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.     

基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城（33.36°N, 116.49°E）的一台单站流星雷达和长丰（31.98°N, 117.22°E）的一台远程接收机,两地直线距离约为167km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层...     

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.     

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.     

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.     

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.     

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70km高度以上出现这种显著差异（20K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（83km）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97km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83km并且伴随异常低温,而另一种位于约100km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．     

东亚MLT区域平均纬向风再评估——WINDII测量分析结果

本文利用1991年11月至1997年8月期间美国WINDII/UARS获得的风场测量数据对东亚上空纬向风进行考察. 研究结果给出了位于120°E 子午圈中90～120 km之间平均纬向风的典型结构及其季节特征,与在武汉开展流星雷达探测结果进行比较的结果说明卫星测量分析结果在对季节特征的描述方面与地基测量有相当好的一致性;较好的一致性还表现在与过去从HRDI/UARS数据中得到的月平均纬向风. 这些说明卫星探测结果有相当好的代表性. 与国际标准大气CIRA-86月平均纬向风开展比较的结果显示,从100 km高度开始这两种卫星数据分析结果都与CIRA-86结果表现出严重偏离,例如在赤道和低纬度地区某些高度,CIRA-86纬向风在全年的大部分时段中表现出与卫星数据分析结果风向不一致. 分析结果还显示WINDII纬向风和HRDI纬向风分析结果之间表现出一个幅度约20 m·s^-1的系统偏差,考虑到本文分析过程中采用了通过归并36天测量数据来消除周日变化影响的方案,同时参考其他研究工作中对MLT纬向风周日潮幅度的描述,两种卫星数据分析结果之间的系统偏差可能部分来自大气潮汐的影响.     

Validation of HRDI MLT winds with meteor radars

A validation study of the mesospheric and lower-thermospheric (MLT) wind velocities measured by the High-Resolution Doppler Imager (HRDI) on board the Upper-Atmosphere Research Satellite (UARS) has been carried out, comparing with observations by meteor radars located at Shigaraki, Japan and Jakarta, Indonesia. The accuracy of the HRDI winds relative to the meteor radars is obtained by a series of simultaneous wind measurements at the time of UARS overpasses. Statistical tests on the difference in the wind vectors observed by HRDI and the meteor radars are applied to determine whether the wind speed has been overestimated by HRDI (or underestimated by the MF radars) as previously noticed in HRDI vs. MF radar comparisons. The techniques employed are the conventional t-test applied to the mean values of the paired wind vector components as well as wind speeds, and two nonparametric tests suitable for testing the paired wind speed. The square-root transformation has been applied before the Mests of the wind speed in order to fit the wind-speed distribution function to the normal distribution. The overall results show little evidence of overestimation by HRDI (underestimation by meteor radars) of wind velocities in the MLT region. Some exceptions are noticed, however, at the altitudes around 88 km, where statistical differences occasionally reach a level of significance of 0.01. The validation is extended to estimate the precision of the wind velocities by both HRDI and meteor radars. In the procedure, the structure function defined by the mean square difference of the observed anomalies is applied in the vertical direction for the profile data. This method assumes the isotropy and the homogeneity of variance for the physical quantity and the homogeneity of variance for the observational errors. The estimated precision is about 6m s^– for the Shigaraki meteor radar, 15 m s^–1 for the Jakarta meteor radar, and 20 m s^–1 for HRDI at 90-km altitude. These values can be used ot confirm the statistical significance of the wind field obtained by averaging the observed winds.     

Regional response of the mesosphere–lower thermosphere dynamics over Scandinavia to solar proton events and geomagnetic storms in late October 2003

The short-term regional responses of the mesosphere–lower thermosphere (MLT) dynamics over Scandinavia to the exceptionally strong solar storms with their accompanying solar proton fluxes on the Earth in late October 2003 have been investigated using radar measurements at Andenes (69°N, 16°E) and Esrange (68°N, 21°E). Several solar activity storms resulted in solar proton events (SPEs) at this time, but a particularly active period of high proton fluxes occurred between 28 and 31 October 2003. The significant temperature drop (∼25 K), detected by the meteor radar at Andenes at altitude ∼90 km, was in line with the enhancement of the proton fluxes and was caused by the dramatic reduction of the ozone in the high-latitude middle atmosphere monitored by satellite measurements. This exceptionally strong phenomenon in late October 2003 was composed of three geomagnetic storms, with the first one occurring in the daytime of 29 October and the other two storms in the nighttime of 29 and 30 October, respectively. The responses of the prevailing wind and the main tides (24- and 12-h tides) were studied in detail. It was found that the response of the MLT dynamics to the first geomagnetic storm occurring in the daytime and accompanied by solar proton fluxes is very different from those to the second and third geomagnetic storms with onsets during the nighttime. Some physical mechanisms have been suggested in order to explain the observed short-term variability of the MLT dynamics. This case study revealed the impact of the SPEs observed in late October 2003 and the timing of the geomagnetic storms on the MLT neutral wind responses observed over Scandinavia.     

Meteor wind radar observations of tidal amplitudes over a low-latitude station Trivandrum (8.5°N, 77°E): Interannual variability and the effect of background wind on diurnal tidal amplitudes

Based on the horizontal winds measured using SKiYMET meteor wind radar during the period of June 2004–May 2007, the seasonal and interannual variability of the diurnal and semidiurnal amplitudes and phases in the mesospheric and lower thermospheric (MLT) region over a low-latitude station Trivandrum (8.5°N) are investigated. The monthly values of amplitudes and phases are calculated using a composite day analysis. The zonal and meridional diurnal tidal amplitudes exhibit both annual and semiannual oscillations. The zonal and meridional components of semidiurnal tide show a significant annual oscillation. The phase values of both diurnal and semidiurnal tides exhibit annual oscillation above 90 km. The effect of background wind in the lower atmosphere on the strength of diurnal tidal amplitudes in the MLT region is studied. The effect of diurnal tides on the background wind in the lower thermosphere is also discussed.     

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.     

昆明全天空流星雷达观测中高层大气温度

利用昆明电波观测站（25.6°N,103.8°E）两台不同工作频率的全天空流星雷达在2011年特殊联合观测试验期间的数据,基于Hocking的方法利用不同的温度梯度,在确定了昆明地区中层顶位于流星峰值高度之上的情况下,反演了昆明地区上空88 km和85 km高度的大气温度,并与Aura卫星观测的温度进行比较.对比研究发现,两台流星雷达可以分别正确获得88 km和85 km高度的大气温度,但其中由全球温度梯度模式反演得到的大气温度与卫星观测温度相关性不是很好,而利用卫星观测的温度梯度,两台雷达反演出的大气温度与卫星观测温度存在很好的相关性.结果表明了准确的温度梯度在流星雷达观测大气温度过程中是至关重要的.     

Measuring meridional mesospheric winds with the AMOR meteor radar

The AMOR meteor radar can measure meridional winds in the meteoric region of 80–120 km with excellent spatial resolution. This paper gives details of the Doppler section of the AMOR system. Analysis techniques are described that enable the use of very short-lived echoes, which when combined with the high sensitivity of the AMOR radar provides a large data set of wind measurements. Results for a 5 day period are presented at various heights indicating a vertically propagating semi-diurnal tide.     

Common-volume measurements of mesospheric winds: 2. Small scale structure implications

Two common volume experiments were conducted in August 1996 and July 1997 between the Durham meteor wind radar (43.1°N, 70.9°W) and the Millstone Hill incoherent scatter radar, (42.6°N, 71.5°W) to compare the techniques in measuring neutral winds at an altitude of 100 km. For this comparison the vertical winds are assumed to be zero and only the horizontal components of the radar line of sight velocities are used. Analysis of the data reveals overall general agreement, but some large deviations in the wind components are observed at specific times and these are examined closely. Error analysis of the radar measurements is presented here, and emphasis is placed on the careful delineation of the effect of spatial variations in the wind field observed by the two radars. Since the spatial resolution of both radars is<3 km both horizontally and vertically, some of the three dimensional properties of the horizontal wind component can be estimated. For the incoherent scatter radar with its narrow steerable beam, the spatial location of the sampling points could be chosen; however, finer sampling of the wind field results in more temporal smearing due to the fixed measurement time for each point. For the meteor radar the spatial sample points occur randomly within the system beam since they depend on the chance location of observed meteor trails. Both systems spatially undersample the wind field in most cases, but with careful consideration of the system errors for both radars, it is shown that small scale (∼10 km) wind variations must exist at these altitudes with rms velocity differences of ∼25 m/s.     

HWM07模式风场在高度60～100km的精度及建模初步研究

HWM07模式是一个应用广泛的国际标准参考大气风场模式,其在航天飞行器的设计阶段具有重要作用.因此,研究该模式风场精度具有重要意义,本文以廊坊中频雷达的风场资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,研究HWM07模式风场在高度60～100km的精度,最后,对本文建立的60～100km风场预报模型(UV_(DerM)模型)精度进行分析.结果表明,在高度60～100km范围内,(1)HWM07模式的纬向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为14.0039 m·s-1、34.4750 m·s-1、0.1832、-75.4822%,经向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为-2.0019m·s-1、25.3689m·s-1、0.1442、-88.9980%;经向风、纬向风的统计特征均与高度、季节有密切关系;(2)Lomb-Scargle周期图结果表明,中频雷达、HWM07模式风场在同一高度层显著(通过90%显著性检验)含有的波周期及功率谱存在较明显差异,不同高度、不同季节显著含有的波周期和功率谱也存在明显差异;(3)在高度86～92km,准全日潮汐波、准半日潮汐波分别在冬季、夏季的HWM07模式风场变化特征中为主要作用,而对中频雷达风场变化特征起主要作用的大气波动特征与高度、季节有关;(4)相对于HWM07模式风场,由UVDerM模型得到的纬向风更接近实况资料,但经向风无改进效果.