極區(qū)中層夏季回波特性研究.pdf

1、極區(qū)中層夏季回波（PMSE，Polar Mesosphere Summer Echoes）是通過(guò)雷達(dá)在高緯當(dāng)?shù)叵募局袑禹敻浇綔y(cè)到的異常強(qiáng)大雷達(dá)回波，是與塵埃等離子體密切相關(guān)的自然現(xiàn)象。自從1979年被Ecklund和Balsley發(fā)現(xiàn)以來(lái)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。本文以塵埃等離子體電波傳播理論為出發(fā)點(diǎn)，主要圍繞極區(qū)中層頂PMSE的產(chǎn)生機(jī)制，PMSE層對(duì)電磁波的散射與反射，加熱對(duì)PMSE的影響，測(cè)高儀對(duì)PMSE的觀測(cè)開(kāi)展相關(guān)研究。本文主要開(kāi)

2、展了如下工作： 1．首先介紹有關(guān)極區(qū)中層夏季回波的基本知識(shí)：然后利用在僅發(fā)生PMSE現(xiàn)象時(shí)ECT-02實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出極區(qū)中層頂區(qū)域?qū)儆趬m埃等離子體，最后利用電子密度不規(guī)則運(yùn)動(dòng)解釋PMSE。 2．介紹了不同雷達(dá)對(duì)PMSE體反射率的測(cè)量以及雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出雷達(dá)體反射率與工作頻率的依賴關(guān)系，然后分別應(yīng)用塵埃等離子體的塵埃粒子散射統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果和波恩近似分別得到散射截面與工作頻率的內(nèi)在關(guān)系，最后利用小尺度擾動(dòng)理論得到雷達(dá)

3、體反射率與頻率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們均與頻率的四次方成反比，與統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致。這表明帶電塵埃粒子在PMSE形成機(jī)制的研究中是不可忽略的因素，塵埃等離子體理論是研究PMSE的一個(gè)重要工具。 3．極區(qū)中層頂區(qū)域存在大量的帶電塵埃粒子，出現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)，PMSE回波強(qiáng)度和電子數(shù)密度也存在明顯的分層結(jié)構(gòu)。采用分層介質(zhì)波傳播理論，分析在頻率53．5MHz情況下雷達(dá)回波的信噪比。結(jié)果表明：利用分層介質(zhì)理論得到的信噪比與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。另

4、外分別計(jì)算在其它頻率的反射系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨頻率的增加，反射系數(shù)明顯減弱。上面結(jié)果基本表明PMSE主要是反射現(xiàn)象?？梢?jiàn)利用分層介質(zhì)理論是解釋PMSE產(chǎn)生機(jī)制的又一重要手段。最后結(jié)合分層介質(zhì)，利用全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）衛(wèi)星L2載波頻率分析PMSE塵埃層對(duì)電磁波的衰減情況，發(fā)現(xiàn)GPS信號(hào)穿過(guò)PMSE層后，信號(hào)受到嚴(yán)重衰減，PMSE層能對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生重大影響。 4．極區(qū)中層夏季回波具有明

5、顯的分層現(xiàn)象，加熱能引起過(guò)沖現(xiàn)象。我國(guó)從2006年開(kāi)始開(kāi)展PMSE加熱實(shí)驗(yàn)，基于三年的PMSE加熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PMSE回波強(qiáng)度具有明顯的分層現(xiàn)象，并且層數(shù)之間變化迅速。另外也得到PMSE加熱特征曲線OCC（Overshoot Characteristic Curves）圖，回波功率隨高度變化的剖面圖，回波強(qiáng)度隨時(shí)間的變化圖，得到明顯的過(guò)沖現(xiàn)象。這為我國(guó)開(kāi)展PMSE研究打下了一定的基礎(chǔ)。 5．利用電離層測(cè)高儀在MF和HF頻段開(kāi)展對(duì)P

6、MSE的研究。應(yīng)用電離層測(cè)高儀在中國(guó)南極中山站測(cè)得的數(shù)據(jù)，結(jié)合北極Tromso站測(cè)高儀測(cè)量的頻高圖，分析發(fā)現(xiàn)：在南北半球高緯地區(qū)，用MF和HF頻段的電離層測(cè)高儀能夠觀測(cè)到類似PMSE現(xiàn)象，文中稱為PMSE-Es現(xiàn)象。并且還發(fā)現(xiàn)南極PMSE-Es具有季節(jié)性變化、日變化和半日變化等特征，與北半球的PMSE現(xiàn)象較吻合。最后我們也對(duì)其中的差異進(jìn)行了對(duì)比分析。另外本文對(duì)比1999-2003年P(guān)MSE出現(xiàn)率和PMSE-Es出現(xiàn)率的季節(jié)性變化，發(fā)現(xiàn)它