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气候变化、环境演变等重大环境问题与人类活动密切相关,是近几十年来科学家们一直研究的热点。尽管对流层的数据可以作为季节性天气预测的数据来源,但中层大气的气象数据在气候变化预测中也变得愈发重要。从21世纪以来,越来越多的数据模型增加了对平流层甚至是中间层的大气动力学研究。与对流层相比,中层大气演化速度更慢,来自中层大气的向下传输影响可能导致地表的持续且可预测性的变化。所以对中层大气特性进行观测并分析其对对流层天气状况的研究具有重要意义。臭氧分子主要存在于平流层,能吸收太阳发出的高能紫外线,是保护地球生物的重要的自然屏障。一氧化碳主要存在于中间层和热层低层,由于其化学寿命长且化学活性低,所以是中层大气良好的示踪剂。因为分布的高度不同,对这两种分子进行协同观测可以比较全面的提供中层大气化学、物质相互输送、大气动力学、以及太阳辐射对大气组成的影响等重要信息,为对中层大气中的现象进行更加深刻的描述提供不可或缺的数据支持。在过去的几十年里,对不同高度大气中不同种类分子的测量手段有很多,其中地基微波辐射测量技术因为可以实现对大气中分子辐射谱线的日夜观测,无需人为监护,观测受天气影响小以及设备造价相对较低等优点备受各国大气研究领域人青睐。现今微波辐射遥感技术已经非常成熟,已建立的遥感技术可以用于测量平流层和中间层中一些气体的垂直分布。风速信息对中层大气动力学研究尤为重要,对风速的研究既能够揭示大气环流运动变化的本质,又能对地表和对流层天气变化做出合理的解释。目前国际上对中层大气、大气环流波动及对其未来变化预估数值模型等研究投入了大量且深入研究,我国对中层大气及其与低层大气动力学的过程研究以及数值模拟研究投入少,导致观测资料缺乏,相关科研工作推动进程缓慢。为了推动中层大气研究,研究生期间主要进行了以下方面研究:1.参与国内首台用于探测中层大气的地基微波辐射计RSO3CO-120-1的设计过程与平台建设和运行。该台辐射计利用频率开关技术实现了对中层大气中臭氧和一氧化碳在110-116GHz频段的旋转跃迁谱线的日夜观测。系统总噪声在臭氧和一氧化碳的观测频率下分别为560K和760K。该台辐射计结构紧凑,体积小,方便移动,可作为独立观测单元进行长时间稳定观测。辐射计可以远程操作,几乎不需要维护。（1）设计了适用于该台微波辐射计的观测循环,实现了对谱线的日夜观测;（2）对辐射计接收的谱线数据,提出了一种全新的基线校正方法。利用2020年8月24日暴雨天的数据进行了信号通道和参考通道的增益变化研究,确定了除去待测分子信号贡献的基线在两个通道的比值。该方法显著减小了臭氧信号在边带的不对称性。臭氧谱线的不对称性的均方差由之前的0.269变为0.126;（3）使用倾斜曲线测量,实现了对对流层不透明度的测量。经过基线校正和对流层校正后的谱线很好地显示了臭氧含量的日夜变化以及一氧化碳丰度的季节性变化。2.基于ARTS软件和Qpack反演软件包,研究了适用于长春地区的大气谱线正向传输模拟过程以及谱线的反演算法,提供了基于分子辐射谱线和多普勒效应计算风速的方法。（1）经过正向模拟可知O3谱线噪声均方差为0.0652K,而CO谱线的噪声均方为0.1444K。（2）对观测获得的O3和CO谱线进行反演模拟,反演的分布结果可以很好反映出冬天O3的次级峰。与Aura MLS数据对比发现O3和CO的反演数据和卫星观测数据具有很好的一致性。（3）对其平均内核矩阵研究发现,在该算法下臭氧的置信区间为30km～81km,一氧化碳的置信区间为55km～89km。这样的反演算法同样可以应用于其他分子,例如O2和H2O的分布反演。这种持续的测量在未来可以帮助我们认识臭氧层的演变、O3和CO的年际变化、极地涡旋及Brewer-Dobson环流等大气现象对中纬度地区的影响。3.利用位于乌克兰哈尔科夫（36°E,50°N）的微波辐射计观测的CO谱线原数据,反演获得了中间层的CO分布和风速信息,结合Aura MLS数据、ERA-interim数据、MERRA-2再分析数据以及NCEP/NCAR再分析数据等,研究了2017/2018年北半球平流层爆发性增温（SSW）现象对中纬度地区的影响。研究发现:（1）在2018年北半球SSW期间,CO分布、纬向风、中间层和平流层的温度均显示出垂直震荡;微波辐射计记录到在2月10日中间层风速从10m/s的西风变为10m/s东风的逆转,并且记录到了中层大气中CO含量的波动情况。（2）微波辐射计观测的CO变化和Aura MLS的CO数据显示,两者具有相似的变化。哈尔科夫地区的CO变化可以通过行星波活动变化和极地涡旋变化引起的水平空气质量的重新分布解释。（3）对中纬度中层大气中行星波的变化研究发现纬向风的逆转对行星波的结构产生了巨大影响。在中纬度中间层发现了行星波1波在SSW发生前后由向东运动转变为向西运动的现象;（4）在SSW发生后的十天后,在哈尔科夫地表发现了异常低温的现象。本文创新点:本文提出中国首台中层大气观测地基微波设备的数据校正方法以及反演方法;利用微波辐射计记录了2018年SSW期间中间层风速反转事件;首次研究了中纬度中层大气行星波频谱演变。