【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院薛向輝教授課題組利用中國科大在我國中東部地區(qū)建立的多站流星雷達(dá)系統(tǒng)，發(fā)展了基于多站流星雷達(dá)組網(wǎng)觀測的中高層大氣三維風(fēng)場成像技術(shù)，將水平分辨率從400千米提高到30千米，并提出了垂直風(fēng)反演方法，實(shí)現(xiàn)了我國中東部地區(qū)中高層大氣區(qū)域三維風(fēng)場精細(xì)探測。相關(guān)研究成果以“Mesosphere/lower thermosphere 3-dimensional spatially resolved winds observed by Chinese multistatic meteor radar network using the newly developed VVP method”為題發(fā)表于大氣科學(xué)國際知名學(xué)術(shù)期刊《地球物理研究雜志：大氣》(Nature Index期刊)上。
中高層大氣是地球大氣向太空過渡的關(guān)鍵區(qū)域，在日地空間各個(gè)大氣圈層耦合過程中起著承上啟下的作用。中間層-低熱層作為研究中高層大氣的代表區(qū)域，有著非常劇烈的大氣運(yùn)動(dòng)和最為豐富的大氣波動(dòng)現(xiàn)象，因此對(duì)探測該區(qū)域內(nèi)的大氣風(fēng)場對(duì)于理解其內(nèi)部大氣動(dòng)力學(xué)過程及動(dòng)量能量的垂直輸運(yùn)過程有著重要意義。
流星雷達(dá)是中高層大氣風(fēng)場探測的主要手段之一。目前國內(nèi)外流星雷達(dá)通常采用的是單站自發(fā)自收觀測模式(即雷達(dá)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)位于同一處)，利用流星尾跡的后向散射回波反演水平風(fēng)場。然而，單站流星雷達(dá)反演風(fēng)場時(shí)需假設(shè)整個(gè)觀測范圍(半徑約為200千米)內(nèi)的風(fēng)場為相同速度和方向(即水平風(fēng)場的同一性)，這意味著只能獲得大氣水平平均風(fēng)場，缺乏水平方向上的分辨率。另一方面，大氣垂直風(fēng)可以直接反映大氣動(dòng)量、能量和成分的垂直輸運(yùn)過程，這對(duì)于研究全球大氣的動(dòng)力學(xué)過程及其經(jīng)向環(huán)流具有重要意義。但是中間層-低熱層大氣垂直風(fēng)量級(jí)很小(通常只有0.1cm/s至1m/s)，導(dǎo)致對(duì)垂直風(fēng)探測技術(shù)的精度要求很高，因此中間層-低熱層大氣垂直風(fēng)探測是目前中高層大氣探測技術(shù)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，數(shù)據(jù)非常稀缺。
針對(duì)上述問題，為了實(shí)現(xiàn)中間層-低熱層大氣區(qū)域三維精細(xì)風(fēng)場探測，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中高層大氣團(tuán)隊(duì)在中國中東部地區(qū)建立了我國首套多站流星雷達(dá)系統(tǒng)，發(fā)展了多站流星雷達(dá)間信號(hào)的互發(fā)互收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多站流星雷達(dá)組網(wǎng)觀測。如圖1所示，該多站流星雷達(dá)系統(tǒng)包括蒙城、肥東流星雷達(dá)以及長豐遠(yuǎn)程接收站，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所武漢站流星雷達(dá)，組成了3發(fā)5收多站流星雷達(dá)系統(tǒng)。多站流星雷達(dá)不僅可以擴(kuò)大觀測范圍、增加流星探測數(shù)量，最重要的是由于能夠同時(shí)對(duì)同一片區(qū)域從不同角度進(jìn)行觀測，最終可以實(shí)現(xiàn)中間層-低熱層大氣三維風(fēng)場探測。
圖1. 中國中東部多站流星雷達(dá)觀測網(wǎng)工作示意圖(從左至右：肥東、長豐、蒙城、武漢站)。
在此基礎(chǔ)上，薛向輝教授課題組與瑞士伯爾尼大學(xué)應(yīng)用物理研究所Gunter Stober教授團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展了基于中東部多站流星雷達(dá)系統(tǒng)的三維風(fēng)場成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中間層-低熱層大氣三維風(fēng)場探測。圖2展示了我國中東部地區(qū)中間層-低熱層大氣區(qū)域二維水平風(fēng)場變化情況，通過對(duì)大氣風(fēng)場的精細(xì)化探測，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域大氣風(fēng)場呈現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，如大氣風(fēng)場的匯聚、旋轉(zhuǎn)、發(fā)散等過程。另外，利用多站流星雷達(dá)系統(tǒng)，該研究首次實(shí)現(xiàn)了中緯度地區(qū)中間層-低熱層大氣垂直風(fēng)的長期連續(xù)觀測。觀測得到垂直風(fēng)基本小于1m/s，符合理論量級(jí)，填補(bǔ)了該區(qū)域垂直風(fēng)連續(xù)探測的空白。目前，該多站流星雷達(dá)系統(tǒng)正在開展日常觀測，已積累超過兩年的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，可以為我國中高層大氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測和科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐。
圖2. 多站流星雷達(dá)系統(tǒng)觀測的中東部地區(qū)中間層-低熱層大氣二維水平風(fēng)場。
論文第一作者為地球和空間科學(xué)學(xué)院博士生曾潔，通訊作者為薛向輝教授和易穩(wěn)副教授。合作者還包括了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李國主研究員、寧百齊研究員以及澳大利亞阿德萊德大學(xué)Iain Reid教授等。中國科大為該論文第一單位。此研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、雙一流專項(xiàng)資助，安徽省自然科學(xué)基金、子午工程、瑞士國家自然科學(xué)基金等的資助。同時(shí)，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所為本研究提供了武漢流星雷達(dá)數(shù)據(jù)支持。(地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部)
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