气象条件直接影响大气扩散和污染物的传输。
例如，风速和风向是影响大气污染物传输和稀释的重要因素，当风速较低或风向不利时，污染物容易在一个区域内积聚，导致大气环境质量的下降。
此外，气温、湿度等气象因素也会影响大气污染物的光化学反应和沉降速度，进一步影响大气环境质量的时空分布。
未来大气环境质量的趋势预测是一个全球性的挑战。
随着全球经济的发展和人口的增加，大气污染排放量将进一步增加。
此外，气候变化也将对大气环境质量产生重要影响。
例如，全球变暖会增加气温和降水量，改变风的强度和方向，进而影响大气污染物的输运和扩散。
因此，未来的大气环境质量预测需要综合考虑人为活动和自然因素的共同作用。
为了改善大气环境质量，我们可以从多个层面和角度入手。
首先，要加强环境管理和法律法规的执行力度，严格控制工业排放、汽车尾气和生物质燃烧等大气污染源的排放量。
其次，要推广清洁能源和低碳技术，减少对化石燃料的依赖，降低大气污染物的排放。
同时，应提倡节能减排和环保出行，鼓励大众使用公共交通工具和非机动交通工具，减少汽车尾气的排放。
此外，应加强大气环境质量监测和预警体系的建设，及时掌握大气环境质量的变化情况，并采取相应的应对措施。
空气污染防治技术的研究现状
空气污染防治技术的研究现状近年来，随着工业化进程的加快和城市化人口的不断增长，空气污染问题愈发突出。
根据世界卫生组织的统计数据，全球近7百万人每年死于空气污染，其中包括不少儿童和老年人。
空气污染已成为全球共同面临的环境问题之一。
为了改善人民的生态环境，各国政府和学者一直在致力于研究防治空气污染的技术，取得了一些重要进展。
一、空气污染成因空气污染的成因非常复杂，其中包括人为原因和自然因素。
在人为因素中，工业污染、交通污染、建筑施工等都会对环境造成影响。
自然因素中，火山爆发和非正常人为燃烧等因素也会对空气造成污染。
在城市中，机动车辆是主要的空气污染源之一。
车辆的尾气含有大量的有害气体和微小颗粒，例如二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳和臭氧等。
这些有害气体和颗粒物会进入人体，导致多种健康问题，尤其是呼吸系统疾病。
除了车辆，工厂排放的污染物也对环境影响很大。
这些工厂污染物可能包括废气、废水和固体废物。
其中废气排放对空气污染的贡献最大，其中包括二氧化硫、氮氧化合物、颗粒物等。
二、空气污染防治技术研究现状1. 空气污染源控制技术源控制技术是针对空气污染源头的治理，通过控制污染源的排放量和浓度，有效减少污染物的排放量和浓度。
目前，主要的源控制技术包括燃料改良技术、低排放技术和污染物回收技术等。
燃料改良技术主要是改进燃料的配方，降低燃料的污染物含量，使排放的废气中的有害物质可控或降至最低。
低排放技术主要是通过提高设备的效率，或增加废气、废水的处理设备，实现污染物的减排。
污染物回收技术则是通过收集治理前的污染物废气、污水或污染物固体废物，经过处理后再利用或排放。
2. 室内空气治理技术室内空气环境对人的健康影响很大，而在不少情况下，室内空气污染问题要比室外严重得多。
为了保障人们的健康，室内空气治理技术越来越受到人们的关注。
主要的治理技术包括通风换气技术、室内空气净化技术和室内装修材料的环保技术等。
通风换气技术主要是通过通风系统将室内和室外的空气进行交换，尽可能地将室内空气中的有害物质排出去。
空间大气环境模型的研究与应用
空间大气环境模型的研究与应用一、引言空间大气环境模型是一种用于描述地球大气层结构、成分和演化的模型。
它能够对空间探测与通信、导航、气象预测等应用领域提供重要的支持和指导。
目前，空间大气环境模型的研究已经成为一个跨学科、综合性的领域，涉及大气物理、空间天气、电磁波传播、计算机模拟等多个方面。
本文将详细介绍空间大气环境模型的研究现状、应用场景及其未来发展趋势。
二、空间大气环境模型相关理论1. 大气层模型大气层模型是描述大气层分层结构和物理特性的基础模型，最早由美国气象学家理查德·瑞登（Richard A. Reidel）等人提出。
该模型将大气层分为多个层次，包括对流层、平流层、臭层、中间层和外部层（或辐射层）五个部分，每个部分的高度、密度、温度和大气成分均不同。
大气层模型的研究为空间大气环境模型的建立提供了坚实的理论基础。
2. 电离层模型电离层是指地球大气层中高空区域，其中由于太阳辐射作用而形成的离子层。
它对于电磁波传播、卫星导航、通讯等应用具有重要的影响。
电离层模型是一种描述电离层结构和成分的数学模型，可以通过测量电离层电浓度及其垂直和水平分布来建立。
目前较为常用的电离层模型包括国际电离层参考模型（International Reference Ionosphere，IRI）和国际电离层实时模型（International Real-time Ionosphere Model，IRI）等。
3. 太阳风环境模型太阳风是指太阳表面释放的带电粒子流，具有高速度和高能量。
太阳风对地球大气层和磁层产生了很大的影响，可能引起空间天气事件，如磁暴、电离层扰动等。
太阳风环境模型是一种用于描述太阳风速度、密度、温度等参数变化的数学模型，其建立需要依赖于对太阳风观测数据的分析和处理。
三、空间大气环境模型的应用1. 空间探测与通信在空间探测和通信领域中，了解飞行器所处的大气层结构和成分对于准确预测它们的运行状态至关重要。
空间与地球大气及其环境影响的研究
空间与地球大气及其环境影响的研究随着人类社会的发展，对空间及地球大气的研究逐渐深入，而这些研究对于环境保护和人类未来发展都具有重要的意义。
本文将从空间和地球大气两个方面探讨其环境影响，以期为读者带来一些启示和思考。
一、空间与环境保护随着人类社会的发展，太空科技也得到了长足的发展，越来越多的人通过卫星定位，人造卫星观测等手段来实现更精准和全面的信息获取。
然而，太空科技的发展也带来了种种问题和挑战。
首先，太空碎片对地球环境带来的危害越来越明显。
科学家们曾预测，若太空碎片不控制，到2050年，地球轨道上的的碎片数量将达到30000多个，为卫星通信产业和人类社会带来的威胁越来越大。
其次，大规模太空开采也会对地球环境的影响。
太空开采不仅需要大量的物资和技术支持，而且这种开采可能会对地球环境造成不可逆的破坏。
虽然我国已经积极开始探索太空开采，但必须合理规划，做到可持续发展，才能避免对地球环境的影响。
二、地球大气与环境保护地球大气是保护地球生命的重要屏障之一。
然而，人类经济活动和社会发展对地球大气带来了越来越多的威胁。
随着工业和交通的飞速发展，大气环境遭受到了空气污染、温室气体、臭氧层破坏等多种威胁。
首先，工业和交通活动的排放对大气环境造成了严重的污染。
空气污染除了影响亿万人民的健康，还会引起全球气候变化，并加速环境恶化的进程。
其次，由于人类工业和使用化石燃料排放大量的温室气体，气候在全球变暖。
全球气候变化不仅会导致自然环境变化，还对人类社会造成严重威胁。
我们必须团结起来，采取有效的控制措施防止气候异常事件加剧，保护地球环境，让我们的子孙后代能够共享更清洁和美好的世界。
最后，大气臭氧层受到破坏也是全球环境保护的一个重要议题。
如果臭氧层破坏不得到有效的治理，会给人类的生命安全带来重大威胁。
因此，只有我们认真对待大气环境保护，采取预防措施来降低气体的排放，增强大气层的稳定性，并加强国际合作来全面解决大气层受到的危害和威胁。
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第39卷第6期力学进展Vol.39No.6 2009年11月25日ADVANCES IN MECHANICS Nov.25,2009临近空间大气环境研究现状*吕达仁1,†陈泽宇1郭霞1田文寿21中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室(LAGEO),北京1000292兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000摘要临近空间指高度位于(20∼100)km之间的地球大气层.简要综述临近空间的已有了解和研究前沿,包括基本状态、主要过程与控制因子.介绍了基于已有探测资料的经验模式的建立和基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模拟.最后从临近空间大气环境保障应用角度提出研究的新建议.关键词临近空间,中层大气,平流层,中间层,低热层1引言临近空间指高度位于(20∼100)km之间的地球大气层.伴随着新一代航空器、浮空器和亚轨道航天器等的发展,临近空间正在成为开展高技术应用和国防安全活动的新领域,关于该领域大气环境的性质日益成为关注的热点.这个区域和大气物理学关注的高度位于(10∼100)km范围的“中层大气”基本重合,是大气物理学研究的传统领域.地球大气的基本状态取决于大气的能量收支.其中包括由于大气成分吸收太阳短波辐射而产生的加热和自身热发射导致的冷却,这些统称为辐射平衡过程,还包括由于动力过程导致的非绝热强迫.其中,大气成份的辐射吸收和发射性质控制了能量收支的主要过程,如图1所示,其结果形成了以温度为代表的大气分层结构.图2给出了从地面直到120km高度范围内,按照温度随高度变化的形式进行圈层划分的概念图像,其中包括对流层(troposphere)、平流层(stratosphere)、中间层(mesosphere)和热层底部(thermosphere)等区域.相对于组成太阳辐射能量的主要光谱波段,以氮气和氧气为主体的地球大气是准透明的,因此太阳辐射可以穿过大气层到达地面.这些抵达地面的太阳辐射能量中除了一部分被直接反射回空间(取决于地表反照率),其余部分通过地表能量分配过程转化为驱动大气运动的能量,其中包括可以直接加热大气的感热、通过被蒸发的液态水带入底层大气的潜热以及依赖于地表温度的长波辐射.对于10km高度以下的大气,来自底部的感热加热驱动出强烈的垂直对流活动,它们反映在伴随对流活动的水汽物质发生相变而形成的云和降水等表观天气现象中.基于这样的特点,该层大气被称为对流层.在本质上,对流活动实现了能量的垂直交换,尤其是伴随水汽相变形成潜热释放极大地提高了对流层大气能量垂直交换的效率,成为决定该层大气能量收支的重要机制.图1一些主要大气成份数密度垂直廓线(基于美国空军地球物理实验室数据)收稿日期:2009-03-25,修回日期:2009-10-30∗中国科学院自然科学创新重要方向项目(KZCX2-YW-123),国家自然科学基金面上项目(40875017)和国家自然科学基金重点项目(40333034)资助†E-mail:ludr@第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状675图2全球大气平均温度垂直廓线(基于美国空军地球物理实验室数据)与对流层不同,由于远离地表而缺少直接感热加热,中层大气中对流活动远不及对流层显著.同时由于缺少水汽这样的热机物质,对流活动也无法得到加强.基于当前研究结果,在全球月平均这样的时间尺度上,位于从10km 高度直到大约70km 高度范围中的大气基本处在辐射平衡的状态中[1].这个高度范围包括了平流层和中间层的下部,图3(a)给出了满足辐射平衡的全球温度分布和与之对应的纬向风分布.可以看到,与该季节照射到大气的平均太阳辐射通量的纬度分布一致,在平流层中形成了冬半球极区指向夏半球极区的温度梯度.图3b 进一步显示了与在冬半球温度梯度相伴的绕极西风(即“极夜急流”).图3北半球仲夏(6月)条件下,(20∼120)km 高度范围内沿纬圈平均的温度(a)和纬向风(b)全球结构.数据来自国际科联空间研究委员会推荐的全球平均大气模型(CIRA-86)除了通常意义上的辐射吸收和发射外,太阳辐射中位于高能谱段(例如紫外)的辐射能够在中层大气中激发出多种光化学反应.这些反应的结果不仅导致大气成份的变化,其间还伴随着能量的转换,直接影响到非绝热加热的性质.例如,在太阳紫外辐射的激发下,氧气和一些微量大气成份通过光化学反应形成了中心高度位于∼30km 的臭氧层.一方面,臭氧层是太阳紫外辐射(UV-B)的强吸收体,构成了地球生物圈和人类生存的保护伞;另一方面,臭氧层由于强烈吸收太阳紫外辐射而在平流层中形成了一个重要的热源.平流层的温度垂直结构在本质上正是由臭氧层的加热效应决定的.由于和辐射平衡过程之间存在密切的联系,中层大气化学成为当前备受关注的研究焦点.图3还说明在相当大的范围中,中层大气的基本状态是偏离辐射平衡的,它们反映了来自动力强迫的控制作用.首先,这种偏离辐射平衡的状态在中间层顶附近最为明显.如图3(a)所示,在87km 高度,与平流层相反,这里的温度梯度从夏半球极区指向冬半球极区.其中可以看到,低温中心出现在夏半球极区.基于详细的大气光谱学数据开展计算的结果[2,3]指出,这个出现在极昼环境中的冷中心与辐射平衡原理所预测的结果是完全不同的;与此同时,辐射平衡原理所预测的纬向风结构也和实际观测结果之间存在巨大的差异,不仅没有如图3(b)所显示的出现在夏半球高纬度的东风急流,而且风速也远远超过观测值.基于理论分析和开展数值模拟得到的研究结果,这些偏离辐射平衡现象的产生是由于伴随动力过程而产生的非绝热和动力强迫效应而导致的.例如,当前研究结果指出为了在数值模拟中再现上述极区夏季冷中间层顶和东风急流现象,需要在辐射强迫基础上增加额外的动力强迫[4,5].上述一些研究还表明起源于对流层的重力波在向上传播的过程中产生的动力阻曳和湍流扩散对形成上述温度和流场结构具有控制作用.偏离辐射平衡的现象也出现在平流层中.注意到图3中南半球处于仲冬季节.在极夜条件下,平流层中的臭氧和二氧化碳的红外热辐射将导致强烈的大气冷却,但图3(a)显示在平流层顶高度(55km)却存在着一个明显的高温区,这种现象是由“向下控制(downward control)”原理[6∼8]作用下在赤道和极地间形成的经圈环流中位于高纬度的下沉支中的绝热增暖效应的体现.在热带以外地区从平流层上部直到中间层下部区域中,纬向风的结构使得这里成为各种尺度大气波动(行星波、重力波)发生耗散的有利区676力学进展2009年第39卷域[9∼12]伴随这些耗散而形成的动力强迫可以持续地维持到季节以上的时间尺度,形成了图4中上部所示的“受波动驱动的热带外抽吸泵”[12],在它的作用下,由赤道和热带地区盛行的对流活动带入平流层底部的物质被进一步向高处输送并移向两半球中高纬地区,最终在高纬度和极区下沉,组成了一个跨越半球范围的经圈环流(即Brewer-Dobson环流).图4Brewer-Dobson环流的概念图像[12]就整体而言,有关中层大气过程的定量动态认识还停留在概念模式阶段.在理论和观测方面取得的研究成果局限在理解具有全球尺度的平均态方面.探测技术和投入不足是主要的制约因素.例如,除了利用火箭作为搭载探测仪器的平台外,目前还没有其他方法可以针对中层大气开展原位(in-situ)探测.由于大气密度过于稀薄并且中性空气分子与电磁波的相互作用十分微弱,直到1970年代中期才成功地将大功率大阵列的雷达系统应用到中层大气探测中,其中包括甚高频雷达(MST 雷达)、中频雷达等.利用这样的设备获得了平流层下部和中间层的风场以及湍流活动的信息.随着1960年代出现激光雷达,这种探测技术逐渐被应用来获取从近地面直到中间层顶的大气密度和温度、以及平流层臭氧和平流层下部风场等信息.所有这些探测都只能在少数大规模研究基地进行,对于全球和区域临近空间环境保障而言是无法满足要求的.自从1970年代开始,卫星探测中层大气的实验逐步开展,但是直到1990年代末才取得了实质性的进展.自从1999年“高层大气研究卫星计划(UARS)”实施以来,相继进行了“热层、电离层、中间层能量学计划(TIMED)”,ENVISAT计划.这些卫星计划都有针对中层大气探测的搭载设备,提供了关于大气风场、温度、密度以及各种大气成份的有效数据,可以说当前才真正开始了全球临近空间环境的持续探测.当前,中层大气环境研究的深入开展不仅受到来自临近空间应用的推动,从气候环境及其变化角度考察中层大气也已经成为当前的研究焦点.应用需求和科学探索的共同推动为中层大气研究的全面发展提供了良好的契机.随着大气科学界对中层大气过程、机理以及控制因子与大气上下层的耦合作用的认识和了解,必然会促进中层大气环境保障能力和水平的提高,促进高技术领域和航空航天领域对临近空间的新应用.本文将简要介绍对该层大气的研究现状和研究前沿,包括主要过程与控制因子、基于已有探测资料的大气要素和成份经验模式以及基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模式等.最后从临近空间大气环境保障应用的角度提出新的研究建议.2临近空间大气动力学研究临近空间是大气波动盛行的区域,其中既有高频——中小尺度的重力波,也有缓慢变化——尺度与地球纬圈长度相当的行星波和大气热力潮汐等.它们决定了这里大气扰动的主要形态,实现了动量的空间传播;尤其重要的是,受环境的控制以及通过和环境流场发生相互作用,稳定的传播状态被破坏,最终导致波动携带的动量被环境截获,成为作用在背景流场上的动力强迫和作用于环境物质上的湍流混合.在从平流层底部直到中间层顶范围内,几乎所有大气环流的典型结构无不受到上述波动强迫的影响和控制.在大气各圈层中行星波都是显著的波动.过去的研究偏重行星波活动在影响地面天气方面的作用,近年来研究的焦点逐渐投向寻找平流层行星波活动和地面天气气候异常的关系.随着再分析数据的积累,利用这种数据对平流层定常行星波活动的时空结构,尤其对各种典型冬春季节平流层环流与波动活动的关系取得了较详细的了解, Li等[13]对有关结果进行了总结.随着卫星观测成功地覆盖到中间层顶高度,第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状677对各类行星波在临近空间中的整体表现也取得了进一步的认识[14].例如,目前从观测资料得到的分析结果揭示了在冬春季节,平流层准定常行星波可以传播到中间层高度,另外还发现在赤道地区中间层顶附近也存在相当显著的定常波活动.卫星数据还进一步揭示了非定常波的活跃表现.相对于定常行星波,传播性的波动具有更强的垂直传播能力,尤其通过观测分析发现频率较高的波动更有利于传播到中间层,这使得平流层波动的周期集中体现5∼18d甚至更长,而中间层波动的周期集中表现为2∼5d.值得关注的是非定常波动的产生不仅取决于外部的强迫,在大气内部各种不稳定性的驱动下,通过共振机制也可以形成这样的波动(Rossby正交模),使得这种波动具有随处出现的性质,近期研究指出传播性行星波在夏季情况下对平流层化学物质的分布起着控制作用[15].除了行星波以外,大气热力潮汐也是中层大气波动的一个重要组成部分.它们是球面大气在由于太阳照射而形成的具有日变化性质的热源的驱动下产生的全球共振响应波动,其周期为一个完整的周日时段(24h)或它的谐波.根据这样的时变性质,周期为24h的潮汐统称为周日潮,而周期为12h的潮汐为半日潮,等等.观测结果显示这些起源于低层的波动可以传播到低热层高度(100 km以上),并成为中间层和低热层区域(MLT)最显著的扰动形式[16].自从1990年代末以来,以美国为主开展了多次关于中高层大气观测的卫星计划,连续获取了相当数量的对中间层和低热层大气矢量风和温度的观测数据,在这些数据基础上对一些典型潮汐成份的活动性随空间和季节的变化形式都取得了较深入的了解.例如,利用“高层大气研究计划(UARS, 1991年∼2005年)”获取的矢量风数据开展分析的结果揭示了热带和赤道地区迁移性周日潮在两分点和两至点季节表现出明显不同的活动性[17,18].目前作为UARS卫星计划的延续,TIMED[19](热层、电离层、中间层能量学计划)正在进行中.该计划除了继续开展风场探测外,TIMED上搭载的10通道宽带辐射计SABER进一步提供了相当准确的MLT温度测量[20].在这些数据基础上,对MLT 温度潮汐的性质也取得了相当详细的认识[21].自从Holton[5]揭示了重力波强迫对中间层环流的控制作用以来,关于重力波的研究一直是中层大气动力学关注的一个主要内容.重力波是一种中小尺度的波动,是中小尺度不平衡动力过程中能量频散的重要机制.目前已经认识到存在多种诱发机制;除了早期在地形强迫效应方面取得的认识外,观测研究显示各种中小尺度对流系统、天气尺度锋面以及高空急流等都可能激发出重力波.由于这些系统自身处在移动的过程中,而波动的产生与系统内部的暂态过程密切相关,这些都使得对波动的描述变得相当困难.近年来针对深厚对流系统开展研究认识到存在3种主要的重力波诱发机制,即“机械振荡器效应”、“障碍物效应”和“热力强迫效应”.在这些概念模式基础上针对实况个例开展的三维数值模拟研究进一步加深了对现实环境中重力波的诱发过程以及波动的强度等方面的综合性认识[22,23].与此同时,通过数值模拟研究还认识到,在高空急流系统的出口区,由于强烈地转调整过程而出现流场的辐散(合),相应地出现了传播性的重力波.重力波的产生依赖于局地系统,对这些局地波动活动分布的认识是估计全球效应的基础.在这方面虽然利用地基遥感探测(如激光雷达,风廓线雷达,全天空气辉成像仪等)数据开展研究取得了一定的效果,但是这些数据在空间覆盖和时间覆盖方面都存在严重不足.为此,卫星探测数据的应用得到了一些研究人员的关注,目前利用临边探测数据已经获取了多年中层大气重力波活动的信息.与此同时,随着全球定位系统的发展,其中的卫星探测可以提供高分辨的全球温度廓线数据,这对于研究平流层重力波活动起到了积极作用.与此同时,高分辨探空资料的应用得到了相当的重视.这种由文献[24]提出的方案可以利用那些积累下来的长期探空资料来提取下平流层/上对流层区域重力波活动信息.这对于获取中层大气重力波的源区性质提供了一个有效的途径.通过一些研究人员的发展[25∼27],形成了一组基于这种分析方案的标准程序.目前利用这种分析方案考察了南半球不同纬度平流层下部和对流层上部重力波活动的长期特征.另外,在WCRP/SPARC 计划的推动下,一组由美国国家海洋大气管理局气候资料中心(NOAA/NCDC)编辑整理的包括美国和一些热带太平洋岛屿的高分辨率探空资料被公布在SPARC数据网站上.在此基础上开展研究的结果对于刻画北半球重力波活动随季节和纬度变化的特征起到了重要作用[28].利用这些数据678力学进展2009年第39卷开展研究的结果还揭示了热带重力波活动的年际变化特征,尤其是发现了这种变化与赤道平流层纬向风准两年振荡(quasi-biennial oscillation,QBO)现象之间的密切关联[29].重力波强迫效应对于正确模拟中层大气环流的基本结构是必不可少的.目前在全球环流模式(GCM)中还无法解析地描述重力波活动,对其效应的估计需要通过参数化的形式来实现.早期的参数化方案不仅对传播过程的细节作了大量简化,对源区波动的性质也考虑得相当简单[30∼32].随着对源区波动时空谱结构认识的提高,当前的参数化方案不仅考虑了各种谱成份的传播过程,一些方案还同时考虑了谱成份在传播过程中发生相互作用的有关问题.无论如何,与早期建立参数化方案的策略相同,这些方案注重实现较高的计算效率以便节省计算时间,因此也是当前应用于各GCM的主要形式.与此不同,另一类参数化方案则是在控制波动传播的动力学方程组的基础上进行简化而建立的,具有半显式描述GCM网格中重力波传播性质的能力.应用这种方案的困难主要在于需要较多的计算时间,目前还没有得到普遍的使用.但是这种方案具有追踪波动传播细节的能力,有利于准确估计波动的效应,随着计算设备能力的提高,这种方案的优势应该得到关注.3中层大气模型简介从应用目标出发,几十年来,大气科学界一直致力于通过利用中层大气综合探测资料,结合有关控制大气基本物理过程的原理或半定量模型来建立适用于航空航天平台设计和应用评估的中层大气模型.目前关于中层大气模型的研究还相当薄弱,早期利用非相干雷达(Arecibo,Jicamarca, Millstone Hill和St.Santin)获取的中性大气温度,结合星载(AE-B,OGO6,SanMarco3,Aeros A和AE-C)质谱仪获取的N2密度资料(图1)建立了MSIS(mass spectrometer and incoherent scatter)大气模型[33],其中并没有包括中层大气.随着探测的发展,火箭探空技术实现了对中层大气的测量,在此基础上MSIS模型逐渐将中层大气包括进来,并不断改进,直到形成MSIS-86[34].该模型所描述的中层大气参数包括大气温度、密度、以及一些主要大气成份(如N2,He,O,O2,H,和Ar等).其中,对这些参数的时间、经纬度分布、季节变化、年变化、日/半日变化以及地磁扰动和太阳活动的影响都提供了定量描述的能力.基于这样的性质,国际空间研究委员会(COSPAR)在1986年将MSIS-86推荐作为国际参考大气模型,即CIRA-86大气模型.在MSIS-86基础上发展形成的MSIS-90[35]将有效高度从热层大气扩展到了大气中低层,从而使该经验模式成为一个能描述全大气层(从地表到热层大气)大气参数垂直结构的解析模式.下面将针对MSISE-90进行详细的介绍.由于控制热层和中层大气的物理过程完全不同,中间层就成为一个不仅是大气分层,同时也是探测的理论和技术的分界线.由于对大气层整体认识的需要,必须考虑中低层大气与热层大气的相互作用,这不仅对空间物理研究是必须的,更是大气科学研究的基础.因此,1990年,在MSIS-86的基础上,NASA对该模式进行了修正,将模式的有效高度发展到了中间层和更低层大气,即MSISE-90,使该模式进一步成为能模拟全大气层不同物理和地理条件下气候平均的大气温度和各种成份垂直结构全球分布的完全解析模式.MAP16[36]的数据集是中低层大气的主要数据库,此外,也补充了一些历年(1947∼1972年)火箭探空资料和低热层/上中间层的非相干雷达的观测资料,此外, 20km以下还补充了美国气象中心的资料.该模式采用低阶球谐函数和傅立叶级数来描述大气参数的纬度、年、半年、局地时间和经度等的变化.由于逐月的变化无法为模式所完整地进行描述,因此,模式设计时,要求低层大气的温度变化满足总标准差3K,而压力为2%.火箭以及其他资料验证证明,该模式具有较强的模拟能力,但对中间层顶区域细节的刻画能力并不完善.此外,本模式也不适用于对流层问题的专门研究.MAP16是纬圈平均的中层大气的温度、密度和压力、风等月平均的数据集,覆盖纬度范围为80◦S∼80◦N.数据高度网格距约为0.5压力标高(与绝对温度有关,∼3.5km),同时给出了高度网格距为5km网格上的温度、压力和密度分布,其中温度数据由30mb以上的卫星温度观测值、Berlin Free University提供的30mb和从资料中导出的50mb及以下高度的气候值共同构成.该数据集同时也被推荐为CIRA-86的低层大气部分,所不同是,除了该数据集,还有其他火箭和低热层/上中间层的非相干雷达资料同时作为构建MSISE-90第6期吕达仁等:临近空间大气环境研究现状679中低层大气的数据库,基本约束条件是尽量地满足流体静力平衡.2000年以来美国海军研究实验室(US naval research laboratory,NRL)对MSISE-90进行了几点改进,如加入了从卫星加速仪以及轨道定轨数据导出的总质量密度,包含了1981年∼1997年间非相干雷达的温度数据库资料,以及SMM(solar max-imum misson)任务中太阳紫外掩星仪器获取的分子氧数密度数据等,重点对高层大气模型进行了修正,如引进了一种称为“Amomalous Oxygen”的新成份,修正了高层大气的总质量密度的计算,这些改进主要应用于500km以上大气阻尼计算中.由于高纬地区及强地磁活动的观测数据非常稀少,作为一种统计平均值,这些模式都不能捕获任何一个特殊风暴事件的局地和短时特征,对一些中层大气现象的描述也不够准确,如中纬度中层大气中的中间层逆温现象(the mesosphere inver-sion layer phenomenon,MIL).NRLMSIS-00模式虽然是一个统计平均结果,但是包含了更多数据覆盖,尤其是局地变化和强迫项.随着更多、更广、更密集的天、地、空观测资料的获取和资料处理技术的改进,该大气模型将得到不断改进和完善,成为了解热层和中层大气要素和成份分布及变化趋势,研究热层和中层大气的动力过程和现象以及上下层耦合的重要工具.4中层大气环流与物理化学状态的数值模式研究虽然近年来已有不少关于中层大气的全球性探测资料,但对了解这一层大气的运动特征和变化趋势而言还是很不充分的,特别是中小尺度动力和物理过程的实际观测还很欠缺,对成份分布变化的探测更多地还是较大时空尺度的平均状态.与对流层大气研究一样,立足于基本流体力学规律和一系列物理化学过程规律的基础上,开展中层大气环流与物理化学过程的数值模拟是近年来中层大气研究的一个重要方面,已经取得了一系列的进展.中层大气中存在一系列化学、动力和物理等过程之间的相互作用,要研究中层大气,一个理想的工具是基于大气环流模式的,包括各类物理过程如辐射过程、对流和云的微物理过程、化学过程的中层大气模式.大部分的大气环流模式只包括对流层大气,现在逐渐开始考虑平流层大气.随着计算机条件的不断改善,目前在大气环流模式中同时考虑对流层和对流层以上大气已成为现实.在过去的几十年内,人们发展了一系列基于大气环流模式的中层大气模式[36].这些模式大多可以模拟平流层内大气动力和化学过程及其相互作用,一些模式还包括了热层甚至电离层的动力和化学过程.尽管中层大气模式在近几年得到了快速的发展,现有的中层大气模式还存在许多不足的地方.中层大气模式中的辐射方案、化学过程、重力波参数化方案等都需要进一步的改进和完善.如何有效的实现中层大气模式里化学过程和动力过程的双向耦合,如何在模式中合理的描述中层大气的雷电活动及其对化学过程的影响也是亟待解决的问题.如何模拟中层大气里云和气溶胶粒子的微物理过程和动力传输则是中层模式发展的另一个前沿方向.虽然关于中层大气模式的发展还有许多工作要做,但它们已开始被大气科学工作者广泛应用于中层大气的研究中.众所周知,人类活动的加剧导致了大气中温室气体的增加,温室气体的增加引起对流层内温度升高,水汽增加,改变平流层和对流层之间物质交换(STE)的速率,而水汽的增加和STE的变化会显著的影响对流层和平流层内的化学成分的含量、分布和相关的化学过程.在平流层大气内,大气化学过程与气候的相互作用非常显著,要考虑平流层大气过程对对流层气候的影响,平流层内的化学过程是不能被忽视的.平流层内温室气体的增加会使平流层变冷,但是平流层臭氧吸收太阳紫外辐射并加热平流层大气.平流层臭氧浓度的变化使得平流层内温度变化趋势变得复杂.温室气体的冷却效应会使平流层内损耗臭氧的气相化学反应减缓,臭氧浓度增加,加热平流层大气.另一方面,平流层温度减低会有更多的极地平流层云生成从而加快损耗臭氧的异相化学反应.要研究平流气候的变化及其对对流层天气、气候的影响,就必须要考虑平流层大气中化学过程和物理过程的相互耦合和相互作用.要深入全面研究对流层和中层大气的相互作用和相互耦合,一个包括大气化学、辐射过程、动力过程甚至微物理过程的完备的中层大气模式是不可缺少的.中层大气模式的另一个重要的应用是模拟中层大气中的痕量化学物质和气溶胶粒子的分布和。