研究揭示低层大气散射对热层风场光学探测的影响机制

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文章导读

你是否想过，太空观测数据竟会“看走眼”？2024年两次强磁暴中，科学家发现光学干涉仪测得的热层风速南北相差超400 m/s，垂直风速异常达100 m/s，且随极光闪烁同步剧变。这究竟是大气真实波动，还是仪器“误读”？中国科学院国家空间科学中心团队揭开了谜底：低层大气散射将非视线方向的极光辐射“偷渡”进仪器视场，造成显著测风偏差。研究构建辐射传输模型，首次定量证实散射污染的方位不均匀性与风速“伪信号”机制，为中纬度极光区光学观测数据纠错提供了关键理论支撑。

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2024年5月10日和10月10日两次强磁暴期间，子午工程四子王旗站的两部不同光学原理的干涉仪（法布里—珀罗与空间外差），均在极光时段观测到南北侧经向风相差超400 m/s、垂直风向下超100 m/s，且与极光亮度同步快速变化，推测与大气散射使非视线方向极光辐射进入光学干涉仪视场造成测风偏差相关。

近期，为剖析异常风场成因，中国科学院国家空间科学中心研究团队构建了低层大气散射辐射传输模型，通过模拟极光辐射在低层大气内的散射过程，定量评估了散射对光学干涉仪热层风观测的偏差影响。模拟结果基本再现了观测到的异常风场特征，证实低层大气散射是主要污染因素之一。散射引入的视线风偏差，其正负符号与极光亮区的视线风速保持一致；大小随视线与亮区夹角增大而升高，具有方位不均匀性。极光出现在台站北方后，散射将北方强光区的视线风速“弥散”到其他方位，使光学干涉仪在其他方向观测到来自北方的辐射污染，造成水平风速差异。

这一发现不仅深化了对光学干涉仪观测受光污染机制的理解，也为中纬度红色极光频发区内干涉仪测风数据的甄别提供了理论依据和技术路径。

相关研究成果发表在Atmospheric Measurement Techniques上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院相关项目、子午工程等的支持。

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研究揭示低层大气散射对热层风场光学探测的影响机制