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大气模型的适用性分析及应用研究
摘要:临近空间的开发利用对大气环境参数的获取提出了迫切需求, 建立了临近
空间中性大气模型 (Near Space Parameter Mode1,NSPM) ,并对其进行了适用性
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 ; 大气参数 ; 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 .
1 模型简介
本文选用了大气模式 NRLMSISE-00 ( Nary Re-search Laboratory Mass
(
Spectrometer Incoherent Scatter 2000) 及风场模式 HWM07 Horizontal Wind
Model 2007) 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
(20 km 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
18  kg/m   ,标准差为  . 具体计算公式如下  :
需要的模块进行集成,最后得到临近空间参量模式 (Near Space Parameter
Model, NSPM ). 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 H 一然后,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 UNIX 系统下运行,以
满足实际应用需求 .
2 大气模型的适用性分析