北京上空热层钠层的激光雷达观测

热层金属层位于电离层E层和F层的过渡区域,为研究105~200 km之间的中性和电离成分的相互作用过程提供了独特的示踪剂.为更好地了解热层金属层的来源和形成机制,本文基于北京延庆台站(40.42°N, 116.02°E)的高精度钠荧光共振激光雷达的数据,根据观测到的热层钠原子层的形态特征和出现规律等以及参考先前的研究报道,将该台站上空的热层钠层主要归类为四种:低热层突发钠层、天亮前热层-电离层钠层、午夜热层-电离层钠层和中纬度热层-电离层钠层.我们对最后一种热层钠层进行了仔细研究,基于2018—2020年415个观测夜共约3914 h的数据,找到了17个该事件(出现率仅4.1%,且多发于冬季).在14个完整事件中,仅约35.7%(5/14)的事件出现时间与附近地基台站观测到的电离层突发E层相似,但均早于电离层突发E层;剩下的9次事件与最近的突发E层的时间相差范围为2.5~8.6 h.因此,我们认为中纬度热层-电离层钠层与电离层突发E层相关性较弱,它应该有着其他可能的形成机制.

2018年4月钠层激光雷达观测特性研究

通过钠层激光雷达观测,研究了中国低纬地区2018年4月的特征采集样例,对比观测发现海南上空出现了间歇型的钠层分布规律,以及较为少见长久持续的钠层双峰结构。同时观测到了4月单天的钠层结构与重力波的相互作用。在重力波的作用下钠层峰型保持完好,并有明显的峰位向下移动。当重力波达到饱和值时,波破碎导致了钠层形态的变化,实验观测数据与理论符合极好,表明春季中国低纬度地区钠层变化具有一定的多样性。

根据激光雷达观测结果研究中国武汉地区钠层的分布

通过大量钠层荧光激光雷达观测数据的分析研究 ,给出我国武汉地区钠层平均分布形态的基本特征 .结合钠层模型分析 ,指出大气微量元素分布的纬度变化可能是导致不同纬度地区钠层平均分布形态差异的主要原因 ,同时给出武汉地区随季节变化的钠层平均分布形态 .对武汉地区钠层分布形态时间变化的分析 ,发现其短期变化与重力波活动及夜间变化与潮汐波活动相关 .

中国武汉上空钠层分布的实验观测与理论模拟

介绍了中国科学院武汉物理与数学研究所钠层荧光激光雷达及其观测数据反演方法；对武汉上空钠层分布进行了初步理论模拟，并与观测结果进行了比较，对影响武汉上空钠层分布的因素进行了初步讨论．

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—0.5m/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。

北京延庆钠层上边界的平均特性研究

本文对北京延庆(116.0°E,40.5°N)钠荧光激光雷达2018年11月—2019年12月夜间的数据以1 h和1 km的时空分辨率进行了分析.获得了当地钠层上边界可达到的高度范围、其相应的季节变化、夜间演化等:延庆顶部钠层可达到110 km、120 km和130 km的概率分别为99.94%、84.46%和40.34%,由此得出,顶部钠层在大多数情况下可以达到120 km,突破了顶部钠层在105 km(或者110 km)的传统观点;上边界高度范围的季节变化规律为5—6月份最高,2—3月份最低;后半夜顶部钠层密度会有所增加.我们比较了偶发钠层、温度和流星注入与上边界高度范围的相关性,推测出偶发钠层对钠层上边界拓展有很大贡献,流星注入次之,温度影响最低.后半夜流星注入量增多跟此时顶部钠层密度增加有一定的相关性.对顶部钠层能够提高到120 km的这项研究,可以为拓展风温的探测高度提供理论依据.

大气重力波引起的偶发钠层研究

利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站(廊坊,39°N,116°E)的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层(SSL)进行了研究。首先从大气重力波方程出发,计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之间的相位关系;其次利用了钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的实测数据对大气重力波引起的偶发钠层进行了分析研究;经研究分析可知,由于大气重力波引起强的水平风切变和垂直风场风向反转的共同作用,其堆积效应使得钠原子密度增强,形成了偶发钠层。

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458 h,观测到突发钠层事件38次,即每观测12 h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.

合肥上空钠层夜间激光雷达观测的初步研究

介绍了中国科学技术大学的米-瑞利-钠荧光双波长激光雷达系统,其双波长发射和三通道探测技术使得该激光雷达系统能够对近地面到110 km高度范围内的多种物理量——气溶胶、大气温度和密度、钠层密度进行探测.利用该激光雷达系统近一年的钠层密度观测数据,分析了合肥地区(31.87°N,117.23°E)钠层的主要形态、夜间变化、季节变化特点.结果显示,合肥钠层柱密度最小值为1.126×109cm-2,出现在6月份;最大值为6.014×109cm-2,出现在12月份;柱密度在夏季表现出相当宽广的极小值,质心高度没有明显的季节变化,而RMS宽度则呈准半年变化.

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589 nm激光,与中高层大气中钠原子产生共振,利用直径为1000 mm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23:52 LT,持续12 min.

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5 km以内,约有75%的Es与SSL时间差在±30 min之内.实验中使用continuum的Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生589 nm激光,能量为45mJ,使用直径为1000 mm的望远镜接收钠层的光子回波.

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.

新墨西哥州SOR中间层钠层结构的季节和夜间变化

利用 1998年 1月至 2 0 0 0年 5月美国新墨西哥州StarfireOpticRange (SOR :35°N ,10 6 .5°W)钠风场、温度激光雷达共 46个观测夜的数据 ,分析大气中间层钠层结构的季节变化特征 .结果表明 ,钠层丰度变化显示出很强的年振荡现象 ,其平均值为 5 .0 6× 10 9cm- 2 ,最大值出现在 11月份 ,最小值出现在 6月和 7月份 .钠层均方根宽度的平均值为 4.30km ,中心高度的平均值为 91.6 0km .均方根宽度和中心高度变化显示出较明显的半年振荡特征 .年平均钠层夜间变化显示出潮汐的影响 ,丰度夜间变化在午夜前最小 ,日出前达到最大 .白天光离化作用和夜间复合过程 ,与潮汐动力学一起 ,导致钠层丰度发生较大的夜间变化 .

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589 nm激光,设定相同的激光参数,使用相同的直径1000 mm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123 min,但是北京上空钠层没有发现该结构.

海口上空突发“三峰”钠层观测

使用Nd∶YAG激光器泵浦染料激光器产生的589 nm激光与中高层大气中钠原子发生共振,利用直径为1000 mm的望远镜接收钠层的光子回波,研究了2014年8月30日12:09 UT到18:21 UT中国海口市中高层大气中钠层密度分布.在12:25 UT到12:42 UT观测到突发"三峰"钠层的出现,共持续17 min.做出了突发"三峰"钠层密度和高度随时间变化的关系曲线,做出了突发"三峰"钠层密度和高度的变化范围和趋势,并且计算了突发钠层的强度因子.此外,还将突发"三峰"钠层峰值密度与儋州测高仪所测得的电离层突发数据进行对比,获得两者的相关性.

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.

大气重力波引起的突发钠层的模拟研究

应用钠原子和中性大气分子的质量连续性方程来模拟突发钠层（SSL）,垂直风场采用接近实际大气重力波的正弦行波模式,结果较好地反映了SSL的形成过程.SSL的形成时刻在5-15min之间并可持续到30min之后,形成高度大约在90-100km之间,峰宽为0.5-2km之间,这些都与实际观测SSL的特点相符.同时还进一步地研究了当重力波参数（主要指垂直波长和周期）、风速以及常态钠层半宽度发生变化时SSL的变化趋势.

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.

大气电场倒转与突发钠层及突发E层的相关性

突发钠层(Sporadic Sodium Layer,Na_(S))是中高层大气金属层最为显著的一种现象,其发生机制目前尚无定论。突发E层(Sporadic E layer,E_(S))是等离子体密度异常增大的薄层,被认为与Na_(S)密切相关。为进一步研究Na_(S)及E_(S)事件之间相关性及影响因素,利用中国科学院“子午工程”2010~2018年合肥科大站宽带钠荧光共振激光雷达观测结果,并结合武汉左岭镇站数字测高仪及九峰站大气电场仪数据,分析大气电场倒转(即北向电场)对Na_(S)以及E_(S)事件的影响。在统计的91例Na_(S)事件中,发生于大气电场倒转时的比例为20/91;同时,在发生Na_(S)事件的事例中,E_(S)消失或中断的比例较大(14/20),表明E_(S)可能以提供钠源的形式转化为Na_(S)。此外,在分析武汉左岭镇站数字测高仪数据的同时进行概率统计,结果表明:当大气电场倒转时,E_(S)临界频率减小甚至消失的概率较大(187/242),少数情况下可能造成临界频率增大甚至激发E_(S)生成(55/242);E_(S)虚高消失比例为179/242,E_(S)不变比例为27/242,E_(S)上升比例为23/242。综上所述,大气北向电场在一定程度上对E_(S)事件的发生有抑制作用,并对E_(S)事件的发生高度有明显影响。最后,对一种与电场倒转相关的突发钠层机制也进行了讨论。

中纬度中间层顶钠原子密度高度分布的长期变化趋势研究(2010—2021)

中间层顶/低热层区域(the Mesosphere/Lower Thermosphere,简称MLT)的高度为70~110 km,为了研究这一区域对太阳活动的响应,本文以钠原子为示踪物,对北京延庆(116.0°E,40.5°N)钠共振荧光激光雷达2010年1月—2021年8月近一个太阳活动周期的数据进行了分析,发现钠原子柱密度的长期变化显著,与太阳黑子数的变化呈现出正相关趋势.延庆钠层质心高度的线性趋势在这期间总共上升了311.4±706.6 m,长期变化趋势并不显著.自2018年开始,半高全宽对应的高度范围出现了明显的增加,但是上边沿升高的幅度不大,目前受到广泛关注的热层金属层的观测与研究更依赖于激光雷达探测灵敏度的提升.