极区中层夏季回波特性研究

论文摘要

极区中层夏季回波（PMSE,Polar Mesosphere Summer Echoes）是通过雷达在高纬当地夏季中层顶附近探测到的异常强大雷达回波,是与尘埃等离子体密切相关的自然现象。自从1979年被Ecklund和Balsley发现以来已经引起了广泛的关注。本文以尘埃等离子体电波传播理论为出发点,主要围绕极区中层顶PMSE的产生机制,PMSE层对电磁波的散射与反射,加热对PMSE的影响,测高仪对PMSE的观测开展相关研究。本文主要开展了如下工作:1.首先介绍有关极区中层夏季回波的基本知识;然后利用在仅发生PMSE现象时ECT-02实验数据分析得出极区中层顶区域属于尘埃等离子体,最后利用电子密度不规则运动解释PMSE。2.介绍了不同雷达对PMSE体反射率的测量以及雷达的测量结果,统计得出雷达体反射率与工作频率的依赖关系,然后分别应用尘埃等离子体的尘埃粒子散射统计平均结果和波恩近似分别得到散射截面与工作频率的内在关系,最后利用小尺度扰动理论得到雷达体反射率与频率的关系,发现它们均与频率的四次方成反比,与统计的实验结果趋于一致。这表明带电尘埃粒子在PMSE形成机制的研究中是不可忽略的因素,尘埃等离子体理论是研究PMSE的一个重要工具。3.极区中层顶区域存在大量的带电尘埃粒子,出现明显的分层结构,PMSE回波强度和电子数密度也存在明显的分层结构。采用分层介质波传播理论,分析在频率53.5MHz情况下雷达回波的信噪比。结果表明:利用分层介质理论得到的信噪比与实验结果较吻合。另外分别计算在其它频率的反射系数,发现随频率的增加,反射系数明显减弱。上面结果基本表明PMSE主要是反射现象。可见利用分层介质理论是解释PMSE产生机制的又一重要手段。最后结合分层介质,利用全球定位系统（GPS, Global Positioning System）卫星L2载波频率分析PMSE尘埃层对电磁波的衰减情况,发现GPS信号穿过PMSE层后,信号受到严重衰减,PMSE层能对GPS信号产生重大影响。4.极区中层夏季回波具有明显的分层现象,加热能引起过冲现象。我国从2006年开始开展PMSE加热实验,基于三年的PMSE加热实验,发现PMSE回波强度具有明显的分层现象,并且层数之间变化迅速。另外也得到PMSE加热特征曲线OCC（Overshoot Characteristic Curves）图,回波功率随高度变化的剖面图,回波强度随时间的变化图,得到明显的过冲现象。这为我国开展PMSE研究打下了一定的基础。5.利用电离层测高仪在MF和HF频段开展对PMSE的研究。应用电离层测高仪在中国南极中山站测得的数据,结合北极Troms?站测高仪测量的频高图,分析发现:在南北半球高纬地区,用MF和HF频段的电离层测高仪能够观测到类似PMSE现象,文中称为PMSE-Es现象。并且还发现南极PMSE-Es具有季节性变化、日变化和半日变化等特征,与北半球的PMSE现象较吻合。最后我们也对其中的差异进行了对比分析。另外本文对比1999-2003年PMSE出现率和PMSE-Es出现率的季节性变化,发现它们出现率的相对大小与相对应的年份吻合的比较好,特别是在2002年,PMSE和PMSE-Es的出现率均明显偏低,这从另外一个侧面说明PMSE与PMSE-Es具有一定的相关性。结果表明可以在MF和HF频段通过研究PMSE-Es来研究PMSE现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国外PMSE 研究进展
• 1.2.1 类PMSE 现象
• 1.2.2 PMSE 的观测频段
• 1.2.3 PMSE 与湍流的关系
• 1.2.4 人工加热PMSE 层
• 1.2.5 南半球PMSE 的观测
• 1.2.6 火箭探测
• 1.3 国内PMSE 研究进展
• 1.4 本论文主要工作
• 第二章 PMSE 及极区中层顶特征参量的计算
• 2.1 PMSE 及其相关现象
• 2.2 PMSE 出现率的规律性变化
• 2.2.1 季节性变化
• 2.2.2 日变化以及半日变化
• 2.2.3 纬度变化
• 2.2.4 长期变化和短期变化
• 2.3 外加强电磁波对PMSE 的调制
• 2.4 ECT-02 数据的来源
• 2.5 极区中层顶区域特征参量的计算
• 2.5.1 特征参量的计算公式
• 2.5.2 数值结果
• 2.6 电子数密度扰动与PMSE 的关系
• 2.7 小结
• 第三章 PMSE 体反射率与频率关系的研究
• 3.1 雷达体反射率计算与统计结果
• 3.1.1 雷达体反射率的计算
• 3.1.2 雷达体反射率的统计结果
• 3.1.3 三站同时观测的结果
• 3.1.4 讨论与结论
• 3.2 尘埃粒子对电磁波散射的研究
• 3.2.1 尘埃粒子的微分散射截面
• 3.2.2 散射截面的统计平均结果
• 3.2.3 结论
• 3.3 利用波恩近似对尘埃等离子体散射的研究
• 3.3.1 单次散射近似和接收功率
• 3.3.2 散射截面的计算
• 3.3.3 结论
• 3.4 雷达体反射率与频率关系的理论分析
• 3.4.1 利用小尺度扰动对雷达体反射率的理论分析
• 3.4.2 结论
• 3.5 小结
• 第四章 利用分层介质理论对PMSE 的研究
• 4.1 PMSE 反射系数的理论分析
• 4.1.1 分层介质理论的引入
• 4.1.2 理论分析与建模
• 4.2 尘埃等离子体中介电系数与电导率的计算
• 4.2.1 考虑碰撞时的介电常数和电导率
• 4.2.2 考虑充电时的介电系数与电导率
• 4.3 反射系数的计算与分析
• 4.3.1 普通等离子体条件下的计算
• 4.3.2 尘埃等离子体条件下的计算
• 4.4 信噪比的计算
• 4.4.1 信噪比的有效参数公式
• 4.4.2 信噪比的估算
• 4.4.3 讨论与结论
• 4.5 反射系数随频率变化的研究
• 4.5.1 基于EISCAT 雷达反射系数的计算
• 4.5.2 反射系数与频率的关系
• 4.6 GPS 信号通过PMSE 层的衰减分析
• 4.6.1 全球定位系统GPS 概述
• 4.6.2 尘埃等离子体衰减系数的计算
• 4.6.3 GPS 信号在普通等离子体的衰减
• 4.6.4 GPS 信号在尘埃等离子体中的衰减
• 4.6.5 讨论与结论
• 4.7 小结
• 第五章 加热对PMSE 影响的实验观测
• 5.1 PMSE 过冲现象简介
• 5.2 非相干散射探测原理
• 5.3 我国EISCAT 实验结果分析
• 5.3.1 回波功率的剖面图
• 5.3.2 电离层加热回波强度图
• 5.3.3 回波强度随时间的变化
• 5.3.4 两部雷达同时观测的结果
• 5.4 小结
• 第六章 应用电离层测高仪对PMSE 的研究
• 6.1 在MF 和HF 频段观测PMSE 的简单回顾
• 6.2 北极异常Es 的判定
• 6.3 中山站电离层频高图中的PMSE 现象
• 6.3.1 极区夏季中层顶高度观测到的电离层Es
• 6.3.2 PMSE-Es 现象的判定
• 6.4 南极中山站PMSE-Es 出现率的变化规律
• 6.4.1 PMSE-Es 日变化和半日变化
• 6.4.2 PMSE-Es 的逐月日变化
• 6.4.3 PMSE-Es 季节特征
• 6.5 2002 年南极中山站PMSE-Es 的特点
• 6.6 讨论
• 6.6.1 日变化的南北半球差异
• 6.6.2 季节特征的南北差异
• 6.6.3 与太阳活动相应的南北差异
• 6.7 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 本论文研究总结
• 7.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士期间的研究成果