武汉上空对流层与平流层大气密度和温度探测的初步结果

利用武汉大学Rayleieh/钠荧光散射激光雷达和无线电探空仪进行联合探测的数据,反演出武汉地区上空(30.5°N,114.4°W)0—65km处的密度和温度分布曲线,并简单阐述了激光雷达的工作原理。将测量结果和MSISE-90参考大气模式比较,二者结果基本符合,温度廓线在中层顶附近和模式的差别约为3K。同时利用激光雷达探测到了中层大气中的重力波活动。     

无线电掩星和激光雷达观测结果比较

简要阐述了激光雷达和ＧＰＳ掩星探测大气的基本原理，并利用１９９６年１０月１４日１６２５ ＵＴ时 Ｂ本 ＴＭＵ钠和瑞利散射激光雷Ｂ（３９．２３°Ｅ、 ３５．３７°Ｎ）资＃，反演得到 ３０－５５ ｋｍ高度范围内大气密度和温度的观测结果，与此同时通过激光雷达上空的 ＧＰＳ掩星观测到的掩星切点处的观测结果进行了比较．结果表明：两种方法获得测出的密度廓线符合得很好；温度廓线的变化趋势也基本一致，但在某些高度上有较大的偏离．文中最后对比较结果作了简要分析，讨论了重力波对大气密度和温度廓线的影响．     

基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测，结合最优估计法，对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型，选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息，构建用于最优化处理的成本函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理，得到大气温度的反演结果，对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析，对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明，90 km以下的反演不确定度在10 K以内，且相较于CH方法，最优估计法具有反演有效范围高的优势；在回波光子信噪比较高的区域，反演不确定度较小，且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。     

瑞利激光雷达探测北京上空中间层低逆温层

利用延庆瑞利激光雷达（40.47°N,115.97°E）2012年1-2月及2012年5月至2013年4月的探测数据,分析得到北京上空60～80km高度140个晚间的温度廓线,对这一区域内的低中间层逆温层现象（Lower Mesospheric Inversion Layer,Lower MIL）进行了统计分析,发现平均逆温幅度为23.4K,平均垂直尺度为4.78km,逆温层底部平均高度为68.2km.约有2/3的逆温层存在随时间垂直传播现象,且大多为向下传播.此外,还观测到三个垂直传播速度相差近一倍的特殊双低层MIL演化现象.      

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.      

基于HITRAN数据库的大气激光雷达信号仿真

信号仿真研究是大气激光雷达研究的重要环节，结果可为激光雷达系统的设计和研制提供基础.本文仿真系统可用于激光雷达回波信号模拟.该仿真系统利用HITRAN数据库中的吸收谱线计算大气分子对激光的吸收光谱，并采用大气辐射传输模型中的气溶胶模式模拟气溶胶对激光的衰减.利用激光雷达方程，数值模拟了355nm，532nm以及1064nm的回波信号，并将532nm的数值模拟结果与实测结果进行对比，评估了激光雷达系统的光学效率.      

基于氧气A波段临近空间大气温度反演的贝叶斯与最小二乘法对比

基于氧气A波段的临边辐射模拟数据进行临近空间大气温度廓线的反演，分析比较了贝叶斯和最小二乘两种不同反演算法的特点.80km以下，信噪比为66～337时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线761.59，762.2，764.05nm的反演误差平均值分别为5.52，3.94，4.73K；采用最小二乘法的反演误差平均值分别为10.57，7.04，8.80K.信噪比为6～34时:基于贝叶斯理论反演的三条谱线的反演误差平均值分别为18.27，12.18，18.27K；采用最小二乘法的反演误差平均值分别为103.18，68.79，85.98K.研究结果表明，基于贝叶斯理论的反演方法，利用先验信息对反演结果进行约束和修正，在有噪声的情况下获得了更合理的解，从而提高了反演精度和抗干扰能力.这为星载探测临近空间大气温度的算法研究和开发提供了参考，也为提高光谱仪器信噪比并进而提高温度反演精度提供了理论基础.      

基于GPS掩星平均弯曲角的折射率反演研究

利用Abel积分变换通过掩星弯曲角计算折射率需要对高层弯曲角进行统计优化.目前由于所使用的背景场资料和具体反演方法不同,导致所发布的掩星大气数据气候统计值存在一定差异.本文使用2008年1,4,7,10月共4个月的COSMIC大气掩星附加相位数据,从纬圈平均弯曲角廓线反演相应月平均折射率,对反演结果进行比较分析.研究表明,利用掩星折射数据进行气候研究时无需逐一对掩星探测廓线进行统计优化,在40 km以下高度基于平均弯曲角的反演方法与传统统计相比能够获得几乎一致的月平均折射率,在50 km以上高度基于平均弯曲角的反演结果更加接近ECMWF资料统计.      

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.      

临近空间太阳紫外辐射环境模拟与地区差异

太阳紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一,对其在中层大气的辐射特性进行研究,是研究临近空间大气成分与密度变化、光化学反应以及动力学过程的重要基础。依托“鸿鹄”临近空间探测专项计划,利用MODTRAN5辐射传输模型及卫星实测数据,模拟并对比中国11个主要地形区上空临近空间（20~50 km）紫外辐射（200~400 nm）垂直分布和季节演变的异同,计算了臭氧含量、太阳天顶角和日地距离等关键因素对辐射强度的影响。结果表明,各地形区的辐射流量垂直分布廓线和年较差垂直分布廓线较为一致,在地理位置上毗邻的地区辐射特性及季节演变较为接近,但在太阳紫外的不同波段之间区别较大。研究成果为临近空间探测实验提供了数据支撑,为大气反演等相关领域提供参考。      

Tidal associated temperature disturbances observed at the middle atmosphere (30–65 km) by a Rayleigh lidar at 23°S

A lidar has been operated in São José dos Campos, Brazil (23.2°S, 45.8°W) since 1972, mainly dedicated to the study of mesospheric sodium at the 589 nm resonant line. The molecular Rayleigh scattering can also be used provided we limit the height to ∼75 km where the sodium scattering begins. Nevertheless, the weak signal obtained only permits the determination of density and temperature profiles by accumulating a large number of shots giving only nocturnal average profiles. Temporal variations in density and temperature on the scale of hours can however, be obtained by performing a superposed epoch analysis for a given time interval and covering a period of several days. In this way we obtained hourly mean profiles grouped by months, seasons and overall, with data acquired from 1993 to 2004. The difference between the hourly temperatures and the nocturnal means shows for some months, with enough data coverage, downward propagating structures that apparently have tidal origin. The seasonal averages show a recurrent feature with high temperatures before and low temperatures after midnight above 50 km. Some similarity is found with the GSWM model, but the observed temperature amplitudes are twice of that for the model.     

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.      

A comprehensive study on middle atmospheric thermal structure over a tropic and sub-tropic stations

The general characteristics of middle atmospheric thermal structure have been studied by making use of the Rayleigh lidar data collected over the period of about four years (1998–2001). Here, the data has been used from two different stations in the Indian sub-continent in tropics (Gadanki; 13.5°N, 79.2°E) and in sub-tropics (Mt. Abu; 24.5°N, 72.7°E). The observed monthly mean temperature profiles are compared with different model atmospheres (CIRA-86 and MSISE-90). We observed, the mean temperature profiles have closer agreement with MSISE-90 than CIRA-86. The temperature profiles measured by lidar and HALOE satellite overpass nearby lidar site are generally in agreement with each other. The systematic and statistical errors in deriving temperature are found to be uniform for both the stations, as 1 K at 50 km, 3 K at 60 km and 10 K at 70 km. The special features of mesospheric temperature inversion (MTI) and double stratopause structure (DBS) are also addressed for both the stations.     

激光雷达观测的武汉上空对流边界层高度与夹卷层厚度

基于地基偏振激光雷达2011年1月至2017年12月对武汉中心城区的观测资料，研究了超大城市对流边界层高度与夹卷层厚度的变化特征.采用Fernald方法进行数据反演获得了1min时间分辨率、30m空间分辨率的后散比剖面，通过方差法确定了对流边界层高度和夹卷层厚度.结果表明，武汉上空对流边界层高度和夹卷层厚度具有明显的季节变化特征.对流边界层顶的均值最大处在春季为1.14km，夏季为1.25km，秋季为1.06km，冬季为0.74km；夹卷层厚度均值最大处在春季为0.40km，夏季为0.51km，秋季为0.34km，冬季为0.26km.这些特征与武汉地区地表温度的周年变化特征具有很强的相关性.      

Seasonal Variations of Mesospheric Densities Observed by Rayleigh Lidar at Golmud,Qinghai

From Aug. 2013 to Oct. 2015, a Rayleigh lidar has been used to study the middle atmosphere at Golmud (36.25°N, 94.54°E), Qinghai, located in the northeastern part of the Tibetan Plateau. Mesospheric density profiles from 50 to 90 km were retrieved based on 205 nights of lidar observation, with a total of 1616 hours of operation. We compared our lidar density measurements with SABER observations onboard TIMED satellite and MSIS-00 model data. The results showed that the annual mean density measured by lidar agreed well with SABER data, but both were lower than that of MSIS-00. All datasets exhibited dominant annual oscillation in the mesosphere. From 63 to 85 km, the annual amplitude of lidar density is larger than those of SABER and MSIS-00. PDD (Percentage of Density Difference) was calculated to investigate the mesospheric density climatology. The largest density variations of lidar, MSIS-00, and SABER occurred at around 72 km. Both lidar and SABER PDD reached their maximum in May, about one month earlier than the MSIS-00; while the minimum PDD appeared in late December for all datasets.      

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能, 阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理, 给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果. 通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比, 验证了激光雷达探测大气温度的可靠性. 基于2008-2009两年的观测, 获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布. 激光雷达观测结果表明, 青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高, 且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点, 中间层温度则正好相反.      

Sodium lidar measurements of mesopause region temperatures at 23° S

A sodium lidar, capable of measuring temperature in the 80–100 km region, has been in operation at São José dos Campos (23° S, 46 W) since March 2007. Good quality data have been obtained for late autumn, winter and spring, but weather conditions make it extremely difficult to make measurements from mid-November to mid- February. We find the temperature structure to be strongly modulated by tides and gravity waves, but average profiles typically show a primary mesopause height close to 100 km with temperatures around 180 K, and a tendency for a secondary minimum of about 185 K to occur close to 90 km. Vertical temperature gradients greater than 50 K/km are sometimes seen even on profiles averaged over several hours. The strongest gradients are always positive and are frequently associated with strong gradients in sodium concentration. On the other hand, we frequently see rapid changes in the temperature profile, suggesting that models and non-local temperature measurements, as made by satellite radiometers, for example, are of little use in applications such as the analysis of gravity wave propagation seen in airglow images.