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.     

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2000年5月美国新墨西哥州Starfire Optic Range (SOR：35°N,106.5°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5.06×109cm-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91.60km. 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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12—16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4—5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5—8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

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.     

子午工程二期漠河大气风温金属成分激光雷达钙原子初步观测结果

子午工程二期漠河(122°E,53°N)大气风温金属成分激光雷达利用高空大气金属层共振荧光散射机制探测80～120 km区域的金属层成分，并将这些金属成分作为示踪物去研究中高层大气的各种复杂的化学和动力学过程.子午工程二期漠河钙原子激光雷达采用的时间分辨率为1.1 min，空间分辨率为30 m.在这种高时空分辨率下，仍然得到了高信噪比信号.通过对2023年1月钙原子数密度随时间和高度的演化过程进行分析，发现背景层钙原子峰值密度达到了33.55 cm^-3左右，并且其突发层钙原子峰值密度可以达到约53.64 cm^-3；在与延庆(116.0°E,40.5°N)钙原子数密度的比较研究中，我们发现延庆的钙原子数密度小于漠河的钙原子数密度；在与国外台站钙原子观测的比较研究中，我们发现漠河钙原子数密度和德国Kuhlungsborn(54°N,12°E)台站的钙原子数密度接近，比法国的Observatoire de Haute Provence(44°N,6°E)台站的钙原子数密度大.在2023年1月12日至14日，我们观测到了钙流星尾迹，并且流星尾迹往往出...     

东经120°E中间层和低热层大气潮汐及其季节变化特征

利用为期一年的卫星遥感温度(SABER/TIMED)资料重建了120°E子午圈内中间层和低热层大气潮汐各主要频率分量(周日、半日和8小时潮汐).这些主要频率分量随高度振幅增大,在97km高度达到显著的振幅;其中迁移性周日潮汐在97km高度出现极大振幅,然后随高度衰减.本文从考察迁移性成分和非迁移性成分各自在总潮汐中贡献角度出发,着重讨论了那些对形成该子午圈中97km高度上整体潮汐扰动起控制作用的潮汐成分.结果显示,对周日和半日频率这两种潮汐而言,迁移性成分控制了它们的总体时空分布.在春分季节,迁移性周日潮的控制作用最显著,决定了赤道和两半球热带的活动中心;其中北半球副热带地区的季节变化形势与以往利用武汉(30°N,114°E)流星雷达风测量资料开展分析得到的结果是一致的;其他季节受非迁移性成分明显影响,例如,在本文关注的2005年中,夏至季节受(1,0)模、(1,-3)模和(1,-2)模的共同影响形成了从赤道向南延伸的活动中心,极值中心位于赤道附近,振幅达到了20K以上,是全年的最大值.受迁移性成分控制,半日潮活动主要出现在两半球热带地区,北半球活动中心位于秋分季节(振幅达到13K),南半球活动中心位于春分和夏至之间.其他季节受非迁移成分的影响,形成若干分布在两半球的活动中心.在本文关注的40°S~40°N范围内,与周日潮和半日潮相比,8小时潮汐具有显著较低的振幅;另外,虽然迁移性成分在一年中的大部分时间系统地分布在两半球热带地区,但是非迁移成分具有与迁移性成分相当或更大的振幅,在整体上控制了这种潮汐的时空分布.     

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.     

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...     

东经120°E中间层和低热层大气潮汐及其季节变化特征

利用为期一年的卫星遥感温度（SABER/TIMED）资料重建了120°E子午圈内中间层和低热层大气潮汐各主要频率分量（周日、半日和8小时潮汐）.这些主要频率分量随高度振幅增大，在97 km高度达到显著的振幅；其中迁移性周日潮汐在97 km高度出现极大振幅，然后随高度衰减.本文从考察迁移性成分和非迁移性成分各自在总潮汐中贡献角度出发，着重讨论了那些对形成该子午圈中97 km高度上整体潮汐扰动起控制作用的潮汐成分.结果显示，对周日和半日频率这两种潮汐而言，迁移性成分控制了它们的总体时空分布.在春分季节，迁移性周日潮的控制作用最显著，决定了赤道和两半球热带的活动中心；其中北半球副热带地区的季节变化形势与以往利用武汉（30°N，114°E）流星雷达风测量资料开展分析得到的结果是一致的；其他季节受非迁移性成分明显影响，例如，在本文关注的2005年中，夏至季节受（1，0）模、（1，-3）模和（1，-2）模的共同影响形成了从赤道向南延伸的活动中心，极值中心位于赤道附近，振幅达到了20 K以上，是全年的最大值.受迁移性成分控制，半日潮活动主要出现在两半球热带地区，北半球活动中心位于秋分季节（振幅达到13 K），南半球活动中心位于春分和夏至之间.其他季节受非迁移成分的影响，形成若干分布在两半球的活动中心.在本文关注的40°S～40°N范围内，与周日潮和半日潮相比，8小时潮汐具有显著较低的振幅；另外，虽然迁移性成分在一年中的大部分时间系统地分布在两半球热带地区，但是非迁移成分具有与迁移性成分相当或更大的振幅，在整体上控制了这种潮汐的时空分布.     

基于COSMIC掩星观测的中国内陆Es分布统计研究

我们采用COSMIC掩星系统提供的2009年1月1日至2010年12月31日的GPS信号信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）的观测数据,通过计算SNR数据的归一化标准差对80~130 km高度范围内的中国内陆偶发E层（Sporadic E,Es）的空间分布以及垂直厚度等特性进行分析研究,获得了Es发生率的空间分布以及发生率随着季节的变化特征.中国内陆30°N纬线以上区域Es分布随季节变化较为明显,夏季最多,秋季次之,春冬季最少,而南部低纬地区发生率水平常年较高.一般情况下Es主要存在于90~110 km高度范围内,但在夏季100 km高度以下探测到了较多的Es事件,且主要表现为多层Es结构,可能是由大气重力波引起Es下行运动所致.Es厚度的分布统计表明：大结构Es的厚度分布在2.5~3 km范围内存在峰值,小结构Es厚度分布峰值出现在150~200 m范围内.     

中国不同纬度背景Na层夜间和季节变化特征的激光雷达研究

基于子午工程的北京、合肥和海南三个Na荧光激光雷达对中国不同纬度上空夜间背景Na层的长期观测,分析了我国沿东经120°N上空Na层的夜间变化和季节变化特征.对照2010年12月17日夜间三个雷达站的观测结果,发现三个地方Na层的夜间变化并不具有相关性.Na层长期变化的年加半年变化拟合结果显示,北京和合肥上空Na层柱密度具有明显的年变化特点,而海南上空Na层柱密度的半年变化特征更明显; Na层的质心高度和RMS宽度具有明显的半年变化特点,但海南地区Na层的RMS宽度的长期变化不具有半年变化特征.Na层参数的统计和对照显示,Na层柱密度的季节变化与大气温度季节变化相关,在冬季最大,在夏季最小.Na层柱密度随纬度升高而增大,同时年变化性逐渐增强;质心高度随纬度变化趋势不明显,但三个地方Na层质心高度的长期变化都具有较明显的半年变化特征;在各个月份中,北京地区Na层RMS宽度最大,合肥地区Na层RMS宽度最小,海南地区居中.     

华北地区地壳上地幔三维P波速度结构

利用华北地震科学台阵和首都圈地震台网记录的4511次近震和625次远震的P波到时数据,采用纬度和经度方向分别为0.5°×0.5°的网格划分,反演得到了华北北部地区(111°E—120°E,37°N—42°N)深至400km的地壳上地幔三维P波速度结构.层析成像结果表明,研究区的速度存在明显的横向不均匀性,随着深度增加横向不均匀性总体呈现减弱趋势.燕山隆起带在60—120km深度内存在明显的高速异常,这与较大的岩石圈厚度有关;山西裂陷盆地、华北平原下方60km深度存在明显低速异常,与软流圈的出现有关.燕山隆起带岩石圈厚度在120km以上,明显比太行山隆起的岩石圈厚度大,与稳定大陆地区的岩石圈厚度一致.太行山山前断裂已切穿莫霍面,贯入岩石圈.研究区上地幔顶部大范围的低速异常反映了软流圈上隆的特点.在华北平原及燕山隆起下方200—300km存在高速异常可能与太古代大陆板块岩石圈的残留体有关.     

顶部电离层电子密度和温度的统计背景及其地磁活动变化

通过对DEMETER卫星从2004年11月7日至2005年11月30日期间探测到的710 km高度顶部电离层的电子数据进行网格化(纬度2°×经度4°)统计平均,本文分析了不同地磁条件下顶部电离层电子密度和温度的全球分布情况.不论是在地磁宁静还是地磁活动期间,顶部电离层电子密度的分布都存在着一个巨大的威德尔海异常(夜间电...     

中国西部及邻区岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用瑞利波群速度频散资料和层析成像方法,研究了中国西部及邻近区域(20°N—55°N,65°E—110°E)的岩石圈S波速度结构.结果表明这一地区存在三个以低速地壳/上地幔为特征的构造活动区域:西蒙古高原—贝加尔地区,青藏高原,印支地区.西蒙古高原岩石圈厚度约为80 km,上地幔低速层向下延伸至300 km深度,说明存在源自地幔深部的热流活动.缅甸弧后的上地幔低速层下至200 km深度,显然与印度板块向东俯冲引起俯冲板片上方的热/化学活动有关.青藏高原地壳厚达70 km,边缘地区厚度也在50 km以上并且具有很大的水平变化梯度,与高原平顶陡边的地形特征一致.中下地壳的平均S波速度明显低于正常大陆地壳,在中地壳20~40 km深度范围广泛存在速度逆转的低速层,这一低速层的展布范围与高原的范围相符.这些特征说明青藏高原中下地壳的变形是在印度板块的北向挤压下发生塑性增厚和侧向流动.地幔的速度结构呈现与地壳显著不同的特点.在高原主体和川滇西部地区上地幔顶部存在较大范围的低速,低速区范围随深度迅速减小;100 km以下滇西低速消失,150 km以下基本完全消失.青藏高原上地幔速度结构沿东西方向表现出显著的分段变化.在大约84°E以西的喀喇昆仑—帕米尔—兴都库什地区,印度板块的北向和亚洲板块的南向俯冲造成上地幔显著高速;84°E—94°E之间上地幔顶部速度较低,在大约150~220 km深度范围存在高速板片,有可能是俯冲的印度岩石圈,其前缘到达昆仑—巴颜喀拉之下;在喜马拉雅东构造结以北区域,存在显著的上地幔高速区,可能阻碍上地幔物质的东向运动.川滇西部岩石圈底界深度与扬子克拉通相似,约为180 km,但上地幔顶部速度较低.这些现象表明青藏高原岩石圈地幔的变形/运动方式可能与地壳有本质的区别.     

ZH-1卫星得到的中国及邻区顶部电离层背景特征

利用ZH-1(CSES)卫星LAP载荷原位电子密度数据对中国及邻区(0°-54°N,70°-140°E)的顶部电离层背景分布及随季节变化进行了详细分析,研究结果显示:(1)研究区赤道异常的纬度延伸范围、随经度分布形态及它们的季节变化,具有与其他研究结果一致的规律性.(2)中纬度区,白天电子密度存在一个低值带,夜间电子密...