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        基于三亞VHF雷達(dá)的場向不規(guī)則體觀測研究:3.距離擴(kuò)展流星尾跡回波

        2013-10-08 01:01:30李國主寧百齊胡連歡
        地球物理學(xué)報(bào) 2013年12期

        李 明,李國主,寧百齊,胡連歡

        1 北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029

        2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

        1 引 言

        每天數(shù)以百萬的流星體在地球大氣層中熔蝕,雖然只有極少數(shù)流星體墜落至地球表面,但這些流星體在飛行過程中可能損害人造衛(wèi)星等航天器,例如1993年奧林巴斯通訊衛(wèi)星因遭遇英仙座流星雨受損而一度失去控制.同時(shí),目前所知的地球大氣層中金屬離子的唯一來源是流星進(jìn)入大氣層時(shí)帶來的金屬離子注入[1].在電離層E區(qū)金屬離子的壽命遠(yuǎn)長于分子離子,因而能夠在E區(qū)高度累積起可觀的金屬離子含量,而這些金屬離子則被認(rèn)為是形成Es的因素之一[2-3].流星尾跡中場向不規(guī)則體產(chǎn)生機(jī)制和演化過程的研究,對(duì)研究低熱層及電離層E區(qū)的物理過程有著重要意義,是當(dāng)前空間物理學(xué)研究的熱點(diǎn)之一.

        流星體通常以10~70km/s的速度墜落,中性大氣分子與高速的流星體碰撞、摩擦而發(fā)生離化,同時(shí)流星體表面物質(zhì)蒸發(fā)、離化,二者在流星體行進(jìn)路徑上產(chǎn)生一段等離子體柱,形成流星尾跡[4].流星尾跡中的等離子體對(duì)電波具有反射或散射作用.當(dāng)雷達(dá)波矢與流星體行進(jìn)路徑垂直時(shí),可以觀測到鏡面流星尾跡(SE,specular trail echo),其觀測回波的持續(xù)時(shí)間通常在零點(diǎn)幾秒到數(shù)秒鐘.對(duì)這種流星尾跡的研究主要基于測量其多普勒速度從而估算低熱層風(fēng)場信息,是早期小功率雷達(dá)的主要觀測對(duì)象[5].特別是在20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來的全天空流星雷達(dá)觀測技術(shù)[6-7],采用寬波束發(fā)射,通過多組接收天線空間布陣干涉測量分析[8],可觀測到大量的鏡面流星尾跡,從而分析估算雷達(dá)上空的大氣平均風(fēng)場,使得利用觀測鏡面流星尾跡回波測量高空大氣風(fēng)場等方法得到廣泛應(yīng)用.通常,這種方法測量的風(fēng)場高度范圍在80~110km,高度分辨率2km,時(shí)間分辨率~1h.

        不同于全天空流星雷達(dá),高功率大孔徑窄波束雷達(dá)能探測流星尾跡中等離子體不穩(wěn)定性產(chǎn)生的場向不規(guī)則體,這類流星尾跡回波稱為距離擴(kuò)展流星尾跡 (RSTE,range spread trail echo)[9],其觀測回波的持續(xù)時(shí)間在數(shù)秒到幾十秒,有時(shí)甚至達(dá)數(shù)分鐘.RSTE早在20世紀(jì)40年代就被觀測并記錄[10],但直到1994年隨著Jicamarca非相干散射雷達(dá)的流星尾跡觀測試驗(yàn),RSTE才開始真正被認(rèn)識(shí)[11].Reddi等利用MST雷達(dá)觀測,指出Farley-Buneman不穩(wěn)定性是產(chǎn)生流星尾跡中小尺度不規(guī)則體的機(jī)制[12].Zhou等利用MU雷達(dá),發(fā)現(xiàn)在雷達(dá)波矢垂直于地磁場區(qū)域時(shí)(k⊥B)能觀測到RSTE,而當(dāng)雷達(dá)波束偏離垂直地磁場區(qū)域時(shí)則很少探測到回波[9],證明沿著磁力線分布的場向不規(guī)則體是RSTE的產(chǎn)生機(jī)制.Dyrud等基于計(jì)算機(jī)模擬指出,RSTE大多發(fā)生在95~110km 高度[13].而 Malhotra等[14]以及Close等[15]發(fā)現(xiàn)長持續(xù)時(shí)間RSTE(大于等于15s)一般來源于垂直磁場區(qū),偏離垂直磁場區(qū)時(shí),也可能探測到RSTE,但回波信號(hào)功率以3dB±2dB/°衰減.近年來,人們認(rèn)識(shí)到可利用雷達(dá)觀測的RSTE分析獲取低熱層風(fēng)場信息,如Oppenheim等利用RSTE研究低熱層風(fēng)剖面[16];Li等利用RSTE分析獲得了三亞上空風(fēng)場信息,并與全天空流星雷達(dá)得到的背景平均風(fēng)場進(jìn)行了比較[17],這些研究表明,RSTE可用于高精度的風(fēng)場剖面測量.

        在以往研究中,RSTE的觀測主要來源于高功率大孔徑雷達(dá),但高功率大孔徑雷達(dá)的峰值功率極高 (大于1MW),運(yùn)行以及維護(hù)費(fèi)用昂貴.三亞VHF雷達(dá)的峰值發(fā)射功率為24kW,其運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于Jicamarca等高功率雷達(dá),可以對(duì)RSTE開展長期不間斷觀測.然而,如何從雷達(dá)觀測的海量原始信號(hào)數(shù)據(jù)中自動(dòng)識(shí)別RSTE,以及RSTE的持續(xù)時(shí)間和RSTE的發(fā)生率隨時(shí)間-高度等具有何種變化特征,這些對(duì)利用RSTE開展長時(shí)間的高精度風(fēng)場剖面測量具有重要意義.針對(duì)這些問題,本文將在如下方面開展分析研究:(1)從三亞VHF雷達(dá)原始I/Q數(shù)據(jù)中自動(dòng)識(shí)別RSTE的方法和技術(shù);(2)三亞VHF雷達(dá)觀測RSTE的典型形態(tài)特征與持續(xù)時(shí)間分布;(3)RSTE和SE隨地方時(shí)、高度的歸一化分布特征.

        2 觀測設(shè)備及數(shù)據(jù)處理

        2.1 觀測設(shè)備概況

        三亞VHF雷達(dá)為雙觀測模式雷達(dá),可交替工作在全天空流星觀測模式和電離層相干散射觀測模式[18-20].在全天空流星觀測模式中,可以像目前廣泛使用的全天空流星雷達(dá)一樣,獲得大量的鏡面流星尾跡回波數(shù)據(jù);而在電離層相干散射觀測模式下,可以獲得基于等離子體不穩(wěn)定性產(chǎn)生的場向不規(guī)則體回波.

        圖1 三亞VHF雷達(dá)在 (a)全天空流星和 (b)相干散射觀測2種工作模式下的天線陣分布示意圖(a)全天空流星雷達(dá)模式具備1根發(fā)射天線及5根接收天線;(b)相干散射雷達(dá)模式具備24根天線為6通道收發(fā)模式.Fig.1 The schematic diagram of Sanya VHF radar antenna arrays used for(a)all-sky meteor and(b)coherent scatter observations(a)All-sky meteor radar features 1transmit antenna and an array of 5-receiving antennas;(b)Coherent scatter radar features an array of 24antennas forming a 6-channel transmitting and receiving system.

        圖2 三亞VHF雷達(dá)觀測距離擴(kuò)展流星尾跡事例.流星尾跡持續(xù)時(shí)間近30sFig.2 The range-time-intensity map of range spread trail echoe(RSTE)observed by Sanya VHF radar.The RSTE duration is nearly 30s

        為了實(shí)現(xiàn)上述2種工作模式,三亞VHF雷達(dá)安裝了2套天線陣系統(tǒng),如圖1.通常,2種工作模式以1min為周期交替工作.圖1a為全天空流星觀測模式的天線陣,包括1根正交偶極發(fā)射天線和5根正交偶極接收天線.其脈沖重復(fù)頻率為430Hz,對(duì)應(yīng)70~314.8km距離范圍內(nèi)1.8km的距離分辨率.圖1b為電離層相干散射觀測模式的天線陣,包含24(12×2)根八木天線,由東西向排列的可獨(dú)立接收回波信號(hào)的6個(gè)通道組成,相鄰?fù)ǖ篱g隔為,λ是雷達(dá)波長.雷達(dá)發(fā)射的波束為扇形分布,其水平方向?qū)挾葹?0°,垂直方向?qū)挾葹?4°.雷達(dá)波矢指向正北(天頂角23°),與三亞上空電離層高度上的地磁場垂直.在電離層相干散射觀測模式下,雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為650Hz,對(duì)應(yīng)80~200.6km距離范圍內(nèi)0.9km的距離分辨率.雷達(dá)接收機(jī)輸出原始數(shù)據(jù)為I/Q 2個(gè)正交通路合成的復(fù)信號(hào),每個(gè)距離層的信號(hào)同相積分4次.在本文所用的電離層相干散射觀測模式中,每個(gè)通道的I/Q數(shù)據(jù)每個(gè)距離層有8930個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).

        2.2 RSTE的自動(dòng)識(shí)別方法

        在相干散射探測模式下,流星尾跡回波存在多個(gè)距離層高度.圖2給出三亞VHF雷達(dá)探測的一個(gè)長持續(xù)時(shí)間RSTE事例.從圖中可以看出,流星尾跡于世界時(shí)05∶14∶26s處出現(xiàn),一直持續(xù)至05∶14∶55 s,持續(xù)時(shí)間近30s.圖中RSTE的回波功率顯著高于背景噪聲.根據(jù)這一基本特征,在三亞VHF雷達(dá)觀測RSTE的自動(dòng)判定中,首先將雷達(dá)觀測的原始信號(hào)表示的距離-時(shí)間矩陣轉(zhuǎn)化成灰度圖像,然后利用一系列數(shù)字圖像處理技術(shù)達(dá)到自動(dòng)識(shí)別RSTE的目的.其主要步驟如下:

        (1)去除隨機(jī)噪聲以及Es的影響.在雷達(dá)觀測回波信號(hào)的距離-時(shí)間圖像中,隨機(jī)噪聲主要是在多個(gè)距離層同時(shí)出現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng),表現(xiàn)為一條或多條長度不等的豎條紋.去除隨機(jī)噪聲時(shí),通過將矩陣按列取均值得到一組行向量,矩陣按行減此行向量即可消除噪聲信號(hào).而Es在距離-時(shí)間圖像上主要表現(xiàn)為長時(shí)間內(nèi)相鄰數(shù)個(gè)距離層中信號(hào)的突然增強(qiáng).去除Es時(shí)將矩陣按行取均值得到一組列向量,矩陣按列減此列向量即可消除Es.但強(qiáng)烈的Es會(huì)使這種方法產(chǎn)生誤判.圖3a(上)為去除隨機(jī)噪聲與Es前的判定結(jié)果.由圖看出程序不僅將右上方的短持續(xù)時(shí)間RSTE框選,同時(shí)也框選了雷達(dá)噪聲及部分Es.對(duì)于發(fā)生在Es中的流星尾跡,由于不能準(zhǔn)確判斷其開始與結(jié)束時(shí)間,故不應(yīng)被框選.圖3a(下)運(yùn)用了上文中去除雷達(dá)噪聲及Es的方法,從而排除了誤判的情況.圖中矩形框表示自動(dòng)判定的流星尾跡.

        (2)RSTE的信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化劇烈,有時(shí)可能短暫中斷,從而將一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長的RSTE誤判為多個(gè)發(fā)生時(shí)間接近的、持續(xù)時(shí)間較短的RSTE,因而需要對(duì)RSTE的形態(tài)進(jìn)行修復(fù).利用圖像形態(tài)學(xué)中的擴(kuò)張運(yùn)算填補(bǔ)RSTE中的不連續(xù)區(qū)域并利用閉邊界運(yùn)算閉合不連續(xù)的邊界.圖3b(上)為采用形態(tài)學(xué)方法處理RSTE前的程序判定結(jié)果.由圖看出對(duì)于短持續(xù)時(shí)間RSTE,程序具備準(zhǔn)確的判定能力.但對(duì)于長持續(xù)時(shí)間RSTE,程序則將其判定為三個(gè)持續(xù)時(shí)間較短的流星尾跡.圖3b(下)為修補(bǔ)RSTE形態(tài)后的程序判定效果.由圖看出,程序?qū)τ诙坛掷m(xù)時(shí)間流星尾跡的判定未發(fā)生變化,但之前誤判的長持續(xù)時(shí)間流星尾跡的判定情況則得到修正.流星尾跡的雷達(dá)回波功率隨時(shí)間逐漸衰減,當(dāng)回波功率降至判別門限以下時(shí),則不進(jìn)行框選,這是圖3b(下)中未能完全框選流星尾跡的原因.框選不全的情況一般發(fā)生在流星尾跡持續(xù)時(shí)間較長時(shí),適當(dāng)降低判別門限可改善此問題,對(duì)于某些降低判定門限仍無法框選完全的流星尾跡,需對(duì)其持續(xù)時(shí)間進(jìn)行修正.

        (3)利用自適應(yīng)閾值分割算法自動(dòng)框選流星尾跡.由于背景噪聲隨時(shí)變化,固定判定門限在不同的背景噪聲條件下識(shí)別流星尾跡時(shí)易發(fā)生誤判.本文利用Otsu算法,該方法按照?qǐng)D像灰度將圖像分為背景和目標(biāo),當(dāng)取最佳灰度閾值時(shí),背景與目標(biāo)的類間方差最大,由此自適應(yīng)計(jì)算出圖像灰度閾值以區(qū)分背景與目標(biāo),同時(shí)將Otsu算法判定的流星尾跡進(jìn)行框選并將其基本信息自動(dòng)保存.

        圖4a給出自動(dòng)識(shí)別的RSTE事例.然而經(jīng)過上述處理步驟后,誤判的情況仍有可能發(fā)生.如圖4b箭頭所示,當(dāng)存在長持續(xù)時(shí)間回波信號(hào)且回波信號(hào)功率隨時(shí)間變化較大時(shí),判定程序會(huì)將其中強(qiáng)回波信號(hào)部分誤判為流星尾跡.這種情況常出現(xiàn)在強(qiáng)烈Es出現(xiàn)的時(shí)刻.利用2012年2月觀測數(shù)據(jù),經(jīng)自動(dòng)判定與人工判定,結(jié)果顯示自動(dòng)判定的誤判率低于5%.

        3 觀測結(jié)果與討論

        3.1 RSTE觀測事例

        圖5給出不同持續(xù)時(shí)間RSTE觀測事例.如圖5a所示,短持續(xù)時(shí)間流星尾跡(小于15s)發(fā)生在87~114km距離范圍,持續(xù)時(shí)間為~10s.流星尾跡回波在114km處首先被觀測到,隨著時(shí)間推移,流星尾跡所在高度逐漸下降,持續(xù)時(shí)間逐漸增加,同時(shí)流星尾跡所在高度范圍逐漸變窄,整體呈三角形,這些形態(tài)特征與高功率大孔徑雷達(dá)的觀測結(jié)果類似[13].圖5b給出2011年8月16日20∶02UT三亞VHF雷達(dá)觀測的長持續(xù)時(shí)間RSTE(大于等于15s)事例,其中108km附近的回波薄層為Es引起的E區(qū)連續(xù)性回波[21].如圖5b所示,在流星尾跡初始發(fā)生時(shí)刻,RSTE的距離范圍為110~126km,隨著時(shí)間推移,流星尾跡逐漸集中于113~118km,并持續(xù)很長一段時(shí)間(大于37s).

        在三亞VHF雷達(dá)對(duì)RSTE的觀測中,經(jīng)常探測到其在不同距離層上、持續(xù)時(shí)間不同的現(xiàn)象.這可能是因?yàn)榱餍俏槽E某部分落在可以演化出場向不規(guī)則體的高度,另一部分落在此高度范圍之外,從而使部分高度上的流星尾跡演化成長持續(xù)時(shí)間的RSTE.另一個(gè)原因可能是在流星體行進(jìn)過程中,部分流星尾跡落在k⊥B區(qū)域,其余部分落在k⊥B以外區(qū)域,同時(shí)流星尾跡中高高度處的擴(kuò)散系數(shù)更大,流星尾跡消散更快,這些可能是造成不同距離層中RSTE持續(xù)時(shí)間不同的原因.

        圖3 距離擴(kuò)展流星尾跡回波自動(dòng)識(shí)別(a)去除噪聲以及Es前后效果對(duì)比圖;(b)為修補(bǔ)RSTE形態(tài)前后效果對(duì)比圖.圖中方框?yàn)槌绦蚺卸榱餍俏槽E后的自動(dòng)框選.Fig.3 Automatic detection of RSTEs(a)The comparison before and after the elimination of Es and radar noise;(b)The comparison between before and after the repair of the shape of the RSTEs.The squares signify the recognized RSTEs by the program.

        圖4 自動(dòng)識(shí)別RSTE時(shí)(a)正確的情況和(b)誤判的情況.(b)中箭頭所指為誤判為流星尾跡的信號(hào)Fig.4 Cases of(a)correct detection and(b)false detection of RSTEs.The arrows in(b)signify the errors in recognizing RSTEs

        類似E區(qū)不規(guī)則體回波的產(chǎn)生機(jī)制,RSTE中場向不規(guī)則體主要由Farley-Buneman不穩(wěn)定性[22-23]與梯度 漂 移 不 穩(wěn) 定 性 產(chǎn) 生[24-25].RSTE 主 要發(fā)生在80~120km高度范圍,在此高度Ωe?νen而Ωi?νin,(Ωe/i=eB/me/i為電子/離子自旋頻率,νen/in為電子/離子與中性分子碰撞頻率),意味著電子是磁化的而離子受中性分子束縛,運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子.當(dāng)垂直方向存在外加電場E時(shí),電子做E×B漂移,產(chǎn)生極化電場如圖6a[26];當(dāng)無外加電場,100km高度以上時(shí),Dyrud等人的模擬結(jié)果顯示,離子受中性分子碰撞傾向于擴(kuò)散出流星尾跡,而受磁場束縛的電子擴(kuò)散較慢,流星尾跡中形成的極化電場如圖6b[27].產(chǎn)生的極化電場Ep使電子做Ep×B漂移,同時(shí)流星尾跡與背景電離層的等離子體密度梯度Δn使流星尾跡中的電子做抗磁漂移.抗磁漂移與電漂移使流星尾跡中電子、離子運(yùn)動(dòng)速度分離,相對(duì)速度為vd=ve-vi,設(shè)vd位于垂直磁場平面.當(dāng)vd大于離子聲速Cs= (kB(Ti+Te)/mi)1/2(kB為Boltzman常數(shù),Ti,Te分別是離子與電子溫度,mi為離子質(zhì)量)時(shí),激發(fā)Farley-Buneman不穩(wěn)定性.當(dāng)?shù)入x子體密度梯度Δn·Ep>0時(shí),激發(fā)梯度漂移不穩(wěn)定性.等離子體不穩(wěn)定性激發(fā)的等離子體波調(diào)制流星尾跡中的等離子體密度產(chǎn)生相干散射雷達(dá)可以觀測的場向不規(guī)則體.如圖6c,等離子體不穩(wěn)定性激發(fā)的靜電波沿垂直于B的方向傳播引起的等離子體密度漲落具有強(qiáng)烈的方向敏感性.故當(dāng)k⊥B時(shí),容易觀測到RSTE,而偏離k⊥B方向時(shí),RSTE數(shù)量減少并以短持續(xù)時(shí)間RSTE為主.

        圖5 (a)短持續(xù)時(shí)間和(b)長持續(xù)時(shí)間距離擴(kuò)展流星尾跡回波事例Fig.5 Examples of(a)short-lived and(b)long-duration RSTEs

        圖6 距離擴(kuò)展流星尾跡中場向不規(guī)則體形成機(jī)制示意圖(a)當(dāng)存在外加電場時(shí)流星尾跡中產(chǎn)生的極化電場;(b)當(dāng)無外加電場時(shí)流星尾跡中形成的極化電場;(c)流星尾跡中等離子體波的方向敏感性示意圖.Fig.6 Schematic diagram showing the generation mechanism of field aligned irregularities in range spread meteor trails(a)The polarization electric field in the meteor trail with externally imposed electric field;(b)The polarization electric field in the meteor trail without externally imposed electric field;(c)The aspect sensitivity of the plasma waves in the meteor trail.

        電子與離子在80~120km內(nèi)遷移率的差異可以解釋為何場向不規(guī)則體出現(xiàn)在很窄的高度范圍.高于此區(qū)間,離子與中性分子碰撞頻率降低,電漂移占主導(dǎo)地位,離子、電子之間速度差減??;低于此區(qū)間,電子濃度過低,不足以維持等離子體不穩(wěn)定性[28].

        3.2 RSTE持續(xù)時(shí)間分布

        利用2011年8月以及2012年2月的RSTE觀測數(shù)據(jù),剔除其中受到強(qiáng)Es影響的觀測記錄并對(duì)誤判的RSTE持續(xù)時(shí)間進(jìn)行人工修正,統(tǒng)計(jì)了在此期間RSTE持續(xù)時(shí)間的變化特征.

        圖7 RSTE持續(xù)時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 Statistical distribution of the duration of RSTE events during August 2011and February 2012

        圖7為三亞VHF雷達(dá)觀測的2011年8月及2012年2月RSTE持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分布特征,圖中將0~55s以2.5s區(qū)間劃分為22個(gè)子區(qū)間,統(tǒng)計(jì)每個(gè)子區(qū)間內(nèi)RSTE事件的個(gè)數(shù).由圖7得知2011年8月中RSTE持續(xù)時(shí)間小于10s的數(shù)量小于2012年2月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.但當(dāng)RSTE持續(xù)時(shí)間大于10s時(shí),2011年8月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果則大于2012年2月的.其中30~32.5s及45~47.5s區(qū)間幾乎只有2011年8月的觀測.50~52.5s區(qū)間則幾乎只有2012年2月的觀測.但2011年8月長持續(xù)時(shí)間RSTE數(shù)量仍多于2012年2月的.2011年8月共觀測到RSTE事件8022個(gè),其中長持續(xù)時(shí)間(大于等于15s)RSTE 161個(gè),占RSTE總數(shù)~2%.如圖7所示,2011年8月持續(xù)時(shí)間小于2.5s的RSTE數(shù)目遠(yuǎn)高于其他子區(qū)間,持續(xù)時(shí)間小于10s的RSTE數(shù)目占RSTE總數(shù)的96%以上;由于在2012年2月1日至16日,三亞VHF雷達(dá)全天工作于相干散射模式,共觀測到RSTE事件16764個(gè),顯著多于2011年8月的觀測.在此期間觀測到長持續(xù)時(shí)間(大于等于15s)RSTE 96個(gè),占RSTE總數(shù)~0.6%,表明絕大多數(shù)流星尾跡產(chǎn)生的回波都是短持續(xù)時(shí)間RSTE;同時(shí),2012年2月長持續(xù)時(shí)間流星尾跡所占比例以及Es發(fā)生率(未列出)都顯著小于2011年8月的.

        RSTE持續(xù)時(shí)間主要與流星體的物理性質(zhì),如質(zhì)量、速度;熔蝕高度的背景電子濃度、背景電場以及水平風(fēng)場;背景大氣的季節(jié)變化等因素有關(guān)[29].計(jì)算機(jī)模擬及統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,RSTE持續(xù)時(shí)間夜晚較白天更長,夜間更利于 RSTE形成[29-30].北半球8月夜晚的短于2月的,但觀測數(shù)據(jù)顯示8月長持續(xù)時(shí)間RSTE所占比例更高,由于8月Es出現(xiàn)頻繁,某些長持續(xù)時(shí)間RSTE的形成機(jī)制可能類似Es,與風(fēng)剪切有關(guān)[31].

        3.3 RSTE的地方時(shí)、高度變化特征及與SE分布的比較

        在研究流星尾跡隨三亞地方時(shí)的歸一化分布時(shí),選取24h記錄完整的時(shí)期,即2011年8月10—19日,同時(shí)剔除受強(qiáng)烈Es層影響以及誤判的RSTE事例,得到用于統(tǒng)計(jì)的最終數(shù)據(jù).在研究流星尾跡隨高度的歸一化分布時(shí),將2011年8月觀測中受強(qiáng)烈Es層影響和誤判的數(shù)據(jù)剔除.此外,對(duì)應(yīng)時(shí)刻全天空流星雷達(dá)觀測的SE數(shù)據(jù)用于與RSTE進(jìn)行對(duì)比分析.

        圖8a為2種流星尾跡發(fā)生率(RSTE和SE)隨三亞地方時(shí)的歸一化分布.總體上,2種流星尾跡的發(fā)生率表現(xiàn)出類似的地方時(shí)分布特征.但RSTE的歸一化分布在05∶00LT之后顯著小于SE的分布,17∶00LT之后逐漸超過SE的分布.RSTE以及SE的歸一化分布在03∶00—04∶00LT左右同時(shí)達(dá)到最大值,不同于Dyrud的觀測結(jié)果[32].Dyrud觀測到SE和RSTE的數(shù)量分別在03∶00(Puerto-Rico地方時(shí))與06∶00達(dá)到最大值.但整體上,SE的歸一化分布在02∶00—08∶00LT明顯高于其他時(shí)段.盡管三亞VHF雷達(dá)觀測SE和RSTE的發(fā)生率分布具有類似的地方時(shí)變化特征,但每小時(shí)SE的絕對(duì)數(shù)目遠(yuǎn)多于RSTE,其原因之一是由于SE的觀測來自于流星尾跡對(duì)雷達(dá)信號(hào)的鏡面反射,而RSTE的觀測來源于流星尾跡中場向不規(guī)則體對(duì)雷達(dá)信號(hào)散射后的相干疊加,同時(shí)全天空流星雷達(dá)觀測模式所用波束寬遠(yuǎn)大于電離層相干散射觀測模式,這使得全天空流星雷達(dá)觀測模式觀測到的SE數(shù)目遠(yuǎn)多于相干散射觀測模式觀測到的RSTE.此外,進(jìn)入大氣中的流星只有少數(shù)能在合適的條件下產(chǎn)生場向不規(guī)則體,03∶00—04∶00LT左右流星數(shù)目達(dá)到最大值也為RSTE數(shù)量的增加提供了條件,這應(yīng)是03∶00—04∶00LT左右在觀測到SE最大值時(shí),RSTE同時(shí)達(dá)到歸一化分布最大值的原因.

        同時(shí),圖8a顯示RSTE的歸一化分布比SE的歸一化分布變化更劇烈.每小時(shí)流星尾跡數(shù)目的最大值除以最小值可反映這種變化:RSTE為~18.0,而SE為~6.5,相差2.8倍,這與Dyrud的觀測結(jié)果基本一致[32].雖然RSTE歸一化分布最大值發(fā)生的時(shí)刻與Dyrud的觀測不盡相同,但其歸一化分布的最小值都發(fā)生在昏側(cè).這是因?yàn)榈厍蛞浴?0km/s的速度公轉(zhuǎn),隨著地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn),處于昏側(cè)的流星體相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)速度比處于晨側(cè)的流星體小,晨側(cè)迎來較多流星,昏側(cè)流星尾跡歸一化分布則達(dá)到極小值.夜間RSTE數(shù)量明顯多于白天,可能是因?yàn)橐归g電離層背景電子濃度較低,流星速度普遍較低,可以穿透至更低高度,而低高度處不僅擴(kuò)散系數(shù)小而且產(chǎn)生的極化電場更強(qiáng),為RSTE的發(fā)生提供了更有利的條件.這意味著三亞VHF雷達(dá)觀測RSTE中的場向不規(guī)則體可能由梯度漂移不穩(wěn)定性所致[33-34].

        圖8 距離擴(kuò)展流星尾跡以及鏡面流星尾跡隨三亞地方時(shí)的歸一化分布(a)RSTE與SE隨地方時(shí)歸一化分布圖;(b)長持續(xù)時(shí)間RSTE與短持續(xù)時(shí)間RSTE隨地方時(shí)歸一化分布圖.Fig.8 Normalized distribution of RSTE and SE events with local time(a)The local time nomalized distribution of RSTE and SE;(b)The local time nomalized distribution of long-duration RSTEs and short-lived RSTEs.

        圖8b為長持續(xù)時(shí)間RSTE與短持續(xù)時(shí)間RSTE事件的歸一化分布隨三亞地方時(shí)的變化特征.總體上,長持續(xù)時(shí)間RSTE與短持續(xù)時(shí)間RSTE的歸一化分布隨三亞地方時(shí)的變化表現(xiàn)出類似的特征,二者的歸一化分布同時(shí)在03∶00LT達(dá)到最大值,但長持續(xù)時(shí)間RSTE在05∶00LT出現(xiàn)另一個(gè)峰值,此后長持續(xù)時(shí)間RSTE的歸一化分布一直高于短持續(xù)時(shí)間RSTE,直至18∶00LT長持續(xù)時(shí)間RSTE的歸一化分布達(dá)到最小值且比同時(shí)刻短持續(xù)時(shí)間RSTE的歸一化分布低,隨后短持續(xù)時(shí)間RSTE的歸一化分布呈現(xiàn)快速上升趨勢,高于長持續(xù)時(shí)間RSTE.在地方時(shí)05∶00—06∶00LT期間,長持續(xù)時(shí)間RSTE的歸一化分布明顯高于短持續(xù)時(shí)間RSTE,表明長持續(xù)時(shí)間RSTE的產(chǎn)生受地球公轉(zhuǎn)-自轉(zhuǎn)的影響可能更為顯著.

        圖9a為2種流星尾跡RSTE和SE的歸一化分布隨高度的變化特征.RSTE發(fā)生高度是利用單個(gè)RSTE發(fā)生的平均高度進(jìn)行表征.需要指出的是,全天空流星雷達(dá)模式觀測SE時(shí),其探測高度范圍為70~120km,而相干散射模式觀測RSTE時(shí),其探測高度范圍為74~184km.由圖9a可知,RSTE與SE事件隨高度的歸一化分布總體類似,RSTE主要發(fā)生在90~110km范圍,與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果一致[13].這是因?yàn)楦咚俚牧餍求w進(jìn)入大氣后與大氣分子劇烈摩擦,當(dāng)流星體表面溫度達(dá)到~2500K后熔蝕過程開始[5].流星體墜落至這一高度范圍,中性分子數(shù)密度逐漸增大,加劇的摩擦將足夠多動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能,產(chǎn)生離化尾跡,故流星尾跡一般出現(xiàn)在這一高度范圍.此外,圖9a清晰地顯示某些RSTE并不發(fā)生在此高度范圍內(nèi),在小于85km以及大于140km處均有RSTE觀測,說明RSTE的產(chǎn)生機(jī)制非常復(fù)雜,這種極低和極高高度上觀測的RSTE,需結(jié)合雷達(dá)干涉法進(jìn)行三維定位分析,開展進(jìn)一步深入研究.

        圖9 距離擴(kuò)展流星尾跡及鏡面流星尾跡隨高度的歸一化分布(a)RSTE與SE隨高度歸一化分布圖;(b)長持續(xù)時(shí)間RSTE與短持續(xù)時(shí)間RSTE隨高度歸一化分布圖.Fig.9 Normalized distribution of RSTE and SE events with height(a)The height nomalized distribution of RSTE and SE;(b)The height nomalized distribution of long-duration RSTEs and short-lived RSTEs.

        圖9b為長持續(xù)時(shí)間RSTE與短持續(xù)時(shí)間RSTE的歸一化分布隨高度的變化特征.由圖可知,長持續(xù)時(shí)間RSTE比短持續(xù)時(shí)間RSTE分布更集中.在74~83km高度范圍內(nèi),只存在短持續(xù)時(shí)間RSTE.這種極低高度上的短持續(xù)時(shí)間RSTE,可能來自于雷達(dá)波束旁瓣散射的信號(hào).長持續(xù)時(shí)間RSTE主要出現(xiàn)在83km高度以上,在92km高度附近達(dá)到極大值,隨后歸一化分布迅速降低.短持續(xù)時(shí)間RSTE在92~102km高度上歸一化分布達(dá)最大值.在大于140km高度,長、短持續(xù)時(shí)間RSTE均有發(fā)生.

        4 結(jié) 論

        利用三亞VHF雷達(dá)的相干散射和全天空流星2種模式交替工作觀測的RSTE以及SE數(shù)據(jù),給出了一種RSTE的自動(dòng)識(shí)別方法,分析了我國低緯RSTE的典型形態(tài)特征、產(chǎn)生過程及其可能的機(jī)制,并對(duì)RSTE與SE的地方時(shí)、高度分布特征進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果表明:

        (1)針對(duì)RSTE信號(hào)特點(diǎn),采用數(shù)字圖像處理等方法可以較為準(zhǔn)確地自動(dòng)判定RSTE事件并記錄其信息,其正確識(shí)別率可達(dá)95%.但當(dāng)存在很強(qiáng)烈的Es回波信號(hào)時(shí),常會(huì)增加誤判概率.此外,對(duì)長持續(xù)時(shí)間RSTE持續(xù)時(shí)間的判定,也可能存在低估現(xiàn)象.

        (2)三亞VHF雷達(dá)觀測的RSTE在形態(tài)上與高功率大孔徑雷達(dá)的觀測結(jié)果類似.對(duì)RSTE持續(xù)時(shí)間和發(fā)生高度的統(tǒng)計(jì)表明,流星尾跡回波中持續(xù)時(shí)間小于10s的短持續(xù)時(shí)間RSTE占RSTE總數(shù)的96%以上.RSTE主要發(fā)生在90~110km高度附近較窄的高度范圍內(nèi),但在小于85km和大于140km高度也能觀測到.通常,長持續(xù)時(shí)間RSTE比短持續(xù)時(shí)間RSTE高度分布更集中,在74~83km高度范圍內(nèi),只存在短持續(xù)時(shí)間RSTE.

        (3)RSTE與SE數(shù)量具有類似的時(shí)間-高度歸一化分布特征,但SE數(shù)量遠(yuǎn)多于RSTE.RSTE和SE的歸一化分布在03∶00—04∶00LT左右同時(shí)達(dá)到最大值,但RSTE的歸一化分布在05∶00LT之后顯著小于SE的分布,17∶00LT之后逐漸超過SE.此外,長持續(xù)時(shí)間RSTE歸一化分布的日變化比短持續(xù)時(shí)間RSTE及SE更劇烈.相比短持續(xù)時(shí)間RSTE及SE,長持續(xù)時(shí)間RSTE歸一化分布的峰值更偏向晨側(cè),這可能是受電離層背景電子濃度的日變化及地球公轉(zhuǎn)-自轉(zhuǎn)等因素的影響.

        雖然本文對(duì)三亞VHF雷達(dá)觀測的RSTE的形態(tài),持續(xù)時(shí)間和隨高度-時(shí)間的歸一化分布特征進(jìn)行了分析,并與同時(shí)的SE觀測結(jié)果進(jìn)行了比較.但對(duì)影響RSTE形態(tài)及分布特征的其他因素,如流星體墜落速度、背景電離層電子密度等如何影響RSTE的產(chǎn)生并未作深入分析.此外,在大于140km高度觀測的長持續(xù)時(shí)間RSTE,并不能用正常高度范圍(90~110km)RSTE的產(chǎn)生機(jī)制解釋,這種高高度RSTE是否由流星體墜落過程中飛濺的流星微粒,經(jīng)低雜不穩(wěn)定性產(chǎn)生?這些問題仍有待進(jìn)一步研究.

        致 謝 感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所三亞空間環(huán)境綜合觀測研究站全體同事在VHF雷達(dá)建設(shè)和運(yùn)行中的辛勤付出.

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