基于全天空FPI的臨近空間中性風場研究

吳鵬舉，張燕革，艾勇，覃明輝

（武漢大學 電子信息學院，武漢 430072）

臨近空間是指介于普通航空飛行器最高飛行高度和天基衛(wèi)星最低軌道高度之間的空域。大多數(shù)臨近空間飛行器的主要活動區(qū)域都在100 km以下，故一般定義臨近空間為離地球表面20～100 km。臨近空間大氣是地球中高層大氣的重要組成部分[1-3]，包括大氣平流層、中間層和低熱層，其大氣活動直接影響臨近空間飛行器安全、航空航天活動和無線信息傳輸?shù)取Ｆ渲校R近空間的大氣風場直接影響臨近空間飛行器的飛行狀態(tài)，因此對其風場的探測顯得尤為重要。

近年來，國外已經(jīng)研制和建立了不同體制的雷達系統(tǒng)來監(jiān)測臨近空間的大氣環(huán)境，成功發(fā)展了多個高層大氣風場模式。國內(nèi)測量臨近空間（中間層和低熱層）大氣風場和垂直風廓線的主要地基設備有中頻（MF）雷達、甚高頻（VHF）雷達、激光雷達等。如中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所建立了測風中頻雷達和流星雷達，研制的雙波長高空激光雷達可實現(xiàn)對距地表 30～110 km中高層大氣和低電離層段的探測[4-5]。

法布里-珀羅干涉儀（FPI）作為光譜分辨率極高的被動風場探測設備，已經(jīng)被廣泛應用于中高層大氣風場探測，國內(nèi)外都作過許多研究[6-10]。OI557.7 nm氣輝產(chǎn)生于海拔約95 km的臨近空間頂層的低熱層，氣輝隨著大氣的運動產(chǎn)生多普勒頻移，頻移量代表著大氣的風速信息。利用高靈敏度的法布里-珀羅干涉儀（FPI）測量OI557.7 nm氣輝的譜線頻移，可以有效獲得臨近空間頂層的大氣風場信息。2010年底，武漢大學激光通信實驗室自主研制了一臺的全天空探測設備，并在北極黃河站（78.92°N，11.93°E）進行了越冬觀測，之后對亞暴期間的熱層風場進行了初步分析[11-12]。2014年底，新一代的全天空FPI設備在黃河站調(diào)試完畢，并開始執(zhí)行遠程越冬觀測任務。文中選取了2016年遠程越冬觀測所獲得的亞暴期間全天空FPI的OI557.7 nm氣輝干涉數(shù)據(jù)，反演得到黃河站上空的臨近空間低熱層風場信息，并對風場行為和影響風場的因素進行了初步分析，對于更好地理解和認識北極地區(qū)臨近空間低熱層空間環(huán)境具有重要意義。

1 全天空FPI及測風原理

全天空FPI設備可以劃分為四個主要組成部分，依次為光學接收系統(tǒng)、濾波片控制系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)。全天空FPI的結構及實物如圖1所示。

光學接收系統(tǒng)采用大視場魚眼鏡頭，理論視場角可達180°，其前端由一高透光率的Dome罩與外界隔開，減小外界干擾的同時不影響光學成像。濾波片控制系統(tǒng)選擇性透過557.7 nm和630.0 nm波段，干涉系統(tǒng)為F-P標準具，間距為15 mm，有效通光孔徑為40 mm，面板反射率大于90%。文中采用的是ANDOR公司生產(chǎn)的科學級制冷CCD進行數(shù)據(jù)采集，可以有效地抑制量子噪聲的干擾，有助于微弱氣輝的探測。

產(chǎn)生氣輝輻射的分子或原子隨著大氣運動，相對于固定地基觀測點產(chǎn)生多普勒頻移。通過測量頻移量就可得出輻射源沿觀測視線方向的速度，即視線風速。進一步反演可以獲得輻射源處的風場。

擴展光源經(jīng)過法布里珀羅標準具（F-P）的成像光路如圖2所示。光源S在L1的前焦面，S上一點發(fā)出的光經(jīng)過 L1后變成一組平行光，以傾斜角θ入射到F-P上，多光束干涉后經(jīng)過透鏡L2在像點P處加強，最終在像面上表現(xiàn)為一組等傾干涉環(huán)。

假設光源在真空中的波長為λ，F(xiàn)-P標準具腔長為h，折射率為n，干涉級次m，光束入射角為θ。干涉加強形成干涉環(huán)時，F(xiàn)-P標準具內(nèi)的相鄰光束滿足：

由式（1）可得，當風速為0時，入射角為θ的入射光通過F-P干涉儀形成第m級干涉條紋：

式中：λ0為零風速（無多普勒頻移）時的波長；f為成像物鏡的焦距；r0為第m級干涉環(huán)的半徑。

當視線風速為v（朝向觀測點方向為正）時，由于多普勒效應，波長變?yōu)棣?λ0（1-v/ c），則相同干涉級次的情況下有：

由式（2）和（3）可得視線風速表達式為：

全天空FPI系統(tǒng)的成像物鏡焦距f已知，只需要知道假設零風速參考半徑 r0和發(fā)生多普勒頻移后對應干涉級次的半徑r，就可以求出相應的輻射源的視線風速信息，這就是全空FPI測風的基本原理。

2 臨近空間頂層風場分析

OI557.7 nm氣輝的輻射峰值高度約為95 km，位于臨近空間頂層的低熱層，因此選取了全天空FPI設備OI557.7 nm波段的干涉數(shù)據(jù)來反演臨近空間頂層的風場分布。將對單個周期UT時間2016年11月25日04:00到2016年11月25日24:00時段的觀測數(shù)據(jù)的經(jīng)緯向風進行分析，期間發(fā)生過極光亞暴現(xiàn)象。由于北極風場的不均勻性，選擇地理北向風代表經(jīng)向風（以北正方向），地理東向代表緯向風（以東為正方向）。

極光弧是極光亞暴的表現(xiàn)形式。地磁活動劇烈的時候，極區(qū)天空中會出現(xiàn)明顯的極光現(xiàn)象，黃河站的全天空 FPI設備觀測到的干涉環(huán)圖像中有明顯的局部光強增大。AE指數(shù)為描述極區(qū)地磁擾動強度的指數(shù)，Dst指數(shù)主要描述的是地磁環(huán)電流的強度。圖 3為世界地磁數(shù)據(jù)中心（World Data Center for Geomagnetism, Kyoto）公布的地磁活動參數(shù)，AE指數(shù)在2016年11月 25日前后出現(xiàn)極大值，而環(huán)電流強度Dst指數(shù)為極小值。京都地磁學中心也將該天劃分為擾動期，此時全天空FPI設備觀測到了較強的極光亞暴現(xiàn)象。

由于全天空FPI設備使用魚眼鏡頭，視場邊緣存在較大的畸變，會對風場計算產(chǎn)生較大的誤差，因此選取干涉環(huán)的內(nèi)5級環(huán)進行計算。11月25日，1到5級環(huán)的緯向風絕對值的平均值為144.0，93.8，98.8，85.9，97.6 m/s，經(jīng)向風絕對值的平均值分別為148.7，123.7，94.6，99.0，119.1 m/s。北向和東向水平風速的變化情況如圖4所示。

由圖4可以看出，每一級環(huán)的風速在一天內(nèi)都是不斷變化的，甚至有時會出現(xiàn)風切變的現(xiàn)象。這是由于受到太陽輻射、重力波等能量的影響，極地地區(qū)中高層大氣風場往往變化不定。整體上，北向風和東向風在早上05:00前后，風速均出現(xiàn)極大值，甚至超過了200 m/s。說明在FPI設備觀測視場內(nèi)，北側和東側的風速較大，大氣活動較為劇烈。之后風場呈現(xiàn)出無規(guī)律性，但整體風速值保持在200 m/s以內(nèi)，這和當?shù)谽ISCAT雷達觀測到100 km高度處的風速值相近。到了傍晚18:00前后，風速迅速較小，并保持在50 m/s以內(nèi)，到了接近21:00時，風速值有緩慢增大，之后繼續(xù)呈現(xiàn)出隨機變化的特性。對比FPI原始干涉環(huán)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，大約在18:00—21:00時間段內(nèi)，出現(xiàn)了較為明顯的極光亞暴現(xiàn)象，干涉環(huán)上有明顯的極光弧。說明極光亞暴有效地抑制了低熱層大氣風場，但也存在風速值很大的情況下出現(xiàn)極光弧的現(xiàn)象。這是由于低熱層風場并不是由單一的極光亞暴決定的，還受到大氣活動其他能量（如大氣潮汐等）的影響，極光亞暴既有可能減小風場也有可能增大風場風速值。

臨近空間頂層（低熱層）亞暴期間的 557.5 nm干涉圖和對應高度的視線風速圖如圖5所示。淺色為朝向觀測點方向100 m/s視線風，深色為遠離觀測點100 m/s視線風。可以看出，干涉圖上加強的部分和視線風場存在一定的聯(lián)系。在18:00到21:00時間段內(nèi)出現(xiàn)了明顯的極光亞暴現(xiàn)象，極光弧由東南方向慢慢向西北擴張，最后整個視場內(nèi)都觀測到極光現(xiàn)象。此時視線風以東南風為主，之后逐漸變?yōu)槲鞅憋L。當極光弧擴大到整個視場，又變成以西南風為主，整體視線風速值都在-100～100 m/s，少數(shù)會達到150 m/s。干涉圖上無極光弧或者較弱時，風場表現(xiàn)為變化不定，分布上規(guī)律性不大，且風速較大。說明極光亞暴一定程度上削弱了臨近空間頂層的視線風場，并且使其風向呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，風場加強的方向大致上垂直于極光弧，而在極光弧方向上風速較小。這和Zhang等[13-14]對 2011年底風場數(shù)據(jù)分析的結論基本相同。

圖4中，18:00到21:00的水平風速較小，基本都在 50 m/s以內(nèi)，此時段東向和北向視線風速均出現(xiàn)了超過100 m/s的情況。這是因為極地地區(qū)風場較為復雜，存在較大的垂直風場[14]，其在視線方向也有貢獻。它是極地地區(qū)熱層大氣對各個動力能量的響應運動，并改變著熱層的結構和成分，同時又反過來影響著動力能量的響應作用。因此研究極地地區(qū)臨近空間頂層的垂直風場也具有十分重要的意義。

3 結語

OI557.7 nm氣輝對應的輻射高度約為95 km，以中性風場為主，受到地球電場影響并不大。在極光亞暴期間，地磁場活動加劇，可能會引起極光區(qū)域粒子沉降，電離層區(qū)離子密度急劇增大，進一步導致離子拖拽和焦耳加熱等能量變化，引導著中性粒子的運動，并使其趨向一個方向運動。在 2016年 11月 25日18:00—21:00時間段內(nèi)，極光一定程度上減弱了中性風場，使得風速值有一定程度的減小。

根據(jù)2016年冬季的557.7 nm觀測數(shù)據(jù)，分析了極光亞暴期間臨近空間頂層的大氣風場行為。結合亞暴期間的地磁活動發(fā)現(xiàn)，在極地地區(qū)，臨近空間頂層的大氣中性風場受到地磁活動的影響很大。經(jīng)過對水平風和視線風的分析，發(fā)現(xiàn)極光的出現(xiàn)既可能減弱中性風場，也可能增大中性風場，但會使其風向上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，其風場增大的方向一般垂直于極光弧。全天空FPI適合極地地區(qū)復雜風場的研究，由于中低緯度地區(qū)垂直風場可以忽略不計，風場模式較為簡單，其風場測量更為準確，因此FPI可以廣泛應用于臨近空間頂層大氣風場探測，對認識臨近空間環(huán)境具有重要意義。