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.      

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.      

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.      

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.     

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.      

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.      

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。      

基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年) CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析, 得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量. 研究结果表明, ρ受太阳活动影响较大, 其太阳周变化分量与F10.7指数变化之间的相关系数可高达94.5 %; ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小, 且在中高纬地区, 南半球的值明显大于北半球的值, 在低纬地区则出现基本对称的双峰分布, 即赤道质量密度异常(EMA)结构. 在ρ的年变化中, 呈现出明显的季节变化, 即夏季低冬季高; 同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强, 随纬度增加而增强. 将本文结果与经验模式NRLMSISE00在观测条件下的输出数据进行对比, 发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致, 但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小, 年变化幅度略大, 且NRLMSISE00模式不能再现EMA结构. 研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.      

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.     

Variability of the ionospheric electron density at fixed heights and validation of IRI-2007 profile’s prediction at Ilorin

A study on the variability of the equatorial ionospheric electron density was carried out at fixed heights below the F2 peak using one month data for each of high and low solar activity periods. The data used for this study were obtained from ionograms recorded at Ilorin, Nigeria, and the study covers height range from 100 km to the peak of the F2 layer for the daytime hours and height range from 200 km to the peak of the F2 layer for the nighttime hours. The results showed that the deviation of the electron density variation from simple Chapman variation begins from an altitude of about 200 km for the two months investigated. Daytime minimum variability of between 2.7% and 9.0% was observed at the height range of about 160 and 200 km during low solar activity (January 2006) and between 3.7% and 7.8% at the height range of 210 and 260 km during high solar activity (January 2002). The nighttime maximum variability was observed at the height range of 210 and 240 km at low solar activity and at the height range of 200 and 240 km at high solar activity. A validation of IRI-2007 model electron density profile’s prediction was also carried out. The results showed that B0 option gives a better prediction around the noontime.     

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.      

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.      

Storm time behavior of topside scale height inferred from the ionosphere–plasmasphere model driven by the F2 layer peak and GPS-TEC observations

The International Reference Ionosphere model extended to the plasmasphere, IRI-Plas, presents global electron density profiles and total electron content, TECiri, up to the altitude of the GPS satellites (20,000 km). The model code is modified by input of GPS-derived total electron content, TECgps, so that the topside scale height, Hsc, is obtained minimizing in one step the difference between TECiri and TECgps observation. The topside basis scale height, Hsc, presents the distance in km above the peak height at which the peak plasma density, NmF2, decays by a factor of e (∼2.718). The ionosonde derived F2 layer peak density and height and GPS-derived TECgps data are used with IRI-Plas code during the main phase of more than 100 space weather storms for a period of 1999–2006. Data of seven stations are used for the analysis, and data from five other stations served as testing database. It is found that the topside basis scale height is growing (depressing) when the peak electron density (critical frequency foF2) and electron content are decreased (increased) compared to the median value, and vice versa. Relative variability of the scale height, rHsc, and the instantaneous Hsc are inferred analytically in a function of the instantaneous foF2, median fmF2 and median Hmsc avoiding a reference to geomagnetic indices. Results of validation suggest reliability of proposed algorithm for implementation in an operational mode.     

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.