基于全天空流星雷達測量動量通量的新方法

陳金松 許莉莉 馬春波 李娜 林樂科

(1.中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107;2.桂林電子科技大學 信息與通信學院,桂林 541004;3.中國科學院空間天氣學國家重點實驗室,北京 100190)

基于全天空流星雷達測量動量通量的新方法

陳金松1,3許莉莉1,2馬春波2李娜1林樂科1

(1.中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107;2.桂林電子科技大學 信息與通信學院,桂林 541004;3.中國科學院空間天氣學國家重點實驗室,北京 100190)

全天空流星雷達是新一代的流星雷達,可以接收流星余跡反射的無線電波,目前主要應用于探測流星燒蝕區域的大氣風場進而研究該區域的大氣動力學．文中利用全天空流星雷達,基于Hocking提出的測量重力波動量通量的新方法來研究昆明地區的大氣環境參數——重力波的動量通量．由于采樣時間間隔的不同,該方法仍存在爭議．本文主要利用昆明站工作頻率為37.5 MHz的全天空流星雷達測得的流星數據來驗證采樣時間對重力波動量通量取值的影響,同時利用工作頻率分別為37.5 MHz、53.1 MHz的全天空流星雷達在2014年9月份觀測的數據對該方法進行了對比分析,結果表明:采樣時間間隔的選取對重力波動量通量的取值有很大影響;在合適的采樣時間間隔內利用全天空流星雷達測量重力波的動量通量的新方法是可行的．

流星余跡;大氣動力學;動量通量;采樣時間

引 言

微波和海洋波動中的上升表面因為地球重力的作用被向下拉回,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傳播到遠處,這些因為重力的原因而產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動,這種現象是由流體穿越山脈時在背風處產生的重力波形成的,它是產生重力波的一種典型的源,此外產生重力波的源還有很多,例如急流切變的不穩定性、積云的對流、臺風、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導致能量向大氣的傳輸,其結果嚴重影響了大氣風場和溫度場的結構．此外,波破碎時所產生的擾動會引起熱量的垂直傳輸和大氣中較小成分的混合,當局部大氣溫度梯度比絕熱下降速率大時會產生對流不穩定性．造成重力波不穩定性的原因通常假定有兩種情況:一種是高頻區域對流不穩定性,另一種是低頻區域切變不穩定性．在重力波不穩定性發生的高度,重力波的振幅停止增大從而達到最大的狀態．波振幅和質量的乘積是重力波所承載的動量,此外,動量和重力波垂直流量變化的乘積是重力波向上傳播時所承載的動量通量[1-2]．

傳統的重力波動量通量參數的測量方法為:利用甚高頻(VeryHighFrequency,VHF)雷達或中頻(MediateFrequencyRadar,MF)雷達發射的對稱、相對較窄的共面雙波束來實現重力波參量的直接測量[3-5]．Vincent、Reid等人在利用多普勒雷達測量澳大利亞阿德萊德地區的大氣環境參數的分析中得出:重力波動量通量u′w′隨高度平緩的變化,最大值出現在夏天和冬天的月份中[6];Tsuda在利用MU雷達(35°N,136°E)觀測中高層大氣環境中得出:重力波的緯向動量通量呈現明顯的半年變化,在7、8月份出現東向最大值,在12-2月份出現西向最大值[7]．由于在傳統的測量重力波動量通量的方法中用到的雷達設備在季節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觀測重力波動量通量的新方法[11]．流星雷達是最近十幾年發展起來的探測中高層大氣的重要工具,它通過觀測流星余跡的反射回波來反演該區域的大氣環境參數,流星雷達不受天氣的影響和晝夜空間環境的限制,可以進行全天候持續性的觀測[13]．該方法的正確性與否仍存在爭議,Vincent提出不同采樣時間間隔對重力波動量通量的影響很大,可能會導致Hocking提出的計算重力波動量通量新方法的錯誤性[14]．

中國電波傳播研究所在昆明站(25.6°N,103.8°E) 建設了低緯地區大氣雷達綜合觀測系統,通過該系統實現昆明地區大氣環境參數的觀測,其中包括一臺工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達和一臺工作頻率為53.1MHz的平流層-對流層(StratosphereandTroposphere,ST)雷達,ST雷達除了具有平流層和對流層的觀測能力外,還有一個全天空流星雷達的觀測模式．本文利用這兩臺雷達在全天空流星雷達的觀測模式下得到的流星數據,基于Hocking提出的測量重力波動量通量的新方法,對昆明地區的大氣環境參數進行了分析．在本文中,首先通過比較兩臺不同頻率雷達采用不同時間間隔的計算結果,分析采樣時間間隔對動量通量的影響,其次利用工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達測得的數據反演得到了2011-2014年動量通量的年變化．

1 數據及分析方法

1.1 流星雷達數據介紹

當流星體進入大氣層之后會與大氣層中的分子發生劇烈的碰撞,從而使流星體加熱,同時會導致流星原子從流星體的表面撞出,進而發生流星物質的激濺．當流星體加熱到一定程度的時候,流星體的表面會發生氣化作用,在流星體的尾部由氣化作用和激濺產生的物質會繼續與大氣中的分子碰撞,最終會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觀測到的流星余跡的瞬時速度反演重力波動量通量值．根據流星數據統計,全天空流星雷達平均每天觀測到的流星回波數量約為三萬個,按照流星余跡回波準則對觀測到的數據進行篩選[13],得到每天可用于數據分析的流星數量約為10 000～20 000個,通過流星余跡回波的到達角和距離,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9月7日一天內共探測到17 760個流星,工作頻率為53.1MHz的全天空流星雷達共探測到了16 467個流星,圖1給出了經過流星余跡回波準則篩選后得到的用于數據分析的流星速度隨高度的分布情況,工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達共探測到的可用于數據分析的流星個數為13 926,工作頻率為53.1MHz的全天空流星雷達共探測到的可用于數據分析的流星個數為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 全天空流星雷達觀測重力波動量通量原理

傳統的測量重力波動量通量的方法主要依賴于雷達發射的同一垂直平面的兩波束(在相反方向具有θ的傾斜角),假設兩波束分別位于+x和-x軸方向,位于+x軸的波束的瞬時多普勒速度為

(U+u′)sinθ+(W+w′)cosθ.

(1)

位于-x軸的波束的瞬時多普勒速為

-(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值．

(6)

式中:vrad是測得的流星多普勒速度值;vradm是平均多普勒速度,對于一個位于球坐標系中(θ,φ)處的流星,其瞬時多普勒速度為

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 平均風的計算

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

vradm=usinθcosφ+vsinθsinφ+wcosθ.

(10)

式中:θ表示天頂角;φ表示方位角．在給定的采樣區間內對等式(10)進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,與采樣區間內各個流星的瞬時多普勒速度值比較,若存在差值大于25 m/s的流星多普勒速度,則從采樣區間內剔除該值,形成一個新的采樣區間,在新的采樣區間內,利用最小二乘擬合得到一個新的平均多普勒速度vfitm1,繼續與此采樣區間內各流星的多普勒速度比較,以此方法重復進行剔除,直到所有流星的瞬時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的全天空流星雷達測得的數據擬合得到的不同采樣時間間隔時的平均風．圖3中給出了不同采樣時間間隔時平均風的均值與均方差,從圖中可以看出擬合得到的平均風差別很小,隨

圖2 不同采樣時間間隔(t)時平均風取值

圖3 不同采樣時間間隔時平均風的均值與均方差

著采樣時間間隔的增加,均方差減小,在采樣時間間隔為4小時時得到最優值,當采樣時間間隔增大,均方差變大．根據流星余跡回波準則對觀測到的流星數據進行篩選,圖4給出了不同采樣時間間隔時88km用于數據處理的流星分布圖,從圖中可以看出流星速度主要分布范圍為20～40km/s．

圖4 不同采樣時間間隔時88 km處用于數據處理的流星分布

2 數據分析與討論

重力波動量通量的取值主要依賴于垂直方向上的多普勒速度,因此在數據分析中排除了天頂角取值大于45°的數據,利用可發射雙波束的雷達計算動量通量的傳統方法中,當兩波束的夾角為10°～15°時,垂直多普勒速度和水平多普勒速度在決定動量通量值時占的比率為4∶1,當夾角為30°時,二者比率為1.7∶1,當夾角為45°時,二者比率為1∶1[12]．

為了驗證Hocking得到的測量重力波動量通量新方法的正確性,本文首先對昆明站建設的工作頻率為37.5MHz的全天空流星雷達測得的數據進行分析．通過對數據的分析發現在88km的高度范圍流星出現頻率達到峰值,因此我們選取了高度為88km處的流星數據進行分析．圖5給出了昆明站觀測到的2014年9月10-14日5天時間內88km高度處采樣時間間隔為1小時的緯向平均風、徑向平均風和動量通量的取值情況．從圖5(a)可以看出,平均風具有明顯的潮汐現象,利用最小二乘法擬合得到的多普勒速度平均風值的變化趨勢與緯向、徑向平均風的變化趨勢也是一致的．在圖5(b)中可以看出v′2存在小于0的值,v′2出現負值是不合理的,但是由于在給定的1個小時的采樣時間間隔內流星采樣速率小于30,從而產生了圖5(b)中的v′2小于零的值．由此可以看出采樣時間間隔是影響重力波動量通量取值的重要因素,計算動量通量時在給定的采樣時間間隔內可用流星數必須大于30,流星雷達特定時間間隔內可用流星數與雷達單位系統參數,如頻率和發射功率等、雷達位置、季節和地方時有關．圖5(c)、(d)給出了剔除了采樣頻率過低時動量通量的取值．

(a) (b)

(c) (d)圖5 昆明站88 km高度處2014年9月10到14日采樣時間間隔為1小時的 緯向平均風、徑向平均風和動量通量值(橫坐標為每日0點)

(a)

(b) 圖6 昆明站88 km高度處2014年9月采樣時間 間隔為2小時時動量通量的取值

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

為了進一步驗證Hocking提出的測量重力波動量通量新方法的正確性,利用昆明站兩臺不同工作頻率的全天空流星雷達在2014年9月10-16日一周的數據進行分析,圖7中分別給出了88 km處不同采樣時間間隔時重力波動量通量u′w′的取值情況,由圖7可以看出,兩臺不同工作頻率(37.5 MHz、53.1 MHz)的全天空流星雷達測得的動量通量變化趨勢是一致的,從圖8可以看出隨著采樣時間間隔的增加,u′w′取值的吻合度變高,且在4小時時出現均方差最小的情況,之后隨著采樣時間間隔的增加,均方差變大,由此說明了采樣時間間隔是影響重力波動量通量取值的重要因素．

圖7 昆明站88 km高度處2014年9月不同采樣時間間隔(t)時的動量通量值(實線:37.5 MHz、虛線:53.1 MHz)

圖8 不同采樣時間間隔時u′w′均值與方差 (實線:均方差值,虛線:均值)

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

圖9 2011-2014年東向垂直動量通量u′w′的年變化分布

3 結 論

本文利用中國電波傳播研究所在昆明觀測站建設的兩臺不同工作頻率的全天空流星雷達于2014年的觀測數據,基于Hocking提出的測量重力波動量通量的新方法,主要反演分析了昆明上空88 km高度處不同采樣時間間隔時的動量通量,對比發現不同的采樣時間間隔對重力波動量通量的影響很大,當采樣時間間隔為4 h時可以得到最優結果,流星采樣速率必須滿足一定的條件才能保證結果的正確性; 對兩臺不同工作頻率的全天空流星雷達觀測到的動量通量值比較,在合適的采樣時間間隔內,Hocking提出的新方法適用于重力波動量通量的分析．今后,還需要進一步將流星雷達的結果與其他方法比較,如中頻雷達和衛星數據等,以進一步驗證該方法的科學正確性．

致謝:感謝中國電波傳播研究所昆明觀測站提供的全天空流星雷達資料和數據．

[1] FUKAO S, HAMAZU K. Radar for meteorological and atmospheric observations[M]. Tokyo: Springer, 2014: 451-463.

[2] VINCENT R A. Introduction to atmospheric and ionospheric physics and radiowave propagation in a weak plasma[D]. Adelaide: University of Adelaide, 2014: 62-66.

[3] KUDEKI E, FRANKE S J. Statistics of momentum flux estimation [J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 1998, 60(16):1549-1553.

[4] THORSEN D, FRANKE S J, KUDEKI E. Statistics of momentum flux estimation using the dual coplanar beam technique[J]. Geophysical research letters, 2000, 27(19):3193-3196.

[5] THORSEN D, FRANKE S J, KUDEKI E. A new approach to MF radar interferometry for estimating mean winds and momentum flux[J]. Radio science, 1997, 32(2):707-726.

[6] REID I M, VINCENT R A. Measurements of mesospheric gravity wave momentum fluxes and mean flow accelerations at Adelaide, Australia[J]. Journal of atmospheric and terrestrial physics, 1987, 49(5):443-460.

[7] TSUDA T, MURAYAMA Y, YAMAMOTO M, et al. Seasonal variation of momentum flux in the mesosphere observed with the MU radar[J]. Geophysical research letters, 1990, 17(6):725-728.

[8] REID I M, VINCENT R A. Measurements of mesospheric gravity wave momentum fluxes and mean flow accelerations at Adelaide, Australia[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 1987, 49(5): 443-460.

[9] VINCENT R A, REID I M. HF Doppler measurements of mesospheric gravity wave momentum fluxes[J]. Journal of atmospheric sciences, 1983, 40(5): 1321-1333.

[10] THORSEN D, FRANKE S J, KUDEKI E. Statistics of momentum flux estimation using the dual coplanar beam technique[J]. Geophysical research letters, 2000, 27(19): 3193-3196.

[11] HOCKING W K. A new approach to momentum flux determinations using SKiYMET meter radars[J]. Annales geophysicae, 2005, 23(7): 2433-2439.

[12] LINDEN R S. Turbulence and stress due to gravity wave and tidal breakdown[J]. Journal of geophysical research oceans, 1981, 86(C10): 9707-9714.

[13] HOLDSWORTH D A, REID I M, CERVERA M A. Buckland park all-sky interferometric meteor radar[J]. Radio science, 2004, 39(5): 267-281.

[14] VINCENT R A, KOVALAM S, REID I M. Gravity wave flux retrievals using meteor radars[J]. Geophysical research letters, 2010, 37 (14): 227-235.

[15] 陳金松. 武漢流星雷達在空間環境探測中的應用研究[D]. 北京:中國科學院,2005.

CHEN J S. An application study of the Wuhan meter radar in space environment sounding [D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences, 2005.(in Chinese)

[16] 易穩. 流星雷達探測臨近空間大氣新技術的研究[D]. 桂林:桂林電子科技大學, 2014.

YI W. A study of new technology for near space atmosphere detection by meter radar[D]. Guilin: Guilin University of Electronic Technology, 2014.(in Chinese)

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

國防科技重點實驗室基金項目(A171401Z11); 國家自然科學基金(41604129)

P351

A

1005-0388(2016)06-1124-08

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

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

馬春波 (1975-),男,廣西人,桂林電子科技大學教授,主要從事通信信號處理、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測量動量通量的新方法[J]. 電波科學學報,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

聯系人： 陳金松 E-mail 63555190@qq.com

DOI 10.13443/j.cjors.2015123002