海南VHF电离层相干散射雷达及初步观测结果课件.ppt

1、海南海南VHF电离层相干散射雷达电离层相干散射雷达及初步观测结果及初步观测结果宁百齐宁百齐 ,李国主李国主, 胡连欢胡连欢 ,刘立波刘立波, 万卫星万卫星中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地质与地球物理研究所18/08/2009 银川银川IGGCAS海南海南VHF雷达工作介绍雷达工作介绍雷达参数雷达参数流星流星/电离层交替观测模式电离层交替观测模式不规则结构观测研究不规则结构观测研究研究背景研究背景海南海南VHFVHF雷达结合雷达结合GPS TEC/GPS TEC/闪烁观测初步分析闪烁观测初步分析306090120150180210240270300330-40-2002040Geo.L

2、on (Deg)Geo.Lat (Deg)Piura (50 MHz)Sao Luis(50 MHz)Julia (50MHz)Kototabang(47MHz)ChungLi(52 MHz)Sanya(47.5 MHz)Gadanki(53MHz)工作频率工作频率47.5 MHz峰值功率峰值功率24 kW探测高度探测高度80-800 km天线配置天线配置15流星观测流星观测212电离层观测电离层观测依照雷达回波原理，低纬电离层不规则结构回波主要来自于沿磁力线方向排依照雷达回波原理，低纬电离层不规则结构回波主要来自于沿磁力线方向排列的场向不规则体的布拉格散射列的场向不规则体的布拉格散射 (Br

3、agg scattering, 波长波长) ，所以雷达波束需，所以雷达波束需垂直于垂直于E或或F区磁力线。在三亚，雷达波束仰角大概在区磁力线。在三亚，雷达波束仰角大概在67度左右。度左右。五单元八木天线五单元八木天线2 12三亚观测站三亚观测站流星雷达天线流星雷达天线1（发射）（发射）+ 5（接收）（接收）信号处理分析主机信号处理分析主机观测模式：观测模式： 流星流星/电离层电离层交替观测（交替观测（1分钟）分钟）白天白天,主要观测主要观测100-130 km和和150-180 km高度附近不规则结构高度附近不规则结构夜间夜间,主要观测主要观测F2层等离子体羽毛状不规则结构层等离子体羽毛状不规

4、则结构观测事例：观测事例：利用相干雷达研究利用相干雷达研究E区、区、F区区 不规则结构背景不规则结构背景区不规则结构研究区不规则结构研究近年来雷达观测结果表明赤道地区的电离层不规则体回波为连续性雷达近年来雷达观测结果表明赤道地区的电离层不规则体回波为连续性雷达回波，其形态主要为形态及形态两种回波，其形态主要为形态及形态两种(Kelley, 1989)。一般认为这种几米。一般认为这种几米尺度的形态不规则体是由尺度的形态不规则体是由Farley-Buneman(双束流双束流)不稳定机制所造成，而形不稳定机制所造成，而形态不规则体是由梯度漂移不稳定机制产生。在中低纬度地区，观测有不同态不规则体是由梯

5、度漂移不稳定机制产生。在中低纬度地区，观测有不同于连续性回波的雷达回波，即于连续性回波的雷达回波，即周期性雷达回波（周期性雷达回波（QP）。引自N. Venkateswara Rao et al. , 2008QP 回波主要出现在日落之后，高度在回波主要出现在日落之后，高度在100 km以上，在以上，在RTI图上有一负的图上有一负的斜率，具有分钟的出现周期。斜率，具有分钟的出现周期。周期性雷达回波，主要两种解释机制：周期性雷达回波，主要两种解释机制： 1) Woodman et al. (1991) 首先提出重力波扭曲首先提出重力波扭曲Es层的概念来解释层的概念来解释QP回波现回波现象，后来象

6、，后来Tsunoda et al. (1994) 对对Woodman et al. 的理论作了一些修正。的理论作了一些修正。2) 风切不稳定机制风切不稳定机制 。 Larsen (2000)认为风切不稳定机制会对认为风切不稳定机制会对Es层造成一层造成一个变形的效应，与其相关的个变形的效应，与其相关的-结构结构(Kelvin-Helmholtz)则会造成由则会造成由VHF雷雷达所观测到的场向不规则结构达所观测到的场向不规则结构(FAI)。引自Woodman et al. , 1991引自Larsen, 2000 重力波重力波- -中性风中性风 （KaganKagan et al., 1998

7、et al., 1998）。重力波驱使中性风在）。重力波驱使中性风在EsEs层层上下有东西向的扰动而产生不规则上下有东西向的扰动而产生不规则体。体。周期性周期性(QP)雷达回波新特征雷达回波新特征准周期回波出现在雷达回波区域下降的过程中，持续时间超过小时。在准周期回波出现在雷达回波区域下降的过程中，持续时间超过小时。在两个高度区域同时出现准周期回波。两个高度区域同时出现准周期回波。引自N. Venkateswara Rao et al. (2009) 这种这种QP回波其产生机回波其产生机制是制是 KH 不稳定性不稳定性 还是还是 重力重力波？波？ 午夜前后准周期斜率相反，午夜前后准周期斜率相反

8、，其对应不规则结构的产生机制？其对应不规则结构的产生机制？引自Hysell and Burcham. (2000)150 Km 高度上不规则体研究高度上不规则体研究 上世纪上世纪60年代年代,150 km高度回波首先在高度回波首先在Jicamarca被观测到被观测到(Balsley, 1964),随后在其它经度赤道地区相继被观测随后在其它经度赤道地区相继被观测.其主要特征为其主要特征为: 主要出现在白天主要出现在白天,发生高度在发生高度在150-180km附近，具有很窄的谱宽。此外，附近，具有很窄的谱宽。此外，150 km高度回波的高度回波的垂直速度能反映垂直速度能反映F区区EB垂直漂移垂直漂

9、移(Kudeki and Fawcett, 1993). 引自 Chau, (2004) 150 km回波的高度区域在地方时上午下降，下午上升，呈现回波的高度区域在地方时上午下降，下午上升，呈现U形状，回形状，回波强度以波强度以5-15分钟周期变化。虽然分钟周期变化。虽然150 km高度回波观测已有数十年，但关于高度回波观测已有数十年，但关于其产生的物理机制仍有待于进一步研究其产生的物理机制仍有待于进一步研究(Chau, 2004).E E区、区、F F区不规则结构耦合观测（区不规则结构耦合观测（I I）引自 Patra, (2007)图中所示不规则结构（称之为谷区不规则结构，图中所示不规则结

10、构（称之为谷区不规则结构，Patra, 2002），在扩展），在扩展F产产生与否时均有观测到，和扩展生与否时均有观测到，和扩展F关系？关系？1)没有扩展没有扩展F发生，其可能的原因是由于梯度漂移不稳定性，中界层发生，其可能的原因是由于梯度漂移不稳定性，中界层(Intermediate layer)不稳定而产生谷区不规则结构？不稳定而产生谷区不规则结构？2)同时观测到扩展同时观测到扩展F，ESF相关的相关的F区电场放大中界层的扰动从而增加谷区不区电场放大中界层的扰动从而增加谷区不规则结构的产生？同时也有可能是赤道规则结构的产生？同时也有可能是赤道F区不规则结构沿着磁力线伸展到低区不规则结构沿着磁

11、力线伸展到低纬该高度区？纬该高度区？引自 Woodman and Chau, 2001 伴随扩展伴随扩展F的发生，夜的发生，夜间间E区不规则结构高度相应区不规则结构高度相应抬升，抬升，Kherani et al. (2002)对其进行了模拟研究，认为对其进行了模拟研究，认为触发扩展触发扩展F产生的初始扰动产生的初始扰动波长对电场（与赤道扩展波长对电场（与赤道扩展F相关）从相关）从F区映射到区映射到E区有区有重要影响重要影响 。映射的电场能。映射的电场能使得使得E区不规则结构向左或区不规则结构向左或向右倾斜，同时也能抬升向右倾斜，同时也能抬升E区不规则结构。区不规则结构。E E区、区、F F区不

12、规则结构耦合观测（区不规则结构耦合观测（IIII）海南雷达不规则体观测初步分析海南雷达不规则体观测初步分析信噪比和径向速度随时间和高度的变化事例，午夜后观测到信噪比和径向速度随时间和高度的变化事例，午夜后观测到F区不规则结构区不规则结构观测观测事例事例1 1 地方时地方时21LT（UT+7）附近观测到）附近观测到150 km 高度不规则结构，在午高度不规则结构，在午夜后（夜后（02LT）观测到）观测到F区不规则结构区不规则结构观测观测事例事例2 2 日落后日落后20LT（UT+7）附近同时观测到）附近同时观测到150 km 高度不规则结构和高度不规则结构和F区不规则结构区不规则结构观测观测事例

13、事例3 32468101214161820220.20.40.60.8UT (hours)S4100105110115120101214161820222426Geo.Lon (Deg)Geo.Lat (Deg) 伴随雷达观测到伴随雷达观测到F区不规则结构，区不规则结构，3月月6日日GPS TEC/闪烁接收机记录闪烁接收机记录到明显的到明显的TEC 耗空和强幅度闪烁，同时三亚测高仪观测到高度扩展耗空和强幅度闪烁，同时三亚测高仪观测到高度扩展F。说。说明大小尺度不规则结构同时存在（雷达观测的明大小尺度不规则结构同时存在（雷达观测的3米尺度、米尺度、GPS 闪烁接收闪烁接收机观测的百米尺度以及机观

14、测的百米尺度以及TEC 耗空表征的大尺度，数十千米量级）耗空表征的大尺度，数十千米量级）总结总结 海南三亚VHF雷达是我国大陆首台电离层相干散射雷达，初步分析表明该雷达能获取电离层E区和F区不规则结构特征信息，结合该站点的测高仪和GPS等观测，下一步我们拟在如下几方面开展研究，1）E区不规则结构出现和Es参数（foEs,fbEs或foEs-fbEs ）的关系？并与Gadanki，Jicamarca等观测站比较，地方差异？2）海南能否观测到E区准周期回波，其表现特征？3）150 km高度和谷区不规则结构特征及其产生机制？4）F区不规则结构特征，尤其在扩展F高发季节，等离子体羽毛状结构的产生及其所能上升的高度和日落反转EB漂移的关系，午夜前后羽毛状结构特征和电离层闪烁的关系等。