田玉芳， 呂達(dá)仁

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測重點實驗室(LAGEO)， 北京　100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京　100049

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北京MST雷達(dá)探測中間層-低熱層觀測結(jié)果初步分析

田玉芳1，2， 呂達(dá)仁1*

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測重點實驗室(LAGEO)， 北京100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京100049

摘要北京MST雷達(dá)是子午工程建設(shè)的國內(nèi)僅有的兩部MST雷達(dá)之一，為研究其在中間層-低熱層MLT區(qū)域的探測能力以及數(shù)據(jù)可靠性，本文應(yīng)用北京MST雷達(dá)2012、2013兩年高模式數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)獲取率、與廊坊流星雷達(dá)測風(fēng)對比以及風(fēng)場時空分布特征三個方面進(jìn)行初步分析.結(jié)果是：(1) 數(shù)據(jù)獲取率日變化特征為：白天65～100 km均可獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取率的高值區(qū)主要集中在70～80 km，最大值可達(dá)80%；夜間主要集中在80～100 km，數(shù)據(jù)獲取率在30%及以下.表明該MST雷達(dá)白天可以探測到電離層D層和E層低層，夜間D層消失，只探測到E層低層.季節(jié)變化特征為：夏季白天可獲取數(shù)據(jù)的時間和高度區(qū)間都比較大，春季次之，冬季最小.夏季白天以及日落后1 h內(nèi)可探測到120 km.(2) 對北京MST雷達(dá)與廊坊流星雷達(dá)2012年5月份、80～100 km高度區(qū)間測量的水平風(fēng)進(jìn)行對比分析，二者測風(fēng)結(jié)果在時空分布上有很好的一致性，表明MST雷達(dá)探測數(shù)據(jù)是可靠的.(3) 2012年和2013年相應(yīng)月份平均的緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)時空分布特征有較高的一致性，并與HWM07模式結(jié)果也基本一致.上述初步分析結(jié)果表明，北京MST雷達(dá)對中間層-低熱層60～120 km高度區(qū)域已具備較強(qiáng)的探測能力，所得結(jié)果將可用于MLT過程揭示與驅(qū)動因子研究，并可與該高度上其他探測手段作綜合研究.

關(guān)鍵詞北京MST雷達(dá)； 中間層-低熱層； 探測能力； 數(shù)據(jù)可靠性； 水平風(fēng)場時空分布特征

Two years of data (January 2012 to December 2013) in high mode were used. From the aspect of data acquisition rate, comparison of wind measurements with the nearby Langfang meteor radar and spatial and temporal characteristics of wind, preliminary analyses were made.

Analysis results indicate that: (1) Data acquisition rate shows diurnal variation characteristics: during daytime the MST radar can obtain data in 65～100 km. High-ratio areas of data acquisition rate were mainly concentrated in the 70～80 km with a maximum of up to 80%.At nighttime available data altitude range focused on 80～100 km with data acquisition rate at 30% and below. This indicates that the MST radar can detect ionospheric D layer and lower E layer during daytime, at night time D layer disappears, only lower E layer detected. Seasonal variation characteristics of data acquisition rate are that the time and height range of available data were large in summer daytime, followed by spring, and winter was minimum. During summer daytime and until one hour after sunset, the MST radar can detect up to 120 km. (2) Horizontal winds in 80～100 km measured by Beijing MST radar and Langfang meteor radar in May 2012 were compared. The results showed good agreement in spatial and temporal distribution, indicating that the data of MST radar observations is reliable. (3) The spatial and temporal distribution of averaged zonal wind and meridional wind of corresponding month in year 2012 and 2013 had high consistency, and were also fairly consistent with HWM07 model results.

The preliminary analysis results above show that the Beijing MST radar has strong detection ability in the MLT region (60～120 km), and the observed data can be furtherly used to reveal the processes and driving factors of the MLT region.

1引言

中間層-低熱層(MLT)區(qū)域是中性大氣與電離層大氣之間的過渡區(qū)域,也是中層大氣的一個重要區(qū)域，從小尺度的湍流到大尺度的波動以及它們的耗散在中層大氣的能量和動量變化方面都發(fā)揮著重要的作用(Kumar et al.,2014).然而由于探測能力的限制，對該區(qū)域的理解和認(rèn)識仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.流星雷達(dá)、MF雷達(dá)、探空火箭以及衛(wèi)星觀測等均可用于該區(qū)域的觀測，但是時空分辨率以及探測高度范圍方面不盡如人意(Kumar et al.,2008).自從1974年世界上第一部MST雷達(dá)問世(Woodman and Guillen,1974)，為MLT區(qū)域大氣探測提供了強(qiáng)有力的手段.

MST(Mesosphere Stratosphere Troposphere)雷達(dá)可以探測對流層、平流層以及中間層大氣.它利用大氣折射率不規(guī)則體對雷達(dá)電磁波的散射回波，來研究大氣的動力學(xué)特征——風(fēng)場、波動、湍流、大氣穩(wěn)定性以及與大氣折射指數(shù)相關(guān)的濕度、溫度、電子密度及其梯度等信息.

大氣折射率的不均勻引起對電磁波的散射或反射，在不同高度的大氣層有不同的機(jī)制.對流層及以下湍流散射起主要作用，有效散射體空間尺度為入射波長的一半；對流層頂以及平流層用米波或者分米波雷達(dá)探測時存在鏡面反射；而在中間層-低熱層大氣中離子、電子熱運(yùn)動形成的電子密度隨機(jī)起伏而產(chǎn)生的熱散射起主要作用(Gage and Balsley,1980).

大氣湍流散射是晴空大氣探測雷達(dá)回波信號的主要成因.根據(jù)大氣湍流理論，湍流可以看成多尺度渦旋的疊加，尺度可以小到毫米量級，大到千米量級.大氣中主要的湍渦尺度隨高度是變化的，隨著高度增加，湍渦尺度逐漸增大，小尺度渦旋逐漸減小(Fukao, 2007).因此，MST雷達(dá)工作在較長的波長，通常為幾米，頻率在50 MHz左右，來保證有足夠的靈敏度探測到高層大氣.

晴空大氣探測雷達(dá)的回波信號非常微弱，而且隨著高度增加迅速減小.即使是功能強(qiáng)大的MST雷達(dá)，在上平流層和下中間層區(qū)域是很難探測到回波的，因為在這一高度區(qū)間內(nèi)來自湍流散射的折射率不規(guī)則體對雷達(dá)電磁波的散射隨著大氣密度變稀薄而大大減小，而且這一高度也沒有自由電子產(chǎn)生熱散射使得回波加強(qiáng)(Van Zandt,2000; Woodman and Guillen,1974).因此MST雷達(dá)的有效探測高度范圍一般在2～25 km，以及60～95 km左右.

表1　國際已有部分MST雷達(dá)基本信息

MST雷達(dá)技術(shù)從1974年開始不斷發(fā)展，已有多個國家已經(jīng)布設(shè)并投入使用.表1中列出了國際上一些MST雷達(dá)的基本信息.

1980s中期，在中國科學(xué)院支持下大氣物理研究所開始獨立研制大型相控陣天線VHF Doppler雷達(dá).該雷達(dá)建于河北香河觀測站，工作頻率為78 MHz.自1993年開始陸續(xù)開展觀測試驗，獲取了水平風(fēng)、垂直速度、湍流強(qiáng)度等多種類型的觀測結(jié)果(李衛(wèi)和呂達(dá)仁，1997；Li and Lü，1998).這是國內(nèi)第一臺獨立研制并具有多功能的中層大氣研究雷達(dá)(呂達(dá)仁，陳洪濱，2003).

近年來我國MST雷達(dá)得到了較大的發(fā)展.子午工程建設(shè)2部MST雷達(dá)，即北京和武漢MST雷達(dá).武漢MST雷達(dá)(114°8′8″E, 29°31′58″N)于2011年3月完成試運(yùn)行(Zhao et al.,2013)；北京MST雷達(dá)，坐落在河北香河(116°59′24.00″E, 39°45′14.40″N)，由中國科學(xué)院大氣物理研究所負(fù)責(zé)主持建設(shè)，2011年5月完成系統(tǒng)連調(diào)，2011年7月底完成單位驗收.

北京MST雷達(dá)可以獲取到其上空中間層-低熱層(MLT)區(qū)域?qū)氋F的三維風(fēng)場、湍流信息等實測資料.在資料應(yīng)用之前，有必要對MST雷達(dá)在該區(qū)域的探測能力以及數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行分析.比如將MST雷達(dá)與其他觀測手段做比較，部分已有的研究包括：Ratnam等(2001)將Indian Gadanki MST雷達(dá)與MF雷達(dá)探測65～80 km的水平風(fēng)做比較，發(fā)現(xiàn)二者的緯向風(fēng)分量有好的一致性，經(jīng)向風(fēng)分量一致性差一些；而與CIRA-86模式比較結(jié)果顯示緯向風(fēng)分量除秋分外，其他季節(jié)模式值均大于MST雷達(dá)探測值.Kumar等(2008)應(yīng)用1995—2006較長時間段內(nèi)Indian Gadanki MST雷達(dá)資料與該時間段內(nèi)的MF雷達(dá)、火箭探空、模式(HWM93)以及衛(wèi)星觀測(HRDI/UARS)的65～85 km高度范圍內(nèi)的水平風(fēng)做比較，發(fā)現(xiàn)幾種觀測手段在趨勢上有好的一致性，但在數(shù)值上有較大的差異.其中火箭探空與MST雷達(dá)探測結(jié)果有好的一致性，HRDI觀測值大于MST雷達(dá)且經(jīng)向風(fēng)比緯向風(fēng)差值更大些，MF雷達(dá)觀測值比MST雷達(dá)小，HWM93模式的風(fēng)速也比MST雷達(dá)測值小.Rao等(2014) 比較了Sri Venkateswara University (SVU) 流星雷達(dá)、MF雷達(dá)以及Gadanki MST雷達(dá)在70～98 km探測水平風(fēng)情況，發(fā)現(xiàn)MST雷達(dá)與流星雷達(dá)探測經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的一致性較差，而MST雷達(dá)與MF雷達(dá)探測的緯向風(fēng)分量一致性較好.

國外應(yīng)用MST雷達(dá)探測資料對中間層-低熱層(MLT)區(qū)域已有較多的研究.Selvaraj等(2014)應(yīng)用Gadanki雷達(dá)對中間層回波的散射截面，以及湍流參量包括湍流能量耗散率、湍流內(nèi)尺度、外尺度等進(jìn)行計算分析，并與之前的相關(guān)研究結(jié)果做對比.Lehmacher等(2009)利用Jicamarca雷達(dá)以及Belova等(2012)應(yīng)用India Gadanki MST雷達(dá)對低緯地區(qū)中間層雷達(dá)截面以及回波特征進(jìn)行研究.Fukao等(1994)應(yīng)用MU radar，Guo等(2007)應(yīng)用Jicamarca Radar，Rao等(2001)和Chandra等(2008,2012)應(yīng)用Gadankir adar對中間層區(qū)域的湍流特征進(jìn)行了分析.Kubo等(1997)，Kamala等(2003)，Kumar等(2007)研究了中間層回波特征.Ratnam等(2008)應(yīng)用MST雷達(dá)與衛(wèi)星以及火箭探空資料對中間層半年振蕩(MSAO)和準(zhǔn)兩年振蕩(MQBO)進(jìn)行了研究.此外，還有中間層垂直速度(Eswaraiah et al.,2011, 2012)，風(fēng)場特征(Kumar et al.,2008)以及KHI不穩(wěn)定(Lehmacher et al.,2007)的研究.北京MST雷達(dá)對中間層低熱層(MLT)區(qū)域探測的應(yīng)用與研究，將極大促進(jìn)對該地大氣層MLT區(qū)域的理解和認(rèn)識.

本文主要從數(shù)據(jù)獲取率、與廊坊流星雷達(dá)測風(fēng)對比以及探測的風(fēng)場特征三個方面對北京MST雷達(dá)在MLT區(qū)域的探測能力、數(shù)據(jù)可靠性以及風(fēng)場觀測結(jié)果進(jìn)行初步分析.為今后應(yīng)用北京MST雷達(dá)開展MLT區(qū)域研究奠定基礎(chǔ).

2北京MST雷達(dá)簡介

北京MST雷達(dá)采用全固態(tài)數(shù)字陣列脈沖多普勒體制，由24×24付三單元八木天線組成矩形有源相控天線陣系統(tǒng).工作頻率：50±1 MHz；探測范圍：低模式為3.5～10 km，中模式為11～25 km，高模式為60～90 km及以上；徑向速度分辨率：≤0.2 m·s-1；時間分辨率≤30 min；最大測量徑向速度≥35 m·s-1，風(fēng)向為0～360°.本文應(yīng)用MST雷達(dá)高模式數(shù)據(jù)，表2中給出具體的雷達(dá)高模式技術(shù)參數(shù).

3MST雷達(dá)探測中間層-低熱層(MLT)區(qū)域數(shù)據(jù)獲取率分析

數(shù)據(jù)獲取率是指在一段時間的探測中,探測數(shù)據(jù)通過質(zhì)量控制的次數(shù)與總探測次數(shù)的百分比,它是表征雷達(dá)探測能力的參數(shù)之一(胡明寶等，2008).

表2　北京MST雷達(dá)高模式技術(shù)參數(shù)

本研究中采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差法對數(shù)據(jù)異常點進(jìn)行判別與剔除，有探測數(shù)據(jù)且通過異常點檢驗的次數(shù)確定為探測數(shù)據(jù)通過質(zhì)量控制的次數(shù).

選取2012、2013年兩年北京MST雷達(dá)高模式數(shù)據(jù)，統(tǒng)計兩年對應(yīng)月份的平均數(shù)據(jù)獲取率，繪制了各月份的平均數(shù)據(jù)獲取率時間-高度剖面圖，如圖1所示.

圖1中疊加的粉色直線分別是平均的日出和日落時間.可以看出數(shù)據(jù)獲取率有明顯的日變化特征：白天從65 km到100 km均可獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取率的高值區(qū)主要集中在70～80 km高度區(qū)間內(nèi)，最大值可達(dá)80%；夜間可獲取到數(shù)據(jù)的區(qū)域主要集中在80～100 km高度區(qū)間內(nèi)，且數(shù)據(jù)獲取率在30%以下.

此外，還可以看出數(shù)據(jù)獲取率時間-高度剖面分布有季節(jié)變化特征，因此繪制MST雷達(dá)季節(jié)平均的數(shù)據(jù)獲取率時間-高度剖面，如圖2所示．

由圖2可見夏季白天可獲取數(shù)據(jù)的時間和高度區(qū)間均較其他季節(jié)大，春季次之，冬季最小；四個季節(jié)白天數(shù)據(jù)獲取率最大值均在70～80 km范圍內(nèi)，正午前后達(dá)到最大.春季夜間在日落后到凌晨，90～100 km處數(shù)據(jù)獲取率較大，夏季白天以及日落后1 h可探測到120 km.

為進(jìn)一步分析白天和夜間數(shù)據(jù)獲取率隨高度的變化特征，將各季節(jié)白天、夜間的數(shù)據(jù)獲取率分別做平均，繪制各季節(jié)白天和夜間平均數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化圖，如圖3所示，圖4疊加了標(biāo)準(zhǔn)差.

圖1　2012—2013年1—12月平均數(shù)據(jù)獲取率時間-高度剖面Fig.1　Time-height plot of monthly average data acquisition rate of 2012 and 2013

圖2　2012—2013年季節(jié)平均的數(shù)據(jù)獲取率時間-高度剖面Fig.2　Time-height plot of seasonal mean data acquisition rate of 2012 and 2013

圖3　各季節(jié)白天、夜間平均數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化Fig.3　The profile of seasonal average data acquisition rate for daytime and nighttime

圖4　各季節(jié)白天、夜間平均數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化疊加標(biāo)準(zhǔn)差圖Fig.4　The profile of seasonal average data acquisition rate for daytime and nighttime superimposed standard deviation

由圖3可以看出，各季節(jié)白天的平均數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化均有2個峰值，第一峰值在70～80 km高度區(qū)間，且夏季的峰值最大，約為41%，其次是秋季38%，春季36%，冬季最小28%；第二峰值在90～100 km高度區(qū)間，夏季的峰值最大28%，春季次之19%，秋季和冬季最小15%.值得注意的是夏季白天低至60 km處數(shù)據(jù)獲取率仍達(dá)到5%，而其他季節(jié)均接近0.

各季節(jié)夜間在80～100 km高度區(qū)間可獲取數(shù)據(jù)，基本都在92 km附近平均數(shù)據(jù)獲取率達(dá)到最大值，春季最大，約為19%，夏季次之15%，冬季11%，秋季10%.

圖4可以更加清楚地看到各季節(jié)白天平均數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化的雙峰結(jié)構(gòu)，以及夜間的單峰特征.各季節(jié)在白天數(shù)據(jù)獲取率最大值高度附近平均數(shù)據(jù)獲取率標(biāo)準(zhǔn)差大，夜間平均數(shù)據(jù)獲取率標(biāo)準(zhǔn)差較小.

綜合以上分析，MST雷達(dá)探測中間層-低熱層數(shù)據(jù)獲取率的變化特征與MST雷達(dá)的探測原理以及電離層自身的晝夜，季節(jié)變化密切相關(guān).因為在60 km以上，MST發(fā)射出電磁波的散射機(jī)制主要以熱散射為主，也就是電離層中電子密度不均勻形成的不規(guī)則散射體使得電磁波產(chǎn)生后向散射.

60～90 km是電離層的D層，主要的電離源是太陽X射線，強(qiáng)烈地受太陽直接輻射控制，該層的電子密度隨太陽高度的變化而迅速變化，并隨太陽高度變化呈現(xiàn)出較大的日變化特征.自由電子主要出現(xiàn)在白天，夜間基本消失，所以夜間在這個高度區(qū)間內(nèi)基本無雷達(dá)回波.90～130 km是電離層E層，自由電子白天夜間均存在，夜間電子密度減小但并不消失.所以夜間MST雷達(dá)在90 km附近可以獲取數(shù)據(jù)，白天MST雷達(dá)在65～100 km均可獲取數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)獲取率的日變化特征.

由于電離層D層、E層除日變化外，還有季節(jié)變化，因此MST雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率也相應(yīng)地呈現(xiàn)出季節(jié)變化特征.

4北京MST雷達(dá)與廊坊流星雷達(dá)高空測風(fēng)對比分析

MST雷達(dá)是獲取大氣層各高度風(fēng)場的重要探測手段.北京MST雷達(dá)同樣可獲取風(fēng)場及其變化特征.為進(jìn)一步確定北京MST雷達(dá)探測的可靠性，將北京MST雷達(dá)測得的MLT區(qū)域經(jīng)向、緯向風(fēng)數(shù)據(jù)與附近廊坊流星雷達(dá)的測值作對比分析.廊坊流星雷達(dá)位于(39.4°N, 116.7°E)，與北京MST雷達(dá)直線距離45 km左右.流星雷達(dá)工作頻率為35 MHz，可探測的高度范圍在70～110 km，時間分辨率為1 h，垂直分辨率2 km，每小時的數(shù)據(jù)是一天中有效觀測不少于18 h的平均值(Xiao et al.,2014).MST雷達(dá)高模式垂直分辨率1.12 km或1.13 km，時間分辨率小于等于30 min，本研究中采用的是時間分辨率30 min數(shù)據(jù).根據(jù)兩部雷達(dá)共同觀測的時間，采用2012年5月份數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析.

2012年5月流星雷達(dá)和MST雷達(dá)風(fēng)場數(shù)據(jù)的獲取率時空分布如圖5所示.

由圖5可見，流星雷達(dá)在80～96 km的數(shù)據(jù)獲取率基本達(dá)到100%，而MST雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率整體偏低，白天在70～80 km高度區(qū)間數(shù)據(jù)獲取率較高，在40%～70%之間.

流星雷達(dá)是利用流星(電離)余跡對無線電波的散射來實現(xiàn)對高空風(fēng)場探測的，流星現(xiàn)象白天夜間都會發(fā)生.每小時一次的風(fēng)場數(shù)據(jù)是時空上的平均值，因此流星雷達(dá)的風(fēng)場數(shù)據(jù)在時空分布上都比較連續(xù).而MST雷達(dá)是根據(jù)電離層中電子密度不均勻形成的不規(guī)則散射體使得電磁波產(chǎn)生后向散射從而獲取信息，電離層中電子密度分布的特征以及MST雷達(dá)瞬時的觀測決定了MST雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)比較離散而且數(shù)據(jù)獲取率較低.但另一方面，MST雷達(dá)在可測高度上時間與垂直分辨率較高.

80 km以下以及100 km以上流星雷達(dá)觀測到的流星數(shù)明顯減少，對測風(fēng)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性會有影響.流星雷達(dá)可用來連續(xù)監(jiān)測MLT區(qū)域的風(fēng)場，但是他們的探測結(jié)果在80 km以上才是可靠的(Ratnam et al.,2001;Kumar et al.,2008).因此將MST雷達(dá)與流星雷達(dá)測風(fēng)對比的高度選為80～100 km.首先初步整體對比流星雷達(dá)與MST雷達(dá)高空風(fēng)場探測的情況，將二者2012年5月份的經(jīng)向和緯向風(fēng)速數(shù)據(jù)各自做平均，繪制時間-高度分布圖，如圖6所示.

由圖6可見，80～100 km高度區(qū)間內(nèi)，流星雷達(dá)與MST雷達(dá)經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的時空分布特征基本一致.對于緯向風(fēng)來說，90 km以上基本為西風(fēng)；流星雷達(dá)經(jīng)向風(fēng)隨時間推移南風(fēng)、北風(fēng)交替出現(xiàn)，MST雷達(dá)經(jīng)向風(fēng)雖分布離散，但是仍表現(xiàn)出同樣的特征.

整體對比之后，進(jìn)一步將流星雷達(dá)數(shù)據(jù)按MST雷達(dá)觀測高度插值，同時將MST雷達(dá)每小時2次的觀測數(shù)據(jù)做平均，作為MST雷達(dá)每小時的數(shù)據(jù)，將高度插值后的流星雷達(dá)廓線數(shù)據(jù)與MST雷達(dá)每小時廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，共有504組對比廓線.

首先繪制流星雷達(dá)與MST雷達(dá)經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)散點圖，并做最小二乘擬合，結(jié)果如圖7所示.

圖7中散點為不同高度上所有可對比點，對比數(shù)據(jù)共有1849對.緯向風(fēng)最小二乘擬合的斜率為0.93，截距為-7.7；相關(guān)系數(shù)為0.71，平均差值為-8.72 m·s-1，差值的標(biāo)準(zhǔn)差為26.94 m·s-1.經(jīng)向風(fēng)最小二乘擬合的斜率為0.87，截距為-0.5；相關(guān)系數(shù)為0.59，平均差值為0.89 m·s-1，差值的標(biāo)準(zhǔn)差為25.10 m·s-1.

圖5　流星雷達(dá)和MST雷達(dá)2012年5月份風(fēng)場數(shù)據(jù)的獲取率時空分布Fig.5　The time-height plot of wind dada acquisition rate for meteor radar and MST radar in May 2012

圖6　廊坊流星雷達(dá)與北京MST雷達(dá)2012年5月平均經(jīng)向風(fēng)與緯向風(fēng)時間-高度分布Fig.6　The time-height plot of monthly mean zonal wind and meridional wind for Langfang meteor radar and Beijing MST radar in May 2012

為進(jìn)一步了解MST雷達(dá)與流星雷達(dá)在各高度上風(fēng)場的對比情況，繪制了二者平均經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)隨高度變化，以及二者探測經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)平均差值隨高度變化圖，如圖8所示.

由圖8可以看出：緯向風(fēng)在80～87 km高度區(qū)間內(nèi)，MST雷達(dá)與流星雷達(dá)探測的平均緯向風(fēng)均為東風(fēng)，且MST雷達(dá)探測的風(fēng)速大于流星雷達(dá)；87～100 km二者探測的平均緯向風(fēng)均為西風(fēng)，且MST雷達(dá)探測的風(fēng)速小于流星雷達(dá).MST雷達(dá)與流星雷達(dá)探測緯向風(fēng)的差值在80～98 km區(qū)間內(nèi)基本保持在-10 m·s-1.

圖7　流星雷達(dá)與MST雷達(dá)2012年5月經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)散點圖以及最小二乘擬合結(jié)果，其中N為所有高度上總的對比點數(shù)，r為相關(guān)系數(shù)，d為MST雷達(dá)與流星雷達(dá)測風(fēng)的平均差值，std為二者差值的標(biāo)準(zhǔn)差 Fig.7　The scatter diagram and the least squares fitting results of zonal and meridional wind for Langfang meteor radar and Beijing MST radar in May 2012.N indicates the total number of comparison data pairs at all heights, r is correlation coefficient, d represents the mean difference between wind measurement of MST radar and meteor radar, std is the standard deviation of d

圖8　MST雷達(dá)與流星雷達(dá)探測的平均緯向、經(jīng)向風(fēng)以及二者的平均緯向、經(jīng)向風(fēng)差值隨高度分布Fig.8　The profile of mean zonal wind, mean meridional wind, mean zonal wind difference and the mean meridional wind difference for Langfang meteor radar and Beijing MST radar

經(jīng)向風(fēng)在82～100 km高度區(qū)間內(nèi)，MST雷達(dá)與流星雷達(dá)探測的平均經(jīng)向風(fēng)均為北風(fēng)，而且基本保持在-10 m·s-1；MST雷達(dá)與流星雷達(dá)探測經(jīng)向風(fēng)的差值在82～98 km區(qū)間內(nèi)最小，基本保持在±5 m·s-1以內(nèi).

綜合以上分析，可知MST雷達(dá)與流星雷達(dá)在80～100 km測風(fēng)結(jié)果在時空分布上有高度的一致性.二者探測的風(fēng)速數(shù)值有差異，這與兩部雷達(dá)處于不同位置，探測到的是不同經(jīng)緯度的高空風(fēng)場有關(guān).但是不同高度上二者探測的經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)差值基本保持不變，說明MST雷達(dá)與流星雷達(dá)探測的一致性以及各自的系統(tǒng)穩(wěn)定性.同時，以上結(jié)果也表明MST雷達(dá)探測得到的數(shù)據(jù)是可靠的.

此外，MST雷達(dá)白天在65～80 km數(shù)據(jù)獲取率明顯高于80～100 km，可對電離層D層中性風(fēng)場，湍流信息等進(jìn)行有效而高時空分辨率的探測.

5北京MST雷達(dá)探測的水平風(fēng)月平均結(jié)果初步分析

在已獲知MST雷達(dá)在中間層-低熱層MLT區(qū)域的探測能力以及初步了解其獲取數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上，本文分析了雷達(dá)探測的水平風(fēng)的時空分布特征.將MST雷達(dá)2012年、2013年以及水平風(fēng)模式HWM07月平均的經(jīng)向、緯向風(fēng)數(shù)據(jù)做初步對比.繪制各月平均的緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)時空剖面圖，分別見圖9和圖10.HWM07模式應(yīng)用50多年的衛(wèi)星資料，火箭探空， FPI,非相干散射雷達(dá)，中頻雷達(dá)，測風(fēng)測溫激光雷達(dá)以及低層大氣的NCEP數(shù)據(jù)等，為地面到外逸層(0～500 km)范圍內(nèi)水平風(fēng)場提供了一個統(tǒng)計表示(Drob et al.,2008).

圖9　2012年(a)、2013年(b)、HWM07(c)緯向風(fēng)月平均時間-高度剖面Fig.9　The time-height plot of monthly mean zonal wind for 2012 (a), 2013 (b), HWM07 (c)

圖10　2012年(a)、2013年(b)、HWM07(c)經(jīng)向風(fēng)月平均時間-高度剖面Fig.10　The time-height plot of monthly meridional wind for 2012(a), 2013(b), HWM07(c)

由圖9可以看到，2012和2013年MST雷達(dá)各月平均的緯向風(fēng)時空分布特征有較高的一致性，而且與HWM07模式結(jié)果也基本一致.具體的時空分布特征為：1—3月60～90 km基本都為西風(fēng)，90～100 km午后為東風(fēng)；4月表現(xiàn)出過渡特征，70～90 km為東風(fēng)；5—7月60～85 km為東風(fēng)，85～100 km為西風(fēng)，且風(fēng)速均較大；8月也表現(xiàn)出過渡特征，雖然風(fēng)向特征與5—7月一致，但是風(fēng)速明顯減小，尤其是60～80 km；9、10月在90～100 km一天中東風(fēng)西風(fēng)交替出現(xiàn)，60～80 km為西風(fēng)，且10月風(fēng)速大于9月；11、12月60～90 km為西風(fēng)，90～100 km午后為東風(fēng).

由圖10可以看到，經(jīng)向風(fēng)月平均時空分布特征比較復(fù)雜，但是2012和2013年MST雷達(dá)各月平均的經(jīng)向風(fēng)時空分布特征基本一致，而且與HWM07模式結(jié)果也基本一致.具體的時空分布特征可以參見圖中所示.圖9和10的結(jié)果進(jìn)一步表明了北京MST雷達(dá)探測中間層-低熱層(MLT)區(qū)域數(shù)據(jù)的可靠性.

6結(jié)論

利用子午工程北京MST雷達(dá)2012、2013年兩年的高模式觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗，在此基礎(chǔ)上做了以下初步分析，其主要結(jié)論如下：

(1) 數(shù)據(jù)獲取率的日變化與季節(jié)變化特征.分析了中間層-低熱層(MLT)60～120 km區(qū)域數(shù)據(jù)獲取率，可以看到明顯日變化特征：白天從65 km到100 km均可獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取率的高值區(qū)主要集中在70～80 km高度區(qū)間內(nèi)，最大值可達(dá)80%；夜間可獲取到數(shù)據(jù)的區(qū)域主要集中在80～100 km高度區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)獲取率在30%以下.結(jié)果表明，該MST雷達(dá)白天可以探測到電離層D層和E層低層，夜間D層消失，只探測到E層低層.此外，數(shù)據(jù)獲取率還有明顯的季節(jié)變化特征：夏季白天可獲取數(shù)據(jù)的時間和高度區(qū)間都比較大，春季次之，冬季最小.夏季白天以及日落后1h可探測到120 km.

(2) MST雷達(dá)與流星雷達(dá)測風(fēng)對比分析.對北京MST雷達(dá)與廊坊流星雷達(dá)2012年5月份，80～100 km高度區(qū)間測量的水平風(fēng)進(jìn)行對比分析，測風(fēng)結(jié)果在時空分布上有較高的一致性.二者探測的風(fēng)速數(shù)值有差異，這與兩部雷達(dá)相距45 km，探測到的是不同位置的高空風(fēng)場有關(guān)，但是不同高度上二者探測的經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)差值基本保持不變.以上均表明MST雷達(dá)探測得到的數(shù)據(jù)是可靠的.

(3) MLT區(qū)域60～120 km MST雷達(dá)觀測水平風(fēng)場的月平均時空分布特征.2012年和2013年兩年相應(yīng)月份緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)的時空分布特征有高的一致性，此外與HWM07模式對比也基本一致，進(jìn)一步表明MST雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的可靠性.

上述初步結(jié)果表明，北京MST雷達(dá)對中間層-低熱層60～120 km高度區(qū)域已具備好的探測能力，而且探測資料是可靠的.下一步將分析觀測資料所揭示的該區(qū)域的動力學(xué)特征與MLT結(jié)構(gòu)變化，闡明太陽輻射與活動性以及大氣層環(huán)流的特征與作用.

致謝本項成果使用國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程科學(xué)數(shù)據(jù).北京MST雷達(dá)是子午工程建設(shè)的一項重大設(shè)備.中國科學(xué)院大氣研究所香河觀測站MST雷達(dá)觀測組負(fù)責(zé)長期觀測.王勇、章文星、段樹三位正研級高工承擔(dān)了雷達(dá)研發(fā)和改進(jìn)的技術(shù).廊坊流星雷達(dá)2012年5月份的數(shù)據(jù)是中國科學(xué)院空間中心提供的，在此一并表示感謝.田玉芳感謝凌超在HWM07模式方面的相關(guān)幫助.

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(本文編輯胡素芳)

基金項目國家重大科研儀器設(shè)備研制專項“多波段多大氣成分主被動綜合探測系統(tǒng)”(41127901)(NSFC)資助.

作者簡介田玉芳，女，1989年生，博士生，主要從事晴空大氣探測雷達(dá)探測原理與應(yīng)用研究. E-mail:tianyufang@mail.iap.ac.cn *通信作者呂達(dá)仁，男，1940年生，研究員,長期從事大氣科學(xué)、日地科學(xué)與空間對地觀測基礎(chǔ)與重大應(yīng)用研究. E-mail:ludr@mail.iap.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160204 中圖分類號P412

收稿日期2015-09-06，2015-12-14收修定稿

Preliminary analysis of Beijing MST radar observation results in the mesosphere-lower thermosphere

TIAN Yu-Fang1,2, Lü Da-Ren1*

1KeyLaboratoryofMiddleAtmosphereandGlobalEnvironmentObservation(LAGEO),InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

AbstractBeijing MST radar is one of the Chinese Meridian Project constructions of only two domestic MST radars. It was built by Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, located at Xianghe field observatory,Hebei province (39.754°N，116.962°E). System integrated test was finished in May 2011 and completed acceptance in the end of July 2011. After 1-month joint tests from 21 September 2011 to 20 October 2011, Beijing MST radar operated continuously to observe real-time winds and turbulence in the altitude range of 3.5～10 km (low mode), 11～25 km (middle mode) and 60～90 km (even above) (high mode). Beijing MST radar operates at 50 MHz with a peak power of 172kW and 104 m2 of antenna area. The purpose of this paper is to investigate the detection capability and data reliability of Beijing MST radar in the mesosphere-lower thermosphere (MLT) region.

KeywordsBeijing MST radar; Mesosphere-lower thermosphere; Detection capability; Data reliability; Spatial and temporal distribution of horizontal wind

田玉芳， 呂達(dá)仁. 2016. 北京MST雷達(dá)探測中間層-低熱層觀測結(jié)果初步分析.地球物理學(xué)報，59(2):440-452,doi:10.6038/cjg20160204.

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