挪威地区甚高频雷达观测极区夏季中层回波

马征征 徐 彬 吴 军 许正文 吴 健

（中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室，山东 青岛266107）

引 言

上世纪70年代末，甚高频雷达观测发现，夏季在极区附近的中间层（80～90km）会出现强的雷达回波［1］.随后，大量的观测表明，这种强的雷达回波基本只出现在极区及靠近极区的中纬度地区，且具有显著的季节特征.其通常出现在夏季，回波信号的平均峰值高度出现在～86km，平均峰值强度可达～30dB.因此，这种现象后来被称为极区夏季中层回波（PMSE）［2-4］.

卫星观测证实，在极区夏季中间层的80～90 km之间存在着冰晶粒子［5］.它们生成于～88km的地球大气最冷处中层顶.由于冰晶粒子沉浸在D区电离层环境中，电子吸附作用将使它们带电.同时，大气动力学活动将在80～90km高度内产生湍流.这些湍流将导致带电荷的冰晶粒子在空间中形成小尺度结构.由于电中性条件限制，也就会形成电子密度的小尺度结构.由此导致折射率指数不规则体的出现，也就是观测到的PMSE［6］.当然，这只是目前关于PMSE形成机制的主流理论.

PMSE的一些属性可以反映其物理机制，这些属性包括雷达频率依赖关系、接收信号谱形、加热响应、回波方向敏感性等［7-8］.目前的观测发现，通常情况下，雷达发射波束指向偏离天顶方向时回波功率会下降.通常采用半宽角θs来表征PMSE的方向敏感性，当发射波束宽度较小时，该值大小表示回波功率减为1/e时对应的波束指向天顶角［9］.早在1988年，Czechowsky等人通过使用SOUSY甚高频雷达在挪威Andenes（69°N）进行了两日观测后发现θs通常分布在2°～10°之间，平均值为5°.且θs随高度增加而增大，随高度降低而减小.对于PMSE出现的平均高度86km 处，θs通常为5°～6°［1］.随后，Cho等人于1993年在NLC-91项目中使用CUPRI雷达观测发现，当雷达波束指向偏离天顶8°时，87～88km高度上回波信号（已进行过功率和距离修正，下同）没有出现衰减，而85～86km高度上回波信 号 衰 减 了 5dB［10］.2001 年，Zecha 等 人 使 用SOUSY甚高频雷达观测发现PMSE层在下边界展示出增强的方向敏感性［11］.之后，Zecha等人（2003）使用 OSWIN 甚高频雷达在 Kühlungsborn（54.1°N）的观测以及Chilson等人（2002）使用ESRAD甚高频雷达在瑞典北部（67.9°N）的观测均证实了相似的PMSE方向敏感性规律［12-13］.多地观测表明，在PMSE出现高度区间的下部倾向具有较小的θs，而上部倾向具有较大的θs.这种现象被解释为PMSE的上部可能具有湍流结构，因此产生近似各向同性的散射回波；而PMSE的下部具有较强的水平分层结构，因此产生各向异性（镜像）的反射回波［1，10-14］.2010年，电波环境特性及模化技术国家重点实验室利用挪威Troms∅的EISCAT 224MHz甚高频雷达开展了PMSE方向敏感性观测实验，这是国内首次开展PMSE方向敏感性的观测研究.以下是这次实验的观测结果和初步的理论研究.

1 理论分析

PMSE的出现具有十分显著的纬度特征，Rapp等人综合多站的观测得到：7月1日PMSE的出现率在78°N高达100%，在69°N达到90%，在54°N降低至约10%～20%［6，12，15-16］.位于挪威北部的Troms∅处在高纬度地区（69.6°N，19.2°E），PMSE的出现率非常高.其EISCAT甚高频非相干散射雷达主要参数如表1所示.

表1 挪威Troms∅甚高频非相干散射雷达主要参数

为观测PMSE层，采用的雷达工作模式为compl64.该模式下的时空分辨率为4s和300m，测量高度范围为60～140km.Bremer等人在69.3°N的长期观测表明：PMSE出现于五月底至八月，并在六月中旬至七月底之间达到约90%的出现率［16］.本次Troms∅的观测开展于2010年7月13日至7月16日当地正午前后，是PMSE出现的高峰期.观测其间，中层顶高度附近雷达的回波功率起伏非常明显，峰值功率变化范围超过2个量级，参照广泛的观测结果，这表明了PMSE的出现［6］.根据结果来看，在四天的观测中每天都出现了PMSE现象，并且时常表现为双层结构.为了研究PMSE的方向敏感性，通过手动方式改变雷达发射波束指向，使EISCAT 224MHz甚高频非相干散射雷达首次工作在转动波束指向模式下.雷达在7月13日的观测中，雷达波束指向的天顶角在0°，2°，4°，6°之间周期跳变，每个角度停留3min（包括约30s的雷达转动时间）.同时注意到波束的偏转限定在南北方向发生.而在7月14—15日的观测中，增大了天顶角，相应的值被设定为了0°，4°，8°，12°.

2 实验结果

2.1 2010年7月13日的观测

2010年7月13日，雷达观测到了显著的双层结构PMSE现象.如图1所示，该日有效观测时段从1013UT至1300UT.PMSE层出现在83～91 km之间.两个PMSE层的分界较为清晰，高层和低层以～87km高度为界，高层的整体高度比低层高约3km，这样可以方便地对两个层进行独立研究.表2是两个PMSE层的主要参数.

图1 2010年7月13日甚高频雷达观测的PMSE层

表2 高、低PMSE层的部分参数

图2是PMSE高层和低层的峰值功率变化图.其中，功率值在时间上使用了宽度为1min的平滑.可以看到，除了1053UT时刻高低两层峰值功率同时出现极大值，其它时间内的相关性并不明显.经过计算，高层和低层的峰值功率相关系数仅为0.26.需注意到随着雷达发射波束的倾斜，同一时刻捕捉到的高层和低层其实具有一定的水平距离.对于3km的高度差，其最大水平距离为0.3km（偏角为6°）.而此高度上对应的雷达波束宽度约为2.6km（远大于0.3km）.因此，可忽略波束倾斜所造成的影响.

图2 2010年7月13日高、低PMSE层的峰值功率

从1040UT开始，为研究PMSE的方向敏感性，雷达发射波束指向角开始周期跳变.图1下部黑线显示了波束指向的天顶角度数，对应着右边的坐标.随着发射波束的倾斜，回波功率的变化就包含了PMSE对甚高频雷达波束的方向敏感性.目前，国际上所有的PMSE观测几乎均采用单点测量，这种情况下随着发射波束的偏转，被探测点（散射体）也不可避免地发生了变化.对于指向天顶和天顶角为6°的两个波束，在86km高度处相距9km，因此需要先假设PMSE层水平均匀［1，10-14］.而对于单发射波束测量，还需满足PMSE层的慢变假设.然后，按如下方法进行研究.首先，计算出雷达发射波束在每个角度停留时段内（～2.5min）的平均峰值回波功率，再计算每两个相邻时段内的平均峰值功率比值.该值将反映出PMSE峰值功率随波束指向角的变化规律.由于该值的计算仅来自于连续6min的短时段，而Rapp和Lübken给出的典型湍流不规则体持续时间为～15min，因此可认为慢变假设近似成立［6］.

经过计算，对于高PMSE层，当雷达波束指向往偏离天顶方向跳变时，峰值功率变化的平均比值为0.89（共有24个样本）；而当波束指向往靠近天顶方向跳变时，峰值功率变化的平均比值为1.20（共有22个样本）.更详细地，分别把同一种跳变方式下的所有比值平均，共有6种跳变方式（0°至2°、2°至4°、4°至6°、6°至4°、4°至2°、2°至0°）.结果如图3所示，其表示了雷达回波在一个完整周期内峰值功率的平均变化规律，每种跳变的样本数均为7～8次.可以看到，高PMSE层（红线）展示出了有规律的特征.随着雷达波束指向从天顶（垂直）方向开始偏离，回波功率逐渐下降；当指向从最大偏离方向向天顶方向跳变时，功率逐渐回升.然而对于该日的低PMSE层，却没有发现可观的方向敏感性.

2.2 2010年7月14-16日的观测

图3 2010年7月13日高、低PMSE层的方向敏感性

表3 2010年7月14-16日PMSE层的主要参数

为调查PMSE的方向敏感性，在接下来的三日里均采用了转动发射波束指向的观测模式.同时增加了波束的转动角度.14日和15日的天顶角值被设定为了0°，4°，8°，12°；16日被设定为0°，6°，12°，18°.这三日里甚高频雷达均捕捉到了PMSE层.部分参数如表3所示.相比7月13日，7月14日的PMSE层时间出现率要低一些，强度也较低.另外，双PMSE层的分界不是十分清晰.在7月15日雷达观测到了这四日内最强的PMSE现象.相比7月13日的现象，该日PMSE的出现高度要低一些，但强度更强，且该日PMSE层的时间出现率高达94%.该日的PMSE仍具有一定程度的双层结构，但从～1245UT开始高PMSE层出现在较低高度上，两个分层在高度上较为相近，也就造成高PMSE层和低PMSE层不易划分开来，因此，把双PMSE层作为整体来研究.7月16日的有效观测时间较短，且PMSE时间出现率较低、强度较弱.这给研究带来不便，不做单独研究.类似地，以下调查了7月14-15日PMSE的方向敏感性，结果如图4所示.其中，7月14日每种跳变的样本数为3～4次，7月15日为7～8次.这两日的PMSE均没有展示出可观的方向敏感性.在雷达发射波束指向偏离天顶方向最大时（12°），回波功率并未降低.

2.3 讨论

在2010年7月13日的观测中，高PMSE层的回波功率随雷达发射波束指向的变化展示出有规律的变化.功率随波束指向天顶角增大而衰减，随波束指向天顶角减小而增大.根据常规的研究方法来计算散/反射回波的半宽角.其计算式为

图4 2010年7月14-15日PMSE层的方向敏感性

式中，θ为雷达发射波束指向的天顶角.回波功率比r＝Poff/PV，Poff是波束偏离天顶方向（off-vertical）时的回波功率，而PV是垂直方向（指向天顶）时的回波功率［1］.经过计算，如果取θ＝6°，则该日高PMSE层θs的角为8.9°.Czechowsky等人（1988）通过两日的观测发现θs通常分布在2°～10°之间，平均值为5°.θs随高度增加而增大，随高度降低而减小.对于PMSE出现的平均高度86km处，θs通常为5°～6°［1］.对比可知，观测到的高PMSE层θs角较大，暗示了回波中湍流散射机制发挥了作用.

然而，对于7月13日的低PMSE层和7月14—15日的PMSE层，随着雷达发射波束指向的变化，回波功率的变化显得杂乱无章.做一个简单的估算：取平均值θs＝5°，根据公式［1］

当雷达波束指向天顶角12°时，相比指向天顶，回波功率应衰减为～1/300.而实际观测结果中几乎没有表现出任何程度的衰减.为探究反常现象的产生原因，首先与早期Czechowsky等人的观测进行了比对.首先，Andenes的SOUSY雷达采用不同发射方向多波束同时观测的模式，而Troms∅的EISCAT雷达是多角度交替观测.若EISCAT雷达波束天顶角增大时，PMSE本身的强度正好增强，则可能对本将衰减的回波强度进行补偿.另外，SOUSY雷达发射波束宽度为3°，在相同高度上，其波束横截面积要比EISCAT雷达大一个量级.宽的波束会更反映空间平均结果，而窄的波束会更反映局地结果，带有更大的偶然性.然而，上述因素不太可能对雷达波束指向大天顶角时/处的PMSE强度造成～300倍的增强补偿.同样，PMSE层水平分布不均匀造成这种大的观测差别的可能性也微乎其微.这里，注意到EISCAT雷达的布拉格尺度仅为0.67m，而Andenes的SOUSY雷达布拉格尺度为2.8m.不仅如此，之前提到的进行过PMSE方向敏感性实验的ESRAD雷达布拉格尺度为2.9m，CUPRI雷达为3.2m，OSWIN雷达为2.8m，均为EISCAT雷达的～4倍.注意到电子密度的不规则体结构可以在多尺度上同时存在，而特定的无线电雷达只对尺度为其雷达布拉格尺度的不规则体敏感［17］.因此有如下一种解释，当出现某种特定尺度的不规则体时，Andenes的雷达可能对产生PMSE的不规则体的外尺度更加敏感，而Troms∅雷达可能对不规则体的内尺度更敏感.若PMSE在外尺度上具有方向敏感性，在内尺度上具有各向同性特性，则可以造成观测结果的差异.当然，该结论的证实还需要进一步的实验和理论工作.

3 结 论

于夏季在挪威Troms∅地区使用224MHz甚高频非相干散射雷达对PMSE进行了观测，并通过手动方式改变雷达发射波束指向，使EISCAT 224 MHz甚高频非相干散射雷达首次工作在转动波束指向模式下.在2010年7月13日至16日的观测中，均捕捉到了PMSE现象，且其时常具有双层结构.7月13日的PMSE层出现在83～91km之间，以87km为界分为两层，两层的峰值密度变化相关性较低，为0.26.进一步的研究发现，高PMSE层展示出了一定的方向敏感性.随着雷达发射波束指向的天顶角增大，回波强度将减弱，反之亦然.计算得到回波的半宽角θs为8.9°.比对早期甚高频雷达对θs的测量结果（2°～10°，平均为5°），该值意味着较低的方向敏感性，暗示了回波产生机制以湍流散射为主.然而对于7月13日的低PMSE层和7月14—15日的PMSE层，其并未表现出可观的方向敏感性，回波强度与波束指向的天顶角基本无关.PMSE慢变假设的不成立、较窄的雷达波束宽度、PMSE层水平分布不均匀均不足够产生如此显著的观测差别.我们推测电子密度不规则体在不同尺度上特性的差异及雷达布拉格尺度的差异可能是造成方向敏感性差别的根本原因.当然，针对PMSE方向敏感性的深入研究还需要更多的实验观测和理论研究.

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