临近空间(20-100 km)的飞行环境特殊,随着近年来临近空间飞行器技术的快速发展,对临近空间环境模型的需求越来越高。临近空间大气与对流层、热层关系密切,对来自上下的外强迫扰动都极为敏感,表现出复杂的时空变化特征。临近空间大气经验模型作为飞行器设计、仿真、技术验证和指导飞行快速获取大气参数重要的工具,主要给出了大气气象参量的气候变化状态。真实大气中包含复杂的大气波动等短时随机变化信息,有时会严重偏离大气气候平均状态模型。目前我国广泛应用的大气经验模型不能很好的表征这部分波动信息。因此,对现有临近空间大气模型进行评估修正和建立新模型是提升大气模型适用性,满足航空航天和临近空间开发利用需求最可靠的途径。本文以模型评估、模型修正方法研究、建模方法研究和临近空间环境对飞行器影响效应仿真为研究主线,开展临近空间大气模型和应用研究。本文的研究结果对临近空间领域飞行器模型选择与使用、飞行器设计、仿真、热防护和航迹规划等领域具有重要的参考价值。主要工作如下:(1)针对常用标准大气USSA76和参考大气NRLMSISE-00模型在工程应用上的适用性问题,基于TIMED/SABER从2002年至2016年共15年的温度数据,开展大气经验模型温度数据的评估。通过统计计算模型与观测结果之间温度偏差的平均值、温度偏差的标准差和均方根误差在不同纬度带的分布,检验模型在不同纬度带不同高度下的适用性。此外,通过计算模型在不同温度误差带下的置信度,分别评估了模型在不同纬度带典型高度下的置信度。对于同一模型,在同一纬度区域和温度误差带下,随着高度的增大,模型的置信度降低;在相同的高度和温度误差带下,置信度随着纬度的升高而降低。(2)为提高NRLMSISE-00模型大气密度的精度,基于TIMED/SABER从2002年至2016年共15年的密度数据,首次提出了一种对NRLMSISE-00在20-100km的大气密度模型值进行修正的方法。基于模型与观测数据之间的差异,建立了修正因子数据集。在20-100km设置7个高度节点,将各个高度节点修正因子的不同尺度振荡进行分离,利用球谐函数拟合不同尺度振荡分量的系数,得到各个高度节点的时空修正函数。用三次样条插值获得其他高度的修正系数。结果表明:本文建立的时空修正函数对NRLMSISE-00模型大气密度的修正效果良好,修正效果随着高度的升高越显著。通过修正,模型的相对误差在7月降低了40-50%,尤其是MLT高度±40°附近。(3)研究提出了一种基于卫星密度数据的全球临近空间大气密度扰动模型建模方法。基于TIMED/SABER从2002年至2018年共17年的密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对误差,分析了USSA76相对误差的分布特征。以网格数据为驱动,将大气密度表征为平均值与大尺度扰动量和小尺度扰动量之和。大尺度扰动和小尺度扰动分别采用余弦函数和一阶自回归模型表征,初步建立了全球临近空间大气密度模型。通过对比敦煌上空100次蒙特卡洛仿真值与激光雷达观测值,结果表明模型值与观测值具有较好的吻合度,验证了建模方法的可行性。(4)研究提出了一种基于卫星数据的全球临近空间大气密度、温度和气压等热力学参数的扰动模型建模方法。基于TIMED/SABER从2002年至2018年共17年的温度、密度和气压数据,统计获得热力学参量多年月平均值和标准偏差。在之前大气密度建模方法的基础上,考虑热力学参量之间的相关性,以标准偏差为驱动对不同尺度热力学参量的扰动量进行表征,初步建立了全球临近空间热力学参量参考大气模型。通过对比敦煌上空密度和温度的仿真结果与激光雷达的观测结果,展现了两者结果的一致性,验证了热力学参量协同建模方法的可行性。该模型采用蒙特卡洛方法可以遍历沿给定飞行轨迹上热力学参量所有可能的“真实”状态,对于飞行器的仿真和精细化设计具有重要应用价值。(5)研究提出了一种站点上空大气风场建模方法。基于中科院廊坊临近空间野外观测站中频雷达大气风场观测数据,统计获得了多年月平均值和标准偏差。采用非线性最小二乘方法提取了周日/半日潮汐和5d、10d、16d和23d行星波,并对各波动分量振幅的季节变化进行分析。借鉴热力学参量协同建模时小尺度扰动的建模方法,考虑纬向风与经向风之间的相关性,分别计算纬向风和经向风的小尺度扰动。利用谐波拟合公式,对大尺度扰动中潮汐波和行星波进行重构。在月平均值的基础上叠加大尺度扰动和小尺度扰动,初步建立了廊坊临近空间82-100 km大气风场参考模型。采用蒙特卡洛方法仿真了7月份大气风场的变化,并对比了仿真结果与观测结果在月均值、标准偏差、月平均日变化、逐日变化和重力波扰动随高度的变化等,两者的结果具有很好的一致性,验证了建模方法的可行性,为后续区域/全球风场参考大气模型的建立奠定基础。(6)初步开展了大气波动对高超飞行器气动热影响的研究,发现其影响具有经度依赖性。基于TIMED/SABER从2002年至2018年共17年的密度数据,统计分析了20-80 km大气密度波动对高超声速飞行器飞行热环境的影响。根据驻点热流估算方法给出的大气密度变化量与热流变化量之间的关系,定性和定量分析了不同月份大气密度相对美国标准大气的变化量引起的热流变化量在垂直和水平方向的分布特征。结果表明,SABER大气密度月均值计算的热流相对USSA76在夏季半球中高纬度地区偏高,在冬季半球偏低。在夏季半球高纬度地区约80 km附近存在热流增量的极大值,南半球夏季的极大值高于北半球夏季,尤其在南半球1月份,热流偏高可达32.2%。在经度方向,热流分布在夏季半球差异较小,冬季半球差异较大。考虑真实大气中存在的扰动时,在南半球和北半球夏季80 km附近,SABER大气密度预测的热流分别比标准大气偏高可达40.7%和36.6%。在经度方向,大气扰动引起的热流经向分布差异显著。在飞行器设计时,大气扰动的影响不能忽略。