北京上空钾层的激光雷达观测与研究

发布时间：2017-12-26 12:13

  本文关键词：北京上空钾层的激光雷达观测与研究　出处：《中国科学院国家空间科学中心》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：本文介绍了子午工程北京钠钾同时观测激光雷达(40.41°N,116.01°E),其工作波长分别是589 nm和770 nm。详细的给出了钾层密度反演的数据处理方法,重点强调了钾原子D1线有效后向散射截面的计算和参考高度处原始光子数的拟合。钾层的观测时间是2010年11月至2011年10月和2013年5月至2014年4月两个完整的年周期,共220个观测夜晚,有效观测时长为1250.8小时。对钾层的观测有助于我们研究地球大气中间层顶和低热层区域(80 105 km)的动力学和化学过程以及中性成分和电离成分之间的耦合机制。观测结果显示北京上空钾层两年夜间平均的柱密度为8.41×107 cm~(-2),峰值密度为80 cm~(-3),质心高度为89.7 km,RMS宽度为4.5 km。钾原子的浓度具有非常明显的半年变化周期,冬夏极大,春秋极小。柱密度和峰值密度冬夏极大,春秋极小。质心高度则是春秋极大,冬夏极小。RMS宽度呈现较弱的半年变化特征,冬季比夏季大,夏季比春秋大。北京上空钾层的季节变化与其他台站的观测结果基本一致,但不同的是北京上空钾原子浓度冬季比夏季大。在两年的钾层观测数据中,我们发现了一种特殊的钾层。这种特殊的钾层具有如下特征:钾原子浓度逐渐增加;峰值密度所在高度不断下降;在钾层的下部,钾原子浓度随高度迅速增加;而在钾层的上部,钾原子浓度缓慢降低。我们称这种特殊的钾层为“下三角钾层”。下三角钾层在一月份具有最高的出现率,并且使得钾层一月份的平均柱密度增加,质心高度降低。与同时同地观测的钠层的比较结果显示,观测到下三角钾层事件的11个夜晚中有8个夜晚并没有观测到类似的下三角钠层事件。当下三角钾层出现时,钾层柱密度显著增加,甚至翻倍,且增加的钾原子主要来自于90 km以下。而钠层的柱密度却变化不大。钾原子与钠原子的浓度比明显升高,从平时的0.01 0.02增加到最大时超过0.06。下三角钾层和大气经向风场周日潮的比较结果显示11个下三角钾层事件中的8个与大气经向风场周日潮没有直接联系。这表明大气动力学过程至少不是下三角钾层发生和发展的决定性因素。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。此模型模拟出了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。钾层的峰值密度和质心高度模拟的效果较好,柱密度和RMS宽度的模拟值比观测值偏小。模拟结果与观测并不完全吻合,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。
【学位授予单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P412.25;P35

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本文编号：1337213