龔少華，楊國韜，徐寄遙，薛向輝，焦 菁，田大偉，傅 軍，劉正寬

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

2 海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，海口 571158

3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

1 引 言

在大氣層的中層頂附近（高約80～110km），有一充滿大量金屬原子、離子及其化合物的金屬層.其中一些金屬原子（如，Na、Fe、K、Ca等）具有相對較高的粒子濃度，同時散射截面較大，可作為金屬熒光雷達(dá)的理想示蹤物質(zhì)，使得長期雷達(dá)監(jiān)測和研究中層頂附近頻繁而復(fù)雜的大氣活動和動力學(xué)過程成為可能.在各種金屬熒光雷達(dá)中，由于在金屬層中Na原子粒子濃度較高，同時散射截面較大，最容易被探測到，因此世界上最先研制出的是Na熒光激光雷達(dá)［1］.我國首臺Na熒光激光雷達(dá)（雙通道之一）于1996年在中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所建成［2］.隨后，先后建立了武漢大學(xué)激光雷達(dá)站（30.5°N，114.4°E）［3］、合肥激光雷達(dá)站（31.87°N，117.23°E）（中國科技大學(xué)）、北京激光雷達(dá)站（40.47°N，115.97°E）和海南激光雷達(dá)站（19.99°N，110.34°E）（海南師范大學(xué)）.這些雷達(dá)都達(dá)到了世界先進(jìn)水平，具有很高的時間和空間分辨率，是研究中高層大氣的有力工具.特別需要指出的是，自2010年來在國家子午工程重點項目的框架下，我們新建了北京和海南激光雷達(dá)站，在子午工程合作框架下初步完成了沿120°E中高層大氣激光雷達(dá)觀測鏈的組建工作.這使我們有能力實現(xiàn)對我國沿120°E附近Na層的變化以及其中各種大氣活動和動力學(xué)過程的長期監(jiān)測和研究.

通常認(rèn)為高空Na層的源（source）主要是宇宙塵埃和流星燒蝕（或微流星）［3－6］.Na層的匯（sink），主要是來自塵埃的吸附和通過化學(xué)反應(yīng)形成水合離子團(tuán)或氣態(tài)Na化合物［7－10］.在沒有偶發(fā)Na層和強(qiáng)烈擾動時，Na層的源和匯能形成收支平衡，能保證背景Na層總體密度相對穩(wěn)定.Na層的變化主要是由Na層中的動力學(xué)過程、光化學(xué)過程以及電離層D區(qū)和E區(qū)的帶電成分的變化所決定，主要表現(xiàn)為鈉層密度、質(zhì)心高度和RMS寬度的晝夜變化和季節(jié)變化.

Clemesha等［8］以及 Kwon 等［11］的激光雷達(dá)的觀測結(jié)果顯示Na層晝夜變化呈明顯的日潮和半日潮變化趨勢.徐寄遙等［12］的模型研究指出，在Na原子分布的峰值附近，Na層不出現(xiàn)大的晝夜變化，而在Na層的上部和下部，Na原子密度存在明顯的晝夜變化趨勢.且這種晝夜變化趨勢和Na層中的光化學(xué)過程以及D區(qū)和E區(qū)的帶電成分的晝夜變化直接相關(guān).

對于Na層的季節(jié)變化，在絕大多數(shù)地點的雷達(dá)觀測結(jié)果都顯示，Na層的季節(jié)變化具有年或半年變化趨勢.Swider認(rèn)為，Na層中Na＋O2＋M→NaO2＋M的化學(xué)反應(yīng)受Na層溫度季節(jié)性變化的影響是Na層季節(jié)性變化的主要原因［13］，Na原子數(shù)密度在冬季最大而在夏季較小.Jegou認(rèn)為，大氣溫度和大氣環(huán)流的季節(jié)性變化是Na層季節(jié)性變化的主要原因.由于大氣環(huán)流受湍流和離子曳引效應(yīng)的影響很大，能導(dǎo)致某些月份里Na層出現(xiàn)不規(guī)則變化［14］.Hichey和 Plane則認(rèn)為［15］，Na原子的產(chǎn)生和消失是由多種反應(yīng)控制的，85km以下化學(xué)反應(yīng)對Na原子的密度變化影響很大；在沒有偶發(fā)Na層的情況下，85km以上化學(xué)反應(yīng)對Na原子的密度變化影響很小，可以忽略；同時，背景大氣的溫度變化和風(fēng)場諸多因素對背景Na層變化也有影響作用.目前，這一理論為大多數(shù)研究者所接受，并用來解釋夜間Na原子數(shù)密度相對擾動的幅度在Na層低層比中層大，且越靠近中層變化幅度越小的現(xiàn)象.對于Na層質(zhì)心高度的長期變化，Clemesha等［16－17］基于近30年的雷達(dá)和汽輝觀測對照研究指出，在1972—1986期間S～ao Josédos Campos（46°W，23°S）上空的Na層質(zhì)心高度穩(wěn)定降低，呈現(xiàn)與10年太陽活動周期有關(guān)的振蕩（a 10－yr solar－cycle related oscillation）［18］.他們認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于全球變冷（globe cooling）導(dǎo)致大氣中等壓線高度下移造成的，同時受到太陽日潮（solar diurnal tide）的季節(jié)性變化的影響.

對我國上空Na層特性和大氣活動的激光雷達(dá)觀測報道主要來自于武漢［19－23］和合肥［24－26］.他們的研究指出，我國中部地區(qū)的Na層具有較明顯的日變化和季節(jié)（或準(zhǔn)季節(jié)）變化性.本文將報道來自子午工程N(yùn)a激光雷達(dá)對我國120°E附近Na層的長期觀測結(jié)果，觀測數(shù)據(jù)分別來自于北京、合肥和海南Na激光雷達(dá)站.首次報道我國中高緯度（北京延慶）、中緯度（合肥）和沿海低緯度（海口）地區(qū)上空Na層夜間變化的同時（2010年12月17日）和長期激光雷達(dá)研究結(jié)果.分析不同緯度地區(qū)Na層的夜間和季節(jié)變化特征，討論Na層季節(jié)變化的緯度相關(guān)性.

2 Na熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)、觀測數(shù)據(jù)及分析方法

三個Na熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)大致相同［2，27］，主要由Nd：YAG和染料激光器組成激光發(fā)射系統(tǒng)，射出波長為589nm的共振激光；由大口徑的望遠(yuǎn)鏡、光電倍增管、數(shù)據(jù)采集卡組成光學(xué)信號接收和采集系統(tǒng)，最終將從Na層散射回來的共振熒光信號接收并以數(shù)字信號的方式存儲在計算機(jī)里.合肥Na熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)［26］，2010年初建立的北京和海南Na熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)完全一樣，主要參數(shù)如表1.該激光雷達(dá)系統(tǒng)的高度分辨率為96m，時間分辨率為3min.

表1 北京和海南Na熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of Na fluorescence lidars at Beijingand Hainan

本文分析的數(shù)據(jù)分別是2010年4月到2011年9月北京Na熒光激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)、2006年2月到2011年12月合肥Na熒光激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)以及2010年5月到2012年3月海南Na熒光激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù).共計654個晚上（有效觀測時間超過3小時），5260小時的有效觀測數(shù)據(jù)，超過10萬個有效Na層密度廓線.此時間段內(nèi)，三個臺站夜間觀測和有效觀測時間的月份統(tǒng)計如圖1.

根據(jù)雷達(dá)方程，z高度處Na原子數(shù)密度n（z）可表示為［28］：

其中，zR為參考高度，通常取30km；n（zR）為參考高度上的大氣數(shù)密度，根據(jù) MSISE－90的結(jié)果取n（zR）＝3.828×1023m－3［29］；N（z）為z高度處距離Δz范圍內(nèi)，在Δt時間內(nèi)積累的回波光子計數(shù)（Δz和Δt分別為雷達(dá)系統(tǒng)的空間和時間分辨率）；NB為背景噪聲，NR（zR）為參考高度zR附近5km范圍內(nèi)的平均回波光子計數(shù)；σR和σS分別是大氣分子Rayleigh微分散射截面和Na熒光共振微分散射截面，Na密度反演計算中取4.012×10－32m2·sr－1和4.07×10－17m2·sr－1［30］.

Na層的變化和大氣對Na層短期動力學(xué)和化學(xué)的影響都可以通過Na層柱密度Cs、質(zhì)心高度zs和RMS寬度σ的變化來反映.這些參數(shù)可以寫成空間矩陣的表示形式［31］：

圖1 北京、合肥和海南三個臺站夜間激光雷達(dá)觀測天數(shù)和有效觀測小時數(shù)的月份統(tǒng)計圖Fig.1 Histograms of lidar observing nights（black column）and observing hours（gray column）in different months at Beijing，Hefei and Hainan

mi表示以高度z0為中心Δz0范圍內(nèi)參數(shù)計算值.通常選取z0＝90km，Δz0＝30km.則柱密度Cs，質(zhì)心高度zs和RMS寬度σ可以表示為：

3 觀測結(jié)果和討論

3.1 Na層的夜間變化

激光雷達(dá)觀測是一種主動光學(xué)探測方法，受天氣影響較大，通常只能在晴朗的夜晚進(jìn)行.在霉雨季節(jié)里，有效觀測數(shù)據(jù)往往較少.從圖1可以看出，雖然由于天氣或其它原因，我們所分析的三個觀測站的數(shù)據(jù)在全年各個月份都有相對較充足的有效觀測時間（最少月份里觀測了5個晚上，約40個小時；最多月份里累計觀測42個晚上，約370個小時）.這些觀測數(shù)據(jù)使我們有能力對我國上空Na層長期變化特性進(jìn)行有效研究.同時，三個觀測點分別位于我國的北部、中部和南端，讓同時觀測不同緯度地區(qū)上空Na層的夜間變化成為可能.但是我們發(fā)現(xiàn)，由于天氣條件不一致和設(shè)備維護(hù)等緣故，在所選取的數(shù)據(jù)時間段里，僅有3個夜晚三臺激光雷達(dá)同時進(jìn)行了有效觀測.我們就觀測效果最好的一天（2010年12月17日）的數(shù)據(jù)來分析我國上空Na層在這天夜間的變化特征.

圖2給出了2010年12月17—18日夜間北京上空Na層隨時間的變化雷達(dá)觀測結(jié)果.可以看出，由于受到一個周期約為4h的重力波調(diào)制，柱密度（CA）出現(xiàn)明顯的周期性變化.質(zhì)心高度（CH）呈振蕩變化趨勢，且在每個周期中都向下移動.RMS寬度（RMS）亦作振蕩變化，但趨勢不是很明顯.

圖3給出同一天晚上合肥上空Na層隨時間變化的雷達(dá)觀測結(jié)果.可以看出自晚間2200LT左右開始，Na層的柱密度逐漸增大，同時整個Na層的質(zhì)心高度逐漸下移，同時RMS寬度也逐漸增大.直至第二天凌晨0300LT左右，Na層的柱密度才開始逐漸減小，質(zhì)心高度逐漸上移，直至日出時刻.

圖4是當(dāng)天晚上海南上空Na層隨時間變化的激光雷達(dá)觀測結(jié)果，由于天氣的緣故，只是在晚間2000LT到第二天凌晨0215LT左右進(jìn)行了約6h的有效觀測實驗.在這段時間里，Na層密度先是逐漸增大，在2130LT左右達(dá)到最大值，然后開始逐漸減小，直至實驗結(jié)束.Na層的質(zhì)心高度變化和豐度變化趨勢較一致，也是先升高后慢慢降低.而Na層的RMS寬度變化很小，大致保持在3.7km左右.

比較三個地點的Na層觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在12月17日這天夜里，三個觀測點上空Na層變化都較平穩(wěn)，沒有明顯偶發(fā)Na層事件出現(xiàn).除了平均Na層柱密度大致相當(dāng)外，Na層參數(shù)變化沒有明顯時間上的相關(guān)性.另外，在北京觀測到了Na層中的重力波擾動，在合肥和海南卻沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象.這些表明，Na層中的大氣活動或動力學(xué)過程具有明顯的地域特性.在水平距離類似于北京、合肥和海南的不同地點，Na層夜間變化往往不具有相關(guān)性.

Clemesha等［8，16］在S～ao Josédos Campos（46°W，23°S）的全天時激光雷達(dá)研究結(jié)果表明，由于光化學(xué)反應(yīng)，Na層的質(zhì)心高度在中午時分最低，呈明顯的日變化趨勢.由于我們的雷達(dá)只在夜間觀測，難以觀測到Na層的日潮和半日潮變化趨勢.但是從圖2a、3a、4a中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天晚上三個地方上空Na原子數(shù)密度峰值所對應(yīng)的高度基本上都是隨時間逐漸降低的，具有明顯的沉降趨勢.

3.2 夜間背景Na層的長期變化

在Na層夜間觀測中，偶發(fā)Na層現(xiàn)象比較常見，其對Na層的形態(tài)和密度有顯著的影響［20］.為了背景Na層長期變化研究的可靠性，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析中，出現(xiàn)偶發(fā)Na層現(xiàn)象的時間段都被扣除.

由于以前部分Na層的激光雷達(dá)研究報道，Na層的長期變化具有較強(qiáng)的年或半年對稱性［9，16，22，31］.我們對北京、合肥和海南三地夜間觀測到的平均背景Na層數(shù)據(jù)分別作了年加半年變化擬合（annual plus semiannual fit）：

這是一種基于最小均方誤差擬合（minimum－meansquare－error）方法，A0為平均值，A1和A2分別為年變化和半年變化分量的振幅.d1和d2分別是年變化相位和半年變化相位.相應(yīng)的擬合參數(shù)值都列在表2中.

表2 年加半年擬合比較Table 2 Annual plus semiannual fit comparison

圖5給出了2010年4月到2011年9月期間北京上空背景Na層的242個夜晚觀測結(jié)果.圖5a中背景Na層柱密度（CA）的最大值為1.36×1010cm－2，出現(xiàn)在冬至日附近（12月4日）；最小值為3.95×108cm－2，出現(xiàn)在夏至日附近（6月7日）.同時表2中的年加半年擬合結(jié)果顯示，Na層的年平均柱密度為3.67×109cm－2，年變化和半年變化的最大值分別出現(xiàn)在元月8日和7日，且年變化分量占年平均值的71%，遠(yuǎn)大于半年變化所占的比重29%.擬合曲線表明從冬季到夏季北京上空背景Na層柱密度逐漸減小，從夏季到冬季Na層柱密度逐漸增大，在冬季和夏季分別出現(xiàn)最大和最小值，背景Na層柱密度的變化具有明顯的年變化特征.

圖5b中，背景Na層質(zhì)心高度（CH）最大值94.12km出現(xiàn)在3月2日，最小值較分散.表2中的擬合結(jié)果顯示，背景Na層質(zhì)心高度的年平均值為91.43km；漲落幅度相當(dāng)?。曜兓桶肽曜兓至慷贾环謩e占均值的0.45%和0.52%），但半年變化特征較明顯（半年變化幅度高出年變化分量約（A2－A1）／A1＝16.1%）；相位上，年變化分量最大值和半年變化分量最大值分別出現(xiàn)在2月25日和3月14日.這些說明，背景Na層質(zhì)心高度隨季節(jié)變化很小，相對穩(wěn)定，具有較明顯的半年變化特征.

圖5 北京上空背景Na層的柱密度（a）、質(zhì)心高度（b）和RMS寬度（c）的統(tǒng)計結(jié)果.虛線為參數(shù)的年加半年數(shù)據(jù)擬合Fig.5 Statistics of column density（a），centroid height（b）and RMS width （c）of background sodium layer over Beijing.Dash lines represent the Annual Plus Semiannual Fits to the data

圖5c中，背景Na層RMS寬度的最大值4.38km出現(xiàn)在元月18日，最小值1.97km出現(xiàn)在6月17日.表2中的數(shù)據(jù)擬合顯示，RMS寬度的年平均值為3.23km，漲落也較小，年變化和半年變化分量分別占年均值的7.1%和6.6%.相位上，擬合顯示年變化分量最大值和半年變化分量最大值分別出現(xiàn)在元月26日和17日.這些說明，背景Na層RMS寬度隨季節(jié)變化較小，年變化或半年變化特征不很明顯.

圖6 合肥上空背景Na層的柱密度（a）、質(zhì)心高度（b）和RMS寬度（c）的統(tǒng)計結(jié)果.虛線為參數(shù)的年加半年數(shù)據(jù)擬合Fig.6 Statistics of column density（a），centroid height（b）and RMS width （c）of background sodium layer over Hefei.Dash lines represent the Annual Plus Semiannual Fits to the data

圖6是2006年2月份到2011年12月份合肥上空背景Na層的206天觀測統(tǒng)計結(jié)果.圖6a中，背景 Na層的柱密度最大值5.47×109cm－2，出現(xiàn)在10月14日；最小值為1.89×108cm－2，出現(xiàn)在9月13日.表2中的擬合結(jié)果顯示，合肥上空背景Na層柱密度年平均值為1.94×109cm－2，年變化分量和半年變化分量的最大值分別出現(xiàn)在12月2日和元月4日，且年變化分量占年平均值的34%，遠(yuǎn)大于半年變化所占的比重3.2%.擬合曲線顯示從冬季到夏季合肥上空背景Na層柱密度也是逐漸減小的，從夏季到冬季Na層柱密度逐漸增大.分析結(jié)果說明合肥上空背景Na層柱密度在冬季出現(xiàn)最大，夏季出現(xiàn)最小，變化具有明顯的年變化特征.圖6b中，Na層的質(zhì)心高度最大值94.11km出現(xiàn)在5月31日，最小值88.97km出現(xiàn)在元月1日.曲線擬合結(jié)果顯示，背景Na層的質(zhì)心高度年平均值為91.68km；年變化和半年變化分量幅度值都小，僅占年平均值的0.35%和0.58%.擬合曲線顯示質(zhì)心高度主要呈半年變化趨勢（半年分量比年分量幅度高出（A2－A1）／A1＝67.9%），半年分量的最大值出現(xiàn)在2月1日，年分量的最大值出現(xiàn)在5月27日.這些說明，合肥上空背景Na層質(zhì)心高度隨季節(jié)變化相對穩(wěn)定，具有半年變化特征.圖6c中，背景Na層RMS寬度的最大值3.28km出現(xiàn)在12月31日，最小值1.82km出現(xiàn)在12月2日.數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示RMS寬度的年平均值為2.35km；年變化和半年變化分量分別占均值的0.72%和4.89%，半年變化趨勢占主導(dǎo)地位；相位上，年變化和半年變化最大值分別出現(xiàn)在2月26日和元月3日.說明背景Na層RMS寬度隨季節(jié)變化較小，主要呈半年變化趨勢.

圖7 海南上空背景Na層的柱密度（a）、質(zhì)心高度（b）和RMS寬度（c）的統(tǒng)計結(jié)果.虛線為參數(shù)的年加半年數(shù)據(jù)擬合Fig.7 Statistics of column density（a），centroid height（b）and RMS width （c）of background sodium layer over Hainan.Dash lines represent the Annual Plus Semiannual Fits to the data

海南上空背景Na層參數(shù)的從2010年5月到2012年3月觀測統(tǒng)計結(jié)果畫在圖7中，共計191個夜晚.圖7a中，背景 Na層的柱密度最大值3.28×109cm－2，出現(xiàn)在5月16日；最小值為2.49×108cm－2，出現(xiàn)在9月20日.表2中的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示，Na層的柱密度的年平均值為1.51×109cm－2；年變化和半年變化分量分別占年平均值的1.92%和16.62%，半年變化占主導(dǎo)地位；相位上，年變化最大值在3月18日，半年變化的最大值在11月22日.擬合曲線顯示，海南這一低緯度地區(qū)的背景Na層的柱密度隨季節(jié)變化主要呈半年變化趨勢，在2月初和8月初出現(xiàn)極小值，在5月初和11月初出現(xiàn)極大值.圖7b中，Na層的質(zhì)心高度最大值94.25km出現(xiàn)在12月31日，最小值89.02km出現(xiàn)在11月26日.表2的曲線擬合結(jié)果顯示，背景Na層的質(zhì)心高度年平均值為91.91km；年變化和半年變化分量幅度值都小，只占年平均值的0.34%和0.51%，質(zhì)心高度的變化主要為半年變化趨勢（半年變化分量比年變化分量幅度高出（A2－A1）／A1＝51.6%）.相位上，年變化分量的最大值出現(xiàn)在4月3日，半年變化分量的最大值出現(xiàn)在元月12日，半年變化超前年變化82天.這些說明，海南上空背景Na層的質(zhì)心高度隨季節(jié)變化較小，相對穩(wěn)定，同時主要表現(xiàn)為半年變化趨勢.圖7c中，背景Na層RMS寬度的變化沒有呈現(xiàn)出明顯的年或半年變化趨勢.數(shù)據(jù)擬合顯示RMS寬度的年平均值為2.89km；年變化和半年變化分量分別占均值的1.94%和0.97%，年變化分量比半年變化分量幅度高出（A1－A2）／A2＝100%（但隨季節(jié)變化不具明顯的年變化趨勢），年變化分量的最大值出現(xiàn)在6月15日，半年變化分量的最大值出現(xiàn)在2月18日.

綜合三個不同緯度背景Na層參數(shù)長期變化分析結(jié)果，可以看出Na層的柱密度、質(zhì)心高度和RMS寬度的長期變化并沒有直接相關(guān)性.比較圖5中三個參數(shù)的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，北京上空Na層的柱密度具有明顯的年變化特征，而質(zhì)心高度和RMS寬度的變化中年變化趨勢并不明顯.同時三個參數(shù)的變化在時間上也沒有穩(wěn)定的相位關(guān)系.比較圖6中合肥上空Na層三個參數(shù)的變化趨勢，可以看出Na層柱密度變化具有明顯的年變化特征，但Na層質(zhì)心高度和RMS寬度的半年變化特征卻更明顯.同時三者的變化不具有明顯穩(wěn)定的相位超前或滯后現(xiàn)象.圖7中，海南上空Na層柱密度變化和質(zhì)心高度變化具有明顯的半年變化特征，而RMS寬度的變化具有年變化趨勢.在相位上，柱密度變化和質(zhì)心高度變化也沒有明顯的相關(guān)性.

對照三個不同緯度地區(qū)背景Na層參數(shù)的擬合結(jié)果，結(jié)合背景Na層參數(shù)月平均值統(tǒng)計分析，探討背景Na層季節(jié)變化的緯度相關(guān)性.

表2中背景Na層柱密度的年平均值顯示，從北京（3.67×109cm－2）到合肥（1.94×109cm－2）再到海南（1.51×109cm－2），隨著緯度的升高 Na層柱密度明顯逐漸增大，且北京地區(qū)的柱密度年平均值幾乎是合肥和海南數(shù)值的2～3倍.比較圖5a、圖6a和圖7a中的擬合曲線，北京和合肥上空的背景Na層柱密度變化呈明顯的年變化趨勢，而海南上空Na層柱密度變化則呈現(xiàn)明顯的半年變化規(guī)律.從海南到合肥再到北京，年變化分量隨著緯度的升高而增強(qiáng)，而半年變化趨勢越來越弱.相位上，北京上空Na層柱密度最大值出現(xiàn)在元月8日；合肥上空Na層柱密度最大值出現(xiàn)在12月2日；海南上空Na層柱密度極大值則出現(xiàn)在11月22日和5月4日.對于Na層柱密度極小值，北京出現(xiàn)在4月27日和8月29日，合肥地區(qū)出現(xiàn)在5月26日，海南地區(qū)則出現(xiàn)在2月3日和8月10日.這表明在三個不同緯度地區(qū)背景Na層柱密度都在氣溫較低的冬季出現(xiàn)極大值現(xiàn)象，在氣溫較高的夏季則易出現(xiàn)極小值.結(jié)合圖8a中Na層柱密度的月平均值統(tǒng)計，我國上空Na層柱密度隨緯度變化特點可以總結(jié)為：

（1）Na層平均密度隨緯度升高而增加.在每一個月份里，北京上空的Na密度都高于合肥和海南地區(qū)；在冬季這種現(xiàn)象最明顯，大約為2～3倍.合肥地區(qū)的Na密度在大部分月份里都高于海南地區(qū)的Na密度，只是在夏季（5—8月份）三地的Na密度幾乎相當(dāng).

（2）Na層柱密度年變化性隨緯度升高更明顯.北京的年變化最明顯，海南的年變化性最弱.

（3）在同一個月份里隨著緯度的升高，Na層密度變化越劇烈.在同一月份里，通常處于中高緯度地區(qū)的北京的Na密度的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍最大，而低緯度的海南地區(qū)變化范圍最小.這種現(xiàn)象在冬季（10—1月份）最為明顯.

表2中背景Na層質(zhì)心高度的年平均值顯示，從北京（91.43km）到合肥（91.68km）再到海南（91.91km），Na層的質(zhì)心高度隨緯度的升高逐漸降低.對照圖5b、圖6b和圖7b中的擬合曲線，發(fā)現(xiàn)在三個地方的背景Na層質(zhì)心高度的長期變化中半年變化趨勢都較明顯；相位上，北京上空Na層質(zhì)心高度極大值出現(xiàn)在3月14日和9月23日，合肥上空Na層質(zhì)心高度極大值出現(xiàn)在1月11日和7月26日，海南地區(qū)則是在元月27日和7月2日出現(xiàn)極大值.對于質(zhì)心高度的極小值，北京地區(qū)出現(xiàn)在6月27日和11月30日，合肥地區(qū)出現(xiàn)在3月29日和9月26日，海南地區(qū)則是出現(xiàn)在4月11日和10月17日.這些說明，雖然三個地方的背景Na層質(zhì)心高度都具有較明顯的半年變化特征，但在不同緯度上背景Na層質(zhì)心高度的長期變化并沒有時間上的相關(guān)性.同時，圖8b中Na層質(zhì)心高度的月平均值統(tǒng)計顯示，北京和合肥地區(qū)背景Na層質(zhì)心高度的月平均值隨月份變化幅度較大，而海南Na層質(zhì)心高度的月平均值隨月份變化很平緩.似乎說明緯度越高，Na層質(zhì)心高度的季節(jié)性變化越大.

表2中背景Na層RMS寬度的年平均值則是北京（3.23km）最大，合肥（2.35km）比海南（2.89km）小.同時，圖8c的月平均值統(tǒng)計顯示，在每個月份里，北京上空Na層的RMS寬度最大，海南次之，合肥最小.這說明，隨著緯度的升高，RMS寬度并不是單調(diào)增大.對照圖5c、圖6c和圖7c中的擬合曲線，北京和合肥RMS寬度的長期變化表現(xiàn)出半年變化特點，而海南地區(qū)的背景Na層RMS寬度變化不具有明顯的年或半年變化趨勢，不同緯度上背景Na層RMS寬度的長期變化趨勢是不一致的.

對于背景Na層在不同緯度具有不同長期變化特點的原因，結(jié)合前人的研究結(jié)果［12－17］，我們認(rèn)為Na層密度變化特點隨緯度變化的主要原因是不同緯度中層頂附近大氣溫度的季節(jié)變化不同.State and Gardner的長期雷達(dá)觀測研究表明［9］，Na層密度的長期變化與中層頂附近溫度的變化直接相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89.在較高緯度地區(qū)，中層頂大氣平均溫度呈明顯的年變化趨勢，夏季溫度低冬季溫度高；平均溫度越高越有利于Na原子轉(zhuǎn)化為Na離子的化學(xué)反應(yīng)Na＋O2＋M→NaO2＋M，導(dǎo)致Na層密度也呈年變化趨勢，夏季密度小冬季密度大.這和我們的觀測結(jié)果是一致的；在三個觀測地點，由于緯度的升高，中層頂附近的平均溫度會明顯降低，導(dǎo)致圖8a中在同一個月份里北京上空的Na層密度都高于合肥和海南地區(qū).在夏季，由于全球中層頂附近大氣溫度出現(xiàn)極小值，此時不同緯度上中層頂溫度相差不大，所以圖8a中三個地方Na層密度差異不大.在冬季，北京的平均氣溫明顯最低，導(dǎo)致北京地區(qū)Na層密度都明顯高于合肥和海南的Na層密度.同時，由于緯度的降低，中層頂大氣溫度的年變化特征逐漸減弱，導(dǎo)致Na層密度的年變化趨勢也逐漸減弱.在海南地區(qū)，大氣溫度的年變化較小，常年溫度相對穩(wěn)定，故Na層密度年變化趨勢不明顯；而較高緯度的北京地區(qū)，冬季和夏季的大氣溫度變化幅度較大，呈明顯的年變化趨勢，導(dǎo)致其Na層密度變化也呈明顯的年變化趨勢；這也能用來解釋圖8a中在較高緯度的北京地區(qū)Na層密度的標(biāo)準(zhǔn)差范圍較大的現(xiàn)象.

圖8 三個地區(qū)Na層的柱密度（a）、質(zhì)心高度（b）和RMS寬度（c）的月平均統(tǒng)計分布對照圖Δ、●和○依次為北京、合肥和海南地區(qū)不同月份里Na層參數(shù)的月平均值；— 表示該月Na層參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍Fig.8 Monthly statistics and comparisons of column densities（a），centroid heights（b）and RMS widths（c）of background sodium layer at three observing sites Here，Δ，● and○respectively represent the mean parameter values in every month of background sodium layer over Beijing，Hefei and Hainan.— represent the regions of standard error of parameter values in every month

當(dāng)然，Na層的變化還會受諸多因素影響，具有較明顯區(qū)域特性的大氣重力波和潮汐波活動也對Na層的變化有重要影響［32］.同時，由于Na層質(zhì)心高度和RMS寬度值的變化直接由Na層密度在不同高度上的變化引起，受較多具體因素影響，導(dǎo)致它們的緯度變化特征不是很明顯，難以解釋；而且，相對于背景Na層密度隨緯度變化特性的研究而言，這兩個參數(shù)變化特性的研究意義也較小.

本文中合肥的研究結(jié)果和處于我國中緯度地區(qū)的其他觀測小組先前報道的結(jié)果一致.彭才華等基于武漢大學(xué)激光雷達(dá)的觀測報道［22］：武漢上空Na層柱密度在11月份出現(xiàn)最大，5月份最小.Na層質(zhì)心高度和RMS寬度的長期變化具有準(zhǔn)半年變化特性.陳廷娣等［26］基于先前合肥激光雷達(dá)的不完備觀測數(shù)據(jù)給出了Na層參數(shù)的月平均統(tǒng)計，初步報道了合肥上空Na層的變化特點：合肥上空Na層柱密度在12月份出現(xiàn)最大，6月份最小.可能是數(shù)據(jù)不完整的緣故（缺少春季的觀測數(shù)據(jù)），他們報道Na層質(zhì)心高度不具有明顯的半年周期變化性.RMS寬度的長期變化具有準(zhǔn)半年變化特性.

北京上空Na層的研究結(jié)果和同等緯度上Gardner等對 Urbana（40°10′N，88°10′W）上空 Na層變化的研究報道也是一致［31］.鈉層密度在11、12和1月份出現(xiàn)最大，在6月份最小，隨季節(jié)變化呈現(xiàn)明顯的年變化趨勢，且最大值大約是最小值的4.5倍.背景Na層質(zhì)心高度和RMS寬度的季節(jié)變化都具有明顯的準(zhǔn)半年變化趨勢.

4 結(jié) 論

本文通過分析子午工程的三臺Na熒光雷達(dá)的長期觀測數(shù)據(jù)，研究了北京、合肥和海南上空背景Na層的分布和變化特征，對照討論了我國上空Na層變化特征的緯度相關(guān)性.

2010年12月17日夜里三個地方觀測結(jié)果的對照表明，Na層中的大氣活動或動力學(xué)過程具有明顯的地域特性.在水平距離類似于北京、合肥和海南的不同地點，Na層夜間變化往往不具有相關(guān)性.

北京上空背景Na層柱密度的年平均值為3.67×109cm－2，在冬季和夏季分別出現(xiàn)最大和最小值，從冬季到夏季北京上空背景Na層柱密度逐漸減小，從夏季到冬季Na層柱密度逐漸增大，背景Na層柱密度的變化具有明顯的年變化特征.背景Na層質(zhì)心高度的年平均值為91.43km，隨季節(jié)變化很小，相對穩(wěn)定，半年變化特征較明顯.背景Na層的RMS寬度的年平均值為3.23km，隨季節(jié)變化的漲落也較小，年變化或半年變化特征不明顯.合肥上空背景Na層柱密度年平均值為1.94×109cm－2，在冬季和夏季出現(xiàn)最大和最小，具有明顯的年變化特征.背景Na層的質(zhì)心高度年平均值為91.68km，隨季節(jié)變化較小，具有半年變化特征.RMS寬度的年平均值為2.35km，隨季節(jié)變化也很小，呈半年變化趨勢.海南這一低緯度地區(qū)背景Na層柱密度的年平均值為1.51×109cm－2，在2月初和8月初出現(xiàn)極小值，在5月初和11月初出現(xiàn)極大值，季節(jié)變化主要呈半年變化趨勢.質(zhì)心高度年平均值為91.91km；隨季節(jié)變化較小，表現(xiàn)為半年變化趨勢.RMS寬度的年平均值為2.89km，季節(jié)性變化較小，半年變化或年變化趨勢不明顯.

通過對照三個地區(qū)背景Na層參數(shù)的長期變化發(fā)現(xiàn)，我國上空背景Na層隨緯度變化較明顯，具有較強(qiáng)的緯度相關(guān)性.背景Na層柱密度隨著緯度的降低Na層柱密度明顯逐漸減小，且北京地區(qū)的柱密度值幾乎是合肥和海南數(shù)值的2～3倍.同時，隨著緯度的升高年變化趨勢越明顯，而半年變化趨勢逐漸減弱.三個不同緯度地區(qū)背景Na層柱密度都在氣溫較低的冬季出現(xiàn)極大值現(xiàn)象，在氣溫較高的夏季出現(xiàn)極小值.背景Na層質(zhì)心高度隨緯度的升高逐漸降低，都具有較明顯的半年變化特征，但在季節(jié)變化上沒有時間相關(guān)性.但是，背景Na層RMS寬度隨著緯度的升高，并不是單調(diào)變化.在各個月份里，北京上空Na層的RMS寬度最大，海南次之，合肥最??；北京和合肥地區(qū)RMS寬度的長期變化表現(xiàn)出半年變化特點，而海南地區(qū)Na層RMS寬度變化則不具備半年變化特征.

（References）

［1］Bowman M，Gibson A，Sandford M.Atmospheric sodium measured by a tuned laser radar.Nature，1969，221（5179）：456－457.

［2］龔順生，曾錫之.中國武漢上空鈉層的首次激光雷達(dá)觀測.中國科學(xué)（A 輯），1997，27（4）：369－373.Gong S S，Zeng X Z.The first lidar observation of sodium layer above Wuhan，China.Science China Series A，1997，27（4）：369－373.

［3］Yi F，Zhang S D，Zeng H J，et al.Lidar observations of sporadic Na layers over Wuhan （30.5°N，114.4°E）.Geophys.Res.Lett.，2002，29（9）：59－1－59－4.

［4］Plane J M C.The chemistry of meteoric metals in the Earth′s upper atmosphere.International Reviews in Physical Chemistry，1991，10（1）：55－106.

［5］Hughes D W.Cosmic dust influx to the earth.Space Res.，1975，15：531－539.

［6］Yi F，Zhang S D，Yue X C，et al.Some ubiquitous features of the mesospheric Fe and Na layer borders from simultaneous and common－volume Fe and Na lidar observations.J.Geophys.Res.，2008，113（A4）：A04S91，doi：10.1029／2007JA012632.

［7］Liu S C，Reid G C.Sodium and other minor constituents of meteoric origin in the atmosphere.Geophys.Res.Lett.，1979，6（4）：283－286.

［8］Clemesha B R，Simonich D M，Batista P P，et al.The diurnal variation of atmospheric sodium.J.Geophys.Res.，1982，87（A1）：181－186.

［9］States R J，Gardner C S.Structure of the mesospheric Na layer at 40°N latitude：Seasonal and diurnal variations.J.Geophys.Res.，1999，104（D9）：11783－11798.

［10］Xu J Y，Smith A K，Collins R L，et al.Signature of an overturning gravity wave in the mesospheric sodium layer：Comparison of a nonlinear photochemical－dynamical model and lidar observations.J.Geophys.Res.，2006，111（D17）：D17301，doi：10.1029／2005JD006749.

［11］Kwon K H，Gardner C S，Senft D C，et al.Daytime lidar measurements of tidal winds in the mesospheric sodium layer at Urbana，Illinois.J.Geophys.Res.，1987，92（A8）：8781－8786.

［12］徐寄遙，王詠梅，傅利平.中層頂區(qū)Na原子分布晝夜變化的模擬研究.地球物理學(xué)報，2003，46（3）：299－303.Xu J Y，Wang Y M，F(xiàn)u L P.A simulation study on the diurnal variation of the sodium layer in the mesopause region.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2003，46（3）：299－303.

［13］Swider W.Enhanced seasonal variations for chemical rates with inverse temperature dependencies： Application to seasonal abundance of mesospheric sodium.Geophys.Res.Lett.，1985，12（9）：589－691.

［14］Jegou J P，Granier C，Chanin M L，et al.General theory of the alkali metals present in the earth＇s upper atmosphere.IISeasonal and meridional variations.Ann.Geophys.，1985，3：298－312.

［15］Hickey M P，Plane J C.A chemical－dynamical model of wavedriven sodium fluctuations.Geophys.Res.Lett.，1995，22（20）：2861－2864.

［16］Clemesha B R，Batista P P，Simonich D M.Long－term variations in the centroid height of the atmospheric sodium layer.Advances in Space Research，2003，32（9）：1707－1711.

［17］Clemesha B R，Simonich D M，Batista P P，et al.Seasonal variation in the solar diurnal tide and its possible influence on the atmospheric sodium layer.Advances in Space Research，2005，35（11）：1951－1956.

［18］Clemesha B R，Batista P P，Simonich D M.Long－term and solar cycle changes in the atmospheric sodium layer.J.Atmos.Terr.Phys.，1997，59（13）：1673－1678.

［19］Gong S S，Wang J M，Cheng X W，et al.A double sodium layer event observed over Wuhan，China by lidar.Geophys.Res.Lett.，2003，30（5），doi：10.1029／2002GL016135.

［20］Gong S S，Yang G T，Wang J M，et al.Occurrence and characteristics of sporadic sodium layer observed by lidar at a mid－latitude location.J.Atmos.Terr.Phys.，2002，64（18）：1957－1966.

［21］程學(xué)武，龔順生，李發(fā)泉等.武漢高空鈉層的激光雷達(dá)24h連續(xù)觀測.中國科學(xué)（G 輯），2007，37（2）：196－201.Cheng X W，Gong S S，Li F Q，et al.24hcontinuous observation of sodium layer over Wuhan by lidar.Science in China （Series G），2007，50（3）：287－293.

［22］易帆，彭才華，張紹東.武漢上空背景Na層長期變化和夜間變化特征的激光雷達(dá)觀測研究.空間科學(xué)學(xué)報，2006，26（1）：28－34.Yi F，Peng C H，Zhang S D.Lidar study of the background Na layer over Wuhan：long term and nighttime variations.Chin.J.Space Sci.（in Chinese），2006，26（1）：28－34.

［23］楊國韜，劉炳模，王嘉珉等.根據(jù)激光雷達(dá)觀測結(jié)果研究中國武漢地區(qū)鈉層的分布.地球物理學(xué)報，2003，46（5）：577－583.Yang G T，Liu B M，Wang J M，et al.A study of sodium layer distribution over Wuhan，China based the lidar observation result.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2003，46（5）：577－583.

［24］Dou X K，Xue X H，Chen T D，et al.A statistical study of sporadic sodium layer observed by sodium lidar at Hefei（31.8degrees N，117.3degrees E）.Annales Geophysicae，2009，27（6）：2247－2257.

［25］Dou X K，Xue X H，Li T，et al.Possible relations between meteors，enhanced electron density layers，and sporadic sodium layers.J.Geophys.Res.，2010，115（A6）：A06311，doi：10.1029／2009JA014575.

［26］陳廷娣，薛向輝，竇賢康.合肥上空鈉層夜間激光雷達(dá)觀測的初步研究.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，37（8）：873－878.Chen T D，Xue X H，Dou X K.Lidar studies of the nighttime sodium layer over Hefei，China.Journal of University of Science and Technology of China （in Chinese），2007，37（8）：873－878.

［27］She C Y.Remote measurement of atmospheric parameters：new applications of physics with lasers.Contemporary Physics，1990，31（4）：247－260.

［28］Richter E S.Lidar observation of mesospheric sodium layer over Urbana，Illinois.J.Atmos.Terr.Phys.，1981，43（4）：327－337.

［29］Hedin A E.Extension of the MSIS thermosphere model into the middle and lower atmosphere.J.Geophys.Res.，1991，96（A2）：1159－1172.

［30］Collis R T，Russell P B.Lidar measurement of particles and gases by elastic backscattering and differential absorption.∥Laser Monitoring of the Atmosphere（A77－22051，08－35）.Berlin and New York：Springer－Verlag，1976.

［31］Gardner C S，Voelz D G，Sechrist C F Jr，et al.Lidar studies of the nighttime sodium layer over Urbana，Illinois 1.ISeasonal and nocturnal variations.J.Geophys.Res.，1986，91（A12）：13659－13673.

［32］Gong S H， Yang G T，Xu J Y，et al.Statistical characteristics of atmospheric gravity wave in the mesopause region observed with a sodium lidar at Beijing，China.J.Atmos.Terr.Phys.，2013，97：143－151.