基于全天空FPI的临近空间中性风场研究

吴鹏举，张燕革，艾勇，覃明辉

（武汉大学 电子信息学院，武汉 430072）

临近空间是指介于普通航空飞行器最高飞行高度和天基卫星最低轨道高度之间的空域。大多数临近空间飞行器的主要活动区域都在100 km以下，故一般定义临近空间为离地球表面20～100 km。临近空间大气是地球中高层大气的重要组成部分[1-3]，包括大气平流层、中间层和低热层，其大气活动直接影响临近空间飞行器安全、航空航天活动和无线信息传输等。其中，临近空间的大气风场直接影响临近空间飞行器的飞行状态，因此对其风场的探测显得尤为重要。

近年来，国外已经研制和建立了不同体制的雷达系统来监测临近空间的大气环境，成功发展了多个高层大气风场模式。国内测量临近空间（中间层和低热层）大气风场和垂直风廓线的主要地基设备有中频（MF）雷达、甚高频（VHF）雷达、激光雷达等。如中国科学院武汉物理与数学研究所建立了测风中频雷达和流星雷达，研制的双波长高空激光雷达可实现对距地表 30～110 km中高层大气和低电离层段的探测[4-5]。

法布里-珀罗干涉仪（FPI）作为光谱分辨率极高的被动风场探测设备，已经被广泛应用于中高层大气风场探测，国内外都作过许多研究[6-10]。OI557.7 nm气辉产生于海拔约95 km的临近空间顶层的低热层，气辉随着大气的运动产生多普勒频移，频移量代表着大气的风速信息。利用高灵敏度的法布里-珀罗干涉仪（FPI）测量OI557.7 nm气辉的谱线频移，可以有效获得临近空间顶层的大气风场信息。2010年底，武汉大学激光通信实验室自主研制了一台的全天空探测设备，并在北极黄河站（78.92°N，11.93°E）进行了越冬观测，之后对亚暴期间的热层风场进行了初步分析[11-12]。2014年底，新一代的全天空FPI设备在黄河站调试完毕，并开始执行远程越冬观测任务。文中选取了2016年远程越冬观测所获得的亚暴期间全天空FPI的OI557.7 nm气辉干涉数据，反演得到黄河站上空的临近空间低热层风场信息，并对风场行为和影响风场的因素进行了初步分析，对于更好地理解和认识北极地区临近空间低热层空间环境具有重要意义。

1 全天空FPI及测风原理

全天空FPI设备可以划分为四个主要组成部分，依次为光学接收系统、滤波片控制系统、干涉系统以及数据采集与存储系统。全天空FPI的结构及实物如图1所示。

光学接收系统采用大视场鱼眼镜头，理论视场角可达180°，其前端由一高透光率的Dome罩与外界隔开，减小外界干扰的同时不影响光学成像。滤波片控制系统选择性透过557.7 nm和630.0 nm波段，干涉系统为F-P标准具，间距为15 mm，有效通光孔径为40 mm，面板反射率大于90%。文中采用的是ANDOR公司生产的科学级制冷CCD进行数据采集，可以有效地抑制量子噪声的干扰，有助于微弱气辉的探测。

产生气辉辐射的分子或原子随着大气运动，相对于固定地基观测点产生多普勒频移。通过测量频移量就可得出辐射源沿观测视线方向的速度，即视线风速。进一步反演可以获得辐射源处的风场。

扩展光源经过法布里珀罗标准具（F-P）的成像光路如图2所示。光源S在L1的前焦面，S上一点发出的光经过 L1后变成一组平行光，以倾斜角θ入射到F-P上，多光束干涉后经过透镜L2在像点P处加强，最终在像面上表现为一组等倾干涉环。

假设光源在真空中的波长为λ，F-P标准具腔长为h，折射率为n，干涉级次m，光束入射角为θ。干涉加强形成干涉环时，F-P标准具内的相邻光束满足：

由式（1）可得，当风速为0时，入射角为θ的入射光通过F-P干涉仪形成第m级干涉条纹：

式中：λ0为零风速（无多普勒频移）时的波长；f为成像物镜的焦距；r0为第m级干涉环的半径。

当视线风速为v（朝向观测点方向为正）时，由于多普勒效应，波长变为λ=λ0（1-v/ c），则相同干涉级次的情况下有：

由式（2）和（3）可得视线风速表达式为：

全天空FPI系统的成像物镜焦距f已知，只需要知道假设零风速参考半径 r0和发生多普勒频移后对应干涉级次的半径r，就可以求出相应的辐射源的视线风速信息，这就是全空FPI测风的基本原理。

2 临近空间顶层风场分析

OI557.7 nm气辉的辐射峰值高度约为95 km，位于临近空间顶层的低热层，因此选取了全天空FPI设备OI557.7 nm波段的干涉数据来反演临近空间顶层的风场分布。将对单个周期UT时间2016年11月25日04:00到2016年11月25日24:00时段的观测数据的经纬向风进行分析，期间发生过极光亚暴现象。由于北极风场的不均匀性，选择地理北向风代表经向风（以北正方向），地理东向代表纬向风（以东为正方向）。

极光弧是极光亚暴的表现形式。地磁活动剧烈的时候，极区天空中会出现明显的极光现象，黄河站的全天空 FPI设备观测到的干涉环图像中有明显的局部光强增大。AE指数为描述极区地磁扰动强度的指数，Dst指数主要描述的是地磁环电流的强度。图 3为世界地磁数据中心（World Data Center for Geomagnetism, Kyoto）公布的地磁活动参数，AE指数在2016年11月 25日前后出现极大值，而环电流强度Dst指数为极小值。京都地磁学中心也将该天划分为扰动期，此时全天空FPI设备观测到了较强的极光亚暴现象。

由于全天空FPI设备使用鱼眼镜头，视场边缘存在较大的畸变，会对风场计算产生较大的误差，因此选取干涉环的内5级环进行计算。11月25日，1到5级环的纬向风绝对值的平均值为144.0，93.8，98.8，85.9，97.6 m/s，经向风绝对值的平均值分别为148.7，123.7，94.6，99.0，119.1 m/s。北向和东向水平风速的变化情况如图4所示。

由图4可以看出，每一级环的风速在一天内都是不断变化的，甚至有时会出现风切变的现象。这是由于受到太阳辐射、重力波等能量的影响，极地地区中高层大气风场往往变化不定。整体上，北向风和东向风在早上05:00前后，风速均出现极大值，甚至超过了200 m/s。说明在FPI设备观测视场内，北侧和东侧的风速较大，大气活动较为剧烈。之后风场呈现出无规律性，但整体风速值保持在200 m/s以内，这和当地EISCAT雷达观测到100 km高度处的风速值相近。到了傍晚18:00前后，风速迅速较小，并保持在50 m/s以内，到了接近21:00时，风速值有缓慢增大，之后继续呈现出随机变化的特性。对比FPI原始干涉环数据后发现，大约在18:00—21:00时间段内，出现了较为明显的极光亚暴现象，干涉环上有明显的极光弧。说明极光亚暴有效地抑制了低热层大气风场，但也存在风速值很大的情况下出现极光弧的现象。这是由于低热层风场并不是由单一的极光亚暴决定的，还受到大气活动其他能量（如大气潮汐等）的影响，极光亚暴既有可能减小风场也有可能增大风场风速值。

临近空间顶层（低热层）亚暴期间的 557.5 nm干涉图和对应高度的视线风速图如图5所示。浅色为朝向观测点方向100 m/s视线风，深色为远离观测点100 m/s视线风。可以看出，干涉图上加强的部分和视线风场存在一定的联系。在18:00到21:00时间段内出现了明显的极光亚暴现象，极光弧由东南方向慢慢向西北扩张，最后整个视场内都观测到极光现象。此时视线风以东南风为主，之后逐渐变为西北风。当极光弧扩大到整个视场，又变成以西南风为主，整体视线风速值都在-100～100 m/s，少数会达到150 m/s。干涉图上无极光弧或者较弱时，风场表现为变化不定，分布上规律性不大，且风速较大。说明极光亚暴一定程度上削弱了临近空间顶层的视线风场，并且使其风向呈现出一定的规律性，风场加强的方向大致上垂直于极光弧，而在极光弧方向上风速较小。这和Zhang等[13-14]对 2011年底风场数据分析的结论基本相同。

图4中，18:00到21:00的水平风速较小，基本都在 50 m/s以内，此时段东向和北向视线风速均出现了超过100 m/s的情况。这是因为极地地区风场较为复杂，存在较大的垂直风场[14]，其在视线方向也有贡献。它是极地地区热层大气对各个动力能量的响应运动，并改变着热层的结构和成分，同时又反过来影响着动力能量的响应作用。因此研究极地地区临近空间顶层的垂直风场也具有十分重要的意义。

3 结语

OI557.7 nm气辉对应的辐射高度约为95 km，以中性风场为主，受到地球电场影响并不大。在极光亚暴期间，地磁场活动加剧，可能会引起极光区域粒子沉降，电离层区离子密度急剧增大，进一步导致离子拖拽和焦耳加热等能量变化，引导着中性粒子的运动，并使其趋向一个方向运动。在 2016年 11月 25日18:00—21:00时间段内，极光一定程度上减弱了中性风场，使得风速值有一定程度的减小。

根据2016年冬季的557.7 nm观测数据，分析了极光亚暴期间临近空间顶层的大气风场行为。结合亚暴期间的地磁活动发现，在极地地区，临近空间顶层的大气中性风场受到地磁活动的影响很大。经过对水平风和视线风的分析，发现极光的出现既可能减弱中性风场，也可能增大中性风场，但会使其风向上呈现出一定的规律性，其风场增大的方向一般垂直于极光弧。全天空FPI适合极地地区复杂风场的研究，由于中低纬度地区垂直风场可以忽略不计，风场模式较为简单，其风场测量更为准确，因此FPI可以广泛应用于临近空间顶层大气风场探测，对认识临近空间环境具有重要意义。