海南VHF电离层相干散射雷达及初步观测结果课件

海南VHF电离层相干散射雷达及初步观测结果宁百齐,李国主,胡连欢,刘立波,万卫星中国科学院地质与地球物理研究所18/08/2009银川IGGCAS海南VHF电离层相干散射雷达及初步观测结果宁百齐,李国主,▲

海南VHF雷达工作介绍●

雷达参数●

流星/电离层交替观测模式▲

不规则结构观测研究●

研究背景●

海南VHF雷达结合GPSTEC/闪烁观测初步分析▲海南VHF雷达工作介绍工作频率47.5MHz峰值功率24kW探测高度80-800km天线配置1＋5流星观测2×12电离层观测依照雷达回波原理，低纬电离层不规则结构回波主要来自于沿磁力线方向排列的场向不规则体的布拉格散射(Braggscattering,½波长)，所以雷达波束需垂直于E或F区磁力线。在三亚，雷达波束仰角大概在67度左右。工作频率47.5MHz峰值功率24kW探测高度80-80五单元八木天线2×12三亚观测站五单元八木天线三亚观测站流星雷达天线1（发射）+5（接收）信号处理分析主机流星雷达天线信号处理分析主机观测模式：

流星/电离层交替观测（1分钟）白天,主要观测100-130km和150-180km高度附近不规则结构夜间,主要观测F2层等离子体羽毛状不规则结构观测事例：观测模式：观测事例：利用相干雷达研究E区、F区不规则结构背景利用相干雷达研究E区、F区不规则结构背景Ｅ区不规则结构研究近年来雷达观测结果表明赤道地区的电离层不规则体回波为连续性雷达回波，其形态主要为形态１及形态２两种(Kelley,1989)。一般认为这种几米尺度的形态１不规则体是由Farley-Buneman(双束流)不稳定机制所造成，而形态２不规则体是由梯度漂移不稳定机制产生。在中低纬度地区，观测有不同于连续性回波的雷达回波，即周期性雷达回波（QP）。引自N.VenkateswaraRaoetal.,2008

QP回波主要出现在日落之后，高度在100km以上，在RTI图上有一负的斜率，具有５－１０分钟的出现周期。Ｅ区不规则结构研究近年来雷达观测结果表明赤道地区的电离层周期性雷达回波，主要两种解释机制：

1)Woodmanetal.(1991)首先提出重力波扭曲Es层的概念来解释QP回波现象，后来Tsunodaetal.(1994)对Woodmanetal.的理论作了一些修正。2)风切不稳定机制。Larsen(2000)认为风切不稳定机制会对Es层造成一个变形的效应，与其相关的Ｋ-Ｈ结构(Kelvin-Helmholtz)则会造成由VHF雷达所观测到的场向不规则结构(FAI)。引自Woodmanetal.,1991引自Larsen,2000●重力波-中性风（Kaganetal.,1998）。重力波驱使中性风在Es层上下有东西向的扰动而产生不规则体。周期性雷达回波，主要两种解释机制：2)风切不稳定机制。周期性(QP)雷达回波新特征准周期回波出现在雷达回波区域下降的过程中，持续时间超过５小时。在两个高度区域同时出现准周期回波。引自N.VenkateswaraRaoetal.(2009)这种QP回波其产生机制是KH不稳定性还是重力波？午夜前后准周期斜率相反，其对应不规则结构的产生机制？引自HysellandBurcham.(2000)周期性(QP)雷达回波新特征准周期回波出现在雷达回波区域下降150Km高度上不规则体研究

上世纪60年代,150km高度回波首先在Jicamarca被观测到(Balsley,1964),随后在其它经度赤道地区相继被观测.其主要特征为:主要出现在白天,发生高度在150-180km附近，具有很窄的谱宽。此外，150km高度回波的垂直速度能反映F区E×B垂直漂移(KudekiandFawcett,1993).引自Chau,(2004)150

km回波的高度区域在地方时上午下降，下午上升，呈现U形状，回波强度以5-15分钟周期变化。虽然150

km高度回波观测已有数十年，但关于其产生的物理机制仍有待于进一步研究(Chau,2004).150Km高度上不规则体研究上世纪60年E区、F区不规则结构耦合观测（I）引自Patra,(2007)图中所示不规则结构（称之为谷区不规则结构，Patra,2002），在扩展F产生与否时均有观测到，和扩展F关系？没有扩展F发生，其可能的原因是由于梯度漂移不稳定性，中界层(Intermediate

layer)不稳定而产生谷区不规则结构？同时观测到扩展F，ESF相关的F区电场放大中界层的扰动从而增加谷区不规则结构的产生？同时也有可能是赤道F区不规则结构沿着磁力线伸展到低纬该高度区？E区、F区不规则结构耦合观测（I）引自Patra,(20引自WoodmanandChau,2001伴随扩展F的发生，夜间E区不规则结构高度相应抬升，Kherani

etal.(2002)对其进行了模拟研究，认为触发扩展F产生的初始扰动波长对电场（与赤道扩展F相关）从F区映射到E区有重要影响。映射的电场能使得E区不规则结构向左或向右倾斜，同时也能抬升E区不规则结构。E区、F区不规则结构耦合观测（II）引自WoodmanandChau,2001海南ＶＨＦ雷达不规则体观测初步分析海南ＶＨＦ雷达不规则体观测初步分析信噪比和径向速度随时间和高度的变化事例，午夜后观测到F区不规则结构观测事例1信噪比和径向速度随时间和高度的变化事例，午夜后观测到F区不规地方时21LT（UT+7）附近观测到150

km高度不规则结构，在午夜后（02LT）观测到F区不规则结构观测事例2地方时21LT（UT+7）附近观测到150日落后20LT（UT+7）附近同时观测到150

km高度不规则结构和F区不规则结构观测事例3日落后20LT（UT+7）附近同时观测到15伴随雷达观测到F区不规则结构，3月6日GPSTEC/闪烁接收机记录到明显的TEC耗空和强幅度闪烁，同时三亚测高仪观测到高度扩展F。说明大小尺度不规则结构同时存在（雷达观测的3米尺度、GPS闪烁接收机观测的百米尺度以及TEC耗空表征的大尺度，数十千米量级）伴随雷达观测到F区不规则结构，3月6日GPS总结海南三亚VHF雷达是我国大陆首台电离层相干散射雷达，初步分析表明该雷达能获取电离层E区和F区不规则结构特征信息，结合该站点的测高仪和GPS等观测，下一步我们拟在如下几方面开展研究，1）E区不规则结构出现和Es参数（foEs,fbEs或foEs-fbEs）的关系？并与Gadanki，Jicamarca等观测站比较，地方差异？2）海南能否观测到E区准周期回波，其表现特征？3）150km高度和谷区不规则结构特征及其产生机制？4）F区不规则结构特征，尤其在扩展F高发季节，等离子体羽毛状结构的产生及其所能上升的高度和日落反转E×B漂移的关系，午夜前后羽毛状结构特征和电离层闪烁的关系等。总结海南三亚VHF雷达是我国大陆首台电离层海南VHF电离层相干散射雷达及初步观测结果宁百齐,李国主,胡连欢,刘立波,万卫星中国科学院地质与地球物理研究所18/08/2009银川IGGCAS海南VHF电离层相干散射雷达及初步观测结果宁百齐,李国主,▲

海南VHF雷达工作介绍●

雷达参数●

流星/电离层交替观测模式▲

不规则结构观测研究●

研究背景●

海南VHF雷达结合GPSTEC/闪烁观测初步分析▲海南VHF雷达工作介绍工作频率47.5MHz峰值功率24kW探测高度80-800km天线配置1＋5流星观测2×12电离层观测依照雷达回波原理，低纬电离层不规则结构回波主要来自于沿磁力线方向排列的场向不规则体的布拉格散射(Braggscattering,½波长)，所以雷达波束需垂直于E或F区磁力线。在三亚，雷达波束仰角大概在67度左右。工作频率47.5MHz峰值功率24kW探测高度80-80五单元八木天线2×12三亚观测站五单元八木天线三亚观测站流星雷达天线1（发射）+5（接收）信号处理分析主机流星雷达天线信号处理分析主机观测模式：

流星/电离层交替观测（1分钟）白天,主要观测100-130km和150-180km高度附近不规则结构夜间,主要观测F2层等离子体羽毛状不规则结构观测事例：观测模式：观测事例：利用相干雷达研究E区、F区不规则结构背景利用相干雷达研究E区、F区不规则结构背景Ｅ区不规则结构研究近年来雷达观测结果表明赤道地区的电离层不规则体回波为连续性雷达回波，其形态主要为形态１及形态２两种(Kelley,1989)。一般认为这种几米尺度的形态１不规则体是由Farley-Buneman(双束流)不稳定机制所造成，而形态２不规则体是由梯度漂移不稳定机制产生。在中低纬度地区，观测有不同于连续性回波的雷达回波，即周期性雷达回波（QP）。引自N.VenkateswaraRaoetal.,2008

QP回波主要出现在日落之后，高度在100km以上，在RTI图上有一负的斜率，具有５－１０分钟的出现周期。Ｅ区不规则结构研究近年来雷达观测结果表明赤道地区的电离层周期性雷达回波，主要两种解释机制：

1)Woodmanetal.(1991)首先提出重力波扭曲Es层的概念来解释QP回波现象，后来Tsunodaetal.(1994)对Woodmanetal.的理论作了一些修正。2)风切不稳定机制。Larsen(2000)认为风切不稳定机制会对Es层造成一个变形的效应，与其相关的Ｋ-Ｈ结构(Kelvin-Helmholtz)则会造成由VHF雷达所观测到的场向不规则结构(FAI)。引自Woodmanetal.,1991引自Larsen,2000●重力波-中性风（Kaganetal.,1998）。重力波驱使中性风在Es层上下有东西向的扰动而产生不规则体。周期性雷达回波，主要两种解释机制：2)风切不稳定机制。周期性(QP)雷达回波新特征准周期回波出现在雷达回波区域下降的过程中，持续时间超过５小时。在两个高度区域同时出现准周期回波。引自N.VenkateswaraRaoetal.(2009)这种QP回波其产生机制是KH不稳定性还是重力波？午夜前后准周期斜率相反，其对应不规则结构的产生机制？引自HysellandBurcham.(2000)周期性(QP)雷达回波新特征准周期回波出现在雷达回波区域下降150Km高度上不规则体研究

上世纪60年代,150km高度回波首先在Jicamarca被观测到(Balsley,1964),随后在其它经度赤道地区相继被观测.其主要特征为:主要出现在白天,发生高度在150-180km附近，具有很窄的谱宽。此外，150km高度回波的垂直速度能反映F区E×B垂直漂移(KudekiandFawcett,1993).引自Chau,(2004)150

km回波的高度区域在地方时上午下降，下午上升，呈现U形状，回波强度以5-15分钟周期变化。虽然150

km高度回波观测已有数十年，但关于其产生的物理机制仍有待于进一步研究(Chau,2004).150Km高度上不规则体研究上世纪60年E区、F区不规则结构耦合观测（I）引自Patra,(2007)图中所示不规则结构（称之为谷区不规则结构，Patra,2002），在扩展F产生与否时均有观测到，和扩展F关系？没有扩展F发生，其可能的原因是由于梯度漂移不稳定性，中界层(Intermediate

layer)不稳定而产生谷区不规则结构？同时观测到扩展F，ESF相关的F区电场放大中界层的扰动从而增加谷区不规则结构的产生？同时也有可能是赤道F区不规则结构沿着磁力线伸展到低纬该高度区？E区、F区不规则结构耦合观测（I）引自Patra,(20引自WoodmanandChau,2001伴随扩展F的发生，夜间E区不规则结构高度相应抬升，Kherani

etal.(2002)对其进行了模拟研究，认为触发扩展F产生的初始扰动波长对电场（与赤道扩展F相关）从F区映射到E区有重要影响。映射的电场能使得E区不规则结构向左或向右倾斜，同时也能抬升E区不规则结构。E区、F区不规则结构耦合观测（II）引自WoodmanandChau,2001海南ＶＨＦ雷达不规则体观测初步分析海南ＶＨＦ雷达不规则体观测初步分析信噪比和径向速度随时间和高度的变化事例，午夜后观测到F区不规则结构观测事例1信噪比和径向速度随时间和高度的变化事例，午夜后观测到F区不规地方时21LT（UT+7）附近观测到150

km高度不规则结构，在午夜后（02LT）观测到F区不规则结构观测事例