空间中心科研人员揭示低层大气散射对热层风场光学探测的影响机制

热层风是理解中高层大气动力学和电动力学过程的关键参数。地基被动光学干涉仪广泛应用于热层风观测，且是目前唯一可实现高层大气中性风场直接探测的仪器，其通过测量630 nm氧原子气辉的多普勒频移反演风速，通过扫描东西南北及天顶五个方位重构局地风场。作为一种被动光学遥感设备，干涉仪易受杂散光污染而引入误差，如在极光活动期间，干涉仪热层风观测常出现显著的南北或东西差异，对动力学过程分析造成干扰，亟需厘清测风过程中的污染因素及机理。

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（41.8°N，111.9°E）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（如图1），因此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有关。

为探究异常风场成因，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室中高层大气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（如图1）。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显著升高，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”到其它方位，使光学干涉仪在其它方向观测到了来自北方的辐射污染，从而造成水平风速差异（如图2）。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。

相关研究成果以“Impact of lower atmospheric scattering on ground-based optical thermospheric wind observations with spatially uneven airglow”为题，发表在国际学术期刊Atmospheric Measurement Techniques上。论文第一作者为空间中心硕士研究生魏晓龙，通讯作者为姜国英副研究员与朱亚军研究员。研究得到了国家重点研发计划、中国科学院青年团队稳定支持项目、国家自然科学基金、子午工程、太阳活动与空间天气全国重点实验室等相关项目的资助。

论文信息：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

图 1 四子王站2024年5月10-11日气辉亮度及热层风的干涉仪观测与模拟

(a) 630 nm气辉亮度（45°仰角下8个地理方位及天顶方向）；红色时段为可见极光时段。(b–d) 分别为经向、纬向和垂直风；实线（圆点：空间外差，菱形：法布里-珀罗）为实测，虚线为散射模拟结果；灰色实线为相对方向平均值。(a–d)为5月10日结果；(e–h)类同，对应5月11日。

图 2 散射机制及模型示意图

（供稿：天气室）