北京延庆钠层上边界的平均特性研究

徐亦萌, 林兆祥, 杨国韬, 王继红, 程学武, 李发泉, 杨勇,杜丽芳, 焦菁, 荀宇畅,4, 郑浩然, 吴佛菊, 董毅

1 中南民族大学电子信息工程学院， 武汉 430074 2 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室， 北京 100190 3 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院波谱与原子分子物理国家重点实验室， 武汉 430071 4 太原理工大学物理与光电工程学院， 太原 030024

0 引言

位于地球表面80～105 km的中层顶区域，存在着一个金属层，含有钠、钙、铁、锂、钾等元素的原子、离子及其化合物.Plane(1991)，Yi等(2002，2008)通常认为这个金属层的源主要是宇宙尘埃和流星烧蚀；Clemesha等(1982)，States和Gardner(1999)，Xu等(2006)认为汇主要来自尘埃的吸附和通过化学反应在金属层底部形成水合离子团或气态化合物，然后在大气中的漩涡扩散输送作用下向低层逐渐沉降.在没有偶发现象和强烈扰动，且源、汇及各种化学过程和动力过程达到动态平衡时，金属元素一般以中性原子的形态存在于80～105 km的高度上.在中性金属原子层的上部，金属元素以正离子的形态存在，下部由于氧元素的浓度很高，金属元素多以化合物的形态存在.Richter等(1981)，She等(2000)，Xu和Smith(2003)指出金属层中的原子、离子和化合物既会受到动力驱动作用，被低层大气的重力波与潮汐波影响，又能相互反应参与到化学循环中，同时还能响应电离层的扰动，因此这些成分被普遍认为是一种很好的示踪物用来研究中高层大气的动力学和化学过程.

在众多金属原子中，钠原子具有相对较高的粒子浓度，同时散射截面较大，最容易被探测到，因此钠的激光雷达是目前使用最早，也是最多的.自Bowman等(1969)首次利用共振荧光激光雷达探测中高层大气中的钠原子以来，其他研究人员也陆续开展了钠激光雷达的探测研究.Bills等(1991)利用钠原子在中层顶区域随大气风场和温度的变化可以发生多普勒频移和展宽的特性，发展了钠层风温探测激光雷达，可以进行中层顶80～105 km风场和温度的测量，是目前中高层大气同时探测风温的重要手段.早期激光雷达由于探测能力的限制，一般的探测阈值约为4～10个金属原子，分布高度约为80～105 km之间.随着激光雷达技术的不断成熟，探测精度的不断提高，出现了许多关于110 km以上热层-电离层金属层(Thermosphere-Ionosphere metal，简称TIMt)的报道：Xue等(2013)在中国丽江(26.7°N，100.0°E)发现的两例热层增强钠层分别分布在约122 km和112 km的高度，Chu等(2016)报道了在McMurdo(77.83°S，166.66°E)观测最高高度到达170 km的Fe层.Gao等(2015)在丽江(26.7°N，100.0°E)报道了可以到达170 km的钠层.Liu等(2016)报道了在Chile(30.25°S，70.74°W)可以到达140 km的热层钠层.最近，Xun等(2019)报道了在中纬度台站延庆(40.5°N，116.0°E)和平泉(41.0°N，118.7°E)4例超过130 km的热层钠层，其中1例钠层接近200 km，峰值密度可达35 cm-3，其余3例钠层最高高度均超过了130 km，峰值密度均小于16 cm-3.

但是，这些报道中的热层-电离层钠层(Thermosphere-Ionosphere Na，简称TINa)都属于偶发现象，不是长期存在的钠层，不能很好地反应钠层上边界高度范围的变化.Höffner和Friedman(2004)报道了钾原子和钙原子上边界随季节的变化，指出夏季金属层总能延伸到很高的地方，主要由流星雨决定.Höffner和Friedman(2005)根据不同年份钾、钙、铁和钠原子上边界随世界时变化的5个例子，提出金属层的上边界由所用仪器的探测灵敏度决定.当今的激光雷达探测阈值已经能小于1 cm-3，灵敏度较高，但钠层的分布范围在80～105 km(或者80～110 km)这一传统观点，还是居于学术界的主导地位(Plane等(2015)).高精度激光雷达的探测下，顶部钠层能有多高？钠层上边界高度范围的夜间演化、季节变化、影响因素等一系列重要的科学问题，还没有得到充分的研究.如果110 km及以上还普遍存在钠层，则有两种可能，一种是永久存在的背景钠层已经可以达到很高的高度.另一种是频繁出现的偶发层，这种偶发层与背景层混合在一起，使得上边界提高.本文主要研究110 km以上的成分，所以将背景层与偶发层合在一起讨论.我们对延庆地区2018年11月—2019年12月的钠原子的激光雷达观测数据进行了分析，并从信号的角度得出延庆钠激光雷达的探测阈值可以达到0.4 cm-3.以这个探测阈值为基础，研究了上边界高度范围随地方时、季节的变化以及可能影响上边界高度范围分布的因素，为在120 km高度同时探测风场和温度提供了有效的理论支持.

1 实验仪器与数据来源

钠层探测的原始数据来源于国家重大科技基础设施子午工程科学数据(http:∥data.meridianproject.ac.cn/).子午工程北京钠共振荧光激光雷达系统位于延庆区，地理坐标为40.5°N，116.0°E.由Nd:YAG固体激光器(Continuum PL9030)和染料激光器(ND6000)组成激光发射系统，1064 nm的激光通过倍频泵浦得到589 nm的激光，然后通过稳频技术让波长能够长时间稳定地锁定在钠原子的D2线，脉冲重复频率为30 Hz，激光脉冲宽度为～10 ns，正常工作能量～60 mJ；由大口径卡塞格林式望远镜(～120 cm)、滤光片、光电倍增管和数据采集卡组成光学信号接收和采集系统，作用是将钠层的共振荧光散射信号经过滤光片抑制背景杂散噪声之后，以数字信号的方式存储在计算机里，最后根据其探测到的钠原子后向散射光子数，反演得到相应高度的钠原子密度.流星数据是由中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外科学观测研究站观测所得，由国家地球系统科学数据中心的地球物理分中心提供.由于流星数据是探测到一颗流星存储它的相应高度，使得分析时难以把高度精确到120 km，并且流星注入是一种过程，所以我们对115～125 km范围内的流星注入量进行分析.温度数据来源于美国国家大气研究中心(NCAR)开发的综合数值大气模式——全大气层气候模型(Whole Atmosphere Community Climate Model，简称WACCM).

2 数据分布与反演方法

本文使用的是北京延庆2018年11月9日到2019年12月31日的钠原子原始光子数回波数据，可供分析的观测数据为169个观测日，累积观测时间为1589 h.根据这些回波信号，可以反演得到钠原子数密度，具体反演方法如下：

激光雷达方程的一般形式：

×(T(λL,z)T(λ,z)G(z))+NBΔt,

(1)

假设30 km以上的大气衰减可以忽略不计，中间层和低热层的金属原子密度可以通过把30 km作为参考高度的瑞利散射来确定：

(2)

为提高信噪比，更清楚地看到钠原子密度比较小的钠层，本文分析数据时将时间分辨率由33 s降低为1 h，空间分辨率由96 m降低为1 km.针对上边界的长期变化等具体问题，我们也采用了不同的时空分辨率，图中均已进行标注.

处理后的观测时间分布如图1，横坐标为月份，从左起为2018年11—12月到2019年1—12月，纵坐标为地方时，黑色线段代表了在当天观测的时间段.

图1 观测时间分布Fig.1 Distribution of the observation data

2.1 钠激光雷达的探测阈值

探测阈值对于观测热层金属层是十分重要的，高齐(2016)提出探测阈值为本底噪声加上其标准差的1.5倍.由于受观测条件的影响，每天的激光雷达的探测阈值都不尽相同.为了提高结果的可靠性，我们采用了更严格的标准：将探测阈值更改为由本底噪声加上噪声标准差的4倍得到.超过这个探测阈值的回波光子数则认为是钠原子的回波信号，在1 km的分辨率的情况下，如果连续4 km出现2 km及以上(2 km不一定连续)回波光子数低于探测阈值，则认为这段廓线是背景噪声扰动.下面举例说明我们确定探测阈值的标准及判断钠层上边界范围的方法.

图2为2019年1月31日19—20(LT)钠原子的密度(a)和回波信号(b)随高度变化的廓线图，2019年12月3日凌晨04—05(LT)钠原子的密度(c)和回波信号(d)随高度变化的廓线图.以左半边的图为例，图2a的纵坐标为线性密度，图2b中150～200 km的本底噪声为1863，标准差为66，根据我们的标准，大于等于2127的光子数为2019年1月31日19—20(LT)钠原子的回波信号.其中等于2127光子数的高度为120 km，对应到图(a)中密度约为0.25 cm-3.同理，可以从图2c和图2d中得出150～200 km的本底噪声为3565，标准差为95，即等于3945光子数对应的约为0.38 cm-3的密度为这个时间段的探测阈值.可以明显地看到，钠密度为0.4 cm-3时是可以被识别的.我们对1589 h的钠层数据进行了探测阈值的计算，发现1116 h(占总数的70.23%)密度的探测阈值小于等于0.4 cm-3，说明0.4 cm-3这一标准，对于延庆钠激光雷达大多数的数据来说，是可以达到的.

图2 2019年1月31日19—20(LT)钠原子的密度(a)和回波光子数(Ph)(b)随高度变化的廓线；2019年12月3日04—05(LT) 钠原子的密度(c)和回波光子数(d)随高度变化的廓线图Fig.2 The sodium′s variation of density (a) and photon (b) with altitude on 19—20 (LT) January 31, 2019；The sodium′s variation of density (c) and photon (d) with altitude on 04—05 (LT) December 3, 2019

2.2 顶部钠层可达到的高度

图3分别为钠原子密度在110 km(a)、120 km(b)和130 km(c)随月份和地方时的分布图.以(a)为例，横坐标代表月份，色标代表密度，深蓝色代表密度小于0.4 cm-3，当密度大于等于5.04 cm-3时，都显示为深红色.从图(a)可以得到，在观测时间内，几乎所有的钠密度在110 km处都可以超过0.4 cm-3，概率为1588 h/1589 h=99.94%；根据图(b)可知，绝大部分钠密度在120 km处都可以被观测到，概率为1342 h/1589 h=84.46%；图(c)表明，一部分钠密度可以到达130 km，概率为641 h/1589 h=40.34%.

图3 钠原子密度在110 km(a)、120 km(b)和130 km(c)的密度变化Fig.3 Sodium density variation with date and time at 110 km (a)， 120 km (b) and 130 km (c)

2.3 上边界高度范围钠层密度的分布规律

2.3.1 120 km处钠层密度的季节变化规律

为了更好地反应钠层在120 km处密度的季节变化，我们将图3b用以10为底的对数坐标给出，得到图4.横坐标为月份，色标代表对数密度，深蓝色表示密度没有到达0.4 cm-3，对数密度大于等于1.9179(密度约为82.78 cm-3)为深红色.

可以从图4中得到，延庆地区2019年5月21日22∶00—23∶00对数密度达到最大，为2.0484(密度约为111.79 cm-3).约2—3月份从观测开始到凌晨01∶00(LT)之间绝大部分都是深蓝色，没有达到探测阈值，凌晨01∶00(LT)以后密度开始增加，但相比较于其他月份密度还是为全年最小值；约5—6月份的密度为全年最大，从观测开始到观测结束几乎都可以达到探测阈值.

图4 钠层在120 km处密度的季节变化Fig.4 Seasonal variation of sodium at 120 km

2.3.2 上边界高度范围钠层密度的季节变化规律

根据本文小节2.3.1我们得到了120 km处的密度分布有明显的季节变化，那么每天上边界的高度范围分布是否也符合这个规律呢？为了更好地研究这个问题，我们将时间分辨率降低为当天的天平均，空间分辨率不变，还是1 km，得到了图5上边界高度范围随季节变化的分布.横坐标为月份，色标代表钠层密度，当密度大于等于25.5 cm-3时为深红色.

在这个时空分辨率下探测阈值能达到0.4 cm-3的概率为158天/169天=93.49%，在110 km、120 km和130 km处大于等于0.4 cm-3的概率分别为169/169天=100%，157天/169天=92.90%和100天/169天=59.17%.如图5所示，在密度较高的5—6月份，上边界高度基本都可以到130 km，最高甚至可以达到约145 km.密度相对较低的9—10月份，上边界高度也几乎可以达到130 km.而在密度最低的2—3月份，上边界高度只能达到约120 km.这与120 km处的钠密度随季节变化的结果是一致的.

图5 上边界高度范围钠层密度的季节变化Fig.5 Seasonal distribution of the upper boundary

如果进一步降低时间分辨率为每个月数据的平均，空间分辨率不变，季节变化的规律会更加明显.图6为2019年钠原子的月平均密度分布图，深蓝色部分表示当前密度小于探测阈值，当密度大于等于25 cm-3时为深红色.可以非常明显的看到，上边界在5—6月份可以达到很高的高度，9—10月份次之，2—3月份最低.

图6 2019年钠原子的月平均密度分布图Fig.6 Density of sodium in 2019

2.3.3 上边界高度范围钠层密度的夜间演化

上边界高度范围的分布除了跟季节有关，也会随着地方时而发生改变.图7为2019年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)冬季的钠密度随地方时和高度的演化图，春季数据范围为3—5月份，夏季为6—8月份，秋季为9—11月份，冬季为1—2月份和12月份，色标代表钠密度，当超过一定密度时，都表示为深红色.可以看出，春季钠密度在22—03(LT)有明显的增加，秋季和冬季的钠密度都在约23(LT)时开始减少，经过一段时间后增加.

2.4 顶部钠层密度在后半夜增加

从图7中可以明显看出，顶部钠层密度在后半夜比前半夜的延伸高度更高.为了更直观地看到这种现象，需要统一取一个固定的时间段作为参考时间点.图7中除了春季因为22—03(LT)钠密度有明显的增加，使得天亮前密度增加不明显以外，其他季节都在约02—03(LT)及以后钠密度开始增加，并且绝大部分天数在02—03(LT)都进行了观测，所以我们取这个时间段的密度为分母，当天所有时间段的密度分别与其做比值，如果当天02—03(LT)没有进行观测或者密度没有达到探测阈值，就舍弃当天的数据.经过这样处理，所有的比值结果以色标展示.

图8为钠密度在120 km处的夜间分布图，横坐标为月份，色标代表比值结果.深蓝色部分表示密度没有达到探测阈值，比值结果大于等于1.9688显示为深红色.根据此图可以发现：每天后半夜120 km处的钠密度普遍有随时间推移而增加的趋势，而5—6月份22—02(LT)中间存在很高的密度层，后半夜密度增加的趋势不如其他月份明显.

我们取图8中后半夜最后1小时即天亮前的观测数据，观察此时每天上边界高度范围是否存在变化.图9为天亮前上边界高度范围随季节变化的分布图，横坐标代表月份，共142个观测夜(部分天数在天亮前没有进行观测，如2018年11月12日，天亮前约为6点半，而当天观测截止时间为凌晨02点，这种情况不能判断天亮前的变化，所以这一天舍去)，纵坐标代表高度，色标表示密度，当密度大于等于25.2 cm-3为深红色.

图8 密度在120 km处的夜间分布图Fig.8 Nocturnal distribution of density at 120 km

钠密度在110 km，120 km和130 km大于等于0.4 cm-3的概率分别为 142天/142天=100%，141天/142天=99.30%和117天/142天=82.39%.可以看出，5—6月和9—10月，上边界基本都可以到135 km，最高可以到达150 km，其中5—6月比9—10月整体上边界高度范围更大.即使是整体密度最低的2—3月份，上边界高度大部分也可以到达125 km.与图5相比，天亮前上边界的高度范围提高了至少5 km.

3 相关性分析

3.1 流星注入对钠层上边界高度范围的影响

图10为流星在北京上空的注入量，蓝色表示注入量较少，红色代表注入量较多，当注入量大于等于800时为深红色.可以看出，日落以后与后半夜，流星注入量都有明显的增加， 1—6月份中旬后半夜流星的注入量最少.图8中后半夜钠密度普遍增加，与此时流星注入量提高有一定的相关性，但日落以后流星注入量很大并没有出现钠密度的增加，这与我们的分析结果不同，还需要今后进一步研究.

图9 天亮前上边界高度范围随季节变化的分布图Fig.9 Seasonal distribution of the upper boundary before dawn

图10 流星注入量Fig.10 Injection of meteors

3.2 温度变化对钠层上边界高度范围的影响

本文需要探究的是120 km以上钠密度与温度的相关性，目前鲜有探测手段能在这个高度获取温度，所以我们使用的是美国国家大气研究中心(NCAR)开发的综合数值大气模式——WACCM.受条件限制我们只获取到了2019年北京上空的温度与2014年北京上空钠模式的数据，但温度每年不会发生很大变化，所以我们认为根据2014年钠模式数据得出的受温度影响的钠离子中性化速率可以为2019年钠密度背景层的变化做一个参考.根据Qiu等(2021)总结的先前的报道，中层顶中钠的主要化学反应和相应的速率系数见表1.将反应分支概率应用于(R3)到(R11)，可以得到Na+中和速率的一阶速率系数:

(3)

其中Pr表示分支的概率.k(Na+→Na)的一阶转换率可以用含钠化学成分的气候模型(WACCM-Na)的N2、O2、O和CO2的典型值作为高度的函数进行计算.

表1 Na的离子分子反应速率系数Table 1 Ion-molecule reaction rate coefficients for Na

图11a为根据WACCM模式获取的北京2019年的温度变化，色彩代表温度，大于等于500 K都为深红色；图11b为2014年钠离子中性化速率，色彩代表反应速率，颜色越深代表反应速率越高.

根据图11可以得到，约2—3月份温度较高，对应的化学反应速率比较低，所以钠层的上边界高度比较低.约9—10月份的温度低于2—3月份的，所以约9—10月份的化学反应速率较2—3月份高，与它的上边界比2—3月份高的现象对应.约5—6月份和11—12月份的温度都很高，此时化学反应速率很低，但是上边界还是可以达到很高的高度，可能是受到其他因素的影响.

图11 (a)2019年北京温度分布； (b) 钠离子中性化速率Fig.11 (a) Temperature distribution in Beijing in 2019； (b) Sodium ion neutralization rate

3.3 偶发钠层对钠层上边界高度范围的影响

3.3.1 钠层上边界高度范围与偶发钠层的联系

偶发钠层与钠层上边界高度范围变化不可分割.本文考虑的偶发钠层主要分为两种，第一种为Wang等(2012)和Xun等(2020)报道的相似的低热层钠层(Low Thermospheric Sodium Layer，简称LTSL).另一种为Chu等(2021)报道的热层-电离层钠层(Thermosphere-Ionosphere Na，简称TINa)，它通常拥有宽阔的层宽，并表现出重力波或潮汐波的下行相位.我们首先介绍低热层钠层.

图12为2019年5月9日00—01(LT)(a)和2019年5月21日21—22(LT)(b)LTSL的对数密度廓线图.纵坐标为对数密度.以图(a)为例，主层钠层(第一个峰值)主要分布在80～105 km，第二个钠层(第二个峰值)主要分布在105～130 km左右.可以看到，第二个钠层出现时密度都大于等于0.4 cm-3，与主层并没有明显的界限，是一体的，难以区别于主层.本文重点是探究当探测阈值为0.4 cm-3时钠层的上边界高度分布范围，LTSL本身是5—6月份现象的一部分，所以我们把如图所示的LTSL加入到钠层上边界高度范围的研究当中.

图12 2019年5月9日00—01(LT)(a)和2019年5月21日21—22(LT)(b)LTSL对数密度廓线Fig.12 Logarithmic density of LTSL on 00—01(LT) May 9, 2019 (a) and 21—22(LT) May 21, 2019 (b)

接下来我们介绍热层-电离层钠层.图13为延庆地区2018年12月14日钠的密度(a)和混合比(b)，其中混合比的计算方法是将Na数密度除以由MSISE00模型提供的延庆地区相应的大气数密度.根据图(b)，约当地时间21点TINa层开始下降，从约150 km下降到110 km，直到观测时间结束逐渐没入主层.Chu等(2021)表明当激光雷达有足够的能力探测TINa时，这种现象将会出现的相当频繁，并且TINa也难以与主层分开进行讨论，所以我们分析时将TINa也加入到了钠层上边界范围的讨论当中.

图13 Na的密度(a)和混合比(b)Fig.13 Density (a) and mixing ratio (b) of Na

为了更清楚地说明背景层与包含偶发层时钠层的变化特性，我们剔除了本文考虑的两种偶发钠层.具体剔除方法为：对于LTSL，以图12a为例，当第二个钠层出现时，会存在对应的峰值密度100 cm-3，当这个峰值密度至少连续2 h都大于等于探测阈值的20倍，即8 cm-3时，就将这段时间的数据舍去，认为此时没有进行观测.对于TINa，以图13b为例，当地时间21点到凌晨5点，混合比一直存在明显的下降相位，所以此时存在TINa现象，我们将21点到凌晨5点的数据舍去，认为这个时间段没有进行观测.最后将其余没有出现偶发钠层的原始数据进行月平均处理.去除偶发钠层后，可供分析的观测数据为123个观测日，累积观测时间为734 h.

图14为剔除偶发钠层后2019年钠原子的月平均密度分布图，深蓝色表示当前密度小于探测阈值，当密度大于等于25 cm-3时为深红色.可以得到107～120 km之间7—9月份上边界的密度较高，2—4月份最低，下半年顶部钠层最高，可以达到约143 km.通过与图6进行对比发现，LTSL对上边界密度的分布规律有很大的影响，TINa可以明显促进顶部钠层高度的抬升.所以偶发钠层的存在对上边界特性的影响是非常大的.

图14 剔除偶发钠层后月平均密度分布Fig.14 Density of sodium after removing sporadic sodium layers

3.3.2 偶发钠层对钠层上边界高度范围的贡献

偶发钠层的存在会拓展钠层上边界.图15a为钠层上边界与LTSL的关系图，虚线加菱形为LTSL的峰值高度最高且峰值密度超过8 cm-3时，当天所能到达的最高上边界，实线加圆圈表示天平均时每天所能到达的最高上边界.(b)为LTSL的出现频率，横坐标代表月份，纵坐标代表LTSL出现率.

根据图14a，约3—4月份LTSL出现频率低，上边界高度最低，LTSL出现较多的约5—9月中旬，上边界都很高.约2018年11—12月份与约2019年11—12月份，LTSL出现率不高，但上边界比较高，可能是受到了其他因素的影响.

从图15b中可以看出：相比较于其他月份，5—6月份LTSL出现得最频繁.与本文小节2.3.2得出的5—6月份上边界高度范围较大的现象一致.3月份LTSL出现频率较低，此时上边界高度范围也很低.因此我们推测：LTSL会对上边界变化特性产生影响.图16为延庆3—4月份(a)和5月份(b)钠密度随地方时和高度的分布.当密度大于一定数值时都为深红色.与图7a相比较，可以明显看出春季钠层上边界的密度受到了LTSL的影响.

图15 (a) 上边界与LTSL关系； (b) LTSL出现频率Fig.15 (a) Relationship between boundary and LTSL； (b) Frequency of LTSL

TINa对顶部钠层的影响可以从图6、图14和图15的比较中得出，它同样对上边界的变化特性存在着促进作用.具体表现为即使在LTSL出现频率很小的11—12月份，根据图6和图14可以看到顶部钠层有约1～3 km的提升，在LTSL与TINa同时出现频率不低的9—10月份，顶部钠层甚至有约12 km的提升.解释了5—7月份LTSL出现频率比9—10月份大很多，但9—10月份顶部钠层的高度与5—6月份相当.所以，偶发钠层的出现会对上边界高度范围的变化有促进作用.

图16 延庆3—4月份(a)和5月份(b)钠密度随地方时和高度的分布图Fig.16 Distributions of sodium density with time and height in Yanqing March-April (a) and May (b)

4 结论

本文中，我们对2018年11月到2019年全年的钠原子原始光子数回波进行了分析，结果表明：84.46%的钠层顶部都可以到达120 km，进一步研究发现北京延庆地区5—6月份钠层上边界最高，9—10月份次之，2—3月份最低；在后半夜顶部钠层密度普遍有增加的趋势.根据这些结果我们可以得到，延庆的钠层顶部普遍可以到达120 km，这个高度下时间和空间分辨率为1 h和1 km时对应的光子数大约为900，密度误差在4%以内.She在2008年的报告中提出10万个光子数的温度误差约为0.6 K，风场的误差约为3 m·s-1，这个光子数比延庆120 km处的光子数高约100倍.若想要将延庆的光子数提高到这个倍数，使其达到较低误差，可以通过增加望远镜的个数，如子午工程超大口径激光雷达望远镜的直径为1.5 m，是延庆望远镜接收面积的1.5625倍，如果能同时放置6个相同的超大口径望远镜，就可以探测到比原来高约9.4倍的光子数，在此基础上再将激光雷达的能量提高3倍，时间和空间分辨率总共降低4倍，就可以以较低误差在120 km进行风场与温度的测量，并且在后半夜精度更高.

我们也探究了流星注入、温度和偶发钠层与钠层上边界高度范围变化的相关性，推测出流星的注入促成了后半夜顶部钠层密度的增多.由于日落以后流星注入量很大并没有出现钠密度的增加，所以流星注入量可能不是影响上边界高度范围变化的主要因素，是由偶发钠层、温度和流星注入共同影响，其中偶发钠层对上边界高度范围的影响最大，流星注入次之，温度变化影响最低.具体表现为5—6月份温度最高，但此时偶发钠层频繁出现，流星注入也做出了一定贡献，所以上边界拓展到了很高的地方；9—10月份偶发钠层出现率相对5—6月份较低，但比其他月份高，加上流星的注入和温度较低，共同促进了上边界高度范围的提升；11—12月份偶发钠层出现率不高，温度也比较高，但此时流星注入作为影响因素之一，可以促进上边界高度范围的提升；3月份偶发钠层出现频率太低，流星注入量很低，并且温度较高，三者共同作用使得这部分上边界高度范围最低.那么是否这种现象仅存在与延庆地区，是否根据纬度不同存在其他规律，以及是什么原因促成了日落以后流星注入量很大并没有出现钠密度的增加，这将是我们下一步的研究方向.

致谢本文得到国家地球系统科学数据中心-地球物理分中心和美国国家大气研究中心的支持，借鉴了She Chiao-Yao 2008年9月11日在中国科学院国家空间科学中心分享的题为Meeting the Challenges of Observing Atmospheric Layers with Lidars 的报告，在此表示衷心的感谢.感谢评审专家提出的建议和编辑给予的帮助.