一种反演中高层大气密度的新方法

周宝柱 陈金松 李清亮 李娜 唐杨,2

(1.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,青岛 266107; 2. 桂林电子科技大学信息与通信学院,桂林 541004)

引 言

中间层和低热层(Mesosphere/Lower Thermosphere,MLT)区域中性大气密度对于研究中高层大气气候、大气动力学和大气区域内O、O2和OH气辉具有非常重要的意义,而连续测量MLT区域大气密度的方法一直以来都是十分缺乏的．此外,中性大气密度随时间的变化是确定大气阻力的关键信息,安全发射航天器,特别是低轨卫星和可控制的轨道卫星,同样需要MLT区域中性大气密度的准确知识．

工作在中频(Medium Frequency, MF)到甚高频(Very High Frequency, VHF)频段的地基大气雷达是研究MLT区域动态与结构的重要手段,但是它们通常没法直接测量大气密度．激光雷达能提供高时间分辨率和高精度的大气密度剖面图,但其需要在晴空条件下才能工作且很多雷达在夜间工作时都有一定限制．探空火箭也是一种探测中性大气密度的有效手段,但是发射火箭的高成本和复杂的后勤使得常规检测变得不切实际．

Hocking等人于2013年提出流星雷达技术并被广泛用于研究MLT区域气候和大气动力学,包括风场和温度[1]．2008年Stober等人提出流星雷达高度探测分布的峰值可以用来估计MLT区域的中性大气密度变化[2]．Stober等人在2014年发现从2002年到2013年峰值高度的长期递减是一个MLT区域中性大气密度长期下降的现象,并发现主要原因是温室气体的冷却[3]．流星雷达探测高度分布的峰值可以用来估计MLT区域的中性大气密度变化,但是通过峰值高度的研究只能够得到大气密度的变化,不能确定大气密度的准确值[4]．

2014年的第1到90天中国电波传播研究所安装在昆明观测站的两台雷达开展了3个月的针对流星雷达观测大气的联合观测试验．本文通过对该试验数据的处理,提出一种利用流星雷达回波衰减时间确定的MLT区域双极扩散系数[5]和利用大气温度梯度法[6-7]得到的温度值共同反演中性大气密度的方法．同时,通过不同高度的温度梯度反演了不同高度的大气密度,并将得到的大气密度值与峰值高度对比,证明了流星雷达探测中高层大气密度的可行性．

1 流星雷达

中国电波传播研究所在昆明观测站建立了一系列大气雷达观测系统(Kuming Atmospheric Radar Facility, KARF),该系统旨在研究低纬度地区低层与中层大气的动力学和气候学变化．其中包括一台全天空流星雷达和一台安装全天空流星模式的ST雷达,这两台流星雷达由ATRAD 大气雷达公司生产,同属于Buckland Park全天空干涉流星雷达(Buckland Park All-sky Interferometic Meteor Radar, BPMR)系列,于2008年开始运行观测[8]．

全天空流星雷达是目前世界上广泛使用的中间层和低热层区域大气观测手段．全天空流星雷达通过探测、接收和分析流星余迹回波的多普勒频移,可以得到流星烧蚀区域(70～110 km)的背景大气风场信息[5]．此外,还可以通过分析欠密度流星余迹回波的衰减时间来反演中间层顶区域(大约90 km和85 km)的中性大气的温度[6]．全天空流星雷达具有全天候连续观测、无人值守、操作简单、运行费用低廉、不受地域条件限制等特点,使其广泛运用于世界各地．

昆明全天空流星雷达收发天线阵由1副相互正交两单元八木天线作发射天线,5副交叉圆极化两单元八木天线作接收天线组成[1]．表1给出了昆明全天空流星雷达和ST雷达的主要工作参数,可以看出两台雷达运行参数中只有发射机工作频率和峰值输出功率不同．

表1 流星雷达主要运行参数

2 流星雷达反演密度方法

微流星以11～72 km/s的速度进入地球大气层,与大气分子发生距离碰撞烧蚀形成等离子,一般的,在85～95 km高度内的流星余迹等离子体会以双极扩散的形式扩散．在此条件下,流星雷达接收的欠密流星余迹反射回波其振幅会随时间呈指数衰减,通过估算欠密流星余迹回波的衰减时间可以得到流星余迹双极扩散的扩散系数[1],公式如下:

(1)

式中：λ为流星雷达的波长;τ为回波振幅由最大值衰减到其一半的时间;D为流星余迹等离子体扩散速率,即双极扩散系数．

比较Yiwen提出的昆明流星雷达双极扩散系数与卫星数据D值和高度的函数[6],可以发现在85 km到94 km之间,D的值是完全一致的,所以同样的物理规律在此高度上是相同的．可得到双极扩散系数D受背景大气温度、压强和密度影响,且存在如下关系[9-11]:

(2)

式中：T、P和ρ分别表示中性大气温度、压强和密度；K0是常数.因此,在知道大气温度的情况下,利用流星雷达观测的双极扩散系数D可以得到大气压强或者大气密度[4,6-7,9].反之,知道大气压强或者大气密度也可以得到大气温度[12-13]．

为了提高反演温度的精确度需要剔除部分流星回波,去除回波种类如下:

1)剔除回波天顶角(zenith)大于55°的数据．回波天顶角越大,通过距离与天顶角计算得到的流星回波高度误差越大．另外,流星进入地球大气存在入射角,使得雷达探测到的流星天顶角大部分大于45°．因此,在保障回波高度精确度和流星回波数量情况下,昆明流星雷达选取天顶角小于55°的数据．

2)剔除高度太低但扩散系数很大(衰减时间很短)或高度太高但扩散系数很小(衰减时间很长)的流星回波．根据扩散系数与高度的关系曲线,各剔除水平和垂直方向上5%的数据．

通过温度梯度法反演中间层顶的大气温度[6], 计算公式如下:

(3)

式中：T表示流星峰值高度处的中性大气温度；S表示lgD在高度分布上的斜率;dT/dz表示垂直温度梯度;m表示空气分子质量;k为波尔兹曼常数．本文直接利用温度梯度法(式(3))反演的温度,结合昆明流星雷达观测的双极扩散系数D,通过公式(2)反演85～94 km的中性大气密度ρ．

3 数据验证以及结果分析

图1～10给出了ST雷达和全天空流星雷达反演得到的大气密度以及大气密度差值日变化,其中ST雷达3月5日到15日缺少观测数据．

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图1 85 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图2 86 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图3 87 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图4 88 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图5 89 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图6 90 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图7 91 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图8 92 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图9 93 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

(a) 大气密度日变化

(b) 大气密度差值日变化图10 94 km处两台流星雷达得到的大气密度及其差值日变化

由图1～10可知:两台流星雷达反演出的大气密度在各个高度上均具有较好的一致性,差值都在平均值的10%以内,整体相似度较高,但在同一高度上ST雷达得到的大气密度值要高于全天空流星雷达．另外,计算了不同高度的大气密度均值以及标准差,结果如表2、表3所示．

表2 全天空流星雷达反演高度剖面均值和标准差

表3 ST雷达反演高度剖面均值和标准差

将表2、3中的数据通过误差棒的形式整合,得到如图11所示的剖面图．

图11 高度剖面以及大气密度偏差

由表2、3和图11可见:两个雷达的高度剖面走势曲线具有良好的一致性,且标准差的幅度均在均值的10%以内;大气密度值较集中,可靠性较强,且随着高度的升高,大气密度减小的速率也逐渐变小．此外,由于峰值高度变化可以反映出大气密度变化,图12、13给出了两台雷达反演得到的大气密度与峰值高度的走势关系.

图12 全天空流星雷达反演的峰值高度与大气密度

图13 ST雷达反演的峰值高度与大气密度

由图12、13可以看出,除个别天数外,两台雷达的峰值高度与大气密度走势大体相似,且隔日变化一致度较高．

4 结 论

本文方法反演得到的大气密度值与峰值检测高度走势大体一致,验证了该方法的正确性．通过对比分析两台不同频率雷达2014年1—3月长达90天联合观测得到的数据,发现两者在对应高度上反演的大气密度具有良好的一致性,高度剖面所呈现的偏差也在合理范围之内．

但是由于本文方法依赖于温度梯度公式,且温度梯度模型在未来可能会进一步改进完善,同时所涉及数据量规模不大,季度及年变化并未给出,这也是之后所要继续进行的研究．

流星雷达是目前探测中间层-低热层区域大气环境参数的强大手段,也是应用较广泛的一套观测系统,可以得到包括中高层大气水平风场、中层顶大气温度在内的一系列参数．通过本文反演大气密度的方法为探测中高层大气相关参数提供了一种新的途径．

[1] HOCKING W K, THAYAPARAN T, JONES J. Meteor decay times and their use in determining a diagnostic mesospheric temperature-pressure parameter: methodology and one year of data[J]. Geophysical research letters, 2013, 24(23): 2977-2980.

[2] STOBER G, JACOBI C, FROHLICH K, et al. Meteor radar temperatures over Collm (51.31°N, 131°E), Advance in space research, 2008, 42(7), 1253-1258.

[3] STOBER G, MATTHIAS V, BROWN P, et al. Neutral density variation from specular meteor echo observations spanning one solar cycle[J]. Geophysics research letters, 2014, 41:6919-6925.

[4] TAKAHASHI H, NAKAMURA T, TSUDA T, et al. First measurement of atmospheric density and pressure by meteor diffusion coefficient and airglow OH temperature in the mesopause region[J]. Geophysical research letters, 2001, 29(8):1165.

[5] 陈金松. 武汉流星雷达在空间环境探测中的应用研究[D]. 北京: 中国科学院, 2005.

CHEN J S. An application study of the Wuhan meter radar in space environment sounding[D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences, 2005.(in Chinese)

[6] YI W, XUE X H, CHEN J S, et al. Estimation of mesopause temperatures at low latitudes using the Kunming meteor radar[J]. Radio science, 2016, 51 (3):130-141.

[7] HOCKING W K. Temperatures using radar-meteor decay times[J]. Geophysics research letters, 1999, 26, 3297-3300.

[8] HOLMEN S E, HALL C M, TSUTSUMI M. Neutral atmosphere temperature trends and variability at 90 km, 70°N, 19°E, 2003—2014[J]. Atmospheric chemistry & physics, 2016, 16(12):7853-7866.

[9] KUMAR K K. Temperature profiles in the MLT region using radar-meteor trail decay times: comparison with TIMED/SABER observations[J]. Geophysical research letters, 2007, 34(16):130-144.

[10] HALL C M, ASO T, TSUTSUMI M, et al. Neutral air temperatures at 90 km and 70°N and 78°N[J]. Journal of geophysical research atmospheres, 2006, 111: D14105.

[11] HALL C M, DYRLAND M E, TSUTSUMI M, et al. Temperature trends at 90 km over Svalbard, Norway (78°N l6°E), seen in one decade of meteor radar observations[J]. Journal of geophysical research atmospheres, 2012, 117(D8): 8104.

[12] NEILSEN K P, ROTTGER J, SIGERNES F. (2001), Simultaneous measurements of temperature in the upper mesosphere with an Ebert-Fastie spectrometer and a VHF meteor radar on Svalbard (78°N, 16°E)[J]. Geophysical research letters, 2001, 28(5): 943-946.

[13] HOLDSWORTH D A, MORRIS R J, MURPHY D J, et al. Antarctic mesospheric temperature estimation using the Davis mesosphere-stratosphere-troposphere radar[J]. Journal of geophysical research atmospheres, 2006, 111 (D5):1042-1063.