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SuperDARN高频雷达回波特征研究

刘二小  
【摘要】:利用超级双子极光雷达观测网(SuperDARN)探测空间电离层等离子体不规则体及其运动规律,有助于分析和解决许多空间天气学现象及相关问题,而SuperDARN高频相干散射雷达目标回波特点及其准确定位一直是一个复杂的课题。本文结合中国南极中山站首部相控阵高频雷达的安装和运行,着重研究了SuperDARN高频雷达的回波特征。基于短波射线追踪技术,估算了SuperDARN雷达标准目标定位模型的误差,并提出了新的目标定位模型。该模型参数由雷达斜距和到达角共同组成,取代了以往用雷达斜距作为唯一参数的标准目标定位模型。同时,提出利用SuperDARN高频雷达扫频模式下的地面回波数据估算电离层参数的方法。最后,总结了利用中山站高频雷达观测到的极区中层夏季回波的特点。主要工作概述如下: 首先,利用2010年新建的中国南极中山站高频雷达通道A的观测数据,对电离层回波总数随回波强度、多普勒速度、多普勒谱宽和距离的分布特征进行了研究,总结了中山站高频雷达的回波分布特点。结果表明,中山站高频雷达大部分电离层回波发生在较近距离处,而且,不同波束探测的回波总数具有很大区别,其中,编号较小的波束探测的回波总数相对较少,而且平均回波强度、多普勒速度和谱宽也相对较小。同时,利用中山站高频雷达通道B中不同频率下的观测数据,分析了雷达回波总数、强度、发生率随频率的变化特性。结果表明,不同频率下观测的电离层回波平均回波强度和发生率都不同。在现有的观测频率段内,较低频率段探测的回波较多,较高频率段探测的回波较少。在2010年的探测频率段内,中山站高频雷达的最佳探测频率为9~10MHz。利用射线追踪仿真技术,对频率特性进行了仿真,结果显示不同波束之间回波发生率的区别主要与波束指向的不同有关,而且不同频率的高频电波其探测区域也有所差异。 其次,统计研究了中山站高频雷达电离层回波的日变化特征、季节性变化特征及其受地磁活动的影响,包括电离层回波发生率、平均回波强度、平均多普勒视线速度和平均谱宽等分布,然后深入分析了形成这种分布的物理机制。总体而言,回波发生率和平均回波强度的日变化相似,日侧高,夜侧低;平均多普勒视线速度在日侧以负向速度为主,夜侧以正向速度为主,结合雷达波束指向的变化可推断出多普勒速度与高纬逆阳对流相一致;多普勒谱宽则在日侧较高,夜侧较低。随着地磁活动的增强,回波发生率的峰值会减小,而且峰值从原来的日侧逐渐转向夜侧。多普勒速度会随着地磁活动的增强而增大,这与地磁活动增强时极区电离层对流增强相一致。多普勒谱宽会随着地磁活动的增强而降低。对于季节性变化,雷达回波的发生率和平均回波强度在冬季月份普遍高于夏季月份。不同月份中,多普勒视线速度在一定的磁地方时和距离分布上也有所不同。而多普勒谱宽则具有冬季月份普遍较大,夏季月份普遍较小的特点。 然后,利用CUTLASS芬兰雷达2008年和2009年的电离层回波数据,分析了SuperDARN雷达的目标回波位置特征。将国际参考电离层模型(IRI-2007)嵌入到射线追踪技术中,结合雷达视场内Sodankyla测高仪数据,估算了SuperDARN高频雷达目标回波的位置。结果表明,在不同的电离层环境下,高频雷达能够探测的目标回波位置会有较大差别,并且其高度范围分布较广。计算了SuperDARN高频雷达目前使用的标准目标回波定位模型存在的误差,结果表明,现有的仅包含雷达斜距单个变量的目标定位模型在距离较大时产生的误差很大,有可能造成电离层目标回波来源混淆,这对电离层对流的分析以及对流图的准确性有较大影响。利用数值拟合技术,首次提出了由雷达斜距和仰角共同决定的目标定位模型,与现有的标准目标定位模型以及其他研究中提到的模型对比分析表明,新的目标定位模型能够更加准确地反映目标位置变化信息,从而可以有效地避免电离层回波来源的混淆。同时指出,高频雷达视场内的电离层参数(电子密度剖面、临界频率等)对于新目标定位模型的确定是至关重要的,对于无法提供电离层电子密度等参数的情况下,提出了利用SuperDARN高频雷达扫频模式下的地面回波数据来估算雷达视场范围内电离层参数的新方法,并对该方法进行了评估,结果显示该方法能够较为准确地估算电离层参数的变化趋势。 SuperDARN高频雷达由于其全球分布广泛,运行成本低廉等优点使其在研究磁层、电离层、热层方面已经取得了很大的成功,而对于中层的研究则处于起步阶段。本文最后分析了利用中山站高频雷达所观测的极区中层夏季回波(PMSE),总结了高频段观测的PMSE的基本特点,结合中山站高频雷达特殊的地磁位形,分析了极光带粒子沉降对于PMSE产生的影响,为今后利用中山站高频雷达研究中层结构奠定了基础。


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