海南VHF電離層相干散射雷達及初步觀測結(jié)果課件

海南VHF電離層相干散射雷達及初步觀測結(jié)果寧百齊,李國主,胡連歡,劉立波,萬衛(wèi)星中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所18/08/2009銀川IGGCAS海南VHF電離層相干散射雷達及初步觀測結(jié)果寧百齊,李國主,▲

海南VHF雷達工作介紹●

雷達參數(shù)●

流星/電離層交替觀測模式▲

不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測研究●

研究背景●

海南VHF雷達結(jié)合GPSTEC/閃爍觀測初步分析▲海南VHF雷達工作介紹工作頻率47.5MHz峰值功率24kW探測高度80-800km天線配置1＋5流星觀測2×12電離層觀測依照雷達回波原理，低緯電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)回波主要來自于沿磁力線方向排列的場向不規(guī)則體的布拉格散射(Braggscattering,?波長)，所以雷達波束需垂直于E或F區(qū)磁力線。在三亞，雷達波束仰角大概在67度左右。工作頻率47.5MHz峰值功率24kW探測高度80-80五單元八木天線2×12三亞觀測站五單元八木天線三亞觀測站流星雷達天線1（發(fā)射）+5（接收）信號處理分析主機流星雷達天線信號處理分析主機觀測模式：

流星/電離層交替觀測（1分鐘）白天,主要觀測100-130km和150-180km高度附近不規(guī)則結(jié)構(gòu)夜間,主要觀測F2層等離子體羽毛狀不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測事例：觀測模式：觀測事例：利用相干雷達研究E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)背景利用相干雷達研究E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)背景Ｅ區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)研究近年來雷達觀測結(jié)果表明赤道地區(qū)的電離層不規(guī)則體回波為連續(xù)性雷達回波，其形態(tài)主要為形態(tài)１及形態(tài)２兩種(Kelley,1989)。一般認為這種幾米尺度的形態(tài)１不規(guī)則體是由Farley-Buneman(雙束流)不穩(wěn)定機制所造成，而形態(tài)２不規(guī)則體是由梯度漂移不穩(wěn)定機制產(chǎn)生。在中低緯度地區(qū)，觀測有不同于連續(xù)性回波的雷達回波，即周期性雷達回波（QP）。引自N.VenkateswaraRaoetal.,2008

QP回波主要出現(xiàn)在日落之后，高度在100km以上，在RTI圖上有一負的斜率，具有５－１０分鐘的出現(xiàn)周期。Ｅ區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)研究近年來雷達觀測結(jié)果表明赤道地區(qū)的電離層周期性雷達回波，主要兩種解釋機制：

1)Woodmanetal.(1991)首先提出重力波扭曲Es層的概念來解釋QP回波現(xiàn)象，后來Tsunodaetal.(1994)對Woodmanetal.的理論作了一些修正。2)風切不穩(wěn)定機制。Larsen(2000)認為風切不穩(wěn)定機制會對Es層造成一個變形的效應(yīng)，與其相關(guān)的Ｋ-Ｈ結(jié)構(gòu)(Kelvin-Helmholtz)則會造成由VHF雷達所觀測到的場向不規(guī)則結(jié)構(gòu)(FAI)。引自Woodmanetal.,1991引自Larsen,2000●重力波-中性風（Kaganetal.,1998）。重力波驅(qū)使中性風在Es層上下有東西向的擾動而產(chǎn)生不規(guī)則體。周期性雷達回波，主要兩種解釋機制：2)風切不穩(wěn)定機制。周期性(QP)雷達回波新特征準周期回波出現(xiàn)在雷達回波區(qū)域下降的過程中，持續(xù)時間超過５小時。在兩個高度區(qū)域同時出現(xiàn)準周期回波。引自N.VenkateswaraRaoetal.(2009)這種QP回波其產(chǎn)生機制是KH不穩(wěn)定性還是重力波？午夜前后準周期斜率相反，其對應(yīng)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機制？引自HysellandBurcham.(2000)周期性(QP)雷達回波新特征準周期回波出現(xiàn)在雷達回波區(qū)域下降150Km高度上不規(guī)則體研究

上世紀60年代,150km高度回波首先在Jicamarca被觀測到(Balsley,1964),隨后在其它經(jīng)度赤道地區(qū)相繼被觀測.其主要特征為:主要出現(xiàn)在白天,發(fā)生高度在150-180km附近，具有很窄的譜寬。此外，150km高度回波的垂直速度能反映F區(qū)E×B垂直漂移(KudekiandFawcett,1993).引自Chau,(2004)150

km回波的高度區(qū)域在地方時上午下降，下午上升，呈現(xiàn)U形狀，回波強度以5-15分鐘周期變化。雖然150

km高度回波觀測已有數(shù)十年，但關(guān)于其產(chǎn)生的物理機制仍有待于進一步研究(Chau,2004).150Km高度上不規(guī)則體研究上世紀60年E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)耦合觀測（I）引自Patra,(2007)圖中所示不規(guī)則結(jié)構(gòu)（稱之為谷區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，Patra,2002），在擴展F產(chǎn)生與否時均有觀測到，和擴展F關(guān)系？沒有擴展F發(fā)生，其可能的原因是由于梯度漂移不穩(wěn)定性，中界層(Intermediate

layer)不穩(wěn)定而產(chǎn)生谷區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)？同時觀測到擴展F，ESF相關(guān)的F區(qū)電場放大中界層的擾動從而增加谷區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生？同時也有可能是赤道F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿著磁力線伸展到低緯該高度區(qū)？E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)耦合觀測（I）引自Patra,(20引自WoodmanandChau,2001伴隨擴展F的發(fā)生，夜間E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高度相應(yīng)抬升，Kherani

etal.(2002)對其進行了模擬研究，認為觸發(fā)擴展F產(chǎn)生的初始擾動波長對電場（與赤道擴展F相關(guān)）從F區(qū)映射到E區(qū)有重要影響。映射的電場能使得E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)向左或向右傾斜，同時也能抬升E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)耦合觀測（II）引自WoodmanandChau,2001海南ＶＨＦ雷達不規(guī)則體觀測初步分析海南ＶＨＦ雷達不規(guī)則體觀測初步分析信噪比和徑向速度隨時間和高度的變化事例，午夜后觀測到F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測事例1信噪比和徑向速度隨時間和高度的變化事例，午夜后觀測到F區(qū)不規(guī)地方時21LT（UT+7）附近觀測到150

km高度不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在午夜后（02LT）觀測到F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測事例2地方時21LT（UT+7）附近觀測到150日落后20LT（UT+7）附近同時觀測到150

km高度不規(guī)則結(jié)構(gòu)和F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測事例3日落后20LT（UT+7）附近同時觀測到15伴隨雷達觀測到F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，3月6日GPSTEC/閃爍接收機記錄到明顯的TEC耗空和強幅度閃爍，同時三亞測高儀觀測到高度擴展F。說明大小尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)同時存在（雷達觀測的3米尺度、GPS閃爍接收機觀測的百米尺度以及TEC耗空表征的大尺度，數(shù)十千米量級）伴隨雷達觀測到F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，3月6日GPS總結(jié)海南三亞VHF雷達是我國大陸首臺電離層相干散射雷達，初步分析表明該雷達能獲取電離層E區(qū)和F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)特征信息，結(jié)合該站點的測高儀和GPS等觀測，下一步我們擬在如下幾方面開展研究，1）E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)和Es參數(shù)（foEs,fbEs或foEs-fbEs）的關(guān)系？并與Gadanki，Jicamarca等觀測站比較，地方差異？2）海南能否觀測到E區(qū)準周期回波，其表現(xiàn)特征？3）150km高度和谷區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)特征及其產(chǎn)生機制？4）F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)特征，尤其在擴展F高發(fā)季節(jié)，等離子體羽毛狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生及其所能上升的高度和日落反轉(zhuǎn)E×B漂移的關(guān)系，午夜前后羽毛狀結(jié)構(gòu)特征和電離層閃爍的關(guān)系等?？偨Y(jié)海南三亞VHF雷達是我國大陸首臺電離層海南VHF電離層相干散射雷達及初步觀測結(jié)果寧百齊,李國主,胡連歡,劉立波,萬衛(wèi)星中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所18/08/2009銀川IGGCAS海南VHF電離層相干散射雷達及初步觀測結(jié)果寧百齊,李國主,▲

海南VHF雷達工作介紹●

雷達參數(shù)●

流星/電離層交替觀測模式▲

不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測研究●

研究背景●

海南VHF雷達結(jié)合GPSTEC/閃爍觀測初步分析▲海南VHF雷達工作介紹工作頻率47.5MHz峰值功率24kW探測高度80-800km天線配置1＋5流星觀測2×12電離層觀測依照雷達回波原理，低緯電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)回波主要來自于沿磁力線方向排列的場向不規(guī)則體的布拉格散射(Braggscattering,?波長)，所以雷達波束需垂直于E或F區(qū)磁力線。在三亞，雷達波束仰角大概在67度左右。工作頻率47.5MHz峰值功率24kW探測高度80-80五單元八木天線2×12三亞觀測站五單元八木天線三亞觀測站流星雷達天線1（發(fā)射）+5（接收）信號處理分析主機流星雷達天線信號處理分析主機觀測模式：

流星/電離層交替觀測（1分鐘）白天,主要觀測100-130km和150-180km高度附近不規(guī)則結(jié)構(gòu)夜間,主要觀測F2層等離子體羽毛狀不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測事例：觀測模式：觀測事例：利用相干雷達研究E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)背景利用相干雷達研究E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)背景Ｅ區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)研究近年來雷達觀測結(jié)果表明赤道地區(qū)的電離層不規(guī)則體回波為連續(xù)性雷達回波，其形態(tài)主要為形態(tài)１及形態(tài)２兩種(Kelley,1989)。一般認為這種幾米尺度的形態(tài)１不規(guī)則體是由Farley-Buneman(雙束流)不穩(wěn)定機制所造成，而形態(tài)２不規(guī)則體是由梯度漂移不穩(wěn)定機制產(chǎn)生。在中低緯度地區(qū)，觀測有不同于連續(xù)性回波的雷達回波，即周期性雷達回波（QP）。引自N.VenkateswaraRaoetal.,2008

QP回波主要出現(xiàn)在日落之后，高度在100km以上，在RTI圖上有一負的斜率，具有５－１０分鐘的出現(xiàn)周期。Ｅ區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)研究近年來雷達觀測結(jié)果表明赤道地區(qū)的電離層周期性雷達回波，主要兩種解釋機制：

1)Woodmanetal.(1991)首先提出重力波扭曲Es層的概念來解釋QP回波現(xiàn)象，后來Tsunodaetal.(1994)對Woodmanetal.的理論作了一些修正。2)風切不穩(wěn)定機制。Larsen(2000)認為風切不穩(wěn)定機制會對Es層造成一個變形的效應(yīng)，與其相關(guān)的Ｋ-Ｈ結(jié)構(gòu)(Kelvin-Helmholtz)則會造成由VHF雷達所觀測到的場向不規(guī)則結(jié)構(gòu)(FAI)。引自Woodmanetal.,1991引自Larsen,2000●重力波-中性風（Kaganetal.,1998）。重力波驅(qū)使中性風在Es層上下有東西向的擾動而產(chǎn)生不規(guī)則體。周期性雷達回波，主要兩種解釋機制：2)風切不穩(wěn)定機制。周期性(QP)雷達回波新特征準周期回波出現(xiàn)在雷達回波區(qū)域下降的過程中，持續(xù)時間超過５小時。在兩個高度區(qū)域同時出現(xiàn)準周期回波。引自N.VenkateswaraRaoetal.(2009)這種QP回波其產(chǎn)生機制是KH不穩(wěn)定性還是重力波？午夜前后準周期斜率相反，其對應(yīng)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機制？引自HysellandBurcham.(2000)周期性(QP)雷達回波新特征準周期回波出現(xiàn)在雷達回波區(qū)域下降150Km高度上不規(guī)則體研究

上世紀60年代,150km高度回波首先在Jicamarca被觀測到(Balsley,1964),隨后在其它經(jīng)度赤道地區(qū)相繼被觀測.其主要特征為:主要出現(xiàn)在白天,發(fā)生高度在150-180km附近，具有很窄的譜寬。此外，150km高度回波的垂直速度能反映F區(qū)E×B垂直漂移(KudekiandFawcett,1993).引自Chau,(2004)150

km回波的高度區(qū)域在地方時上午下降，下午上升，呈現(xiàn)U形狀，回波強度以5-15分鐘周期變化。雖然150

km高度回波觀測已有數(shù)十年，但關(guān)于其產(chǎn)生的物理機制仍有待于進一步研究(Chau,2004).150Km高度上不規(guī)則體研究上世紀60年E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)耦合觀測（I）引自Patra,(2007)圖中所示不規(guī)則結(jié)構(gòu)（稱之為谷區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，Patra,2002），在擴展F產(chǎn)生與否時均有觀測到，和擴展F關(guān)系？沒有擴展F發(fā)生，其可能的原因是由于梯度漂移不穩(wěn)定性，中界層(Intermediate

layer)不穩(wěn)定而產(chǎn)生谷區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)？同時觀測到擴展F，ESF相關(guān)的F區(qū)電場放大中界層的擾動從而增加谷區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生？同時也有可能是赤道F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿著磁力線伸展到低緯該高度區(qū)？E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)耦合觀測（I）引自Patra,(20引自WoodmanandChau,2001伴隨擴展F的發(fā)生，夜間E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高度相應(yīng)抬升，Kherani

etal.(2002)對其進行了模擬研究，認為觸發(fā)擴展F產(chǎn)生的初始擾動波長對電場（與赤道擴展F相關(guān)）從F區(qū)映射到E區(qū)有重要影響。映射的電場能使得E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)向左或向右傾斜，同時也能抬升E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。E區(qū)、F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)耦合觀測（II）引自WoodmanandChau,2001海南ＶＨＦ雷達不規(guī)則體觀測初步分析海南ＶＨＦ雷達不規(guī)則體觀測初步分析信噪比和徑向速度隨時間和高度的變化事例，午夜后觀測到F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測事例1信噪比和徑向速度隨時間和高度的變化事例，午夜后觀測到F區(qū)不規(guī)地方時21LT（UT+7）附近觀測到150

km高度不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在午夜后（02LT）觀測到F區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)觀測事例