臨近空間大氣擾動風場的探測與分析

李娜，陳金松，丁宗華，許正文，林樂科

（中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室，山東青島266107）

臨近空間大氣擾動風場的探測與分析

李娜，陳金松，丁宗華，許正文，林樂科

（中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室，山東青島266107）

目的深入了解掌握臨近空間大氣風場的擾動狀態，給臨近空間飛行器的精確入軌、有效運行提供可靠的環境信息。方法用昆明站(25.6°N,103.8°E)臨近空間觀測平臺中的MF雷達開展臨近空間大氣風場擾動觀測。基于諧波擬合方法得到昆明地區2008年8月至2010年8月期間的周日和半日潮汐分量及背景風場，分析昆明地區臨近空間80～100 km之間潮汐波動的變化特征。結果周日潮汐振幅具有明顯的年變化和半年變化，最大值均出現在10月份和3月份的86～92 km高度范圍內，同時第一年度的潮汐幅度明顯強于第二年度，類似準兩年變化。緯向半日潮汐的變化特征不是非常明顯，而經向半日潮汐在88～94 km之間具有年變化，在其他高度處則出現多個峰值。結論潮汐相位的變化結果表明潮汐的下行傳播，潮汐振幅的高度變化符合先增大后減小的特征，呈現胞狀結構。

臨近空間；潮汐；MF雷達

臨近空間是各種高空氣球、高空飛行器、亞軌道飛行器和低軌航天器的駐留區，臨近空間大氣參數的擾動和變化過程對臨近空間大飛行器的安全運行具有重要影響。在各種臨近空間環境參數中，風場是非常重要的一個參數，它直接影響臨近空間飛行器的精確入軌和可靠運行。同時風場中存在豐富的波動現象，比如重力波、潮汐波、行星波等，具有重要的科學意義。最新研究顯示，由太陽和地磁的周期性變化以及地磁暴引起的高層大氣的周期性擾動（包括風場周期性震蕩）會對衛星軌道高度參數產生重要影響[1—5]。

臨近空間風場具有顯著的地域性和多時間尺度（包括日變化、半年和年變化等）的變化特征。昆明站位于低緯地區，靠近青藏高原，其臨近空間大氣的變化特征非常獨特。關于昆明地區臨近空間的參數特性研究可見于文獻[6—8]。

中頻（Medium Frequency,簡稱MF）雷達可以實現白天60～100 km和晚上80～100 km高度大氣風場及電子密度的持續測量。20世紀80年代以來，探測技術和分析方法的發展，使MF雷達具有了設備簡單、運行方便和無人值守的優點，因此MF雷達站點迅速增加[9]。目前，在歐洲、北美、南極、澳大利亞、南非、印度、日本和印度尼西亞等國家和地區都建有MF雷達站，這些雷達為臨近空間風場及電子密度研究提供了的重要觀測數據。我國于2000年在武漢建立了第一臺MF雷達[10]，胡雄、張冬婭、張秀川和易帆等人利用該雷達對武漢中層低熱層的大氣角譜[11]、平均風[12]、潮汐變化及相互作用進行了研究[13—14]。由于國內在這方面的起步較晚，制約著我國大氣與空間環境觀測和研究工作的開展。

文中利用昆明站MF雷達2年的風場觀測數據，分析了昆明地區臨近空間大氣風場中波動擾動的年和半年尺度的變化特征。

1 MF雷達工作原理及數據處理

1.1 工作原理

60～100 km高度范圍內存在幾米到幾百米尺度的電離層不均勻團塊，其界面上存在折射指數梯度，導致入射電磁波發生部分反射。該高度范圍內還存在其他回波反射和散射機制，如湍流散射和Thompson散射等。MF雷達主要利用部分反射過程，由于其反射信號強度除與電子密度的梯度成正比外，還與電磁波頻率的平方成反比，因此雷達工作頻率越低，回波信號越強。當頻率太低時，電磁波將在較低高度上發生全反射，不能夠得到較高高度上的回波，故觀測上通常選擇1.8～2.5 MHz之間的頻率[10]，昆明站MF雷達選擇的頻率為2.138 MHz。關于雷達的主要技術指標參數：位置為25.6°N,103.8°E，峰值功率64 kW，工作頻率為2.138 MHz，采樣間隔為2 km，觀測模式為FCA，IDI，DAE，DPE，為開始運行時間2007年12月。

該雷達采用分布式天線系統（Space Antenna，簡稱SA），由4副相互獨立饋電的交叉偶極子天線按等邊三角形布局形成收發共用天線陣，其中三副天線與另外一副呈120°輻射狀排列，每副交叉偶極子天線的偶極子交叉成90°，布局如圖1所示。天線單元為傳統的半波偶極子，也就是天線陣一共包含8個半波偶極子，可以方便地形成右圓極化和左圓極化模式。雷達的結構如圖2所示，可以看出，雷達工作時主要有4部分組成：信號發射、信號接收、數據采集和數據分析顯示。

圖1 昆明MF雷達天線陣布局

圖2 昆明MF雷達硬件結構

雷達系統通過兩種不同的方式分別測量大氣風場與電子密度。探測風場時，雷達發射一種偏振波尋常波（O波）或非尋常波（X波），通過分析天線接收到的回波數據反演風場。昆明MF雷達反演風場時可以采用全相關分析方法[15—17]或多普勒干涉成像法（Imaging Doppler Interferometry，簡稱IDI），其理論基礎是衍射樣本的空間時間相關函數為一組橢球，在不同位置對衍射樣本取樣，計算所得樣本信號的自相關和互相關函數，可以得到橢球參數，最后通過互相關函數的時間置換可以得到視線速度（Apparent Velocity）。由于衍射樣本的運動及不對稱性，需要對自相關函數進一步計算才能得到真實速度（True Velocity）[16]。探測電子密度時，雷達交替發射O波和X波，由于MF雷達天線能夠分辨下行波的O波與X波，通過測量兩個特征波的振幅與相位可以得到電子密度等信息[18]。反演電子密度時可以采用微分吸收試驗法或微分相位試驗法（Differential Phase Experiment，簡稱DPE）。昆明MF雷達目前選擇FCA與DAE交替進行的模式來探測大氣風速及電子密度。有關FCA觀測模式的參數見表1。

表1 昆明MF雷達FCA觀測主要參數

1.2 數據預處理

選擇2008年8月至2010年8月期間80～100 km高度范圍內的風場觀測數據作為研究對象，其中2009年8月缺失。在數據的分析過程中，首先通過線性插值得到每個高度上的小時平均值。其原則是如果每小時內的缺失數據個數少于4，那么該小時內的數據是有效的；如果大于4個，將設該小時的平均值為NAN，且不參加后續運算。然后將每個月的數據作為一個數據序列，如果該數據序列中NAN的個數小于一半，則利用最小二乘法對插值后的數據進行諧波擬合，得到背景風場、周日潮汐分量和半日潮汐分量。如果數據序列中NAN的個數大于等于一半，則視為潮汐分量分別為NAN。采用的諧波擬合公式為：

式中：y(t)為觀測到經向風或緯向風；y0為背景風場；A1與φ1為周日潮汐的振幅和相位；A2與φ2為半日潮汐的振幅和相位。

2 雷達初步探測結果

2.1 緯向潮汐分量

圖3給出了昆明地區2008年8月至2010年8月期間緯向周日潮汐和半日潮汐的振幅和相位隨時間高度的等高變化。其中橫坐標表示每年的2月（February）、5月(May)、8月(August)、11月(November)，LT表示地方時，即潮汐振幅最大時對應的當地時。

由圖3可知，周日潮汐分量振幅在5～35 m/s之間變化，半日潮汐分量振幅在1～14 m/s之間變化。相比來說，周日潮汐的年變化和半年變化較為顯著，每年的10月份和3月份潮汐振幅達到最大值，且2008—2009年的潮汐振幅明顯大于2009—2010年，而半日潮汐振幅則無明顯的年或半年變化特征。半日

圖3 2008—2010期間昆明緯向周日、半日潮汐振幅和相位等高線

振幅也具有2008—2009幅度大于2009—2010年幅度的特征，這可能與低緯地區的準兩年變化有關[19]。在潮汐的垂直結構方面，周日振幅的最大值出現在86～90 km之間，而半日振幅則是在90 km以上。周日潮汐振幅最大值出現的高度可能與風剪切有關，因為對昆明地區緯向平均風變化特征的分析研究中發現，90 km處緯向風由東向風急變為西向風，通常認為風剪切現象是重力波造成的[20]。分析結果與日本的Yamagawa(31.2°N,130.6°E)站的結果[21]具有明顯的不同。兩個潮汐振幅的共同特點是振幅的高度變化均呈胞狀結構，即先隨高度的增加而增加，之后減小。從數值上看，周日潮汐大于半日潮汐。昆明站地處我國低緯地區，海拔2000 m，是周日潮汐較為活躍的區域，這可能是造成周日潮汐成為該地區最主要波動形態的原因。

通常潮汐振幅隨高度的增加而增加是因為大氣密度隨高度降低，所以在中層頂區域潮汐振幅會變得很大導致其他非線性相互作用的發生。比如波破碎、潮汐與重力波之間的非線性作用、潮汐與行星波之間的非線性作用等[22—28]，之后振幅則隨高度增加而減小。這是風剪切的形成理論。

潮汐相位即潮汐振幅達到最大值時的時刻。由圖3所示，相位的變化特征進一步驗證了潮汐的年變化和半年變化特征。

2.2 經向潮汐分量

昆明地區2008年8月至2010年8月期間經向周日潮汐和半日潮汐的振幅和相位隨時間高度的等高變化如圖4所示。首先經向周日潮汐振幅和半日潮汐振幅的變化范圍分別是1～40 m/s和1～20 m/s，稍大于緯向分量振幅幅度。經向周日潮汐與緯向表現出一致的變化特點，即同時具有年變化和半年變化，最大值出現在10月份和3月份的86～90 km之間。半日潮汐與緯向不同，經向半日潮汐具有非常明顯的年變化，即最大值出現在每年12—4月份的88～94 km之間。由圖4可知，2008—2009年經向潮汐分量幅度大于2009—2010年經向潮汐分量幅度，這與潮汐波動的準兩年變化有關，更多的特征驗證需要更多的數據支持。從高度區域上來看，經向半日潮汐在94 km以上活動更頻繁，比如經向半日潮汐振幅分別在9，11，2，5月出現峰值，同時在84 km以下也出現類似特征。這可能與中層頂區域波動相互之間的非線性作用有關。經向潮汐振幅的高度分布同樣經歷了隨高度先增大后減小的變化特征。

圖4 2008—2010年期間昆明經向周日、半日潮汐振幅和相位等高線

3 結論

大氣潮汐是全球大氣中常見的一種波動現象，周期為一天或其整數分之一，一般可向上傳播至熱層底部（電離層E區）甚至更高，在中間層-低熱層大氣水平和垂直風場中都具有很強的幅度，是影響中性大氣-電離層耦合過程的重要因素，也是影響臨近空間飛行器和航天器精確飛行的重要因素。潮汐波的變化在時間和空間上均具有多尺度的特征。從時間尺度來看，潮汐既具有長周期的變化，諸如季節變化、年變化、半年變化、準兩年變化甚至更長周期的規則與異常變化，又存在短周期變化，諸如日變化。從空間尺度來看，潮汐既具有局域地區變化，又具有隨緯度或經度的全球尺度變化。文中研究工作主要是基于昆明站MF雷達2008—2010年期間風場觀測數據分析昆明地區臨近空間大氣風場中潮汐波動的變化特征。

1）緯向（東西向）周日潮汐和經向（南北向）周日潮汐均具有年變化和半年變化，最大值均出現在10月份和3月份的86～92 km高度范圍內。2008—2009年潮汐幅度大于2009—2010年潮汐幅度，這與潮汐的準兩年變化有關。以往的研究證明，準兩年波動在低緯地區起主導作用[20—22]。潮汐的垂直結構都經歷了先隨高度增加而增加，達到最大值后隨高度減小。

2）緯向半日潮汐沒有表現出明顯的特征，但經向半日潮汐的一個重要特征是88～94 km之間為年變化，即12月—4月期間的潮汐幅度要大于其他月份。94 km以上高度半日潮汐振幅出現多個峰值，比如在9，11，2，5月份經向半日潮汐振幅明顯大于其他月份，而在84 km以下也出現類似特征。

文中僅給出了昆明地區兩年的風場潮汐變化，嚴格上得出昆明地區潮汐具有年變化特征和半年變化特征有待于更多數據的支持。潮汐的準兩年變化是最近研究的熱點，文中指出昆明地區大氣潮汐具有類準兩年變化，下一步是對更多的數據進行處理分析。

文中主要目的是描繪昆明地區臨近空間環境擾動風場的變化特征，為融合多手段的探測數據、結合動力學理論等建立臨近空間環境擾動風場模型，進一步為臨近空間武器裝備的高效運行等提供理論保障。

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Wind-oscillation Measurement and Study in Near Space

L I Na,CHEN Jin-song,DING Zong-hua,X U Zheng-wen,LIN Le-ke
(China Research Institute of Radio-wave Propagation,National Key Laboratory of Electromagnetic Environment, Qingdao,266107,China)

ObjectiveTo understand variations of oscillation wind and provide exact environmental status for precision entering and running of aerocraft in near space.MethodsThe experiments on wind field turbulence were performed at Kunming station(25.6°N,103.8°E)with Medium frequency radar(MF radar)in the near space observation platform. Based on data on diurnal and semidiurnal tide component and background wind field from Kunming from August 2008 to August 2010 with harmonic fitting method,characteristics of tide fluctuation in 80～100 km of near space in Kunming were analyzed.ResultsThe variations periods of diurnal tide behaved annually and semiannually,although the amplitude of tidal in the first year was larger than that in the second year,which may be thought as quasi-biennial oscillation.The maximum values always occurred in October and March at 86～92 km.But the zonal semidiurnal tidal component has no this feature,at least not obviously.The case became complicated in meridional semidiurnal tidal that annual variation only dominated at 88～94 km region;and several peak values occurred at other height.ConclusionChanges of tide phase show the downward transmission of tide.The height change of tide meets the feature of increasing with height and then decreasing.It shows a cystiform structure.

near space,tidal,MF radar

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.007

TN011

A

1672-9242(2017)07-0035-06

2017-03-13；

2017-04-06

國家自然科學青年基金(41604129)

李娜（1981—），女，河南新鄉人，工程師，主要研究方向為臨近空間大氣環境探測。