中高层大气充满了复杂的光化学及动力学过程，从中层区域的30公里延伸到100公里乃至更高的区域，伴随出现很多重要而有趣的特征；主要分布在80-105km的大气金属层，包含钠、钾、铁、钙等多种成分。需要获取原子、离子、风场、温度多元参数，从而进行金属层演化，以及重力波，大气环流相互作用等大气动力学问题研究。在子午工程激光雷达一期工作基础上，中国科学院国家空间科学中心、中科院武汉精密测量研究院、海南师大、中南民族大学等，联合对现有的激光雷达进行了关键技术升级取得以下重要成果。 

1. 基于高分辨钠激光雷达的重力波涡旋谱观测研究 

中高层大气重力波功率谱研究能够帮助我们更加深入地了解中高层大气的循环、结构、组成等空间环境重要信息。重力波功率谱的斜率根据Weinstock等的线性饱和度理论预测的扩散模型斜率为-3。但中尺度能谱的能量传递过程因为受到各种影响，导致小尺度的重力波破碎形成湍流并向金属层边缘传递，从而形成斜率为-5/3的大气涡旋谱。由于探测精度和激光雷达分辨率的限制，目前为止国内外对于该涡旋谱观测研究仍然停滞不前。本团队利用光学手段对激光雷达系统进行了设计改造，技术上采用多项原创技术使激光雷达获得了较高的时空分辨率（6.7秒、15米）。在常规模式下（3分钟、100米）589nm通道的钠层峰值计数可以达到35000；折算光功率通量计算后可达0.7Wm2，以国际上激光脉冲平均获得钠层回波光子数来衡量探测能力的标准,经此设计的激光雷达已经跻身于世界超高水平的钠层激光雷达之列，可发现以往低信噪比条件下只能在理论预测中存在的中高层大气涡旋谱及其他大气参数信息，也是世界范围内首次利用钠密度雷达在重力波湍流区观测到理论预测的涡旋谱，证实了理论预测的结论。模拟计算值在-1.71，与理论值-5/3 相当接近。弥补当前关于中国大陆地区中高层大气高频涡旋谱的研究空白。

 
图1 (a)~(c) 常规及高分辨模式下探测原始信号， 
(d) 子午工程北京延庆高分辨激光雷达观测到的大气涡旋谱， 
(e) 理论预测的大气涡旋谱值， 
(f) 观测涡旋谱值及激光雷达观测阈值图 

2. 激光雷达功能拓展与镍层探测研究，首次揭示北京地区镍层行为规律 

在中高层大气中广泛存在金属层，其中以钠层、钾层、铁层等各种金属层作为示踪物研究已经取得了大量的研究成果；但对在金属层中的镍层研究却始终停滞不前，这是由于镍原子散射截面小、密度低、信号及其微弱，对于激光雷达探测来说是一个很大的挑战。目前国际上只有Collins和Gerding两个团队报道了镍原子层的峰值密度激光雷达探测，但由于报道文献较少，镍原子层的密度研究仍存在较大争议。 

  
图2 (a) Gerding 等人报道的镍原子峰值密度,  
(b) Collins团队报道的镍原子峰值密度， 
(c) (d)子午工程延庆台站上空的镍原子密度， 
(e)镍原子密度与镍原子层回波信号 

课题组对子午工程延庆台站的激光雷达进行功能拓展，成功地实现了镍原子层的探测。技术采用532nm波长泵浦镍染料激光器，该波长激光具有不伤害染料分子的优点，且红外激光染料的寿命及转换效率较高，可以长期观测镍原子层，有利于镍原子的夜间变化等长期变化的研究；使用倍频器避免放大自发辐射干扰；窄带滤光片减小背景噪声，使得镍原子探测具有相当好的分辨率，且具有可长期观测镍原子层的优点，有助于我们进一步分析镍原子层夜间的特殊变化现象以及季节变化，以及镍原子在中层顶区域的长期特征。填补镍原子观测研究的空白。利用此雷达观测了2019年4月到12月，共25天的镍原子峰值密度和柱密度的变化，得到的结果与Gerding等人在2019年的报道结果一致，解决了国际上存在争议的镍原子密度问题（证实了镍原子密度确实比较低），并且与WACCM-Ni 模式相符，支持了Gerding团队探测到的结果，证实了大气金属层起源机制的正确性。目前，国外对镍层的探测仅有数次夜间探测，但是我们的激光雷达实现了长期探测，在国际镍层研究目前已经做到领先。 

3. 巴西钠-钾激光雷达建设与科学观测 

全世界已投入常规观测的激光雷达中，能够对钠和钾进行同时观测的激光雷达屈指可数。北半球有欧洲高纬地区的Kühlungsborn台站，东亚中纬度地区中国北京延庆台站，美洲低纬地区的Arecibo台站。作为子午工程项目的延伸，国际子午圈建设巴西激光雷达是极为重要一环。团队近年在巴西建设的钠-钾同时探测激光雷达，通过如望远镜镀膜反射率优化、激光线宽压窄技术、高效激光倍频技术以及发射激光波长自动锁定技术等关键技术的升级。观测到系列Na和K层的特性。获得了钠-钾同时探测信号，并且首次实现了在南美上空钾层的探测，填补了南半球低纬度地区无钾观测记录的空白。在此激光雷达累积观测下同时观察到Nas和Ks的现象，结论表明两者的时空演化并不完全一致，Nas先于Ks达到最大值，并且还取得了一定的新发现：（1）对于钾层探测，巴西钠-钾激光雷达获得了优异探测结果。钾层原始回波光子数1633（200s，96m），信噪比可达40:1。相比于德国的探测结果（1min，100m的分辨率情况下获得357个光子数），在同样分辨率情况下，巴西钠-钾同时探测激光雷达获得了450个光子数；（2）观测并报道了在南美地区出现的高密度钾层的特殊金属层事件，密度可达1019cm？3，该事件是极为罕见的高空金属层case study，出现概率极低，有助于我们继续研究全球金属层产生的行为机制。同时，基于该激光雷达的数据，中巴联合研究团队在JGR上发表了两篇文章。

 
  
  
  
图3 (a) 南美巴西上空观测的Nas现象， 
(b) 南美巴西上空观测的Ks现象， 
(c) 巴西钠钾激光雷达实况图, 
(d)南美地区出现的密度可达1019 cm-3 
高密度钾层的特殊金属层事件 

供稿 海南师范大学 邹旭 
编辑 宫晓艳 陈玮