北京上空下三角钾层的激光雷达观测与研究

利用2010年11月至2011年10月和2013年5月至2014年4月两年的观测数据发现一种特殊的钾层,称其为下三角钾层.下三角钾层的峰值密度随时间逐渐增加,峰值密度所在高度不断降低,钾原子浓度随高度的升高先迅速增加,然后又缓慢减少.当下三角钾层出现时,90km以下的柱密度显著增加,而90km以上的柱密度变化不大,导致钾层总的柱密度明显增加.一月是下三角钾层出现时长最多且出现率最高的月份,这可能与大气半日潮汐的季节变化有关.下三角钾层的频繁出现使钾层一月份的柱密度和峰值密度分别增加15.7%和12.9%,而质心高度却降低0.18km.将下三角钾层与同时同地观测的钠层进行比较,结果显示当钾原子浓度增加时,钠原子浓度却变化不大.假设不存在特殊的源注入,结合钾层模型与钠层模型中的化学反应及其相应的化学反应速率,可以推测下三角钾层中增加的钾原子主要来自KO₂,部分来自KOH.      

武汉上空钠层与钾层的同时激光雷达观测

简要介绍了(WIPM)双波长共振荧光激光雷达系统和数据处理方法, 并利用其对武汉上空钠层和钾层进行了多天的同时观测, 通过对钠层和钾层的绝对数密度、柱密度以及质心高度的计算, 同时与中纬度其他地区的相关参数进行比较,得出武汉上空钠层的绝对数密度、柱密度以及质心高度与其他中纬度地区十分相近的结论, 并且发现了一个钠层突发和钾层突发不同时出现的现象.      

2010年5月4日夜间海口上空钠层密度的激光雷达观测研究

使用Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生的589nm激光, 与中高层大气中钠原子产生共振, 利用直径为1000mm的望远镜接收钠层的光子回波. 研究中国海口市2010年5月4日夜间的中高层大气中钠层密度分布, 计算钠层的相对密度和绝对密度, 研究钠层密度峰值变化. 观测到突发钠层出现在23:52LT, 持续12min.      

北京上空冬季潮汐波活动特征全天时激光雷达探测研究

利用北京延庆子午工程激光雷达对北京上空钠层进行长期连续观测，分析研究钠层及其相关参数的周日变化.提取钠层各个高度上的相位信息，与同时段经向风潮汐信息进行比较发现:在各个高度上，二者周日相位数值基本一致.半日相位对比结果表明，虽然存在差异，但整体仍保持较好的一致性.此外，从2014年至2016年每年10月到第二年1月共4个月的钠层连续观测数据中提取钠层周日和半日的振幅和相位，探究北京上空冬季的潮汐特征.结果显示:周日潮的相位自上向下传播，且无明显的季节变化特征，其垂直波长在40～50km的范围；周日潮较强，半日潮较弱.      

2012年7月海口与北京大气钠层观测

2012年7月海南激光雷达站（20°N,110°E）和北京激光雷达站（40°N,116°E）同时进行观测,对比低纬和中纬度中高层大气钠层分布及密度变化特性.两地使用相同的Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生589nm激光,设定相同的激光参数,使用相同的直径1000mm的望远镜接收钠层的光子回波.两地均观测到突发钠层和双钠层事件.其中:海口观测到突发钠层事件9个,双钠层事件1个;北京观测到突发钠层事件1个,双钠层事件4个.分析海口和北京同一天夜间观测的大气钠层特性,对比两地同时观测到的钠层高度与密度的不同变化,发现当天夜间低纬度地区海口市上空钠层出现双钠层结构,持续时间123min,但是北京上空钠层没有发现该结构.      

2010年海口上空突发钠层事件观测

使用钠荧光激光雷达观测2010年低纬度地区海口(20.0°N, 110.3°E)上空突发钠层事件. 2010年总计观测时间为458h, 观测到突发钠层事件38次, 即每观测12h有1次突发钠层事件发生. 结合武汉上空突发钠层数据, 对比巴西低纬度地区数据, 揭示低纬度地区突发钠层频发现象. 观测到2010年12月30日突发钠层峰值时刻钠层密度廓线具有很好的空间对称性. 分析了距海口激光雷达西南约160km中国海南澹州(19.5°N, 109.1°E)的测高仪数据, 检测了13对突发钠层和电离层偶发事件, 结果表明突发钠层与Es有很强的相关性. 通过 分析低纬度地区上空突发钠层峰值径迹平均速度发现, 大多数突发钠层峰值向 下运动.      

海口上空中高层大气强烈的突发钠层观测

海南激光雷达站（20°N,110°E）2011年11月2日观测到强烈的突发钠层（SSL）.该SSL峰值密度达37087cm-3,半峰全宽仅为0.9km.对该SSL发生前后的钠层峰值密度和高度特性进行分析.统计激光雷达2010年5月至2013年12月共计377天观测到的SSL事件222次,其中仅有1次SSL峰值密度超过30000cm-3.对比距离最近的海南儋州（19.5°N,109.1°E）测高仪和VHF雷达观测到的突发E层（Es）事件,分析事件的相关性.Es最低高度与SSL峰值高度差均在5km以内,约有75%的Es与SSL时间差在±30min之内.实验中使用continuum的Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生589nm激光,能量为45mJ,使用直径为1000mm的望远镜接收钠层的光子回波.      

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站（39.4°N,116.7°E）流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100km的中间层与低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.      

北纬30°中层顶区域钠与铁原子层的结构和年际变化

基于武汉大学Na和Fe激光雷达在2004年1月至2011年12月期间的观测数据，得到武汉上空中层顶区域Na和Fe原子层的平均特性、夜间变化和季节变化特征.Na层平均质心高度为91.36km，平均RMS（均方根）宽度为4.64km.Fe层平均质心高度为88.99km，平均RMS宽度为4.57km.在充分考虑金属层夜间变化和季节变化对数据样本影响的基础上，获取了Na层和Fe层结构在此期间的年际变化特征.对Na层和Fe层质心高度及RMS宽度的年际变化进行线性拟合，发现Na层和Fe层在此期间均相对稳定，Na层质心高度在近8年间仅有约58m的下降，变化率为-7.91m·a-1，Na层RMS宽度减小约151m，变化率为-20.60m·a-1.同期，Fe层的质心高度下降了约230m，变化率为-31.36m·a-1，Fe层RMS宽度则有所增大，变化率为21.01m·a-1.      

大气重力波引起的突发钠层的模拟研究

应用钠原子和中性大气分子的质量连续性方程来模拟突发纳层（SSL），垂直风场采用接近实际大气重力波的正弦行波模式，结果较好地反映了SSL的形成过程。SSL的形成时刻在5－15min之间并可持续到30min之后，形成高度大约在90－100km之间，峰宽为0.5-2km之间，这些都与实际观测SSL的特点相符，同时还进一步地研究了当重力波参数（主要指垂直波长和周期）、风速以及常态钠层半宽度发生变化时SSL的变化趋势。     

Simultaneous lidar observation of peculiar sporadic K and Na layers at São José dos Campos (23.1°S, 45.9°W), Brazil

We present the first simultaneous observation of mesopause sodium (Na) and potassium (K) layer by a lidar which has Na and K channel simultaneously at the South Hemisphere site, São José dos Campos (23.1°S, 45.9°W). Measurements reported here were conducted on two nights with 3.5 and 8?h of observations in November 2016. On 20 November 2016, sporadic layers in both Na and K layer occurred above 100?km, and the higher layers corresponded well with sporadic E (Es) layer. And the density of Na at 100–105?km is higher than that at main layer around 90?km, but K density around 100?km is at least 3 times smaller compared with the K density around 90?km for the similar period. On 21 November 2016, both sporadic layers occurred in main layer height with obvious descending variations with time, which seems like tidal induced. Notably, the peak K/Na ratio slowly increased with time. And Na layer and K layer showed different processes along with time with K density reaching its maximum 1?h later than that of Na. Correlations of Na/K density, Es, and winds were also discussed.     

中层顶附近Fe和Na层变化的特征时间比较

采用特征分析方法计算中层大气Fe和Na层的化学特征时间,同时计算了它们被流星烟粒吸附和被垂直输运的特征时间.结果表明,(1)在Fe层数密度峰值高度附近,其EA化学特征时间为数日,远大于传统定义的数分钟;(2)比较Fe的输运特征时间(w=1 m/s)和化学特征时间,得出在84 km以下化学过程占优势,而在84km以上,垂直输运过程占主导地位,与Na层结果相同;(3)通过将各自化学特征时间与垂直输运和流星烟粒吸附的特征时间比较,以及考察流星金属注入率对Fe和Na原子分布的影响,发现最有可能使Fe和Na层下边沿截止高度重合的原因是流星烟粒的吸附效应.      

中层顶区钠层化学反应寿命的初步研究

利用本征值和本征矢量的分析方法，对钠层的光化学反应的寿命进行了研究，结果表明，利用该方法计算出的钠原子的化学寿命与传统理论有所不同．从而证明了在中层顶区，钠层的中上部的扰动主要受大气动力学过程的影响，钠层底部主要由光化学控制．这为利用钠层作为示踪剂研究中层顶大气动力学的理论提供了理论依据．     

Sporadic sodium layers and the average vertical distribution of atmospheric sodium: Comparison of different Nas layer strengths

In an earlier study of sporadic sodium layers (Na_s) [Simonich, D.M., Clemesha B.R., Batista, P.P. Sporadic layers and the vertical distribution of atmospheric sodium. Adv. Space Res. 35, 1976–1980, 2005], observed by lidar at São José do Campos (23°S, 46°W) we found that, although individual profiles give the impression that Na_s layers involve sodium additional to the normal background layer, there is very little difference between the long-term averages of profiles with and without the presence of Na_s. This led us to conclude that Na_s layers result from the redistribution of an omnipresent source, rather than an additional source mechanism. We have now extended this study to investigate whether or not the relative magnitude of Na_s layers influences this conclusion. To this end we manually characterized all the profiles obtained in the time interval from 1900 to 2200 LT for the years 1993–2004. This involved registering the upper and lower limits to each Na_s layer observed, the height of the peak and the sodium concentration at each of these three points. We then computed average profiles for Na_s layers of differing strengths, with strength defined as the concentration at the peak divided by the mean of the concentrations at the upper and lower boundaries. For strengths up to 4 the results confirmed our earlier conclusion but for Na_s layer strengths greater than 4 we found a significant difference between the average profiles with and without Na_s. For the strong Na_s layers both the average abundance and the average peak sodium concentration were about 10% greater than for layers without Na_s. This leads to the possibility that a different mechanism might be responsible for very stronger sporadic layers although we do not think this very likely.     

中国武汉上空钠层分布的实验观测与理论模拟

介绍了中国科学院武汉物理与数学研究所钠层荧光激光雷达及其观测数据反演方法;对武汉上空钠层分布进行了初步理论模拟,并与观测结果进行了比较,对影响武汉上空钠层分布的因素进行了初步讨论。     

基于FY-3C掩星数据偶发E层的研究

利用FY-3C极轨卫星提供的2014年6月至2015年5月的GPS无线电掩星数据,统计分析了全球范围内抽样频率为50 Hz的C/A码SNR扰动情况,进而对偶发E层进行了研究.结果表明:偶发E层在夏季半球中纬地区的扰动强度远远大于冬季半球同一纬度地区的扰动强度,偶发E层在纬度40°附近扰动明显增强;在E层100 km高度附近,Es层在10:00 LT和22:00 LT达到峰值;Es层在夏季半球的出现率明显高于冬季半球;FY-3C卫星的掩星观测结果与COSMIC系统的观测结果较一致,可以利用FY-3C卫星的掩星数据研究电离层偶发E层等的变化.      

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化:平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg-1,夏季为8J·kg-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.      

Modelling bottom and topside electron density and TEC with profile data from topside ionograms

The paper describes the technique that has been implemented to model the electron density distribution above and below the F2 peak making use of only the profiles obtained from the INTERCOSMOS-19 topside ionograms. Each single profile from the satellite height to the ionosphere peak has been fitted by a semi-Epstein layer function of the type used in the DGR model with shape factor variable with altitude. The topside above the satellite height has been extrapolated to match given values of plasmaspheric electron densities to obtain the full topside profile. The bottomside electron density has been calculated by using the maximum electron density and its altitude estimated from the topside ionogram as input for a modified version of the DGR derived profiler that uses model values for the foF1 and foE layers of the ionosphere. Total electron content has also been calculated. Longitudinal cross sections of vertical profiles from latitudes 50° N to 50° S latitude are shown for low and high geomagnetic activity. These cross sections indicate the equatorial anomaly effect and the changes of the shape of low latitude topside ionosphere during geomagnetic active periods. These results and the potentiality of the technique are discussed.