我国中高层大气观测研究的新进展

中高层大气是与人类生存环境关系极为密切、又易受太阳活动影响的层次，它的研究在日地物理研究中占有特殊的地位．近年来，我国在中高层大气行星波、重力波、光化过程和太阳活动与人类活动影响等方面取得了可喜的进展，获得一系列重要成果；在观测方面，VHF雷达、钠荧光激光雷达、中间层大气毫米波探测和倾斜滤光片光度计等一批新型观测设备投入使用，增强了对中高层大气的探测能力.本文重点介绍了近年来我国在高平流层、中间层和低热层大气方面的主要研究情况．     

大气重力波影响中高层sprite halos始发位置和光辐射形态的模拟研究

目前关于重力波和中高层大气放电现象之间的相关性问题,在同步观测和数值模拟研究方面都较少,为了研究大气重力波对TLEs的调制效应,建立了三维对流层-中高层大气准静电场耦合效应模式,模拟分析了重力波导致的中高层大气密度(包括中性空气密度和电子密度)不均匀对中高层sprite halos(闪晕)始发位置和光辐射形态的影响.结果表明,重力波扰动导致低电离层大气密度分布不均匀,在重力波波谷位置的空气更易被击穿,使得sprite halos在重力波波谷位置更容易始发.同时,重力波扰动会导致sprite halos光辐射形态产生变形,强发光区主要沿波谷位置分布,波峰位置的光强相对较弱,重力波扰动幅值越大,对sprite halos光辐射形态的影响越大;而对流层闪电强度越大,光辐射空间分布受重力波的影响越小;此外,观测到的sprite halos光辐射的强度和形态特征还会受到观测方位的影响.     

平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温（SSW）是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一. SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目：“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.     

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.     

中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10~8m~(-3)m·s~(-1),85~90km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91km处达到了1.40×10~8m~(-3)/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.     

中国高层大气与电离层耦合研究进展

近年来,地球高层大气与电离层之间的耦合研究为众多学者所关注.在回顾这一领域国际上若干研究方向进展的基础上,着重介绍了中国学者的近期研究工作与贡献.首先,扼要介绍了中国高层大气观测的新发展,包括激光雷达、FP干涉仪、全天空气辉成像仪等光学探测,MST雷达、全天空流星雷达等无线电探测手段.在高层大气变化特性研究中,介绍了高层大气的气候学及各种大气波动的研究进展.在高层大气与低电离层的耦合研究方面,介绍了突发钠层及低热层钠层的观测研究和钠层模式的研究进展,以及突发E层与大气行星波之间的耦合研究工作.在高层大气波动过程与电离层F2层耦合研究中,着重介绍了电离层四波经度结构与高层大气非迁移潮汐之间的耦合特性与机理研究.在热层与电离层耦合的研究方向上,介绍了热层背景大气风场和重力波对电离层的作用、带电粒子对赤道热层的影响与热层赤道异常的形成机理研究等热层电离层相互耦合工作.综合认为,近年来中国学者在高层大气与电离层耦合的研究领域进行了大量工作,包括实验观测及数据分析、模式化与理论研究等.中国学者取得的研究成果为这一领域近年来的进展与突破做出了重要贡献.     

热层风场的理论模拟与分析

通过求解中性大气Navier Stokes动量方程建立了一个时变的三维风场理论模式，利用目前新版的中性大气模式NRLMSISE 00及国际电离层参考模式IRI2000作为输入参数给出热层风场. 基于该模式，计算得到中等太阳活动年磁静日风场的变化形态及其受电场和离子曳力的影响. 同时，将Navier Stokes动量方程作不同形式的简化，并利用简化模式与本文的模式计算结果的对比，分析中性大气Navier Stokes动量方程中黏性项以及非线性项(U·Δ)U的作用. 结果表明，本文所建立伪三维风场模式给出的结果更为合理，而简化模式在某些地区尤其在低纬和赤道区不适用，黏性项及非线性项的作用不可忽略. 本文所建立的风场模式将对研究电离层动力学过程、电离层与热层的耦合过程以及空间天气学研究都有着重要意义.     

三维分层流动过双山脉地形激发的大气船舶重力波动力学理论和数值试验

利用我们建立的三维分层线性理论计算模式和中尺度数值模式ARPS, 分别研究了三维分层流动过双山脉地形产生的三维线性和非线性山脉重力波和大气船舶的结构特征及其形成机制.线性理论计算结果表明三维三层流动过双山脉地形时，两个山脉各自强迫出一个发散模态的山脉背风波，在第二个山脉背风面，三维三层流动过双山脉地形可以强迫出两个发散模态的拦截背风波，大大加强了对大气环流的拖曳作用.非线性数值模拟结果表明，流动过山所产生的非线性山脉重力波和大气船舶完全不同于三维分层线性理论计算模式所产生的山脉重力波和大气船舶的结构和特征，由于分层流体之间的非线性相互作用，三维三层流动过双山脉地形时，可在第二个山脉背风面激发4个发散模态的拦截背风波. 三维三层流动过双山脉地形所强迫的山脉重力波和大气船舶，具有同三维三层流动过孤立山脉所产生的山脉重力波和大气船舶完全不同的结构和特征，三维流动过双山脉地形对两个山脉之间的距离表现出极大的敏感性.对于相距较远的两个山脉，流动过双山脉所强迫的山脉重力波表现为4个发散模态的拦截背风波，波动的能量相对于相距较近的两个山脉能传播到更高的高度.     

夏季极区中层顶光化诱发重力波不稳定判据的研究

讨论了夏季极区中层顶区光化学加热对重力波传播不稳定的作用,着重研究了耗散大气中湍流的黏性及扩散作用对该过程的影响,在此基础上给出了重力波不稳定的临界波长.探讨了对不稳定有影响的各种因素,研究发现温度以及氧原子的分布对这一过程有很大影响.     

利用COSMIC RO数据分析青藏高原平流层重力波活动特征

本文利用2006年5月至2013年4月COSMIC干温廓线数据,提取了青藏高原地区大气重力波势能,以此研究了青藏高原大气重力波势能的分布频率模型和大气重力波活动的时空变化特征,并进一步分析了高原大气重力波活动与高原地形、风速和高原大陆热辐射之间的相关性.青藏高原地区大气重力波势能的分布频率服从对数生长分布;青藏高原地区大气重力波在16~18km和28~31km高度较活跃,而在20~26km高度较平静;高原大陆边缘各季节重力波活动均较活跃,而高原大陆上空大气重力波活动呈明显季节性变化,其在冬春季节较活跃,在夏秋季节较平静;2010年冬季青藏高原大气重力波活动异常平静;各季节整个高原上空大气重力波活跃度有随大气高度升高而降低的趋势,高原上低层大气重力波向高层传播会发生耗散作用.地形与风速是影响青藏高原大气重力波活动的重要因素.地形主要影响平流层底部的重力波活动;纬向风比经向风对该地区平流层大气重力波活动的影响大,纬向风总体上会促进高原大气重力波活动.青藏高原大陆热辐射对高原大气的加热作用是导致青藏高原大气重力波活动呈季节性变化的重要因素.     

廊坊地区中间层顶钠原子垂直动力学输送特征观测分析

利用中科院国家空间科学中心廊坊观测站（40.0° N,116.3° E）钠荧光多普勒激光雷达观测数据对钠原子的重力波输送和湍流输送进行分析,利用流星雷达观测数据对钠原子的环流输送进行分析,结果显示重力波动力学输送、重力波化学输送、湍流混合输送及环流输送对钠原子输送贡献的量级相当.其中重力波动力学输送在85~100 km整体为负向,在90~95 km占主要地位的平均输送速度为-3.1 cm·s^-1;重力波化学输送在85~94 km为正向,94~100 km基本为负向,在85~90 km占主要地位的平均输送速度为3.3 cm·s^-1;湍流混合输送在85~95 km为负向,95~100 km为正向,在85~90 km占主要地位的平均输送速度为-4.9 cm·s^-1;85~100 km环流输送整体为正向,平均输送速度为1 cm·s^-1.88~95 km四种动力学输送产生的平均合速度为-1 cm·s^-1,负向的垂直输送特征对钠原子"源""汇"平衡十分重要.本文结果可为不同大气圈层之间重力波产生的能量物质交换机制研究和圈层之间的耦合过程研究提供观测事实参考,为大气化学成分的垂直输送机制建模提供参数化依据.     

The loss of photochemical heating caused by gravity waves in the mesopause region

The influence of gravity waves on photochemical heating in the mesopause region is studied in this paper. The results indicate that gravity waves can cause a loss of photochemical heating in the region of the mesopause. The influences of the variation of background temperature and of atomic oxygen density on the loss of photochemical heating induced by gravity waves are discussed. The results indicate that, as background temperature decreases, or as the background atomic oxygen density increases, the gravity wave induced loss of photochemical heating increases and the ratio between it and the background photochemical heating rate also increases.     

钠多普勒激光雷达回波光子数仿真及大气参数反演

钠多普勒激光雷达利用中层顶区域的钠原子作为示踪物,探测中层顶区域大气风场和温度剖面.本文主要分析钠多普勒激光雷达的探测原理和大气参数反演算法.利用MSISE和HWM93等大气模型给出背景大气温度、密度及风场,并给定钠原子数密度剖面,从激光雷达方程出发,模拟计算了激光雷达的瑞利散射和钠共振荧光散射回波光子数.利用模拟的回波光子数剖面数据,反演得到大气温度、视线风速和钠原子数密度剖面,反演结果与模拟计算用的背景参数符合很好,验证了这一反演方法的正确性.分析了激光频率偏移和激光线宽变化对反演精度的影响.     

中层顶区域钾层静态模型的初步建立

以流星烧蚀为源,大气沉降为汇,并利用连续方程和涡旋扩散方程为动力学控制方程,求解总含钾成分随高度的分布,再根据各含钾成分之间闭合的化学反应,计算每个高度处各含钾成分的浓度配比,初步建立了一个钾层静态模型.本文详细的阐述了钾层静态模型的建立过程,输入参数和模拟结果.此模型能够模拟出钾原子浓度随高度的分布,并与北京激光雷达观测的钾原子浓度的夜间年平均曲线进行了对比.钾层峰值密度和质心高度的模拟值与观测值仅相差0.2%和0.7%,但柱密度和RMS宽度的模拟值却比观测值明显偏小.模拟结果与观测并不完全一致,其差别主要来自于钾层的下部.钾层静态模型的建立和不断完善为研究钾层的特性和演化规律提供了有力的支撑.     

Evaluation of processes that affect the photochemical timescale of the sodium layer

We apply the method of the eigenvalue and eigenvector analysis (EEA method) to analyze the photochemical timescale of the sodium layer chemical system to perturbations. The results show that the timescales of three important sodium species, Na, Na⁺ and NaHCO₃, vary strongly with altitude and are significantly different during day and night. For these three species, the EEA method gives a photochemical timescale that differs strongly from the traditional lifetime, defined as the inverse of the photochemical loss rate. For other chemical species in the sodium layer, the two methods of predicting chemical lifetime give virtually identical results. Tests of the sensitivity of the photochemical timescale to changes of the background conditions indicate that the photochemical timescale of Na is sensitive to the changes of the background densities of O₃, H, and O.     

The role of water-vapour photodissociation on the formation of a deep minimum in mesopause ozone

A one-dimensional atmospheric photochemical model with an altitude grid of about 1.5 km was used to examine the structure of the global mean vertical ozone profile and its night-time-to-daytime variation in the upper atmosphere. Two distinct ozone layers are predicted, separated by a sharp drop in the ozone concentration near the mesopause. This naturally occurring mesopause ozone deep minimum is primarily produced by the rapid increase in the destruction of water vapour, and hence increase in HO_x, at altitudes between 80 and 85 km, a region where water-vapour photodissociation by ultraviolet radiation of the solar Lyman-alpha line is significant, and where the supply of water vapour is maintained by methane oxidation even for very dry conditions at the tropospheric-stratospheric exchange region. The model indicates that the depth of the mesopause ozone minimum is limited by the efficiency with which inactive molecular hydrogen is produced, either by the conversion of atomic hydrogen to molecular hydrogen via one of the reaction channels of H with HO₂, or by Lyman-alpha photodissociation of water vapour via the channel that leads to the production of molecular hydrogen. The ozone concentration rapidly recovers above 85 km due to the rapid increase in O produced by the photodissociation of O₂ by absorption of ultraviolet solar radiation in the Schumann-Runge bands and continuum. Above 90 km, there is a decrease in ozone due to photolysis as the production of ozone through the three-body recombination of O₂ and O becomes slower with decreasing pressure. The model also predicts two peaks in the night-time/daytime ozone ratio, one near 75 km and the other near 110 km, plus a strong peak in the night-time/daytime ratio of OH near 110 km. Recent observational evidence supports the predictions of the model.     

The regular nocturnal course of temperature in the midlatitude mesopause region according to hydroxyl airglow measurements

Using ground-based spectral measurements in the near-infrared range at the Zvenigorod scientific station of the Institute of Atmospheric Physics (56° N, 37° E) for 2000–2013, we obtained average nighttime changes in rotational and vibrational temperatures of hydroxyl with its emission layer localized at mesopause heights. The rotational temperature reflects the kinetic temperature of the emission layer of the atmosphere. The analysis made it possible to determine the characteristics of the first three harmonics of diurnal temperature dynamics in the mesopause region both with and without altitudinal oscillations of the OH emission layer. In both cases, the second and third harmonics are statistically significant: their amplitudes are ～1 K and the phases of their first maxima are near 0300 and 0130 local solar time.     

全球地震层析地幔密度横向不均匀及大陆动力学

地震层析为我们提供了研究全球及区域地幔横向不均匀的有力工具。本文使用Ｓ１２－ＷＭ１３［１］层析模型,假设地震波速度异常与密度异常之间呈线性关系［２］,以ＰＲＥＭ模型［３］为基础,计算了全球和部分区域的球谐展开１２×１２阶地幔密度异常分布;分析了一系列的结果,特别分析了大陆下部地幔密度异常的基本格局;讨论了其对大陆动力学研究的意义。应用于中国大陆发现,整个中国大陆下部７０ｋｍ－１５０ｋｍ深部范围内是地震剪切波的低速带或密度低的地区,而在１５０－４００ｋｍ范围中又处于密度高的异常地带。本文从地幔动力学的观念出发讨论了中国大陆岩石层构造运动的地幔动力学问题。     

2009年1月强爆发性增温期间突发E(Es)层的响应

平流层爆发性增温(SSW)期间,低层大气温度场和风场等的剧烈变化会直接影响潮汐和风剪切作用.此举可能会导致电离层Es的相应变化.本文以2009年1月事件为例,分析了SSW期间Es层的响应.首先,在排除太阳活动和地磁活动对Es层影响的前提下,分析了昆明站附近MLT区域行星波和潮汐波的波动特性,发现此期间存在显著的2日行星波,并伴有日潮汐减弱和半日潮汐增强等波动现象;随后,分析相应时间段内Es层的变化特性发现,重庆和昆明站附近Es层强度明显减弱,且其高度显著抬升.这一现象与低层大气的波动变化具有同步性.最后,通过模拟经典风剪切理论下Es层金属离子的汇聚过程和运动轨迹,再现了SSW期间Es层与低层大气波动的耦合演化过程.该分析结果为研究低层-中层-高层大气的耦合过程提供了一种新的思路.