SuperDARN 高頻雷達(dá)回波特征研究.pdf

1、 利用超級(jí)雙子極光雷達(dá)觀測網(wǎng)（SuperDARN）探測空間電離層等離子體不規(guī)則體及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有助于分析和解決許多空間天氣學(xué)現(xiàn)象及相關(guān)問題，而SuperDARN高頻相干散射雷達(dá)目標(biāo)回波特點(diǎn)及其準(zhǔn)確定位一直是一個(gè)復(fù)雜的課題。本文結(jié)合中國南極中山站首部相控陣高頻雷達(dá)的安裝和運(yùn)行，著重研究了SuperDARN高頻雷達(dá)的回波特征?；诙滩ㄉ渚€追蹤技術(shù)，估算了SuperDARN雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)定位模型的誤差，并提出了新的目標(biāo)定位模型。該模型參數(shù)由雷

2、達(dá)斜距和到達(dá)角共同組成，取代了以往用雷達(dá)斜距作為唯一參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)定位模型。同時(shí)，提出利用SuperDARN高頻雷達(dá)掃頻模式下的地面回波數(shù)據(jù)估算電離層參數(shù)的方法。最后，總結(jié)了利用中山站高頻雷達(dá)觀測到的極區(qū)中層夏季回波的特點(diǎn)。主要工作概述如下：
首先，利用2010年新建的中國南極中山站高頻雷達(dá)通道A的觀測數(shù)據(jù)，對電離層回波總數(shù)隨回波強(qiáng)度、多普勒速度、多普勒譜寬和距離的分布特征進(jìn)行了研究，總結(jié)了中山站高頻雷達(dá)的回波分布特點(diǎn)。結(jié)果

3、表明，中山站高頻雷達(dá)大部分電離層回波發(fā)生在較近距離處，而且，不同波束探測的回波總數(shù)具有很大區(qū)別，其中，編號(hào)較小的波束探測的回波總數(shù)相對較少，而且平均回波強(qiáng)度、多普勒速度和譜寬也相對較小。同時(shí)，利用中山站高頻雷達(dá)通道B中不同頻率下的觀測數(shù)據(jù)，分析了雷達(dá)回波總數(shù)、強(qiáng)度、發(fā)生率隨頻率的變化特性。結(jié)果表明，不同頻率下觀測的電離層回波平均回波強(qiáng)度和發(fā)生率都不同。在現(xiàn)有的觀測頻率段內(nèi)，較低頻率段探測的回波較多，較高頻率段探測的回波較少。在2010年

4、的探測頻率段內(nèi)，中山站高頻雷達(dá)的最佳探測頻率為9~10MHz。利用射線追蹤仿真技術(shù)，對頻率特性進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示不同波束之間回波發(fā)生率的區(qū)別主要與波束指向的不同有關(guān)，而且不同頻率的高頻電波其探測區(qū)域也有所差異。
其次，統(tǒng)計(jì)研究了中山站高頻雷達(dá)電離層回波的日變化特征、季節(jié)性變化特征及其受地磁活動(dòng)的影響，包括電離層回波發(fā)生率、平均回波強(qiáng)度、平均多普勒視線速度和平均譜寬等分布，然后深入分析了形成這種分布的物理機(jī)制?？傮w而言，回波

5、發(fā)生率和平均回波強(qiáng)度的日變化相似，日側(cè)高，夜側(cè)低；平均多普勒視線速度在日側(cè)以負(fù)向速度為主，夜側(cè)以正向速度為主，結(jié)合雷達(dá)波束指向的變化可推斷出多普勒速度與高緯逆陽對流相一致；多普勒譜寬則在日側(cè)較高，夜側(cè)較低。隨著地磁活動(dòng)的增強(qiáng)，回波發(fā)生率的峰值會(huì)減小，而且峰值從原來的日側(cè)逐漸轉(zhuǎn)向夜側(cè)。多普勒速度會(huì)隨著地磁活動(dòng)的增強(qiáng)而增大，這與地磁活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)極區(qū)電離層對流增強(qiáng)相一致。多普勒譜寬會(huì)隨著地磁活動(dòng)的增強(qiáng)而降低。對于季節(jié)性變化，雷達(dá)回波的發(fā)生率和平

6、均回波強(qiáng)度在冬季月份普遍高于夏季月份。不同月份中，多普勒視線速度在一定的磁地方時(shí)和距離分布上也有所不同。而多普勒譜寬則具有冬季月份普遍較大，夏季月份普遍較小的特點(diǎn)。
然后，利用CUTLASS芬蘭雷達(dá)2008年和2009年的電離層回波數(shù)據(jù)，分析了SuperDARN 雷達(dá)的目標(biāo)回波位置特征。將國際參考電離層模型（IRI-2007）嵌入到射線追蹤技術(shù)中，結(jié)合雷達(dá)視場內(nèi)Sodankyla測高儀數(shù)據(jù)，估算了SuperDARN高頻雷達(dá)目

7、標(biāo)回波的位置。結(jié)果表明，在不同的電離層環(huán)境下，高頻雷達(dá)能夠探測的目標(biāo)回波位置會(huì)有較大差別，并且其高度范圍分布較廣。計(jì)算了SuperDARN高頻雷達(dá)目前使用的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)回波定位模型存在的誤差，結(jié)果表明，現(xiàn)有的僅包含雷達(dá)斜距單個(gè)變量的目標(biāo)定位模型在距離較大時(shí)產(chǎn)生的誤差很大，有可能造成電離層目標(biāo)回波來源混淆，這對電離層對流的分析以及對流圖的準(zhǔn)確性有較大影響。利用數(shù)值擬合技術(shù)，首次提出了由雷達(dá)斜距和仰角共同決定的目標(biāo)定位模型，與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)定位

8、模型以及其他研究中提到的模型對比分析表明，新的目標(biāo)定位模型能夠更加準(zhǔn)確地反映目標(biāo)位置變化信息，從而可以有效地避免電離層回波來源的混淆。同時(shí)指出，高頻雷達(dá)視場內(nèi)的電離層參數(shù)（電子密度剖面、臨界頻率等）對于新目標(biāo)定位模型的確定是至關(guān)重要的，對于無法提供電離層電子密度等參數(shù)的情況下，提出了利用SuperDARN高頻雷達(dá)掃頻模式下的地面回波數(shù)據(jù)來估算雷達(dá)視場范圍內(nèi)電離層參數(shù)的新方法，并對該方法進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示該方法能夠較為準(zhǔn)確地估算電離層參