2011年5月26日北京上空TeSL与Es、大气风场的同时观测

本文报道了北京延庆（116.0°E，40.5°N）钠荧光激光雷达在2011年5月26日夜间观测到的一例低热层钠层（lower thermospheric-enhanced sodium layer，TeSL）事例，从数据采集开始到观测结束，该低热层钠层持续存在且不断增强，峰值密度从250 cm^-3增加至1500 cm^-3，峰值高度却从111 km逐渐下降到100 km.同一时间相距28 km的测高仪也观测到了出现在106~117 km的Es层，平均强度4.5 MHz；对流星雷达设备观测到的75~100 km的纬向风风速进行拟合，得到100~125 km的风速，风剪切节点从122 km下降到108 km.Es层和纬向风剪切节点的演化趋势与TeSL事件呈现出极好的相关性.我们计算了离子垂直速度及辐射复合反应的生成率，对钠原子的出现高度和密度做出解释，推测风剪切汇聚的Na⁺与Es层中的电子中和，是形成当日TeSL的主要机制.     

北京MST雷达探测中间层-低热层观测结果初步分析

北京MST雷达是子午工程建设的国内仅有的两部MST雷达之一,为研究其在中间层-低热层MLT区域的探测能力以及数据可靠性,本文应用北京MST雷达2012、2013两年高模式数据,从数据获取率、与廊坊流星雷达测风对比以及风场时空分布特征三个方面进行初步分析.结果是:(1)数据获取率日变化特征为:白天65~100km均可获取数据,数据获取率的高值区主要集中在70~80km,最大值可达80%;夜间主要集中在80~100km,数据获取率在30%及以下.表明该MST雷达白天可以探测到电离层D层和E层低层,夜间D层消失,只探测到E层低层.季节变化特征为:夏季白天可获取数据的时间和高度区间都比较大,春季次之,冬季最小.夏季白天以及日落后1h内可探测到120km.(2)对北京MST雷达与廊坊流星雷达2012年5月份、80~100km高度区间测量的水平风进行对比分析,二者测风结果在时空分布上有很好的一致性,表明MST雷达探测数据是可靠的.(3)2012年和2013年相应月份平均的纬向风、经向风时空分布特征有较高的一致性,并与HWM07模式结果也基本一致.上述初步分析结果表明,北京MST雷达对中间层-低热层60~120km高度区域已具备较强的探测能力,所得结果将可用于MLT过程揭示与驱动因子研究,并可与该高度上其他探测手段作综合研究.     

利用COSMIC掩星探测分析120°E经线附近电离层E层闪烁指数变化

利用气象、电离层和气候卫.星联合观测系统COSMIC掩星2007-2013年探测资料,分析了120°E经线附近电离层E层区域(70~140km)闪烁指数的季节、地方时和空间变化.结果表明强电离层闪烁主要集中在磁纬度±30°内,夏季达到最大,冬季其次,春季最小.闪烁峰值大小与太阳辐射有关,但北半球夏冬季闪烁峰值大于南半球观测结果,秋半球闪烁峰值大于春半球观测结果.地磁高纬地区较强闪烁现象出现在地方时傍晚之后,午夜前后达到最大值.地磁中纬和低纬区域日出后即出现较为明显的闪烁现象,一直持续至夜间甚至凌晨,分别约在中午和傍晚前达到最大值.磁赤道区闪烁现象通常始于地方时日出后,最大值发生在傍晚1800LT左右.电离层E区的闪烁峰值大都集中110km高度,但高纬地区的峰值高度略有降低.此外,太阳和地磁活动的增强一定程度上会抑制E层闪烁现象.相关研究结果有利于分析E层不规则结构及物理形成机制,同时为电离层区域闪烁模型的建立提供有用的信息.     

太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO密度的影响研究

利用SNOE卫星1998年3月11日至2000年9月30日共计935天观测的NO密度和太阳软X射线数据,分析了低热层NO的时空分布特征及其对太阳和地磁活动的响应,得出了以下结论:NO密度从96.67 km开始增加,大约在105～110 km高度达到最大,随后开始减小;同一高度处一般夏季期间最大,冬季次之,春秋分季最小;密度峰值大小变化范围约为(0.5～1.5)×10⁸ mol/cm³,峰值高度基本分布在107 km和113 km高度处,且不随太阳活动变化,平均值约为107 km;NO密度与太阳软X射线及地磁Ap指数的相关系数在不同高度存在0、1和2天的最佳延迟时间,而同太阳软X射线的统计关系在不同高度和季节存在"线性"、"放大"和"饱和"现象;从统计和事件分析结果来看,太阳活动对磁赤道地区低热层NO密度的气候尺度变化的影响远大于地磁活动,但地磁活动对NO短期变化贡献非常明显.     

COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测温度数据比较

本文利用2009年1月-2011年12月共3年的COSMIC大气掩星观测数据与SABER/TIMED探测数据开展15~60 km大气温度数据的比较分析研究,计算COSMIC与SABER/TIMED探测温度的绝对偏差(T_SABER-T_COSMIC),并统计其平均温度偏差和标准偏差,分析温度偏差随高度、纬度和季节的分布特征,为COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测数据的应用提供更多的参考依据.结果表明:COSMIC与SABER/TIMED数据所反映的温度随高度的变化特征是一致的,数据的大体趋势吻合较好.全球范围的平均温度偏差在38 km左右接近于0 K,在38 km以上,平均温度偏差表现为负的系统性偏差,且随着高度逐渐增大,在38 km以下,平均温度偏差表现为正的系统性偏差,在23 km左右存在极大值,约为2.7 K.COSMIC与SABER/TIMED温度偏差的分布存在着随纬度和季节的变化特征,35 km以下,平均温度偏差在高纬地区和冬季较小,低纬地区和夏季较大,35 km以上,平均温度偏差在高纬地区和冬季较大,低纬地区和夏季较小.温度偏差的标准偏差在低纬地区和夏季较小,高纬地区和冬季较大.纬圈平均的温度偏差在南北半球的分布基本呈对称结构.     

中国廊坊(39.4°N,116.7°E)中间层和低热层潮汐的季节变化

本文利用中国廊坊站(39.4°N,116.7°E)流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日期间的水平风场观测数据,分析了廊坊上空中间层和低热层(MLT,80~100 km)大气纬向风、经向风潮汐的季节变化特征.研究表明:廊坊MLT区域周日潮汐和半日潮汐波动比较显著,有明显的季节变化特征.周日潮汐振幅在88 km以下为半年变化,极大值位于2-3月和10月,极小值位于冬、夏季;在88 km以上为周年变化,振幅冬末春初最强,夏季最弱.周日潮汐相位在秋、冬季比春、夏季提前.半日潮汐主要呈现半年变化,在5月和9月最强,冬、夏季最弱.半日潮汐相位在春、夏季比秋、冬季提前.此外,廊坊风场潮汐的观测结果与WACCM4模式模拟结果进行比较,结果表明两者的主要特征相似,在细节上有显著区别.与40°N附近其他站点风场潮汐观测结果的比较结果表明中纬度MLT风场潮汐有显著的随经度变化特性.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:1.电离层E区连续性回波

基于三亚(109.6°E,18.4°N)VHF电离层相干散射雷达观测,分析了我国低纬电离层E区场向不规则结构连续性回波的发生特征.研究结果表明:白天,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至25m/s,多普勒宽度主要分布在20至70m/s;连续性回波的高度大约以1km/h的速度缓慢下降,与偶发E层(Es)底部所在高度(hbEs)有很好的相关性,表明在背景电场影响下,Es经梯度漂移不稳定性产生场向不规则结构,引起E区连续性回波.夜间,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至50m/s,多普勒宽度为20至110m/s,回波在时间-高度-强度图上常呈现多层结构,可能与潮汐引起的多个离子层相关;而E区连续性回波的短暂中断,以及120km以上高E区连续性回波的发生,则可能归因于赤道扩展F极化电场的影响.此外,对E区连续性回波多普勒速度与全天空流星雷达风场观测的比较发现,在100km以下,多普勒速度与子午风场有很好的相关性.     

一个中纬电离层E层理论模式

本文建立了一个中纬电离层E层理论模式. 该模式从NO+,O２＋,O+和N２＋这四种主要离子的连续性方程出发,通过数值模拟得到中纬电离层E层电子和各种离子密度随时间和高度的变化情况. 计算结果能较好地反映出E层电子密度峰值（NmE）或E层临界频率（foE）的日变化、季节变化以及随太阳活动的变化趋势. 将模式的计算结果与武汉地区测高仪的观测数据进行比较,结果证明模式能够较为客观地反映中纬电离层E层的实际形态. 针对以往电离层E层理论模式存在的主要问题,本文还进一步讨论了几种重要因素,包括二次离化源,λ<150?谱段的辐射通量,吸收截面以及NO分布对于模式计算结果的影响.     

卫星遥感东经120°子午圈MLT典型温度结构：中间层顶统计分析

利用2002~2006年期间SABER/TIMED温度数据综合考察了中心位于120°E,宽度为30°子午圈（东经120°子午圈）内中间层和低热层（MLT）大气的平均热力状态. 季节平均温度的分析结果说明该子午圈中平均温度与用相同数据集建立的纬圈平均温度之间表现出相当好的一致性,但是与国际参考大气CIRA-86温度之间则表现出显著的差异,而对MLT典型温度结构描述不同是导致70 km高度以上出现这种显著差异（20 K以上）的主要原因. 进一步利用逐日数据开展温度梯度诊断确定了中间层顶的位置和温度,在此基础开展考察的结果显示,在夏季,与极区中间层顶高度一致（83 km）的中间层顶稳定地伸展到中纬度（48°N）,而热带和赤道地区中间层顶稳定地维持在97 km高度,形成了“两台阶”中间层顶结构. 逐日分析结果还揭示了中纬度地区夏季中间层顶异常复杂的表现,结果表明在这里可以看到两种位于不同高度的中间层顶,第一种位于83 km并且伴随异常低温,而另一种位于约100 km高度. 虽然基于当前分析结果并利用过去用于解释极区中间层顶“两模态”的理论对有关问题进行了探讨,但是全面理解夏季中纬度中间层顶的复杂表现还有待更深入的研究.     

北极地区低平流层惯性重力波的观测研究

南极地区重力波活动有大量报道，相对而言，北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点（78.9°N，11.9°E）无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据，统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示，月平均纬向风在20 km以下盛行东向风，再随着高度增加，逐渐呈现出半年振荡现象.对流层顶高度在5~13 km范围内变化，其月平均高度显示出年循环，最高出现在夏季，约为10 km，最低出现在冬季，约为8.5 km.对流层和低平流层月平均温度都显示出明显的年周期变化，这与中低纬度观测结果有所不同.结合Lomb-Scargle谱分析和矢端曲线方法，估算了准单色惯性重力波参数.个例研究表明，低平流层惯性重力波呈现出远离源区的自由传播性质.统计结果显示，惯性重力波的水平和垂直波长分别集中在50~450 km和1~4 km范围内，本征频率集中在1~2.5倍惯性频率间，这些值都比中低纬度观测值稍小.垂直方向本征相速度主要集中在-0.3~0 m·s^-1，而纬向和经向本征相速度集中在-40~40 m·s^-1之间.在5年的观测中，大约91.5%的惯性重力波向上传播.在冬季和早春，由于极地平流层极涡活动，激发出向下传播的惯性重力波，因此，向下传播的比例上升到相应月份的20%左右.由于低层大气盛行的东向风的滤波效应，低平流层大部分惯性重力波向西传播.波能量呈现出明显的年周期变化，最大值在冬季、最小值在夏季，与北半球中低纬度观测结果一致，表明北半球重力波活动普遍冬季强、夏季弱.     

Occurrence and characteristics of sporadic K layer observed by lidar over Beijing,China

A double-laser-beam lidar was successfully developed in 2010 to measure the K layer over Yanqing County, Beijing(40.5°N, 116.2°E). Comprehensive statistical analyses of sporadic K(Ks) layer parameters were conducted using two years of lidar data, and the parameters of the Ks layers and their distribution obtained by the analyses are described. The seasonal distribution of Ks occurrence was obtained, with two maxima observed in January and July, respectively. The seasonal distributions of sporadic E(Es) occurrence over Beijing differ from those of Ks occurrence. However, good correlations between Es and Ks in case by case study were found. We also found that four Ks events with peak altitudes lower than 90 km were associated with large and sharp temperature increases in five comparative examples.     

Polar cap Sporadic-E: Part 1, Observations

Sporadic E (Es) is reasonably common in the central polar cap where some of the mechanisms that produce Es at lower latitudes should become inoperative. There is some occasional auroral Es but this is readily identifiable. The other types of Es that are observed have different properties in winter and summer. The characteristic winter type is a “height-spread”, short-lived layer that tends to occur in the middle and upper E region. The common summer type is in the form of a “thin”, long-lived layer in the lower E region. Both summer and winter types are associated with positive IMF B_y. We explain the initial formation of Es by gravity waves that move ionization out of the lower F region into the E region and concentrate it at reversals of vertical gravity wave motion. These concentrations are seen in winter as transient Es layers. In summer, these transient layers persist and change into long-lived thin Es layers because of metallic ions that are maintained in an ionized state by charge exchange of neutral metal atoms with the ambient E region NO⁺ and O₂⁺ ions produced by photo-ionization.     

AIRS观测的东亚夏季平流层重力波特征

对流性重力波对中层大气环境有显著影响.重力波活动及重力波源的地理和季节性变化等信息是理解和模拟重力波效应的基础.卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS的4μm和15μm波段可用于识别30~40km高度范围和41km高度附近的重力波,其11μm通道可同步观测对流层深对流.观测个例表明,海面和陆面上空的平流层扰动影响范围均可达1000km,不同高度的扰动强度分布也存在差异.基于2007年6月至8月的AIRS观测资料,分析了东亚区域的对流层深对流活动和平流层的重力波,得到了深对流和重力波发生频率的水平分布.统计结果表明,东亚区域夏季夜间的深对流活动明显少于白天,但AIRS观测到的平流层重力波发生频率和扰动强度均显著大于白天,揭示了夜间对流层深对流诱发的平流层重力波在强度、范围等方面可能与白天存在显著差异.进一步对比分析表明,AIRS观测的平流层扰动高值区与深对流高值区明显不同.平流层重力波与对流层深对流之间的相关分析表明,在36°N以南的区域,41km高度上AIRS观测的重力波中,深对流云诱发的重力波的比例约为30%~100%.在10°N至36°N区间,90%的深对流均可诱发平流层重力波.分析得到的30~40km高度区间和41km高度附近的重力波水平分布对比表明,后一高度上的扰动强度明显大于前一高度,且前一高度在东南亚区域存在强扰动中心而在后一高度则没有.最后,给出了AIRS观测的几种典型形态的东亚区域平流层波动,表明了该区域平流层环境波动形态的复杂性和多样性.     

Global sounding of sporadic E layers by the GPS/MET radio occultation experiment

The GPS radio occultation technique is sensitive for layered structures with horizontal scales of around 100 km and with vertical scales of a few 100 m or more at the Earth's limb. These structures cause strong fluctuations of the GPS L1 and L2 phase paths which have been measured by a GPS receiver onboard of Microlab-1 satellite in 730 km orbit during the GPS/Meteorology experiment (GPS/MET of UCAR, Boulder). By means of GPS/MET radio occultation data, profiles of electron density fluctuations are derived for the mesosphere/lower thermosphere region with a height resolution of around 1 km. Data analysis of 1900 radio occultation events in June/July 1995, 1540 events in October 1995, and 2690 events in February 1997 confirms seasonal dependence of sporadic E layers. The meridian slices of average sporadic E activity show a dominance of plasma irregularities in the summer hemisphere. The irregularities mainly occur at heights 90–110 km. Auroral and equatorial sporadic E, electron density depletions, and multiple ionization layers are also present in the high resolution GPS/MET data. The multiple layers often have a distance of around 5–10 km in height, and appear up to a height of 140 km (upper height limit for 50 Hz sampling rate of GPS receiver). For February and June, the GPS/MET observations are compared to ground-based observations of the Asia/Australia ionosonde chain.     

Atmospheric temperature profiling by joint Raman,Rayleigh and Fe Boltzmann lidar measurements

Simultaneous and complete temperature profiles from near ground to about 100 km are essential for studying the dynamical coupling between different atmospheric layers. They are acquired by combining three different lidar techniques at Wuhan, China (30.5°N, 114.4°E). The atmospheric temperatures from about 3 to 25 km are calculated from the nitrogen molecule density profiles obtained from the N₂ vibrational Raman backscatter, while the atmospheric temperatures between 30 and ∼75 km are calculated by the standard Rayleigh scattering method. The temperatures in the 80–100 km altitude region are derived from the Fe Boltzmann technique. The temperature profiles measured by our lidar systems exhibit good agreement when compared with the radiosonde and satellite data, as well as the model. A Lomb–Scargle spectral analysis of the normalized temperature perturbations in the altitude range from 4 to 60 km shows that the spectral slopes of the vertical wave number spectra tended to −3 for large vertical wave numbers. This is consistent with the model predictions of saturated gravity wave spectra.     

地球内部的热事件与地壳上地幔结构的相关研究

本文计算并讨论了当地球内部有热脉动事件发生时非稳态的热作用模型及其对地热场和大地热流的影响。理论计算和实际资料表明,构造活动区和稳定地区应有不同的热作用过程,在构造活动区地壳内的低速,低阻层和上地幔的低速,低阻层的埋藏深度之差与该地的热活动史有一定的对应关系。如华北平原地区,观测的二层深度差为40—60公里,推测热脉动持续时间为40百万年,活动史为50—70百万年:而银川盆地二层间隔为36—40公里,活动史为30—40百万年     

1988年云南澜沧-耿马地震的烈度分布及地表破裂

1988年11月6日,在云南省西南部的澜沧-耿马断裂带上发生了两次大于7级的地震.地震造成的严重破坏和人员伤亡主要是由于极震区内抗震性能极差的毛石房、砖柱土坯房的大量倒塌所致.澜沧地震的震中基本烈度可达Ⅸ度,耿马地震极震区烈度达Ⅹ度.澜沧地震构造活动的地表证据主要是出现在极震区内的张性地裂缝带和小断层陡坎.地裂缝带和小断坎主要出现在四条相对连续的北北西走向的狭窄地带内,其长度从几百 m 到6km 不等.澜沧地震地表破裂带长约35km,宽约3km,最大垂直位移量和最大右旋水平位移量分别为1.5m 和1.4m.耿马地震地表断裂活动的明显证据包括一系列北北西走向的地裂缝带和一段长约5km的地震断层陡坎.耿马地震地表破裂带长约24km,其最大垂直位移3.5m,最大右旋水平位移为3m.两次地震形成的地表破裂带均具有右旋-正断层性质.本文讨论了这两次地震的 度分布及地表破裂特征.