基于荧光激光雷达探测的中高层大气金属层结构及其机制研究

发布时间：2017-10-15 00:34

  本文关键词：基于荧光激光雷达探测的中高层大气金属层结构及其机制研究

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【摘要】：大气金属层的研究经过几十年的发展,取得了很多进展,但是还有不少问题需待解决。在大气金属原子离子相互转化的前提下,如何准确地从示踪剂-大气金属原子浓度的变化过程中提取出动力学参数?大气金属原子层突发是如何形成的?高空中是否还存在着我们不知道的金属源及相应的触发机制?虽然Es中金属离子转化为原子的机制已逐渐占据主导地位,但并非所有的钠原子突发现象都完全由Es形成。大气金属原子离子的具体化学反应过程是什么?相应的化学反应系数是多少?这对化学反应过程的准确估计,对模型模拟有十分重要的意义。从探测角度来说,由于国内外都主要以钠层激光雷达为主,只有较少数的几台铁、钾、钙激光雷达,并且这几台激光雷达很少能做到常规观测,所以探测手段过于单一,不能为科学研究提供足够的探测数据,严重地限制了大气金属层及高层大气的研究。子午工程激光雷达链的建立,为大气金属层机制的研究提供了有效的观测依据。本文详细介绍了120°E子午链附近子午工程三个激光雷达台站上空钠层突发各自的特性及相互之间的异同性。从中纬度的较高纬度到低纬度,各个台站的钠层突发出现率分别是:1 event/17 h(北京40.2°N)、1event/8 h(武汉30.5°N)、1event/5 h(海口19.5°N),钠层突发平均出现率呈现随纬度递减而递增的趋势。北京和海南的突发钠层的峰值高度平均值都是约95 km,比武汉的平均值高约2 km;随纬度递减,钠层突发的半宽越来越窄;各台站钠层突发强度因子的分布趋势类似;低纬度海口上空钠层突发事件的平均持续时间最长。钠层突发出现率的夜间分布趋势在个各台站的各个季节都有所不同。通常,各个台站钠层突发出现率在夏季月份都比较大。但是在低纬度海口上空,钠层突发不呈现这样的季节变化趋势,它的出现率最大是在1-2月份。北京和武汉两地的钠层突发和偶发E层的季节相关性较好,海口的钠层突发和偶发E层的季节相关性较差,但是海口的偶发E层出现率最大。海口上空偶发E层和大气风场的关系表明,低纬度钠层突发的形成也受潮汐风场和风剪切的影响。低纬度钠层突发的机制研究是一个值得再深入探讨的方向。基于北京延庆站经升级改造后的Na-K同时探测激光雷达,我们首次详细探讨了钾层突发的一些基本特性,并将北京上空的钾层突发和钠层突发的特性做了对比分析。选取的数据是2010年11月至2011年12月和2013年5月至2014年4月期间激光雷达的钠层和钾层数据。钾层突发的平均出现率约2.9%,钠层突发的出现率约5.9%。钾层突发和钠层突发呈现完全不同的季节变化。钠层突发出现率最大值在6-7月份,最小值在1-2月份,而钾层突发出现率最大值在1-2月份。钠层突发出现率的季节变化趋势与其他中纬度观测站类似,但是,钾层突发的季节变化规律不仅与钠层突发的不同,也与Arecibo站观测到的钾层突发的季节变化趋势不同。大部分钾层突发的峰值高度在93 km左右,比钠层突发峰值高度的平均值(95 km)低约2 km。钾层突发半高全宽的平均值(0.9 km)比钠层突发的(1.7 km)窄。钾层突发强度因子的平均值也稍稍比钠层突发的大;钾层突发和钠层突发事件的总持续时间类似,约1-3 h。但是,钾层突发事件的生成时间大于消逝时间,钠层突发的情况恰好与之相反。钾层突发的峰值密度平均约是钠层突发的1/10,但是有两天夜间有密度很高的钾层突发事件发生(1000 cm-3),其量级可与钠层相比拟,前人报道的钾层密度都在15-300 cm-3,这是首次观测到如此之大的钾层密度。在钾层和钠层同时明显出现的示例中,钾层突发事件往往需要更长的时间到达峰值密度最大处。钾层突发和钠层突发特性的同时同地观测会有利于不同金属层特性形成机制的研究。低纬度海口的钠层突发有其特殊性,而且基于海口两年的激光雷达观测数据,发现了14个C-Nas事件。Clemsha[2004]指出,C-Nas与Es、波破碎和KH不稳定都呈现弱相关。C-Nas与大气风场密切相关:最初有一个密度增大的钠云,水平尺度约50 km,垂直高度范围约10 km,风剪切扰动作用于这团钠云,从而形成钠层时间高度演化图中显现的C型结构。但是我们的初步观测结果显示,C-Nas与FAI也有一定的相关性。
【关键词】：Na荧光激光雷达 Na-K同时探测激光雷达 钠层突发 钾层突发 偶发E层
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P412.25
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第一章 引言17-33
• 1.1 中高层大气探测研究背景及现状17-20
• 1.1.1 地球大气17-18
• 1.1.2 中高层大气探测18-20
• 1.2 激光雷达探测20-26
• 1.2.1 光与大气的相互作用机制20-24
• 1.2.2 大气探测激光雷达分类24-26
• 1.3 荧光激光雷达对大气金属层的探测26-30
• 1.4 本文的研究动机和主要内容30-33
• 第二章 子午工程中高层大气探测激光雷达原理及反演方法33-49
• 2.1 子午工程激光雷达33-41
• 2.1.1 发射单元36-38
• 2.1.2 接收单元38
• 2.1.3 数据采集和系统控制单元38-41
• 2.2 大气探测激光雷达方程41-46
• 2.2.1 激光雷达方程42-43
• 2.2.2 钠荧光激光雷达方程和钾荧光激光雷达方程43-46
• 2.3 探测性能与探测结果46-48
• 2.4 小结48-49
• 第三章 子午链钠层突发特性及其变化规律49-74
• 3.1 钠层突发的定义及研究意义49-50
• 3.2 钠层突发的研究历程及可能形成机制50-54
• 3.3 子午链各台站的基本参数比较54-69
• 3.3.1 钠层突发的基本参数54-58
• 3.3.2 钠层突发出现率的夜间变化58-61
• 3.3.3 钠层突发与Es的相关性分析61-69
• 3.4 低纬度海.站上空钠层突发与大气风场的相关性69-72
• 3.5 讨论与小结72-74
• 第四章 基于Na-K同时探测激光雷达的金属层特性研究74-97
• 4.1 钾层突发的定义及研究历程74-78
• 4.2 钾层突发的一般报道78-85
• 4.3 钾层突发与温度的相关性85-87
• 4.4 钾层突发与钠层突发的异同87-95
• 4.5 讨论与小结95-97
• 第五章 低纬度复杂形态钠层结构的机制分析97-105
• 5.1 C型结构97-101
• 5.2 与大气风场的关系101-103
• 5.3 与场向不规则结构的关系103-105
• 第六章 总结与展望105-110
• 6.1 总结105-108
• 6.2 未来工作展望108-110
• 参考文献110-121
• 作者简介121-122
• 发表/待发表文章122
• 参加学术会议122-123
• 致谢123-124

【参考文献】

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1 杨国韬,刘炳模,王嘉珉,傅利平,徐寄遥,程学武,万卫星,龚顺生;根据激光雷达观测结果研究中国武汉地区钠层的分布[J];地球物理学报;2003年05期

2 邓淑梅;陈月娟;陈权亮;毕云;;平流层爆发性增温期间行星波的活动[J];大气科学;2006年06期

3 陈洪滨;;中高层大气研究的空间探测[J];地球科学进展;2009年03期

4 刘毅;刘传熙;陆春晖;;平流层爆发性增温中平流层环流及化学成分变化过程研究[J];地球科学进展;2009年03期

5 夏俊荣;张镭;;Mie散射激光雷达探测大气气溶胶的进展[J];干旱气象;2006年04期

6 迟如利;吴德成;刘博;周军;;双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性[J];光谱学与光谱分析;2009年06期

7 吴永华,胡欢陵,周军,胡顺星,张民;L625激光雷达探测平流层气溶胶[J];光学学报;2001年08期

8 龚少华;杨国韬;徐寄遥;薛向辉;焦菁;田大伟;傅军;刘正宽;;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[J];地球物理学报;2013年08期

9 龚顺生,曾锡之,薛新建,郑文钢,胡志林,贾汉春,张海枝,刘谊平;中国武汉上空钠层的首次激光雷达观测[J];中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学);1997年04期

10 伯广宇;谢晨波;刘东;陈涛;王邦新;王珍珠;钟志庆;周军;;拉曼激光雷达探测合肥地区夏秋季边界层气溶胶的光学性质[J];中国激光;2010年10期

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1 杨国韬;中国武汉上空钠层的激光雷达观测、特性分析及理论模拟[D];中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）;2001年

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本文编号：1034094