周寶柱 陳金松 李清亮 李娜 唐楊,2

(1.中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107; 2. 桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,桂林 541004)

引 言

中間層和低熱層(Mesosphere/Lower Thermosphere,MLT)區(qū)域中性大氣密度對(duì)于研究中高層大氣氣候、大氣動(dòng)力學(xué)和大氣區(qū)域內(nèi)O、O2和OH氣輝具有非常重要的意義,而連續(xù)測(cè)量MLT區(qū)域大氣密度的方法一直以來(lái)都是十分缺乏的．此外,中性大氣密度隨時(shí)間的變化是確定大氣阻力的關(guān)鍵信息,安全發(fā)射航天器,特別是低軌衛(wèi)星和可控制的軌道衛(wèi)星,同樣需要MLT區(qū)域中性大氣密度的準(zhǔn)確知識(shí)．

工作在中頻(Medium Frequency, MF)到甚高頻(Very High Frequency, VHF)頻段的地基大氣雷達(dá)是研究MLT區(qū)域動(dòng)態(tài)與結(jié)構(gòu)的重要手段,但是它們通常沒法直接測(cè)量大氣密度．激光雷達(dá)能提供高時(shí)間分辨率和高精度的大氣密度剖面圖,但其需要在晴空條件下才能工作且很多雷達(dá)在夜間工作時(shí)都有一定限制．探空火箭也是一種探測(cè)中性大氣密度的有效手段,但是發(fā)射火箭的高成本和復(fù)雜的后勤使得常規(guī)檢測(cè)變得不切實(shí)際．

Hocking等人于2013年提出流星雷達(dá)技術(shù)并被廣泛用于研究MLT區(qū)域氣候和大氣動(dòng)力學(xué),包括風(fēng)場(chǎng)和溫度[1]．2008年Stober等人提出流星雷達(dá)高度探測(cè)分布的峰值可以用來(lái)估計(jì)MLT區(qū)域的中性大氣密度變化[2]．Stober等人在2014年發(fā)現(xiàn)從2002年到2013年峰值高度的長(zhǎng)期遞減是一個(gè)MLT區(qū)域中性大氣密度長(zhǎng)期下降的現(xiàn)象,并發(fā)現(xiàn)主要原因是溫室氣體的冷卻[3]．流星雷達(dá)探測(cè)高度分布的峰值可以用來(lái)估計(jì)MLT區(qū)域的中性大氣密度變化,但是通過峰值高度的研究只能夠得到大氣密度的變化,不能確定大氣密度的準(zhǔn)確值[4]．

2014年的第1到90天中國(guó)電波傳播研究所安裝在昆明觀測(cè)站的兩臺(tái)雷達(dá)開展了3個(gè)月的針對(duì)流星雷達(dá)觀測(cè)大氣的聯(lián)合觀測(cè)試驗(yàn)．本文通過對(duì)該試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,提出一種利用流星雷達(dá)回波衰減時(shí)間確定的MLT區(qū)域雙極擴(kuò)散系數(shù)[5]和利用大氣溫度梯度法[6-7]得到的溫度值共同反演中性大氣密度的方法．同時(shí),通過不同高度的溫度梯度反演了不同高度的大氣密度,并將得到的大氣密度值與峰值高度對(duì)比,證明了流星雷達(dá)探測(cè)中高層大氣密度的可行性．

1 流星雷達(dá)

中國(guó)電波傳播研究所在昆明觀測(cè)站建立了一系列大氣雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)(Kuming Atmospheric Radar Facility, KARF),該系統(tǒng)旨在研究低緯度地區(qū)低層與中層大氣的動(dòng)力學(xué)和氣候?qū)W變化．其中包括一臺(tái)全天空流星雷達(dá)和一臺(tái)安裝全天空流星模式的ST雷達(dá),這兩臺(tái)流星雷達(dá)由ATRAD 大氣雷達(dá)公司生產(chǎn),同屬于Buckland Park全天空干涉流星雷達(dá)(Buckland Park All-sky Interferometic Meteor Radar, BPMR)系列,于2008年開始運(yùn)行觀測(cè)[8]．

全天空流星雷達(dá)是目前世界上廣泛使用的中間層和低熱層區(qū)域大氣觀測(cè)手段．全天空流星雷達(dá)通過探測(cè)、接收和分析流星余跡回波的多普勒頻移,可以得到流星燒蝕區(qū)域(70～110 km)的背景大氣風(fēng)場(chǎng)信息[5]．此外,還可以通過分析欠密度流星余跡回波的衰減時(shí)間來(lái)反演中間層頂區(qū)域(大約90 km和85 km)的中性大氣的溫度[6]．全天空流星雷達(dá)具有全天候連續(xù)觀測(cè)、無(wú)人值守、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低廉、不受地域條件限制等特點(diǎn),使其廣泛運(yùn)用于世界各地．

昆明全天空流星雷達(dá)收發(fā)天線陣由1副相互正交兩單元八木天線作發(fā)射天線,5副交叉圓極化兩單元八木天線作接收天線組成[1]．表1給出了昆明全天空流星雷達(dá)和ST雷達(dá)的主要工作參數(shù),可以看出兩臺(tái)雷達(dá)運(yùn)行參數(shù)中只有發(fā)射機(jī)工作頻率和峰值輸出功率不同．

表1 流星雷達(dá)主要運(yùn)行參數(shù)

2 流星雷達(dá)反演密度方法

微流星以11～72 km/s的速度進(jìn)入地球大氣層,與大氣分子發(fā)生距離碰撞燒蝕形成等離子,一般的,在85～95 km高度內(nèi)的流星余跡等離子體會(huì)以雙極擴(kuò)散的形式擴(kuò)散．在此條件下,流星雷達(dá)接收的欠密流星余跡反射回波其振幅會(huì)隨時(shí)間呈指數(shù)衰減,通過估算欠密流星余跡回波的衰減時(shí)間可以得到流星余跡雙極擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)[1],公式如下:

(1)

式中：λ為流星雷達(dá)的波長(zhǎng);τ為回波振幅由最大值衰減到其一半的時(shí)間;D為流星余跡等離子體擴(kuò)散速率,即雙極擴(kuò)散系數(shù)．

比較Yiwen提出的昆明流星雷達(dá)雙極擴(kuò)散系數(shù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)D值和高度的函數(shù)[6],可以發(fā)現(xiàn)在85 km到94 km之間,D的值是完全一致的,所以同樣的物理規(guī)律在此高度上是相同的．可得到雙極擴(kuò)散系數(shù)D受背景大氣溫度、壓強(qiáng)和密度影響,且存在如下關(guān)系[9-11]:

(2)

式中：T、P和ρ分別表示中性大氣溫度、壓強(qiáng)和密度；K0是常數(shù).因此,在知道大氣溫度的情況下,利用流星雷達(dá)觀測(cè)的雙極擴(kuò)散系數(shù)D可以得到大氣壓強(qiáng)或者大氣密度[4,6-7,9].反之,知道大氣壓強(qiáng)或者大氣密度也可以得到大氣溫度[12-13]．

為了提高反演溫度的精確度需要剔除部分流星回波,去除回波種類如下:

1)剔除回波天頂角(zenith)大于55°的數(shù)據(jù)．回波天頂角越大,通過距離與天頂角計(jì)算得到的流星回波高度誤差越大．另外,流星進(jìn)入地球大氣存在入射角,使得雷達(dá)探測(cè)到的流星天頂角大部分大于45°．因此,在保障回波高度精確度和流星回波數(shù)量情況下,昆明流星雷達(dá)選取天頂角小于55°的數(shù)據(jù)．

2)剔除高度太低但擴(kuò)散系數(shù)很大(衰減時(shí)間很短)或高度太高但擴(kuò)散系數(shù)很小(衰減時(shí)間很長(zhǎng))的流星回波．根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)與高度的關(guān)系曲線,各剔除水平和垂直方向上5%的數(shù)據(jù)．

通過溫度梯度法反演中間層頂?shù)拇髿鉁囟萚6], 計(jì)算公式如下:

(3)

式中：T表示流星峰值高度處的中性大氣溫度；S表示lgD在高度分布上的斜率;dT/dz表示垂直溫度梯度;m表示空氣分子質(zhì)量;k為波爾茲曼常數(shù)．本文直接利用溫度梯度法(式(3))反演的溫度,結(jié)合昆明流星雷達(dá)觀測(cè)的雙極擴(kuò)散系數(shù)D,通過公式(2)反演85～94 km的中性大氣密度ρ．

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證以及結(jié)果分析

圖1～10給出了ST雷達(dá)和全天空流星雷達(dá)反演得到的大氣密度以及大氣密度差值日變化,其中ST雷達(dá)3月5日到15日缺少觀測(cè)數(shù)據(jù)．

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖1 85 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖2 86 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖3 87 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖4 88 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖5 89 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖6 90 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖7 91 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖8 92 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖9 93 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

(a) 大氣密度日變化

(b) 大氣密度差值日變化圖10 94 km處兩臺(tái)流星雷達(dá)得到的大氣密度及其差值日變化

由圖1～10可知:兩臺(tái)流星雷達(dá)反演出的大氣密度在各個(gè)高度上均具有較好的一致性,差值都在平均值的10%以內(nèi),整體相似度較高,但在同一高度上ST雷達(dá)得到的大氣密度值要高于全天空流星雷達(dá)．另外,計(jì)算了不同高度的大氣密度均值以及標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果如表2、表3所示．

表2 全天空流星雷達(dá)反演高度剖面均值和標(biāo)準(zhǔn)差

表3 ST雷達(dá)反演高度剖面均值和標(biāo)準(zhǔn)差

將表2、3中的數(shù)據(jù)通過誤差棒的形式整合,得到如圖11所示的剖面圖．

圖11 高度剖面以及大氣密度偏差

由表2、3和圖11可見:兩個(gè)雷達(dá)的高度剖面走勢(shì)曲線具有良好的一致性,且標(biāo)準(zhǔn)差的幅度均在均值的10%以內(nèi);大氣密度值較集中,可靠性較強(qiáng),且隨著高度的升高,大氣密度減小的速率也逐漸變?。送?由于峰值高度變化可以反映出大氣密度變化,圖12、13給出了兩臺(tái)雷達(dá)反演得到的大氣密度與峰值高度的走勢(shì)關(guān)系.

圖12 全天空流星雷達(dá)反演的峰值高度與大氣密度

圖13 ST雷達(dá)反演的峰值高度與大氣密度

由圖12、13可以看出,除個(gè)別天數(shù)外,兩臺(tái)雷達(dá)的峰值高度與大氣密度走勢(shì)大體相似,且隔日變化一致度較高．

4 結(jié) 論

本文方法反演得到的大氣密度值與峰值檢測(cè)高度走勢(shì)大體一致,驗(yàn)證了該方法的正確性．通過對(duì)比分析兩臺(tái)不同頻率雷達(dá)2014年1—3月長(zhǎng)達(dá)90天聯(lián)合觀測(cè)得到的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)兩者在對(duì)應(yīng)高度上反演的大氣密度具有良好的一致性,高度剖面所呈現(xiàn)的偏差也在合理范圍之內(nèi)．

但是由于本文方法依賴于溫度梯度公式,且溫度梯度模型在未來(lái)可能會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)完善,同時(shí)所涉及數(shù)據(jù)量規(guī)模不大,季度及年變化并未給出,這也是之后所要繼續(xù)進(jìn)行的研究．

流星雷達(dá)是目前探測(cè)中間層-低熱層區(qū)域大氣環(huán)境參數(shù)的強(qiáng)大手段,也是應(yīng)用較廣泛的一套觀測(cè)系統(tǒng),可以得到包括中高層大氣水平風(fēng)場(chǎng)、中層頂大氣溫度在內(nèi)的一系列參數(shù)．通過本文反演大氣密度的方法為探測(cè)中高層大氣相關(guān)參數(shù)提供了一種新的途徑．

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