基于鈉激光雷達觀測數(shù)據(jù)的中間層頂大氣溫度分布特性研究*

郭商勇 胡 雄 閆召愛 程永強 涂 翠

(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 空間天氣學(xué)國家重點實驗室 北京 100190)

(中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室 北京 100190)

0 引言

作為中間層與熱層的邊界層，中間層頂區(qū)域存在多種能量交換機制，例如太陽輻射、大氣分子的紅外輻射、光化學(xué)反應(yīng)、重力波和潮汐波等大氣動力學(xué)過程，這些因素都影響著該區(qū)域的大氣溫度分布特征[1]。鈉原子層正好分布于中間層頂區(qū)域，因此開展鈉層大氣溫度分布特性研究有助于更準確地掌握中高層大氣規(guī)律。

20 世紀初，研究發(fā)現(xiàn)了存在于地球上空約80～110 km 高度范圍的鈉金屬層，便開始把鈉金屬原子作為示蹤物，利用其共振熒光特性獲取該層大氣參數(shù)。對鈉原子的早期觀測主要是通過分析其對太陽光的共振散射實現(xiàn)的。1969 年Bowman 等[2]首次利用激光雷達實現(xiàn)了鈉層觀測。隨后，鈉熒光激光雷達的研究不斷深入，并逐步改進觀測技術(shù)。早期的鈉熒光激光雷達受激光器技術(shù)的限制，只能探測鈉原子密度。隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，在20 世紀80 年代，采用窄線寬激光器，成功研制了可同時探測鈉層大氣溫度和三維風(fēng)場的鈉熒光多普勒激光雷達[3-5]。鈉熒光激光雷達具有高探測精度和高時空分辨率的特點，是可實現(xiàn)中間層頂大氣常規(guī)觀測的重要設(shè)備，其探測數(shù)據(jù)已被廣泛用于地球大氣特性的研究[6，7]。

本文利用中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心部署在河北廊坊臨近空間大氣探測站（39°N，116°E）的鈉熒光多普勒激光雷達的探測數(shù)據(jù)，研究了2013 年廊坊上空鈉層大氣溫度的年度和季節(jié)分布特性，并分析了影響溫度分布的多種因素。

1 激光雷達系統(tǒng)的組成及探測數(shù)據(jù)

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心于2011 年成功研制了中國首臺車載鈉熒光多普勒激光雷達，部署于中國科學(xué)院廊坊臨近空間大氣探測站開展中高層大氣觀測[8]。該激光雷達采用三頻探測技術(shù)，發(fā)射位于鈉原子D2譜線上三個頻點的窄線寬脈沖激光束，激發(fā)高空鈉原子產(chǎn)生共振熒光散射信號，通過分析后向散射信號的多普勒展寬和多普勒頻移，反演出鈉層大氣的溫度、風(fēng)場及鈉原子密度三個參量。廊坊鈉熒光多普勒激光雷達的系統(tǒng)參數(shù)列于表1。

表1 廊坊鈉熒光多普勒激光雷達系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Langfang sodium fluorescence Doppler lidar system parameters

本文利用廊坊鈉激光雷達在2013 年間單次觀測時長大于3 h，共24 個夜晚、115 h 的有效探測數(shù)據(jù)，對廊坊上空的大氣溫度分布特性進行分析研究。

2013 年廊坊鈉激光雷達探測數(shù)據(jù)在每個月份的分布情況如圖1 所示。激光雷達原始數(shù)據(jù)的積分時間為1 min，積分高度76.5 m。為減小反演誤差，數(shù)據(jù)處理時將每個廓線對積分時間累加為15 min、積分高度累加為306 m。日平均值由每日所有溫度廓線值相加除以廓線數(shù)得出，月平均值由一個月中所有日平均值廓線累加除以天數(shù)得出，年平均值則由月平均值計算得出。

圖1 2013 年廊坊鈉激光雷達探測數(shù)據(jù)時間分布Fig. 1 Monthly observation hours and nights of sodium lidar for Langfang in 2013

圖2 為2013 年廊坊鈉原子數(shù)密度的年平均值分布廓線，廓線呈高斯?fàn)罘植迹敫邔捈s12 km，鈉原子數(shù)密度最大值約為3.15×109m–3，中心高度約為91.5 km。數(shù)據(jù)結(jié)果與其他站點鈉激光雷達觀測結(jié)果一致[9]，表明探測數(shù)據(jù)可靠。

圖2 2013 年廊坊鈉原子數(shù)密度年平均值分布廓線Fig. 2 Annual mean number density profile of sodium atoms for Langfang station in 2013

2 中間層頂年均溫度分布特性

圖3 給出了廊坊鈉激光雷達獲取的83～105 km鈉層大氣溫度年平均值廓線， 誤差棒代表對應(yīng)高度大氣溫度的標(biāo)準偏差。鈉層大氣溫度年平均分布特性可在以下三個高度范圍內(nèi)進行研究。（1） 83～87.5 km。大氣溫度隨高度增加而減小，此分布特征由平流層頂一直延續(xù)至此。這是由于該高度范圍內(nèi)大氣的熱量主要來源于O3對太陽紫外輻射的吸收，而O3的密度隨著高度升高而減小，則吸收的太陽輻射也隨之減少，因此形成了大氣溫度隨高度增加逐漸降低的現(xiàn)象[10]。

圖3 2013 年鈉激光雷達和SABER 探測的廊坊中間層頂區(qū)域大氣溫度年平均值廓線Fig. 3 Annual mean temperature profiles of Langfang mesopause region in 2013, detected by Na lidar and SABER respectively

（2） 87.5～97.5 km。大氣溫度先隨高度增加而升高，在91 km 處達到最大值198 K，然后再次隨高度增加而降低，直至中間層頂。中間層頂?shù)哪昶骄叨燃s為97.5 km，溫度值約為191.2 K。在此高度范圍內(nèi)，存在多種能量收支形式，其中O2和O3對太陽輻射的吸收是最主要的能量來源，與CO2的紅外輻射形成大氣輻射平衡，在研究中常被用來計算大氣背景溫度。此外，放熱化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致年平均溫度廓線在91 km 高度處出現(xiàn)極大值的直接原因。為研究光化學(xué)反應(yīng)，Mlynczak 等[11]建立了中間層頂區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)模型，模型包含了太陽輻射對O2和O3的光解反應(yīng)、發(fā)生在該區(qū)域的Ox與Hx等粒子間的多種化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果表明，中緯度地區(qū)上空的化學(xué)反應(yīng)加熱率在91 km 附近達到最大值，約為10 K· d–1，表明光化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致該高度大氣溫度升高，這與廊坊激光雷達觀測數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致。

（3） 97.5 km 以上。大氣溫度隨高度而急劇升高，在鈉層頂部，達到224 K。中間層頂以上大氣密度極為稀薄，能量主要來源于氧原子對太陽極紫外輻射的吸收，且受太陽活動影響較大。

數(shù)據(jù)對比表明，廊坊激光雷達的年平均溫度結(jié)果與位于同緯度的美國Fort Collins （40.6°N，105°W）的鈉激光雷達溫度數(shù)據(jù)結(jié)果一致[12]。圖3 同時給出了TIMED/SABER 衛(wèi)星探測的廊坊上空溫度的年平均值廓線，SABER 數(shù)據(jù)選取原則為：地理位置以廊坊鈉激光雷達觀測點為中心，緯度39°±2°N、經(jīng)度116°±4°E 范圍內(nèi)；數(shù)據(jù)探測時間與鈉激光雷達同日；數(shù)據(jù)平均值處理方法與鈉激光雷達相同。由圖3 可以看出，兩條溫度廓線的變化趨勢保持一致，尤其在87～98 km 高度范圍內(nèi)，溫度差維持在±3 K 范圍內(nèi)。87 km 以下和98 km 以上區(qū)域，兩條溫度廓線的差值逐漸增大，這是因為激光雷達的測量精度與鈉原子密度有關(guān)，而在鈉層上下邊緣鈉原子密度減小，導(dǎo)致激光雷達數(shù)據(jù)誤差增大；在此高度，尤其鈉層上邊緣區(qū)域，稀薄的大氣密度也會導(dǎo)致用于SABER 反演溫度的波段偏離局部熱力學(xué)平衡，使溫度測量偏差增大[13]。

3 鈉層大氣溫度季節(jié)分布特性

利用鈉層大氣溫度的月平均值和溫度擬合公式分析鈉層大氣溫度的季節(jié)分布特性，擬合公式為

式中，x為 月份，y(x)為對應(yīng)月份的大氣溫度數(shù)值，A0為 溫度的年平均值,A1和A2分別為溫度年變化和半年變化的幅值,φ1和φ2分別為溫度年變化和半年變化的相位。

上述擬合公式考慮了溫度的年變化和半年變化[14]，以月份為變量擬合出每個高度上溫度變化的幅值和相位，再由擬合參數(shù)計算溫度的月平均值，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出中間層頂?shù)募竟?jié)變化特點，中間層頂在冬季位于99 km，最低溫度181 K。冬季過后，中間層頂迅速降至夏季高度88 km，溫度177 K，并在此高度持續(xù)整個夏季，然后在秋季又逐漸上升至冬季的高度。中間層頂這一季節(jié)性變化是太陽輻射和大氣波動共同作用的結(jié)果。地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)影響著地球?qū)μ栞椛涞慕邮?，夏季半球接收的太陽輻射多，則地表溫度較高，氣流以絕熱膨脹的方式從大氣層底部向上傳輸，形成重力波，所經(jīng)過區(qū)域大氣溫度降低。隨著大氣密度減小，重力波在90 km 附近不能繼續(xù)向上傳輸，并在此區(qū)域耗散。而在100 km 以上，由于氧原子吸收了大量的太陽紫外輻射，大氣溫度較高。在兩種因素共同作用下，使得中間層頂基本維持在90 km 以下高度。

在冬季，自對流層向上傳輸?shù)闹亓ΣúㄗV較寬，由此引起的降溫效應(yīng)微弱，中間層頂區(qū)域大氣溫度主要受O3吸收大氣輻射影響。而由于O3濃度隨高度降低，大氣溫度也逐漸降低[15]。至100 km 以上，大氣溫度由于氧原子大量吸收太陽輻射而升高，因此中間層頂位于約100 km 高度以下位置。

由圖4 可以看出，鈉層大氣氣溫在秋季較高。有研究認為，這是由于重力波與周日遷移潮汐發(fā)生非線性相互作用，造成周日遷移潮汐在此處破碎釋放能量，從而引起溫度升高的結(jié)果[16]。

圖4 2013 年廊坊上空鈉層大氣溫度月平均擬合值分布Fig. 4 Distribution of monthly average fitted values for atmospheric temperature in the sodium layer over Langfang in 2013

圖5 給出了2013 年廊坊4 個季節(jié)的平均溫度廓線。由圖5 可明顯看出，冬夏兩季的中間層頂分別位于兩個不同的高度，而春秋兩個季節(jié)均存在兩個溫度低點，表現(xiàn)為冬夏兩季溫度分布的過渡。

圖5 2013 年廊坊上空鈉層大氣溫度季節(jié)平均值廓線Fig. 5 Seasonal mean temperature profiles in the sodium layer over Langfang in 2013

4 鈉層大氣溫度的擾動特性

為研究鈉層大氣溫度的年變化特性，由擬合公式提取出鈉層大氣月均溫度的變化幅值和相位。2013 年廊坊鈉層溫度的年變化及半年變化幅值隨高度分布廓線如圖6 所示。由圖6 可見，溫度年變化的最大幅值位于87 km 高度處，約為16.5 K；最小值位于95.5 km 高度處，約為2.4 K。其中溫度的半年變化幅值較小，僅在95～99 km 高度范圍內(nèi)與年變化幅值相當(dāng)，這一特性在圖4 中也顯現(xiàn)出來，大氣溫度在這一高度范圍表現(xiàn)出較為明顯的半年分布特征。

圖6 2013 年廊坊鈉層溫度年變化和半年變化的幅值廓線Fig. 6 Amplitude profiles of annual and semi-annual temperature changes in sodium layer 2013

溫度擬合公式中的相位分布可用來分析影響溫度變化的因素，相位對應(yīng)著溫度變化最大的月份。如前所述，通常將中間層頂區(qū)域大氣對太陽輻射的吸收和大氣分子紅外輻射的綜合效應(yīng)作為大氣背景溫度，其他因素引起的溫度變化作為溫度擾動。分析圖7中相位的年度分布可以看出，中間層頂區(qū)域上半部分的相位位于夏季，而夏季是太陽輻射最強烈的季節(jié)，表明溫度變化與太陽輻射同相，太陽輻射是中間層頂上部的主要影響因素。在中間層頂區(qū)域下部，溫度變化不再與太陽輻射同相，根據(jù)本文上述分析，大氣動力學(xué)因素是影響此高度范圍內(nèi)大氣溫度分布的主導(dǎo)因素。

圖7 2013 年鈉層溫度年變化和半年變化的相位廓線Fig. 7 Phase profiles of annual and semi-annual temperature changes in sodium layer 2013

5 結(jié)論

通過分析中國科學(xué)院廊坊臨近空間大氣探測站鈉激光雷達2013 年間的觀測數(shù)據(jù)，給出了廊坊上空鈉層大氣溫度的年度及季節(jié)分布特征。分析了太陽輻射、大氣動力學(xué)及光化學(xué)反應(yīng)對中間層頂區(qū)域溫度分布的影響，并從波動理論的角度分析了鈉層區(qū)域大氣溫度的年變化和半年變化特征。由于中間層頂區(qū)域大氣溫度分布受多種因素影響，且探測手段不多，因此掌握的數(shù)據(jù)較少。地基鈉熒光多普勒激光雷達仍然是目前、甚至未來一段時間內(nèi)可連續(xù)開展中間層頂區(qū)域大氣觀測的重要設(shè)備。積累更多的探測數(shù)據(jù)有助于開展中間層頂區(qū)域大氣溫度和氣候研究，也可為建立更準確的大氣模型提供數(shù)據(jù)支持。