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.      

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.      

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.      

星载单频GPS数据的电离层延迟改正方法分析

利用C/A码单点定位对LEO(Low Earth Orbit)卫星上的电离层延迟改正方法——"电离层比例因子法"进行了分析研究.计算的CHAMP卫星的轨道结果表明:采用电子密度峰值高度(hmF2,F2 region maximum electron density height)平均值和瞬时值计算的电离层比例因子α变化范围分别为0.3~0.4和0.2~0.65之间,两者最大差异可达0.3,相比较而言,hmF2瞬时值的结果更加合理,并且相应的大地高H方向的系统偏差要降低0.05~0.3m左右;与双频无电离层组合的普通单点定位结果相比表明该方法能较好地消除电离层一阶项所引入的H方向上的系统偏差;该方法适用的LEO卫星轨道高度范围大致在200~ 600km之间,当轨道高度超过700km时,该方法并不适用.     

中层大气钠层的流星蒸发模式

本文计算了地球中层大气的钠层模式。在此模式中,流星蒸发是形成钠层的源而尘埃的吸附足汇。本文考虑和比较了有关钠层形成机制的已往工作中所出现过的所有光化学反应,选出了四十个合理而重要的化学反应作为本模式的化学基础。模式也考虑进了高度变化的涡流扩散和带电粒子受地磁场作用的向下飘移等机制。本文对各化学反应和模式中各个因素的重要性作了比较和评价。本文计算结果表明,在各高度上中层大气中的钠及其化合物的相对浓度主要取决于化学反应过程本身,与源、汇及各层间扩散机制等关系不大。虽然在钠层模式计算中必须考虑到十种钠成分,但105公里以上主要成分足钠离子(Na+)。80公里以下主要成分是氢氧化钠(NaOH)。80公里到105公里间主要成分是中性钠原子(Na)。所有成分的总浓度主要地取决于源和汇随高度的分布。大气背景及电离常数的变化可以引起钠层相当显著的季变化和周日变化。理论计算结果与历年来的观测结果作比较后可以看到两者大体上符合得相当好。      

赤道反向电射流中不均匀性的对流放大特性及对某些观测特性的解释

本文分析了反向赤道电射流条件下的不均匀性的对流放大特性。根据电射流不稳定性的线性理论,对一个分层均匀的电射流的模式的数值计算表明:在反向电射流条件下,电射流不均匀性有如下的特性:在波的传播过程中,在上电射流区内,波矢向下旋转,在下电射流区内,波矢向上旋转;在驱动电场E_D数值相同的情况下,反向电射流条件下的射线路径积分增长率r比正常电射流情况的要小得多。这是由于波的群速度方向是向下的,而电子密度梯度起稳定化作用。对于电子密度的特征长度L_N=6km和│E_D│=0.8mV/m,波长λ=10m,高度h≥105km,有r<20。在这一高度范围,波可能是不饱和的,增大L_N,使波在h=105km饱和的临界电场│E_D│值减小。上述计算结果可解释某些在反向电射流条件下,在Addis-Ababa观测到的10m波长雷达回波的特性。      

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.     

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.      

武汉突发E层的季节变化及其与中层风的关系

通过对2018年武汉站（114.61°E,30.53°N）数字测高仪记录的数据统计分析,研究武汉地区突发E层的特征。研究发现:2018年武汉地区电离层突发E层的临界频率在夏季最高,在冬季有一个次增强现象,在春秋季较低;在正午前最大,在日落后出现小幅度提升,在日出前最低。利用指定动态全球大气气候扩展模型SD-WACCM-X模拟出2018年武汉上空90～140 km高度的平均风场,探讨突发E层与背景风之间的关系,揭示突发E层的形成机制。结果表明,半日潮汐分量可能诱导突发E层临界频率的半日变化,周日潮汐分量诱导突发E层临界频率的周日变化;突发E层的强度可能与纬向风场120 km高度处的风剪切有关。      

赤道异常区GPS-TEC与系统硬件偏差的反演

提出了一种基于最小二乘的赤道异常区GPS-TEC与系统硬件偏差的反演方法.利用设置在福州、厦门、广州和南宁4个台站的观测数据,可以得到GPS卫星和接收机的硬件偏差以及(20°～28°N,105°～123°E)区域中48个3°×1°网格的TEC(时间分辨率为15 min).应用于2006年观测数据,得到了较稳定的系统硬件偏差,其中卫星硬件偏差值与欧洲定轨中心公布的结果接近,得到的TEC具有合理的日变化和季节变化特征.该反演方法可以应用于赤道异常区电离层的研究.      

Observation of aphelion cloud belt over Martian tropics,its evolution,and associated dust distribution from MCS data

The present study uses five Martian years of observations from Mars Climate Sounder onboard Mars Reconnaissance Orbiter for investigating the Aphelion Cloud Belt (ACB) over the tropics. Analysis of zonal mean water ice column opacity suggests that the spatial extension of the ACB is mainly confined over the tropics and mid-latitudes (-20 – 40°N) during L_S ~ 45 – 135° (L_S = 0° signifies northern spring equinox). The ACB is seen primarily in the nighttime only due to the truncation of the daytime profile observations at significantly higher altitudes (at ~30 km). Zonal mean ice extinction profiles show ACB’s altitudinal range within ~10 – 40 km, and the existence of a thin cloud band in the absence of a thick ACB during aphelion season. Three phases of the ACB could be identified as the formation phase during L_S = 45 – 75° (phase 1), the peak phase during L_S = 76 – 105° (phase 2), and the decaying phase during L_S = 106 – 135° (phase 3). Observation of the cloud latitude belt shows a northward movement starting from phase 2, prominent over regions nearby Lunae Planum and Xanthe Terra. During this phase, the top level of thick clouds within the ACB decreases to ~20 km in the southern hemisphere, while it increases a little over the northern hemisphere (NH). The decreasing tendency continues in phase 3 over the entire region ?10 – 10°N, and the thick cloud base moves higher over the NH, though the vertical depth of it becomes narrower than phase 2. Temperature profiles do not show any noticeable influence on the northward evolution of the ACB. However, the study at a regional level indicates a possible association of upper tropospheric dustiness with the ACB’s evolution. The mechanism is evident in the correlation analysis mostly at an altitude range of ~18 – 35 km. The migrating semidiurnal tide (SMD) as a proxy of dust or water ice forcing, and the calculated upper tropospheric dust radiative heating, shows an apparent northward movement of their peak amplitude within the three phases of the ACB. This match between the spatiotemporal variations of the SMD and the water ice was not observed previously. However, the correlating behavior seems to be prominent in the areas nearby Lunae Planum and Xanthe Terra and the upper-tropospheric region of the atmosphere.     

Schumann resonance frequency and conductivity in the nighttime ionosphere of Mars: A source for lightning

We have solved the Maxwellian equations of electromagnetic waves which oscillate within the cavity formed in the lower ionosphere of Mars between 0 and 70?km. The electrical conductivity and Schumann Resonance (SR) frequencies are calculated in the lower ionosphere of Mars, in the presence of a major dust storm that occurred in Martian Year (MY) 25 at low latitude region (25°–35°S). It is found that the atmospheric conductivity reduced by one to two orders of magnitude in the presence of a dust storm. It represents a small dust layer at about 25–30?km altitudes where lightning can occur. We also found that the SR frequencies peak at?～18?km with values 19.9, 34.5 and 48.8?Hz for the modes l?=?1, 2 and 3, respectively, in the non-homogeneous medium. Our results indicate that practical or measurable values of SR are dependent on the altitudes.     

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.      

超低轨道热层大气密度原位探测

超低轨道（VLEO）由于其轨道较低,在该轨道运行的航天器在对地观测、科学研究方面具有独特优势,但对该轨道的大气密度变化特性认知不足。在阐述国内外超低轨道大气密度原位探测发展历史及现状的基础上,总结了现有超低轨道大气密度原位探测技术,对中国超低轨道大气密度原位结果进行了初步分析和讨论。结果表明:在2020年10月空间环境平静期,250 km和350 km高度大气密度相差一个量级;升降轨期间,超低轨道大气密度每千米分别下降0.025×10-12 kg/m3和0.041×10-12 kg/m3,均小于模式值的0.5倍;北纬40°时,处于午夜的升轨段（约250 km）大气密度是处于正午的降轨段（约420 km）大气密度的11.2倍,高度的影响大于地方时的影响;不同纬度下,实测日均值和模式日均值的比值从高纬的0.49降为低纬的0.39,模式值偏大。在超低轨道上,实测值总体上比模式值小,可为大气物理研究和应用研究提供基础数据。      

A three-dimensional modelling study of the processes leading to mid latitude nitric oxide increases in the lower thermosphere following periods of high geomagnetic activity

The processes leading to enhancements in mid latitude nitric oxide (NO) densities following geomagnetic storms have been investigated using the University College London (UCL) Coupled Middle Atmosphere and Thermosphere (CMAT) general circulation model. A comparison of calculated storm time and quiet time NO densities at 110 km altitude reveals the presence of aurorally produced NO at both high and mid latitudes for several days after subsidence of activity. At 150 km, the NO enhancements are shorter lived and remain for up to approximately 2 days after the storm. By separating the contribution of chemical production and loss, horizontal and vertical advection, and molecular and eddy diffusion in the calculation of NO densities, we show that at 150 km altitude, horizontal transport must be taken into consideration if post-storm mid latitude enhancements are to be reproduced. Chemical production of NO at high latitudes continues for up to 2 days after subsidence of a storm at altitudes of around 150 km. We show that equatorward winds at this altitude are sufficiently strong to transport the aurorally produced NO to mid latitudes. Vertical diffusion transports NO from altitudes of 150 km and above, to lower altitudes where it is longer lived. At 110 km altitude, chemical, diffusive and advective terms must all be included in the calculation of NO density in order to simulate realistic mid latitude enhancements. We propose that it is the combined effects of increased chemical production, downward diffusion from altitudes of 150 km and above, and transport by winds that lead to increases in mid latitude NO density at altitudes of around 110 km. This is the first detailed study of the causes of post-storm mid latitude NO enhancements to use a three-dimensional general circulation model.     

Bennett彗星的Na彗发

本文对Rahe等的Bennett(1970Ⅱ)彗星Na彗发单色光度观测资料作了初步理论分析。借助Haser的理论模型求得Na原子及其母分子的标高,估算出它们的寿命;用Dolginov等的理论模型及其它公式和资料,估算出Na原子的外流速度和运动温度。最后作了简单讨论。      

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.      

低高度内辐射带高能质子空间分布位形的研究

利用国际地磁参考场模式(IGRF模式)分析了1970-2000年低高度南大西洋负磁异常区位形的漂移与变化，给出了几个高度异常区中心位置磁场强度的变化和位置的变化。利用带电粒子的运动学方程，简要分析了低高度辐射带高能粒子的运动，得出在低高度，磁场是决定辐射带高能粒子空间强度与分布的决定性因素．低高度辐射带空间分布位形的变化特征应该与低高度南大西洋负磁异常区的变化特征基本一致．低高度南大西洋负磁异常区的特征可以作为低高度辐射带空间分布位形的一个初步判据。     

中纬度地磁暴期间热层垂直风响应机制的模拟

基于TIMEGCM模型,研究了2005年9月10日中纬度地磁暴期间热层(100～650 km)水平风场变化对垂直风的影响.通过连续性方程诊断分析了暴时引起垂直风场变化的机制,结果表明:250 km以上的垂直风场取决于水平风场的变化,而250 km以下的垂直风场由较高高度的垂直风拉动;在地磁暴初相开始时,经向风场相比纬向...