基于全天空流星雷達(dá)測(cè)量動(dòng)量通量的新方法

陳金松 許莉莉 馬春波 李娜 林樂科

(1.中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(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;3.中國(guó)科學(xué)院空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

基于全天空流星雷達(dá)測(cè)量動(dòng)量通量的新方法

陳金松1,3許莉莉1,2馬春波2李娜1林樂科1

(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;3.中國(guó)科學(xué)院空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

全天空流星雷達(dá)是新一代的流星雷達(dá),可以接收流星余跡反射的無線電波,目前主要應(yīng)用于探測(cè)流星燒蝕區(qū)域的大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)而研究該區(qū)域的大氣動(dòng)力學(xué)．文中利用全天空流星雷達(dá),基于Hocking提出的測(cè)量重力波動(dòng)量通量的新方法來研究昆明地區(qū)的大氣環(huán)境參數(shù)——重力波的動(dòng)量通量．由于采樣時(shí)間間隔的不同,該方法仍存在爭(zhēng)議．本文主要利用昆明站工作頻率為37.5 MHz的全天空流星雷達(dá)測(cè)得的流星數(shù)據(jù)來驗(yàn)證采樣時(shí)間對(duì)重力波動(dòng)量通量取值的影響,同時(shí)利用工作頻率分別為37.5 MHz、53.1 MHz的全天空流星雷達(dá)在2014年9月份觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明:采樣時(shí)間間隔的選取對(duì)重力波動(dòng)量通量的取值有很大影響;在合適的采樣時(shí)間間隔內(nèi)利用全天空流星雷達(dá)測(cè)量重力波的動(dòng)量通量的新方法是可行的．

流星余跡;大氣動(dòng)力學(xué);動(dòng)量通量;采樣時(shí)間

引 言

微波和海洋波動(dòng)中的上升表面因?yàn)榈厍蛑亓Φ淖饔帽幌蛳吕?其相鄰的水表面由于相互作用而升高．水表面高度的變化隨著海洋表面?zhèn)鞑サ竭h(yuǎn)處,這些因?yàn)橹亓Φ脑蚨a(chǎn)生的波被稱為重力波．類似的,重力波也存在于分層的大氣中和海洋表面的下方,例如,我們可以看到云層沿著山脈運(yùn)動(dòng),這種現(xiàn)象是由流體穿越山脈時(shí)在背風(fēng)處產(chǎn)生的重力波形成的,它是產(chǎn)生重力波的一種典型的源,此外產(chǎn)生重力波的源還有很多,例如急流切變的不穩(wěn)定性、積云的對(duì)流、臺(tái)風(fēng)、鋒面氣流和雷暴雨等．不像海洋表層,大氣邊緣沒有那么明顯,因此重力波的形成處在較低緯度,然后傳播到上層,在重力波上升至中高層大氣的過程中,其振幅會(huì)逐漸增大,直到重力波破碎或者消散,重力波的破碎或者消散會(huì)導(dǎo)致能量向大氣的傳輸,其結(jié)果嚴(yán)重影響了大氣風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的結(jié)構(gòu)．此外,波破碎時(shí)所產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)引起熱量的垂直傳輸和大氣中較小成分的混合,當(dāng)局部大氣溫度梯度比絕熱下降速率大時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)流不穩(wěn)定性．造成重力波不穩(wěn)定性的原因通常假定有兩種情況:一種是高頻區(qū)域?qū)α鞑环€(wěn)定性,另一種是低頻區(qū)域切變不穩(wěn)定性．在重力波不穩(wěn)定性發(fā)生的高度,重力波的振幅停止增大從而達(dá)到最大的狀態(tài)．波振幅和質(zhì)量的乘積是重力波所承載的動(dòng)量,此外,動(dòng)量和重力波垂直流量變化的乘積是重力波向上傳播時(shí)所承載的動(dòng)量通量[1-2]．

傳統(tǒng)的重力波動(dòng)量通量參數(shù)的測(cè)量方法為:利用甚高頻(VeryHighFrequency,VHF)雷達(dá)或中頻(MediateFrequencyRadar,MF)雷達(dá)發(fā)射的對(duì)稱、相對(duì)較窄的共面雙波束來實(shí)現(xiàn)重力波參量的直接測(cè)量[3-5]．Vincent、Reid等人在利用多普勒雷達(dá)測(cè)量澳大利亞阿德萊德地區(qū)的大氣環(huán)境參數(shù)的分析中得出:重力波動(dòng)量通量u′w′隨高度平緩的變化,最大值出現(xiàn)在夏天和冬天的月份中[6];Tsuda在利用MU雷達(dá)(35°N,136°E)觀測(cè)中高層大氣環(huán)境中得出:重力波的緯向動(dòng)量通量呈現(xiàn)明顯的半年變化,在7、8月份出現(xiàn)東向最大值,在12-2月份出現(xiàn)西向最大值[7]．由于在傳統(tǒng)的測(cè)量重力波動(dòng)量通量的方法中用到的雷達(dá)設(shè)備在季節(jié)和高度覆蓋范圍等方面局限性較大[7-10],Hocking曾提出了一種基于流星雷達(dá)觀測(cè)重力波動(dòng)量通量的新方法[11]．流星雷達(dá)是最近十幾年發(fā)展起來的探測(cè)中高層大氣的重要工具,它通過觀測(cè)流星余跡的反射回波來反演該區(qū)域的大氣環(huán)境參數(shù),流星雷達(dá)不受天氣的影響和晝夜空間環(huán)境的限制,可以進(jìn)行全天候持續(xù)性的觀測(cè)[13]．該方法的正確性與否仍存在爭(zhēng)議,Vincent提出不同采樣時(shí)間間隔對(duì)重力波動(dòng)量通量的影響很大,可能會(huì)導(dǎo)致Hocking提出的計(jì)算重力波動(dòng)量通量新方法的錯(cuò)誤性[14]．

中國(guó)電波傳播研究所在昆明站(25.6°N,103.8°E) 建設(shè)了低緯地區(qū)大氣雷達(dá)綜合觀測(cè)系統(tǒng),通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)昆明地區(qū)大氣環(huán)境參數(shù)的觀測(cè),其中包括一臺(tái)工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達(dá)和一臺(tái)工作頻率為53.1MHz的平流層-對(duì)流層(StratosphereandTroposphere,ST)雷達(dá),ST雷達(dá)除了具有平流層和對(duì)流層的觀測(cè)能力外,還有一個(gè)全天空流星雷達(dá)的觀測(cè)模式．本文利用這兩臺(tái)雷達(dá)在全天空流星雷達(dá)的觀測(cè)模式下得到的流星數(shù)據(jù),基于Hocking提出的測(cè)量重力波動(dòng)量通量的新方法,對(duì)昆明地區(qū)的大氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了分析．在本文中,首先通過比較兩臺(tái)不同頻率雷達(dá)采用不同時(shí)間間隔的計(jì)算結(jié)果,分析采樣時(shí)間間隔對(duì)動(dòng)量通量的影響,其次利用工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)反演得到了2011-2014年動(dòng)量通量的年變化．

1 數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 流星雷達(dá)數(shù)據(jù)介紹

當(dāng)流星體進(jìn)入大氣層之后會(huì)與大氣層中的分子發(fā)生劇烈的碰撞,從而使流星體加熱,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致流星原子從流星體的表面撞出,進(jìn)而發(fā)生流星物質(zhì)的激濺．當(dāng)流星體加熱到一定程度的時(shí)候,流星體的表面會(huì)發(fā)生氣化作用,在流星體的尾部由氣化作用和激濺產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)繼續(xù)與大氣中的分子碰撞,最終會(huì)在流星尾部電離形成一條等離子體柱,稱這條等離子體柱為流星余跡[15-16]．

本文利用全天空流星雷達(dá)觀測(cè)到的流星余跡的瞬時(shí)速度反演重力波動(dòng)量通量值．根據(jù)流星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),全天空流星雷達(dá)平均每天觀測(cè)到的流星回波數(shù)量約為三萬個(gè),按照流星余跡回波準(zhǔn)則對(duì)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選[13],得到每天可用于數(shù)據(jù)分析的流星數(shù)量約為10 000～20 000個(gè),通過流星余跡回波的到達(dá)角和距離,可以得出流星的主要分布高度范圍為70～110km．在高度范圍為60～110km處,工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達(dá)9月7日一天內(nèi)共探測(cè)到17 760個(gè)流星,工作頻率為53.1MHz的全天空流星雷達(dá)共探測(cè)到了16 467個(gè)流星,圖1給出了經(jīng)過流星余跡回波準(zhǔn)則篩選后得到的用于數(shù)據(jù)分析的流星速度隨高度的分布情況,工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達(dá)共探測(cè)到的可用于數(shù)據(jù)分析的流星個(gè)數(shù)為13 926,工作頻率為53.1MHz的全天空流星雷達(dá)共探測(cè)到的可用于數(shù)據(jù)分析的流星個(gè)數(shù)為11 152．

(a) 工作頻率為37.5 MHz

(b) 工作頻率為53.1 MHz圖1 流星速度隨高度的分布情況

1.2 全天空流星雷達(dá)觀測(cè)重力波動(dòng)量通量原理

傳統(tǒng)的測(cè)量重力波動(dòng)量通量的方法主要依賴于雷達(dá)發(fā)射的同一垂直平面的兩波束(在相反方向具有θ的傾斜角),假設(shè)兩波束分別位于+x和-x軸方向,位于+x軸的波束的瞬時(shí)多普勒速度為

(U+u′)sinθ+(W+w′)cosθ.

(1)

位于-x軸的波束的瞬時(shí)多普勒速為

-(U+u′)sinθ+(W+w′)cosθ.

(2)

則兩波束的均方差為

(3)

(4)

(5)

二者的均方差值即為由重力波引起的波動(dòng)值．

(6)

式中:vrad是測(cè)得的流星多普勒速度值;vradm是平均多普勒速度,對(duì)于一個(gè)位于球坐標(biāo)系中(θ,φ)處的流星,其瞬時(shí)多普勒速度為

vradm=Usinθcosφ+Vsinθsinφ+Wcosθ.

(7)

將式(5)、(6)、(7)帶入式(4),可得到等式(8):

v′2sin2θsin2φ+w′2cos2θ+

2u′v′sin2θcosφsinφ+

2u′w′sinθcosθcosφ+

2v′w′sinθcosθsinφ]2.

(8)

(9)

1.3 平均風(fēng)的計(jì)算

由式(6)可以看出平均風(fēng)的取值是影響重力波動(dòng)量通量值的重要因素,流星瞬時(shí)多普勒速度的方向余弦表達(dá)式為

vradm=usinθcosφ+vsinθsinφ+wcosθ.

(10)

式中:θ表示天頂角;φ表示方位角．在給定的采樣區(qū)間內(nèi)對(duì)等式(10)進(jìn)行最小二乘擬合得到平均多普勒速度vfitm,以最小二乘擬合得到的平均多普勒速度vfitm為基準(zhǔn),與采樣區(qū)間內(nèi)各個(gè)流星的瞬時(shí)多普勒速度值比較,若存在差值大于25 m/s的流星多普勒速度,則從采樣區(qū)間內(nèi)剔除該值,形成一個(gè)新的采樣區(qū)間,在新的采樣區(qū)間內(nèi),利用最小二乘擬合得到一個(gè)新的平均多普勒速度vfitm1,繼續(xù)與此采樣區(qū)間內(nèi)各流星的多普勒速度比較,以此方法重復(fù)進(jìn)行剔除,直到所有流星的瞬時(shí)多普勒速度與平均多普勒速度的差值小于25 m/s,即得到所要求得的平均多普勒速度vradm．圖2給出了由工作頻率分別為37.5 MHz、53.1 MHz的全天空流星雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)擬合得到的不同采樣時(shí)間間隔時(shí)的平均風(fēng)．圖3中給出了不同采樣時(shí)間間隔時(shí)平均風(fēng)的均值與均方差,從圖中可以看出擬合得到的平均風(fēng)差別很小,隨

圖2 不同采樣時(shí)間間隔(t)時(shí)平均風(fēng)取值

圖3 不同采樣時(shí)間間隔時(shí)平均風(fēng)的均值與均方差

著采樣時(shí)間間隔的增加,均方差減小,在采樣時(shí)間間隔為4小時(shí)時(shí)得到最優(yōu)值,當(dāng)采樣時(shí)間間隔增大,均方差變大．根據(jù)流星余跡回波準(zhǔn)則對(duì)觀測(cè)到的流星數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,圖4給出了不同采樣時(shí)間間隔時(shí)88km用于數(shù)據(jù)處理的流星分布圖,從圖中可以看出流星速度主要分布范圍為20～40km/s．

圖4 不同采樣時(shí)間間隔時(shí)88 km處用于數(shù)據(jù)處理的流星分布

2 數(shù)據(jù)分析與討論

重力波動(dòng)量通量的取值主要依賴于垂直方向上的多普勒速度,因此在數(shù)據(jù)分析中排除了天頂角取值大于45°的數(shù)據(jù),利用可發(fā)射雙波束的雷達(dá)計(jì)算動(dòng)量通量的傳統(tǒng)方法中,當(dāng)兩波束的夾角為10°～15°時(shí),垂直多普勒速度和水平多普勒速度在決定動(dòng)量通量值時(shí)占的比率為4∶1,當(dāng)夾角為30°時(shí),二者比率為1.7∶1,當(dāng)夾角為45°時(shí),二者比率為1∶1[12]．

為了驗(yàn)證Hocking得到的測(cè)量重力波動(dòng)量通量新方法的正確性,本文首先對(duì)昆明站建設(shè)的工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)在88km的高度范圍流星出現(xiàn)頻率達(dá)到峰值,因此我們選取了高度為88km處的流星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．圖5給出了昆明站觀測(cè)到的2014年9月10-14日5天時(shí)間內(nèi)88km高度處采樣時(shí)間間隔為1小時(shí)的緯向平均風(fēng)、徑向平均風(fēng)和動(dòng)量通量的取值情況．從圖5(a)可以看出,平均風(fēng)具有明顯的潮汐現(xiàn)象,利用最小二乘法擬合得到的多普勒速度平均風(fēng)值的變化趨勢(shì)與緯向、徑向平均風(fēng)的變化趨勢(shì)也是一致的．在圖5(b)中可以看出v′2存在小于0的值,v′2出現(xiàn)負(fù)值是不合理的,但是由于在給定的1個(gè)小時(shí)的采樣時(shí)間間隔內(nèi)流星采樣速率小于30,從而產(chǎn)生了圖5(b)中的v′2小于零的值．由此可以看出采樣時(shí)間間隔是影響重力波動(dòng)量通量取值的重要因素,計(jì)算動(dòng)量通量時(shí)在給定的采樣時(shí)間間隔內(nèi)可用流星數(shù)必須大于30,流星雷達(dá)特定時(shí)間間隔內(nèi)可用流星數(shù)與雷達(dá)單位系統(tǒng)參數(shù),如頻率和發(fā)射功率等、雷達(dá)位置、季節(jié)和地方時(shí)有關(guān)．圖5(c)、(d)給出了剔除了采樣頻率過低時(shí)動(dòng)量通量的取值．

(a) (b)

(c) (d)圖5 昆明站88 km高度處2014年9月10到14日采樣時(shí)間間隔為1小時(shí)的 緯向平均風(fēng)、徑向平均風(fēng)和動(dòng)量通量值(橫坐標(biāo)為每日0點(diǎn))

(a)

(b) 圖6 昆明站88 km高度處2014年9月采樣時(shí)間 間隔為2小時(shí)時(shí)動(dòng)量通量的取值

圖6中給出了測(cè)得的2014年9月份30天的重力波動(dòng)量通量的取值情況,在此次分析中采樣時(shí)間間隔為2小時(shí),在給定的2小時(shí)的采樣時(shí)間間隔內(nèi)流星數(shù)量基本滿足大于30,從圖6(a)中可以看出v′2的取值大部分為正,從而驗(yàn)證了采樣時(shí)間間隔的選取對(duì)重力波動(dòng)量通量的重要性．

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Hocking提出的測(cè)量重力波動(dòng)量通量新方法的正確性,利用昆明站兩臺(tái)不同工作頻率的全天空流星雷達(dá)在2014年9月10-16日一周的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圖7中分別給出了88 km處不同采樣時(shí)間間隔時(shí)重力波動(dòng)量通量u′w′的取值情況,由圖7可以看出,兩臺(tái)不同工作頻率(37.5 MHz、53.1 MHz)的全天空流星雷達(dá)測(cè)得的動(dòng)量通量變化趨勢(shì)是一致的,從圖8可以看出隨著采樣時(shí)間間隔的增加,u′w′取值的吻合度變高,且在4小時(shí)時(shí)出現(xiàn)均方差最小的情況,之后隨著采樣時(shí)間間隔的增加,均方差變大,由此說明了采樣時(shí)間間隔是影響重力波動(dòng)量通量取值的重要因素．

圖7 昆明站88 km高度處2014年9月不同采樣時(shí)間間隔(t)時(shí)的動(dòng)量通量值(實(shí)線:37.5 MHz、虛線:53.1 MHz)

圖8 不同采樣時(shí)間間隔時(shí)u′w′均值與方差 (實(shí)線:均方差值,虛線:均值)

圖9給出了重力波動(dòng)量通量u′w′在2011-2014年全年的變化情況,由于全天空流星雷達(dá)自身工作原因,在2011年1、2、3月份,2014年9、10月份無數(shù)據(jù)．從圖中可以看出,2011-2013年的變化趨勢(shì)比較一致,都是在夏季出現(xiàn)最大值,在冬季出現(xiàn)最小值．而2014年的最大值出現(xiàn)在3-5月份,最小值出現(xiàn)在9-11月份,都呈現(xiàn)比較明顯的季節(jié)變化．

圖9 2011-2014年?yáng)|向垂直動(dòng)量通量u′w′的年變化分布

3 結(jié) 論

本文利用中國(guó)電波傳播研究所在昆明觀測(cè)站建設(shè)的兩臺(tái)不同工作頻率的全天空流星雷達(dá)于2014年的觀測(cè)數(shù)據(jù),基于Hocking提出的測(cè)量重力波動(dòng)量通量的新方法,主要反演分析了昆明上空88 km高度處不同采樣時(shí)間間隔時(shí)的動(dòng)量通量,對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同的采樣時(shí)間間隔對(duì)重力波動(dòng)量通量的影響很大,當(dāng)采樣時(shí)間間隔為4 h時(shí)可以得到最優(yōu)結(jié)果,流星采樣速率必須滿足一定的條件才能保證結(jié)果的正確性; 對(duì)兩臺(tái)不同工作頻率的全天空流星雷達(dá)觀測(cè)到的動(dòng)量通量值比較,在合適的采樣時(shí)間間隔內(nèi),Hocking提出的新方法適用于重力波動(dòng)量通量的分析．今后,還需要進(jìn)一步將流星雷達(dá)的結(jié)果與其他方法比較,如中頻雷達(dá)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)等,以進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的科學(xué)正確性．

致謝:感謝中國(guó)電波傳播研究所昆明觀測(cè)站提供的全天空流星雷達(dá)資料和數(shù)據(jù)．

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A new method of determining momentum flux based on the all-sky meteor radar

CHEN Jinsong1,3XU Lili1,2MA Chunbo2LI Na1LIN Leke1

(1.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2.SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China;3.StateKeyLaboratoryofSpaceWeather,ChineseAcademyofScience,Beijing100190,China)

The all-sky meteor radar is the newest generation of meteor radars, which can receive the radio waves reflected by meteor echoes. At present, the main objects observed by the modern meteor radar is the atmospheric wind fields in the meteor region, with the purpose of research atmospheric dynamics. This thesis utilizes all-sky meteor radar based on a new method which is used for determining momentum flux by Hocking to research atmospheric parameters, namely as the momentum fluxes of gravity waves. Because of the difference of sampling time, this new method is still controversial. We mainly use the data collected by the all-sky meteor radar operated at 37.5MHz to validate the influence of sampling time on gravity momentum fluxes. Meanwhile, we use data collected by the all-sky meteor radar with different frequencies (37.5MHz and 53.1MHz) during September 2014 to verify the correctness of the new method improved by Hocking. The results show that: the choice of sampling time greatly influences the determination of gravity waves; and with suit sampling interval, it is viable to determine gravity wave momentum fluxes using the new method based on all-sky meteor radar.

meteor echoes; atmospheric dynamics; momentum flux; sampling interval

10.13443/j.cjors.2015123002

2015-12-30

國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(A171401Z11); 國(guó)家自然科學(xué)基金(41604129)

P351

A

1005-0388(2016)06-1124-08

陳金松 (1979-),男,湖北人,中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師,主要從事中高層大氣的探測(cè)與研究．

許莉莉 (1991-),女,山東人,桂林電子科技大學(xué)碩士研究生,主要從事信號(hào)處理方面的研究.

馬春波 (1975-),男,廣西人,桂林電子科技大學(xué)教授,主要從事通信信號(hào)處理、光通信方面的研究．

陳金松, 許莉莉,馬春波，等. 基于全天空流星雷達(dá)測(cè)量動(dòng)量通量的新方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(6):1124-1131.

CHEN J S, XU L L, MA C B, et al. A new method of determining momentum flux based on the all-sky meteor radar[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1124-1131. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015123002

聯(lián)系人： 陳金松 E-mail 63555190@qq.com

DOI 10.13443/j.cjors.2015123002