2013, Vol. 56
2. 海南师范大学物理与电子工程学院, 海口 571158;
3. 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026
, YANG Guo-Tao1
, XU Ji-Yao1, XUE Xiang-Hui3, JIAO Jing1, TIAN Da-Wei1, FU Jun2, LIU Zheng-Kuan1
2. School of Physics and Electronics Engineering, Hainan Normal University, Haikou 571158, China;
3. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
在大气层的中层顶附近(高约80~110km)，有一充满大量金属原子、离子及其化合物的金属层.其中一些金属原子(如，Na、Fe、K、Ca等)具有相对较高的粒子浓度，同时散射截面较大，可作为金属荧光雷达的理想示踪物质，使得长期雷达监测和研究中层顶附近频繁而复杂的大气活动和动力学过程成为可能.在各种金属荧光雷达中，由于在金属层中Na原子粒子浓度较高，同时散射截面较大，最容易被探测到，因此世界上最先研制出的是Na荧光激光雷达[1].我国首台Na荧光激光雷达(双通道之一)于1996年在中国科学院武汉物理与数学研究所建成[2].随后，先后建立了武汉大学激光雷达站(30.5°N，114.4°E)[3]、合肥激光雷达站(31.87°N，117.23°E)(中国科技大学)、北京激光雷达站(40.47°N，115.97°E)和海南激光雷达站(19.99°N，110.34°E)(海南师范大学).这些雷达都达到了世界先进水平，具有很高的时间和空间分辨率，是研究中高层大气的有力工具.特别需要指出的是，自2010年来在国家子午工程重点项目的框架下，我们新建了北京和海南激光雷达站，在子午工程合作框架下初步完成了沿120°E中高层大气激光雷达观测链的组建工作.这使我们有能力实现对我国沿120°E附近Na层的变化以及其中各种大气活动和动力学过程的长期监测和研究.
通常认为高空Na层的源(source)主要是宇宙尘埃和流星烧蚀(或微流星)[3-6].Na层的汇(sink)，主要是来自尘埃的吸附和通过化学反应形成水合离子团或气态Na化合物[7-10].在没有偶发Na层和强烈扰动时，Na层的源和汇能形成收支平衡，能保证背景Na层总体密度相对稳定.Na层的变化主要是由Na层中的动力学过程、光化学过程以及电离层D区和E区的带电成分的变化所决定，主要表现为钠层密度、质心高度和RMS宽度的昼夜变化和季节变化.
Clemesha等[8]以及Kwon等[11]的激光雷达的观测结果显示Na层昼夜变化呈明显的日潮和半日潮变化趋势.徐寄遥等[12]的模型研究指出，在Na原子分布的峰值附近，Na层不出现大的昼夜变化，而在Na层的上部和下部，Na原子密度存在明显的昼夜变化趋势.且这种昼夜变化趋势和Na层中的光化学过程以及D区和E区的带电成分的昼夜变化直接相关.
对于Na层的季节变化，在绝大多数地点的雷达观测结果都显示，Na层的季节变化具有年或半年变化趋势.Swider认为，Na层中Na+O2+M→NaO2+M的化学反应受Na层温度季节性变化的影响是Na层季节性变化的主要原因[13]，Na原子数密度在冬季最大而在夏季较小.Jegou认为，大气温度和大气环流的季节性变化是Na层季节性变化的主要原因.由于大气环流受湍流和离子曳引效应的影响很大，能导致某些月份里Na层出现不规则变化[14].Hichey和Plane则认为[15]，Na原子的产生和消失是由多种反应控制的，85km以下化学反应对Na原子的密度变化影响很大；在没有偶发Na层的情况下，85km以上化学反应对Na原子的密度变化影响很小，可以忽略；同时，背景大气的温度变化和风场诸多因素对背景Na层变化也有影响作用.目前，这一理论为大多数研究者所接受，并用来解释夜间Na原子数密度相对扰动的幅度在Na层低层比中层大，且越靠近中层变化幅度越小的现象.对于Na层质心高度的长期变化，Clemesha等[16-17]基于近30年的雷达和汽辉观测对照研究指出，在1972-1986期间Sao José dos Campos (46°W，23°S)上空的Na层质心高度稳定降低，呈现与10年太阳活动周期有关的振荡(a 10-yr solar-cycle related oscillation)[18].他们认为这种现象是由于全球变冷(globe cooling)导致大气中等压线高度下移造成的，同时受到太阳日潮(solar diurnal tide)的季节性变化的影响.
对我国上空Na层特性和大气活动的激光雷达观测报道主要来自于武汉[19-23]和合肥[24-26].他们的研究指出，我国中部地区的Na层具有较明显的日变化和季节(或准季节)变化性.本文将报道来自子午工程Na激光雷达对我国120°E附近Na层的长期观测结果，观测数据分别来自于北京、合肥和海南Na激光雷达站.首次报道我国中高纬度(北京延庆)、中纬度(合肥)和沿海低纬度(海口)地区上空Na层夜间变化的同时(2010年12月17日)和长期激光雷达研究结果.分析不同纬度地区Na层的夜间和季节变化特征，讨论Na层季节变化的纬度相关性.
2 Na荧光激光雷达系统、观测数据及分析方法三个Na荧光激光雷达系统大致相同[2, 27]，主要由Nd：YAG和染料激光器组成激光发射系统，射出波长为589nm的共振激光；由大口径的望远镜、光电倍增管、数据采集卡组成光学信号接收和采集系统，最终将从Na层散射回来的共振荧光信号接收并以数字信号的方式存储在计算机里.合肥Na荧光激光雷达系统的详细参数见文献[26]，2010年初建立的北京和海南Na荧光激光雷达系统参数完全一样，主要参数如表 1.该激光雷达系统的高度分辨率为96m，时间分辨率为3min.
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表 1 北京和海南Na荧光激光雷达系统主要参数 Table 1 Main parameters of Na fluorescence lidars at Beijing and Hainan |
本文分析的数据分别是2010年4月到2011年9月北京Na荧光激光雷达观测数据、2006年2月到2011年12月合肥Na荧光激光雷达观测数据以及2010年5月到2012年3月海南Na荧光激光雷达观测数据.共计654个晚上(有效观测时间超过3小时)，5260小时的有效观测数据，超过10万个有效Na层密度廓线.此时间段内，三个台站夜间观测和有效观测时间的月份统计如图 1.
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图 1 北京、合肥和海南三个台站夜间激光雷达观测天数和有效观测小时数的月份统计图 Fig. 1 Histograms of lidar observin g night s (black column) and observin g hours (gray column) in different months at Beijing, Hefei and Hain an |
根据雷达方程，z高度处Na原子数密度n(z)可表示为[28]：
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其中，zR为参考高度，通常取30km；n(zR)为参考高度上的大气数密度，根据MSISE-90的结果取n(zR)=3.828×1023m-3[29]；N(z)为z高度处距离Δz范围内，在Δt时间内积累的回波光子计数(Δz和Δt分别为雷达系统的空间和时间分辨率)；NB为背景噪声，NR(zR)为参考高度zR附近5km范围内的平均回波光子计数；σR和σS分别是大气分子Rayleigh微分散射截面和Na荧光共振微分散射截面，Na密度反演计算中取4.012×10-32m2·sr-1和4.07×10-17m2·sr-1[30].
Na层的变化和大气对Na层短期动力学和化学的影响都可以通过Na层柱密度Cs、质心高度zs和RMS宽度σ的变化来反映.这些参数可以写成空间矩阵的表示形式[31]：
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mi表示以高度z0为中心Δz0范围内参数计算值.通常选取z0=90km，Δz0=30km.则柱密度Cs，质心高度zs和RMS宽度σ可以表示为：
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激光雷达观测是一种主动光学探测方法，受天气影响较大，通常只能在晴朗的夜晚进行.在霉雨季节里，有效观测数据往往较少.从图 1可以看出，虽然由于天气或其它原因，我们所分析的三个观测站的数据在全年各个月份都有相对较充足的有效观测时间(最少月份里观测了5个晚上，约40个小时；最多月份里累计观测42个晚上，约370个小时).这些观测数据使我们有能力对我国上空Na层长期变化特性进行有效研究.同时，三个观测点分别位于我国的北部、中部和南端，让同时观测不同纬度地区上空Na层的夜间变化成为可能.但是我们发现，由于天气条件不一致和设备维护等缘故，在所选取的数据时间段里，仅有3个夜晚三台激光雷达同时进行了有效观测.我们就观测效果最好的一天(2010年12月17日)的数据来分析我国上空Na层在这天夜间的变化特征.
图 2给出了2010年12月17-18日夜间北京上空Na层随时间的变化雷达观测结果.可以看出，由于受到一个周期约为4h的重力波调制，柱密度(CA)出现明显的周期性变化.质心高度(CH)呈振荡变化趋势，且在每个周期中都向下移动.RMS宽度(RMS)亦作振荡变化，但趋势不是很明显.
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图 2 2010年12月17日夜间北京上空Na层密度随时间变化图(a)，Na层柱密度(CA)、质心高度(CH)和RMS宽度(RMS)变化曲线(b) Fig. 2 (a) Sodium density over Beijing varied with local time in the night of Dec.17, 2010;(b) Column density (CA), centroid height (CH) and RMS width (RMS) of sodium layer correspondingly varied with the local time |
图 3给出同一天晚上合肥上空Na层随时间变化的雷达观测结果.可以看出自晚间2200LT左右开始，Na层的柱密度逐渐增大，同时整个Na层的质心高度逐渐下移，同时RMS宽度也逐渐增大.直至第二天凌晨0300LT左右，Na层的柱密度才开始逐渐减小，质心高度逐渐上移，直至日出时刻.
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图 3 2010年12月17日夜间合肥上空Na层密度随时间变化图(a)，Na层柱密度(CA)、质心高度(CH)和RMS宽度(RMS)变化曲线(b) Fig. 3 (a) Sodium density over Hefei varied with local time in the night of Dec.17, 2010;(b) Column density (CA), centroid height (CH) and RMS width (RMS) of sodium layer correspondingly varied with the local time |
图 4是当天晚上海南上空Na层随时间变化的激光雷达观测结果，由于天气的缘故，只是在晚间2000LT到第二天凌晨0215LT左右进行了约6h的有效观测实验.在这段时间里，Na层密度先是逐渐增大，在2130LT左右达到最大值，然后开始逐渐减小，直至实验结束.Na层的质心高度变化和丰度变化趋势较一致，也是先升高后慢慢降低.而Na层的RMS宽度变化很小，大致保持在3.7km左右.
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图 4 2010年12月17日夜间海南上空Na层密度随时间变化图(a)，Na层柱密度(CA)、质心高度(CH)和RMS宽度(RMS)变化曲线(b) Fig. 4 (a) Sodium density over Hain anvaried with local time in the night of Dec.17, 2010;(b) Column density (CA), centroid height (CH) and RMS width (RMS) of sodium layer correspondingly varied with the local time |
比较三个地点的Na层观测结果发现，在12月17日这天夜里，三个观测点上空Na层变化都较平稳，没有明显偶发Na层事件出现.除了平均Na层柱密度大致相当外，Na层参数变化没有明显时间上的相关性.另外，在北京观测到了Na层中的重力波扰动，在合肥和海南却没有出现这种现象.这些表明，Na层中的大气活动或动力学过程具有明显的地域特性.在水平距离类似于北京、合肥和海南的不同地点，Na层夜间变化往往不具有相关性.
Clemesha等[8, 16]在Sao José dos Campos (46°W，23°S)的全天时激光雷达研究结果表明，由于光化学反应，Na层的质心高度在中午时分最低，呈明显的日变化趋势.由于我们的雷达只在夜间观测，难以观测到Na层的日潮和半日潮变化趋势.但是从图 2a、3a、4a中可以发现，当天晚上三个地方上空Na原子数密度峰值所对应的高度基本上都是随时间逐渐降低的，具有明显的沉降趋势.
3.2 夜间背景Na层的长期变化在Na层夜间观测中，偶发Na层现象比较常见，其对Na层的形态和密度有显著的影响[20].为了背景Na层长期变化研究的可靠性，在数据统计和分析中，出现偶发Na层现象的时间段都被扣除.
由于以前部分Na层的激光雷达研究报道，Na层的长期变化具有较强的年或半年对称性[9, 16, 22, 31].我们对北京、合肥和海南三地夜间观测到的平均背景Na层数据分别作了年加半年变化拟合(annual plus semiannual fit)：
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这是一种基于最小均方误差拟合(minimum-mean-square-error)方法，A0为平均值，A1和A2分别为年变化和半年变化分量的振幅.d1和d2分别是年变化相位和半年变化相位.相应的拟合参数值都列在表 2中.
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表 2 2年加半年拟合比较 Table 2 Annual plus semiannual fit comparison |
图 5给出了2010年4月到2011年9月期间北京上空背景Na层的242个夜晚观测结果.图 5a中背景Na层柱密度(CA)的最大值为1.36×1010cm-2，出现在冬至日附近(12月4日)；最小值为3.95×108cm-2，出现在夏至日附近(6月7日).同时表 2中的年加半年拟合结果显示，Na层的年平均柱密度为3.67×109cm-2，年变化和半年变化的最大值分别出现在元月8日和7日，且年变化分量占年平均值的71%，远大于半年变化所占的比重29%.拟合曲线表明从冬季到夏季北京上空背景Na层柱密度逐渐减小，从夏季到冬季Na层柱密度逐渐增大，在冬季和夏季分别出现最大和最小值，背景Na层柱密度的变化具有明显的年变化特征.
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图 5 北京上空背景Na层的柱密度(a)、质心高度(b)和RMS宽度(c)的统计结果.虚线为参数的年加半年数据拟合 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 |
图 5b中，背景Na层质心高度(CH)最大值94.12km出现在3月2日，最小值较分散.表 2中的拟合结果显示，背景Na层质心高度的年平均值为91.43km；涨落幅度相当小(年变化和半年变化分量都只分别占均值的0.45%和0.52%)，但半年变化特征较明显(半年变化幅度高出年变化分量约(A2-A1)/A1=16.1%)；相位上，年变化分量最大值和半年变化分量最大值分别出现在2月25日和3月14日.这些说明，背景Na层质心高度随季节变化很小，相对稳定，具有较明显的半年变化特征.
图 5c中，背景Na层RMS宽度的最大值4.38km出现在元月18日，最小值1.97km出现在6月17日.表 2中的数据拟合显示，RMS宽度的年平均值为3.23km，涨落也较小，年变化和半年变化分量分别占年均值的7.1%和6.6%.相位上，拟合显示年变化分量最大值和半年变化分量最大值分别出现在元月26日和17日.这些说明，背景Na层RMS宽度随季节变化较小，年变化或半年变化特征不很明显.
图 6是2006年2月份到2011年12月份合肥上空背景Na层的206天观测统计结果.图 6a中，背景Na层的柱密度最大值5.47×109cm-2，出现在10月14日；最小值为1.89×108cm-2，出现在9月13日.表 2中的拟合结果显示，合肥上空背景Na层柱密度年平均值为1.94×109cm-2，年变化分量和半年变化分量的最大值分别出现在12月2日和元月4日，且年变化分量占年平均值的34%，远大于半年变化所占的比重3.2%.拟合曲线显示从冬季到夏季合肥上空背景Na层柱密度也是逐渐减小的，从夏季到冬季Na层柱密度逐渐增大.分析结果说明合肥上空背景Na层柱密度在冬季出现最大，夏季出现最小，变化具有明显的年变化特征.图 6b中，Na层的质心高度最大值94.11km出现在5月31日，最小值88.97km出现在元月1日.曲线拟合结果显示，背景Na层的质心高度年平均值为91.68km；年变化和半年变化分量幅度值都小，仅占年平均值的0.35%和0.58%.拟合曲线显示质心高度主要呈半年变化趋势(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现在2月1日，年分量的最大值出现在5月27日.这些说明，合肥上空背景Na层质心高度随季节变化相对稳定，具有半年变化特征.图 6c中，背景Na层RMS宽度的最大值3.28km出现在12月31日，最小值1.82km出现在12月2日.数据拟合结果显示RMS宽度的年平均值为2.35km；年变化和半年变化分量分别占均值的0.72%和4.89%，半年变化趋势占主导地位；相位上，年变化和半年变化最大值分别出现在2月26日和元月3日.说明背景Na层RMS宽度随季节变化较小，主要呈半年变化趋势.
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图 6 合肥上空背景Na层的柱密度(a)、质心高度(b)和RMS宽度(c)的统计结果.虚线为参数的年加半年数据拟合 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 |
海南上空背景Na层参数的从2010年5月到2012年3月观测统计结果画在图 7中，共计191个夜晚.图 7a中，背景Na层的柱密度最大值3.28×109cm-2，出现在5月16日；最小值为2.49×108cm-2，出现在9月20日.表 2中的数据拟合结果显示，Na层的柱密度的年平均值为1.51×109cm-2；年变化和半年变化分量分别占年平均值的1.92%和16.62%，半年变化占主导地位；相位上，年变化最大值在3月18日，半年变化的最大值在11月22日.拟合曲线显示，海南这一低纬度地区的背景Na层的柱密度随季节变化主要呈半年变化趋势，在2月初和8月初出现极小值，在5月初和11月初出现极大值.图 7b中，Na层的质心高度最大值94.25km出现在12月31日，最小值89.02km出现在11月26日.表 2的曲线拟合结果显示，背景Na层的质心高度年平均值为91.91km；年变化和半年变化分量幅度值都小，只占年平均值的0.34%和0.51%，质心高度的变化主要为半年变化趋势(半年变化分量比年变化分量幅度高出(A2-A1)/A1=51.6%).相位上，年变化分量的最大值出现在4月3日，半年变化分量的最大值出现在元月12日，半年变化超前年变化82天.这些说明，海南上空背景Na层的质心高度随季节变化较小，相对稳定，同时主要表现为半年变化趋势.图 7c中，背景Na层RMS宽度的变化没有呈现出明显的年或半年变化趋势.数据拟合显示RMS宽度的年平均值为2.89km；年变化和半年变化分量分别占均值的1.94%和0.97%，年变化分量比半年变化分量幅度高出(A1-A2)/A2=100%(但随季节变化不具明显的年变化趋势)，年变化分量的最大值出现在6月15日，半年变化分量的最大值出现在2月18日.
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图 7 海南上空背景Na层的柱密度(a)、质心高度(b)和RMS宽度(c)的统计结果.虚线为参数的年加半年数据拟合 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 |
综合三个不同纬度背景Na层参数长期变化分析结果，可以看出Na层的柱密度、质心高度和RMS宽度的长期变化并没有直接相关性.比较图 5中三个参数的变化趋势发现，北京上空Na层的柱密度具有明显的年变化特征，而质心高度和RMS宽度的变化中年变化趋势并不明显.同时三个参数的变化在时间上也没有稳定的相位关系.比较图 6中合肥上空Na层三个参数的变化趋势，可以看出Na层柱密度变化具有明显的年变化特征，但Na层质心高度和RMS宽度的半年变化特征却更明显.同时三者的变化不具有明显稳定的相位超前或滞后现象.图 7中，海南上空Na层柱密度变化和质心高度变化具有明显的半年变化特征，而RMS宽度的变化具有年变化趋势.在相位上，柱密度变化和质心高度变化也没有明显的相关性.
对照三个不同纬度地区背景Na层参数的拟合结果，结合背景Na层参数月平均值统计分析，探讨背景Na层季节变化的纬度相关性.
表 2中背景Na层柱密度的年平均值显示，从北京(3.67×109cm-2)到合肥(1.94×109cm-2)再到海南(1.51×109cm-2)，随着纬度的升高Na层柱密度明显逐渐增大，且北京地区的柱密度年平均值几乎是合肥和海南数值的2~3倍.比较图 5a、图 6a和图 7a中的拟合曲线，北京和合肥上空的背景Na层柱密度变化呈明显的年变化趋势，而海南上空Na层柱密度变化则呈现明显的半年变化规律.从海南到合肥再到北京，年变化分量随着纬度的升高而增强，而半年变化趋势越来越弱.相位上，北京上空Na层柱密度最大值出现在元月8日；合肥上空Na层柱密度最大值出现在12月2日；海南上空Na层柱密度极大值则出现在11月22日和5月4日.对于Na层柱密度极小值，北京出现在4月27日和8月29日，合肥地区出现在5月26日，海南地区则出现在2月3日和8月10日.这表明在三个不同纬度地区背景Na层柱密度都在气温较低的冬季出现极大值现象，在气温较高的夏季则易出现极小值.结合图 8a中Na层柱密度的月平均值统计，我国上空Na层柱密度随纬度变化特点可以总结为：
(1) Na层平均密度随纬度升高而增加.在每一个月份里，北京上空的Na密度都高于合肥和海南地区；在冬季这种现象最明显，大约为2~3倍.合肥地区的Na密度在大部分月份里都高于海南地区的Na密度，只是在夏季(5-8月份)三地的Na密度几乎相当.
(2) Na层柱密度年变化性随纬度升高更明显.北京的年变化最明显，海南的年变化性最弱.
(3) 在同一个月份里随着纬度的升高，Na层密度变化越剧烈.在同一月份里，通常处于中高纬度地区的北京的Na密度的标准偏差范围最大，而低纬度的海南地区变化范围最小.这种现象在冬季(10-1月份)最为明显.
表 2中背景Na层质心高度的年平均值显示，从北京(91.43km)到合肥(91.68km)再到海南(91.91km)，Na层的质心高度随纬度的升高逐渐降低.对照图 5b、图 6b和图 7b中的拟合曲线，发现在三个地方的背景Na层质心高度的长期变化中半年变化趋势都较明显；相位上，北京上空Na层质心高度极大值出现在3月14日和9月23日，合肥上空Na层质心高度极大值出现在1月11日和7月26日，海南地区则是在元月27日和7月2日出现极大值.对于质心高度的极小值，北京地区出现在6月27日和11月30日，合肥地区出现在3月29日和9月26日，海南地区则是出现在4月11日和10月17日.这些说明，虽然三个地方的背景Na层质心高度都具有较明显的半年变化特征，但在不同纬度上背景Na层质心高度的长期变化并没有时间上的相关性.同时，图 8b中Na层质心高度的月平均值统计显示，北京和合肥地区背景Na层质心高度的月平均值随月份变化幅度较大，而海南Na层质心高度的月平均值随月份变化很平缓.似乎说明纬度越高，Na层质心高度的季节性变化越大.
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图 8 三个地区Na层的柱密度(a)、质心高度(b)和RMS宽度(c)的月平均统计分布对照图 Δ、●和○依次为北京、合肥和海南地区不同月份里Na层参数的月平均值；-表示该月Na层参数的标准偏差范围 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 |
表 2中背景Na层RMS宽度的年平均值则是北京(3.23km)最大，合肥(2.35km)比海南(2.89km)小.同时，图 8c的月平均值统计显示，在每个月份里，北京上空Na层的RMS宽度最大，海南次之，合肥最小.这说明，随着纬度的升高，RMS宽度并不是单调增大.对照图 5c、图 6c和图 7c中的拟合曲线，北京和合肥RMS宽度的长期变化表现出半年变化特点，而海南地区的背景Na层RMS宽度变化不具有明显的年或半年变化趋势，不同纬度上背景Na层RMS宽度的长期变化趋势是不一致的.
对于背景Na层在不同纬度具有不同长期变化特点的原因，结合前人的研究结果[12-17]，我们认为Na层密度变化特点随纬度变化的主要原因是不同纬度中层顶附近大气温度的季节变化不同.StateandGardner的长期雷达观测研究表明[9]，Na层密度的长期变化与中层顶附近温度的变化直接相关，相关系数达到0.89.在较高纬度地区，中层顶大气平均温度呈明显的年变化趋势，夏季温度低冬季温度高；平均温度越高越有利于Na原子转化为Na离子的化学反应Na+O2+M→NaO2+M，导致Na层密度也呈年变化趋势，夏季密度小冬季密度大.这和我们的观测结果是一致的；在三个观测地点，由于纬度的升高，中层顶附近的平均温度会明显降低，导致图 8a中在同一个月份里北京上空的Na层密度都高于合肥和海南地区.在夏季，由于全球中层顶附近大气温度出现极小值，此时不同纬度上中层顶温度相差不大，所以图 8a中三个地方Na层密度差异不大.在冬季，北京的平均气温明显最低，导致北京地区Na层密度都明显高于合肥和海南的Na层密度.同时，由于纬度的降低，中层顶大气温度的年变化特征逐渐减弱，导致Na层密度的年变化趋势也逐渐减弱.在海南地区，大气温度的年变化较小，常年温度相对稳定，故Na层密度年变化趋势不明显；而较高纬度的北京地区，冬季和夏季的大气温度变化幅度较大，呈明显的年变化趋势，导致其Na层密度变化也呈明显的年变化趋势；这也能用来解释图 8a中在较高纬度的北京地区Na层密度的标准差范围较大的现象.
当然，Na层的变化还会受诸多因素影响，具有较明显区域特性的大气重力波和潮汐波活动也对Na层的变化有重要影响[32].同时，由于Na层质心高度和RMS宽度值的变化直接由Na层密度在不同高度上的变化引起，受较多具体因素影响，导致它们的纬度变化特征不是很明显，难以解释；而且，相对于背景Na层密度随纬度变化特性的研究而言，这两个参数变化特性的研究意义也较小.
本文中合肥的研究结果和处于我国中纬度地区的其他观测小组先前报道的结果一致.彭才华等基于武汉大学激光雷达的观测报道[22]：武汉上空Na层柱密度在11月份出现最大，5月份最小.Na层质心高度和RMS宽度的长期变化具有准半年变化特性.陈廷娣等[26]基于先前合肥激光雷达的不完备观测数据给出了Na层参数的月平均统计，初步报道了合肥上空Na层的变化特点：合肥上空Na层柱密度在12月份出现最大，6月份最小.可能是数据不完整的缘故(缺少春季的观测数据)，他们报道Na层质心高度不具有明显的半年周期变化性.RMS宽度的长期变化具有准半年变化特性.
北京上空Na层的研究结果和同等纬度上Gardner等对Urbana (40°10′N，88°10′W)上空Na层变化的研究报道也是一致[31].钠层密度在11、12和1月份出现最大，在6月份最小，随季节变化呈现明显的年变化趋势，且最大值大约是最小值的4.5倍.背景Na层质心高度和RMS宽度的季节变化都具有明显的准半年变化趋势.
4 结论本文通过分析子午工程的三台Na荧光雷达的长期观测数据，研究了北京、合肥和海南上空背景Na层的分布和变化特征，对照讨论了我国上空Na层变化特征的纬度相关性.
2010年12月17日夜里三个地方观测结果的对照表明，Na层中的大气活动或动力学过程具有明显的地域特性.在水平距离类似于北京、合肥和海南的不同地点，Na层夜间变化往往不具有相关性.
北京上空背景Na层柱密度的年平均值为3.67×109cm-2，在冬季和夏季分别出现最大和最小值，从冬季到夏季北京上空背景Na层柱密度逐渐减小，从夏季到冬季Na层柱密度逐渐增大，背景Na层柱密度的变化具有明显的年变化特征.背景Na层质心高度的年平均值为91.43km，随季节变化很小，相对稳定，半年变化特征较明显.背景Na层的RMS宽度的年平均值为3.23km，随季节变化的涨落也较小，年变化或半年变化特征不明显.合肥上空背景Na层柱密度年平均值为1.94×109cm-2，在冬季和夏季出现最大和最小，具有明显的年变化特征.背景Na层的质心高度年平均值为91.68km，随季节变化较小，具有半年变化特征.RMS宽度的年平均值为2.35km，随季节变化也很小，呈半年变化趋势.海南这一低纬度地区背景Na层柱密度的年平均值为1.51×109cm-2，在2月初和8月初出现极小值，在5月初和11月初出现极大值，季节变化主要呈半年变化趋势.质心高度年平均值为91.91km；随季节变化较小，表现为半年变化趋势.RMS宽度的年平均值为2.89km，季节性变化较小，半年变化或年变化趋势不明显.
通过对照三个地区背景Na层参数的长期变化发现，我国上空背景Na层随纬度变化较明显，具有较强的纬度相关性.背景Na层柱密度随着纬度的降低Na层柱密度明显逐渐减小，且北京地区的柱密度值几乎是合肥和海南数值的2~3倍.同时，随着纬度的升高年变化趋势越明显，而半年变化趋势逐渐减弱.三个不同纬度地区背景Na层柱密度都在气温较低的冬季出现极大值现象，在气温较高的夏季出现极小值.背景Na层质心高度随纬度的升高逐渐降低，都具有较明显的半年变化特征，但在季节变化上没有时间相关性.但是，背景Na层RMS宽度随着纬度的升高，并不是单调变化.在各个月份里，北京上空Na层的RMS宽度最大，海南次之，合肥最小；北京和合肥地区RMS宽度的长期变化表现出半年变化特点，而海南地区Na层RMS宽度变化则不具备半年变化特征.
致谢本项成果使用国家重大科技基础设施子午工程科学数据，感谢编辑及评审专家、子午工程项目和空间天气国家重点实验室建设项目相关人员的辛勤劳动.
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