中层顶Na层稳定性的初步研究

利用武汉大学激光雷达的观测数据验证了当前Na层数值模型的普适性.在简化模型的基础上,采用微扰法,分析模型的稳定性.计算表明,在参数的调节范围内,所有特征值的实部都小于零,这说明该模型是个稳定系统.扰动垂直波长和扩散系数对模型的所有特征值都会产生较大影响,背景温度和化学成分密度则只对某些特征值影响较大.     

武汉上空中层顶大气重力波活动的钠层荧光激光雷达观测研究

从中国科学院武汉物理与数学研究所钠荧光激光雷达自1999年至今的观测数据中选取了分布于全年26天的数据进行重力波活动的分析研究.统计结果表明,武汉中层顶区的重力波活动非常频繁:26天总观测时间累计约为185.5 h,总共观测到124个重力波活动,平均发生频度为每小时0.7个波,且波的出现频度与地方时有一定关系.这些波的垂直波长主要分布在3-7km,垂直相速主要位于0.1-0.5 m/s.与国外报道的结果相比较,波长数值与分布较为一致,但相速明显较低.武汉中层顶区重力波活动的另一特点是多波过程很频繁,多、单波过程的出现比例约为3:2.利用钠层相对密度扰动时空图方法,给出了武汉中层顶区重力波传播和破碎现象的典型结果.还利用单色波模型对部分钠层数据进行了单色波相关参数的提取.     

重力波对中层顶区光化加热的影响

计算了重力波过程对光化加热的影响,并研究了不同温度背景及不同氧原子的背景分析对该过程的影响,计算表明重力波可以造成中层顶光反应加热的损失。     

大气中层顶区域波相互作用的一个观测个例

利用SOUSY VHF雷达的观测数据分析了极区中层顶83.4-91.2km范围内大气风场波动的非线性相互作用。大气风场的谱在不同高度上均有明显的潮汐分量峰值,纬向风分量中35h波、半日潮和8.9h惯必重力波构成共振相互作用对,经向风分量中33h波、半日潮和19h惯性重力波构成共振相互作用对。双谱分析表明,这些共振对在许多高度上都发生耦合,35h或33h波振幅的极小值与半日潮的极大值出现的高度几乎相同,呈现出明显的非线性相互作用在空间上不是局域的,而是存在于中层顶区域的几乎所有高度上,这种相互作用不仅导致半日潮振幅随时间的变化,也使半日潮的振幅随空间变化。35h和33h波动可能是在其他时段或其他位置通过行星波与周日潮相互作用产生的,然后传播到观测点并与半日潮发生相互作用。     

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.     

武汉上空Na层季节和夜间变化的观测研究

根据武汉大学激光雷达2001年3月到2002年10月的观测数据,对武汉上空（30.5°N,114.4°E）的背景Na层结构进行了研究,并与其他观测站尤其是Urbana（40°N,88°W）的观测结果进行了比较。发现武汉上空11月的Na层柱密度最大,是4月的2.5倍,质心高度的极小值出现在5月和11月,极大值在4月、9月和12月;全年平均Na层均方根宽度为4.47km.Na层各参数呈现出周期性变化规律,其中Na层均方很宽度呈现出明显的半年周期性变化规律。夜间Na层柱密度呈现总体增加的趋势,质心高度在入夜后立即迅速上升,在2000LT以后上升速度趋缓,凌晨0500LT以后出现下降;Na层均方根宽度在夜间约有1.3km的起伏变化,它入夜后迅速减小,在午夜0035LT时出现一低谷,然后随时间逐渐变宽。     

武汉上空中层和低热层大气潮汐的流星雷达观测

武汉流星雷达是2002年元月建成的我国第一部全天空流星雷达,本文对2002年2月19日到7月31日流星雷达观测的潮汐的讨论表明,武汉中层顶以周日潮汐为潮汐运动的主要分量,它的强度远大于半日潮汐,周日潮汐和半日潮汐的波源都在80km以下．周日潮汐分量在3、4月份最强,并且经向分量略强于纬向分量．两个分量的峰值在约95km处出现,分别达到44m／s和60m／s．半日潮的最大值24m／s出现在4月初约93km处．周日潮汐和半日潮汐的振幅和相位随时间呈现出拟周期变化的特征,这可能是潮汐与行星波非线形相互作用的结果．观测结果与GSWM模型的比较表明,GSWM模型在相位随高度变化趋势上与观测结果一致,但模型的周日潮相位比观测约超前1—2h,半日潮相位约滞后1—4h．在周日潮汐较强的月份,模型与观测有较大的差异,观测的幅度通常在95km附近有极大值,而模型并没有极大值．GSWM模型对半日潮的幅度的估计通常过小,观测的半日潮汐幅度有时甚至超过模型值的一倍以上．     

武汉上空背景Na层长期变化和夜间变化特征的激光雷达观测研究

通过分析武汉大学激光雷达在2001年4月到2004年12月的观测数据,研究武汉(30.5°N,1144°E)上空背景Na层的长期(时间尺度大于1年)变化和夜间变化特征,并讨论了这种变化特征可能的产生原因.Na层长期变化的观测研究表明,背景Na层柱密度最大值出现在11月,大约是5月份最小值(1.6×109 cm-2)的2倍;质心高度最大出现在8月,比年平均高度91.5km高14km,最小值出现在5月,为91.2km;rms宽度平均值为4.5 km,最大值和最小值分别出现在12月和3月;月平均Na层质心高度和均方根宽度都具有准半年周期的变化,但两者变化的相位相反.除了长期变化外,背景Na层还呈现出明显的夜间变化特征:除凌晨短暂的时间外,Na层柱密度随夜间时间增加,于0530 LT达到最大值(2.9×109 cm-2);峰值对应的高度随时间下降;质心高度随时间缓慢增加但在凌晨迅速下降基本恢复到入夜时的高度;整夜背景Na层平均柱密度、峰值对应的高度、质心高度和rmS宽度起伏值分别为1.1×109cm-2,3 km,0.3 km和0.8 km.     

1980年中层大气温度波空间特征的初步分析

利用1980年Nimbus-7卫星网络点资料(温度场)对中层大气行星波的空间结构进行诊断和分析后发现,行星波扰动主要集中于冬半球,夏半球及赤道地区上空的扰动则相对较弱,但也不可忽视.冬半球行星波扰动中的瞬变波部分可以跨过赤道向夏半球传播,且传播主要集中于20kin和70km两个高度层附近.波数1冬季以准定常行里波为主,夏季瞬变行星波与准定常行星波波幅相当.行星波扰动的波幅从冬到夏的衰减主要表现在波数1和波数2上,波数3变化不大.      

极区中层夏季回波与频率关系的初步分析

研究不同频率的雷达体在不同时间和地点测量的极区中层夏季回波(Polar Mesosphere Summer Echoes,PMSE)体反射率,发现雷达体反射率与工作频率的4次方成反比,即产生PMSE回波的散射体的雷达散射截面与频率的4次方成反比,这种频率依赖关系不同于传统湍流理论.最后提出了PMSE实验和理论研究的新方法.     

基于钠激光雷达观测数据的中间层顶大气温度分布特性研究

作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特性,并分析了影响温度分布的多种因素。年平均温度廓线图显示,中间层顶位于约97.5 km高度处,温度约191.2 K。受放热化学反应的影响,年平均温度廓线91 km高度处出现了一个198 K的相对温度高点。中间层顶区域大气温度的季节分布受太阳辐射和大气动力学因素综合影响,夏季在大气动力学影响下,中间层顶高度较低,位于88 km高度处,温度也较低,约177 K;冬季太阳辐射起主导作用,中间层顶位于99 km高度处,温度为181 K。通过拟合月平均温度分析了中间层顶区域大气温度年变化和半年变化的振幅和相位特征。结果显示,中间层顶区域上部温度分布主要受太阳辐射的影响;在中间层顶区域下部,大气波动主导了温度分布。     

Multi-year behaviour of the midnight OH1 temperature according to observations at Zvenigorod over 2000–2016

Using spectral measurements of the hydroxyl airglow at the Zvenigorod station (56° N, 37° E), Moscow region, over 2000–2016, we obtained the long-term set of data comprising 1822 midnight values of the OH¹ temperature in the mesopause region. These data revealed a 17-year series of its mean annual values, as well as amplitudes and phases of the first two harmonics of its annual variation. The obtained parameters were analyzed to determine statistically relevant characteristics of their long-term variations. As a result, we found that the long-term behaviour of the mean annual OH¹ temperature features a small negative linear trend (?0.07 ± 0.03 K/year) over the addressed period. Besides, its dependence on solar activity is shown to be 4.1 ± 0.5 K/100 SFU. Regarding the long-term behaviour of the mean annual OH¹ temperature, we revealed the existence of two oscillations with 3-year (the amplitude being 1.3 ± 0.2 K) and 4.1-year (the amplitude being 0.6 ± 0.2 K) periods. We obtained empirical relations describing year-to-year variations in the amplitudes and phases of the annual and semi-annual harmonics.     

Coordinated lidar and TIMED observations of the quasi-two-day wave during August 2002–2004 and possible quasi-biennial oscillation influence

The Colorado State University sodium lidar, located in Fort Collins, CO (41N, 105W), is capable of both daytime and nighttime operations and has conducted a number of continuous multiple-day observational campaigns over the past few years. Three such campaigns, lasting between 80 and 90 h, were conducted during August 2002–2004 when mesospheric winds and temperature observations were collected simultaneously. These data were processed to extract the vertical structure and temporal evolution of the quasi-two-day wave, which was found to be significant in the power spectra. The quasi-two-day wave in temperature, zonal wind and meridional wind was analyzed for each year, indicating that the wave activity in 2003 was weaker than the other two years. Concurrent TIMED/SABER (2002–2004) and TIMED/TIDI observations (2004) in August were also processed. The SABER temperature shows a quasi-two-day wave with a dominant westward propagating zonal wavenumber four (s = −4) component in 2002 and 2004 but not in 2003. Analysis of the TIDI winds in August 2004 also indicates significant quasi-two-day wave activity, with the zonal wavenumber three and four components of comparable strength. The results of this coordinated ground-based lidar and TIMED satellite observations during August are presented. The possible influence of quasi-biennial oscillation on the inter-annual variability of the quasi-two-day wave is investigated.     

Evidence of change after 2001 in the seasonal behaviour of the mesopause region from airglow data at El Leoncito

Airglow intensities and rotational temperatures of the OH(6-2) and O₂b(0-1) bands acquired at El Leoncito (32°S, 69°W) provide good annual coverage in 1998–2002, 2006, and 2007, with between 192 and 311 nights of observation per year. These data can therefore be used to derive the seasonal variations during each of these seven years, in airglow brightness and temperatures at altitudes of 87 and 95 km. From 1998 to 2001, seasonal variations are similar enough so that they can be well represented by a mean climatology, for each parameter. On the other hand, these climatologies do not agree with what is usually observed at other sites, maybe due to the particular orographic conditions at El Leoncito. With respect to the last three fully documented years (2002, 2006, and 2007), the similarity from year to year deteriorates, and there are greater differences in the seasonal behaviour, more or less in all the parameters. The differences include, e.g., maxima occurring earlier or later than “normal”, by one or two months. All this may suggest the build-up of a new regime of intraseasonal variability, with a possible relationship to corresponding changes in wave activity.     

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.     

Measurement of mesopause temperature from hydroxyl nightglow at Kolhapur (16.8°N, 74.2°E), India

The paper reports the nightglow observations of hydroxyl (8–3), (7–2) and (6–2) Meinel band carried out at a low latitude station Kolhapur (16.8°N, 74.2°E, dip latitude 10.6°N), India during November 2002 to May 2005 with the objective of investigating mesopause dynamics based on derived OH rotational temperature. Overall, 132 nights of quality data were collected using filter-tilting photometer and an all-sky scanning photometer. The mean mesopause temperature observed at Kolhapur is 195 ± 11, 196 ± 9 and 195 ± 7 K from OH (8–3), (7–2) and (6–2) band emissions, respectively, using transition probabilities given by Langhoff et al. [Langhoff, S.R., Werner, H.J., Rosmus, P. Theoretical transition probabilities for the OH Meinel system. Journal of Molecular Spectroscopy 118, 507–529, 1986]. Small wave-like variations (periodicities ∼ few hours) existing over long period variations in derived temperatures are also present. A steady decrease of emission intensities from evening to dawn hours has been observed in approximately 59% of nights. No significant change of nightly mean temperatures has been noted. Furthermore, about 62% of observed nightly mean temperatures lie within one error bar of MSISE-90 model predictions.     

利用曙暮气辉光度观测研究钠层

通过对钠原子曙暮气辉的18次观测确定了北京北郊上空不同季节钠原子气柱总含量和钠层重心高度等结构参数。结果表明:春夏季钠层重心位置高,秋冬季位置低.冬季观测的平均钠层重心高度为85.67公里;钠原子气柱总含量冬季明显高于其它季节,1月和12月的含量约为6月的7.5倍;冬季钠层也相对地厚.钠层重心高度及总含量的季节变化不仅受D层顶中性和离子化学的制约,而且受到垂直风及子午向或纬向环流的很大影响.