空天过渡区作为航空向航天的过渡区域（约50~150km），内部大气演化和结构组成有其自身的独特性。随着各国太空探索计划的展开，该区域将在行星探索、航天活动、卫星遥感等领域展现出重要的应用前景。本综述旨在吸引学术界对该区域环境研究更广泛的关注，并对未来的发展方向提供参考思路。

导 读

本文介绍了航空航天过渡区（Aviation and Aerospace Transition Zone, AATZ）的概念，即航空飞行器的最高高度和航天飞行器的最低高度之间的区域。AATZ距离地球表面50~150公里，与上层和下层大气之间的耦合导致了其复杂而独特的物理和化学过程。以该区域大气动力、化学和数值模拟为研究重点，本文对研究现状、面临挑战和未来前景进行了分析与探讨。作者团队鼓励学者对AATZ开展更多的研究，并开发和丰富现有的观测工具和技术，以弥补对AATZ的认知短板，增强人类对其开发应用能力。

空天过渡区（Aviation and Aerospace Transition Zone: AATZ）位于距离地面50~150 km的高度范围，其中50km以下是航空飞行器（探空气球、飞艇、有人飞机、无人机等）飞行的主要高度范围，150 km以上是航天飞行器（人造卫星、载人飞船等）运行的主要高度范围（图2）。在航空和航天活动之间的过渡区内，上述两种飞行器都很少涉足。空天过渡区既受到来自上层的太阳活动和空间天气的影响，也受到来自下层的波动和强对流等天气的影响，是航空和航天大气交汇的关键部分。由于上传到这一高度的大气波动振幅较大，对大气结构能够产生显著影响，该区域的大气温度和风场也存在剧烈变化。金属原子和金属离子在这一区域与大气分子相互作用，通过复杂的化学反应改变大气成分的组成和结构。这些动力、化学过程十分复杂，需要借助数值模式进行理想化的模拟和分析，进而加深对其的理解和认识。

AATZ的动力过程从环流结构、温度结构以及大气波动三个方面进行了讨论。环流结构特征以半年际和年际振荡为主，前者主要发生在低纬度，后者发生在中纬度。内部大气温度随高度先降低后升高，并根据温度及其标准差廓线的拐点，可以分别确定中间层顶和波动湍流层顶的位置（图3）。大气波动在AATZ内的传播和耗散过程，伴随着与背景大气的相互作用，以及动量和能量的传递，又进一步促使温度、风场等大气结构的改变。

AATZ的化学过程主要涉及金属原子，金属离子以及气辉。金属原子主要集中在75~110 km的高度范围，已有观测揭示出金属原子具有向更高层拓展或增强，以及在某一窄高度层含量突增的现象，背后的原因复杂且并不完全清晰。金属离子对AATZ内的主要部分—电离层的形成与演变起着至关重要的作用，通过与大气分子相互作用改变内部大气成分的组成和结构。金属离子在某一较窄高度内（数公里以内）密度增强，可以形成突然增强的离子薄层，进而影响磁层和电离层的耦合（图4）。气辉可作为大气成分、能量转移和光化学过程的重要示踪剂，能揭示AATZ与下方大气、上方大气的耦合作用。

上述的动力和化学过程也通过数值模拟来进一步探讨其规律演变特征，本文主要介绍了全大气通用气候模式（Whole Atmosphere Community Climate Model, WACCM）及其拓展的相关模式的模拟结果。风场和温度的模拟结果在气候态分布以及整体趋势变化上能与观测较好的吻合，但是在局部区域的模拟能力依然有所欠缺。在WACCM模式架构的基础上，考虑流星消融、尘埃输入、金属化学等过程，可以建立针对不同金属特征的化学模型。85~105 km的金属层粒子变化如图5所示。

总结与展望

为进一步开发和利用空天过渡区，需要联合不同领域的专家共同努力，发展以包括星载探测在内的新型探测技术，并通过跨组织、跨区域合作开展联合组网观测，从动力、热力、光学、电磁等多个角度不断丰富观测结果，从而加深理论认知水平，厘清内部作用机制，提升模式模拟精度，解决空-天之间的认知短板，实现整个空天区域的环境全链路精细化认知。结合新技术和新方法开发适用于AATZ的大气模式和智能预报技术，为认识和掌握AATZ，服务科学进步和社会发展提供更好的研究工具。

责任编辑

廖展芒   电子科技大学

殷   帅   中国科学院空天信息创新研究院

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷第8期以Review发表的“Dynamics, chemistry, and modeling studies in the aviation and aerospace transition zone” (投稿: 2025-01-29；接收: 2025-06-25；在线刊出: 2025-06-27)。

DOI:10.1016/j.xinn.2025.101012

引用格式：Sheng Z., He Y., Wang S., et al. (2025). Dynamics, chemistry, and modeling studies in the aviation and aerospace transition zone. The Innovation 6:101012.

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675825002152

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