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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

武汉上空偶发E层与流星雨的联系

利用全天空流星雷达和数字测高仪联合观测数据,初步分析了武汉（30°32′N,114°22′E）上空2002年3次大的流星雨（英仙座、狮子座、双子座）及2003年象限座流星雨爆发期间Es的出现率变化趋势及其与流星观测量的关系.结果表明,在流星雨爆发时,雷达观测到的流星数目会显著增加;流星雨峰值过后,Es出现率也会增大.流星数和Es出现率间的平均互相关函数有两个峰值,第一个峰值平均出现在流星雨爆发后的第2天前后,第二个峰值平均出现在流星雨后第6天前后.我们认为,第一个峰值对应于流星雨期间的大量流星雨电离产生的Es,第二个峰值对应于流星雨后沉积的金属离子在风剪切作用下形成的Es.     

武汉上空平流层气溶胶的激光雷达探测结果的初步分析

采用武汉大学双波长激光雷达工作于589 nm波长的观测数据,对2001年3月到2002年1月期间武汉上空平流层气溶胶的消光系数和积分体后向散射系数等光学特性进行初步分析.结果表明,武汉上空平流层气溶胶在16—20 km间存在一气溶胶层,其厚度及散射峰值随季节有一定变化,并且气溶胶积分体后向散射系数在2.2×10~(-5)—7.0×10~(-4)sr~(-1)之间变化,呈现了夏季大冬季小的分布倾向.     

南极长城站电离层变化的数值模拟

南极长城站夏季电离层日变化具有Weddell海异常现象．本文利用一个一维时变理论模式，对长城站夏季电离层f0F2和hm日变化进行了数值模拟.我们讨论了中性风和顶部输运通量对f0F2和hm的影响，认为模拟计算得到的f0F2值比实测值要大的一个主要原因是国际参考电离层给出的上边界值偏大.文章最后介绍了一个获得实际的f0F2和hm的方法.     

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.     

中纬电离层理论模式研究

本文利用谱方法建立起一维时变中纬度电离层理论模式．模式比较周密地考虑了中纬度地区电离层的主要动力学过程和光化学过程．模式的突出优点是计算耗时少．我们对日本Wakkanai站进行了模拟计算,模拟结果同实验结果符合得较好．     

中国夏季E_s出现概率的分布(f_0E_s>7MHz)

在“CCIR”534-1号报告(以下简称“CCIR”)中,提供了全球性E,出现概率的分布,见图1     

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．