2012-2020 年武漢崇陽站MST 雷達(dá)回波數(shù)據(jù)集

龔?fù)砹?，周曉?，陳罡，張維帆

1. 武漢大學(xué)，武漢 430072

引 言

中高層大氣是中層大氣和高層大氣的總稱，一般是指10 公里以上的地球大氣，主要包括對流層上部、平流層、中間層和熱層，其上部與電離層相重疊，是一個極為復(fù)雜的多過程耦合系統(tǒng)。中高層大氣不僅占據(jù)著非常巨大的大氣體積，存在著非常復(fù)雜的光化學(xué)、動力學(xué)和熱力學(xué)過程，而且與人類的活動、航空航天和國防安全等密切相關(guān)。中高層大氣主要以中性大氣為主，其主要探測參數(shù)包括大氣密度、溫度、壓強(qiáng)、成分及風(fēng)場等，其探測相對比較困難，因此中高層探測技術(shù)的發(fā)展及其儀器的研制一直是該領(lǐng)域的研究重點。

現(xiàn)代中高層大氣探測技術(shù)開始于20 世紀(jì)初，隨著無線電技術(shù)的發(fā)展以及無線電探空儀的研制成功，使得人們從地面及以上幾百米的探測高度迅速上升到對流層和低平流層高度范圍。20 世紀(jì)40 年代，探空火箭技術(shù)的進(jìn)步又進(jìn)一步將大氣探測高度提高到100 km 范圍，同時無線電波在不同空氣團(tuán)介質(zhì)上產(chǎn)生反射散射理論的建立。一大批大氣遙感儀器，如風(fēng)廓線雷達(dá)、中頻雷達(dá)、流星雷達(dá)、聲雷達(dá)、激光雷達(dá)等相繼應(yīng)用到中高層大氣參數(shù)的探測中。目前利用氣球和飛機(jī)對大氣進(jìn)行探測的最大高度范圍大約在30 公里左右，衛(wèi)星的在軌高度一般在250 公里以上，并繞地球快速運(yùn)行，均不能對某一地區(qū)的中高層大氣進(jìn)行長期有效的探測。探空火箭是唯一一種可以對中高層大氣進(jìn)行原位探測的手段，但是探空火箭費(fèi)用高昂，且具有不可持續(xù)性。地基遙感探測技術(shù)是目前國內(nèi)和國際上最為主要的中高層大氣探測手段，而MST 雷達(dá)是對中性三維中高層大氣風(fēng)場探測能力最強(qiáng)的觀測設(shè)備。

MST雷達(dá)是一種可靠的全天候地面遙感探測設(shè)備，可提供長時間、優(yōu)良時空分辨率的觀測數(shù)據(jù)，有助于中高層大氣中新過程、新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和理解。國內(nèi)學(xué)者基于MST 雷達(dá)陸續(xù)開展了一些關(guān)于我國中低維地區(qū)大氣波動方面的研究。Qing 和Huang 等人分別利用武漢MST 和北京MST 雷達(dá)觀測結(jié)果研究了低層大氣慣性重力波和行星波[1-2]。關(guān)于MST 雷達(dá)在不同高度大氣中的回波機(jī)制[3]以及在反演溫度剖面應(yīng)用也被廣泛研究[4]。作為MST 雷達(dá)對中間層觀測的研究重點，Zhang 等人結(jié)合武漢和北京兩地的MST 雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)對我國中緯度中層垂直風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計研究[5]。

與其他高空測風(fēng)系統(tǒng)相比，MST 雷達(dá)具有時間及空間分辨率高、不間斷持續(xù)觀測時間長、探測高度范圍大、時效性強(qiáng)等特點。與再分析數(shù)據(jù)相比，受益于更高的時間分辨率，MST 雷達(dá)為研究對流層頂高度的短周期變化提供了可能性[6-8]。眾所周知，大氣潮汐是受太陽輻射能量激發(fā)的全球振蕩波，潮汐波是調(diào)制對流層頂進(jìn)行日或半日周期變化的重要機(jī)制。在沒有高分辨率大氣壓、溫度數(shù)據(jù)的情況下，雷達(dá)反演的風(fēng)場數(shù)據(jù)是觀測潮汐波的重要途徑[9]。MST 雷達(dá)的持續(xù)觀測運(yùn)行對于深入研究中高層大氣風(fēng)場的空間結(jié)構(gòu)和時間變化、弄清中高層大氣風(fēng)場與電離層以及低層大氣的耦合機(jī)制、探究中高層大氣中關(guān)鍵的動力學(xué)過程、建立我國中低緯上空中高層大氣風(fēng)場模式、提供空間環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報服務(wù)等具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

武漢MST 雷達(dá)是一種采用互補(bǔ)二相編碼脈沖壓縮技術(shù)的大型陣列式相控陣?yán)走_(dá)，工作在甚高頻（VHF）頻段，為53.8 MHz 的定頻頻率，總發(fā)射峰值功率約為172 kW。其天線陣列包含576 根三單元線性極化八木天線，按照24×24 的矩陣形式排列，整個天線占地約為100 m×100 m。通過其波束控制系統(tǒng)可以形成對稱的雷達(dá)波束（東、西、南、北、中），其傾斜波束最大天頂角為20°，天頂步進(jìn)控制角度為1°。如圖1 所示為武漢崇陽站MST 雷達(dá)的天線陣列。

圖1 武漢崇陽站MST 雷達(dá)天線陣列

武漢MST 雷達(dá)的天線饋電系統(tǒng)采用對稱的布局結(jié)構(gòu)，按饋電方式可以分為4 個子天線陣面，每個子陣面有36 組，每組有一個百葉機(jī)箱，每個百葉機(jī)箱內(nèi)有4 個收發(fā)模塊（T/R 模塊）分別與4 個天線單元相連，每個天線T/R 模塊的發(fā)射功率約為300 W。整個天線陣列構(gòu)成由24 個天線單元組成的24 個行（列），天線T/R 模塊通過行列掃描開關(guān)分別與兩個24：1 的功分器相連。除與天線T/R模塊外，還有24 個行列T/R 模塊，主要用來控制天線陣列單行（列）信號的發(fā)射和接收。每個行列T/R 模塊通過功分器與24 個天線T/R 模塊相連，控制每一行或者一列天線的收發(fā)切換及波形移相。整個雷達(dá)控制系統(tǒng)有統(tǒng)一的電源系統(tǒng)和自檢測系統(tǒng)，電源系統(tǒng)為所有的工作模塊提供對應(yīng)的直流電壓源，自檢測系統(tǒng)對所有饋電鏈路進(jìn)行工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行自檢分析。MST 雷達(dá)的系統(tǒng)框圖及總體技術(shù)參數(shù)分別如圖2 和表1 所示。

表1 武漢MST 雷達(dá)的總體技術(shù)參數(shù)

名稱 技術(shù)參數(shù)天線駐波比 ≤1.1天線陣列工作模式 多普勒波束掃描波束指向 北、南、天頂、西、東方向，天頂角0-20°可調(diào)

圖2 武漢MST 雷達(dá)系統(tǒng)框圖

24 個行列T/R 模塊是MST 雷達(dá)有源相控陣合成指定方向波束的核心器件。發(fā)射信號時，雷達(dá)頻率源部分由24 路直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）產(chǎn)生24 通道載波頻率為53.8 MHz 的脈沖調(diào)制信號。每通道調(diào)制信號通過對應(yīng)的行列T/R 模塊進(jìn)行初級放大和相移后通過功分器饋入24 個天線T/R模塊。經(jīng)過移相和功率放大后的調(diào)制信號通過各天線單位輻射到空中，形成特定的波束指向[10]。

雷達(dá)系統(tǒng)接收回波與發(fā)射信號相反。對中高層大氣探測來說，其后向散射回波信號非常微弱，大多數(shù)處于接收機(jī)系統(tǒng)噪聲以下。為保證回波接收靈敏度及大氣探測精度，MST 雷達(dá)采用了數(shù)字中頻技術(shù)?；夭ㄐ盘柾ㄟ^功率合成后在接收通道進(jìn)行混頻，再由數(shù)字中頻系統(tǒng)進(jìn)行處理。系統(tǒng)采用直接數(shù)字采樣對信號相位進(jìn)行數(shù)字域檢測，能夠很好保證各接收通道之間的相位正交性和幅度一致性。生成的I/Q 數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)叫盘柼幚碛嬎銠C(jī)終端。

大氣擾動產(chǎn)生的風(fēng)和波動可以從雷達(dá)接收到的后向散射功率譜中提取出來[11]。武漢MST 雷達(dá)的信號處理方式主要包括雜波抑制、脈沖壓縮、相干積累、加窗處理、FFT（快速傅里葉變換）處理、頻域積累等[12]。其處理流程如圖3 所示。

圖3 MST 雷達(dá)信號處理流程圖

MST 雷達(dá)探測大氣湍流的回波信號非常微弱，特別是距離地面較遠(yuǎn)的中間層大氣回波。為了更好檢測微弱回波信號，除了采用低噪聲、抗干擾的電路設(shè)計減少系統(tǒng)噪聲外，武漢MST 雷達(dá)利用脈沖壓縮技術(shù)，通過發(fā)射波形為互補(bǔ)二相編碼的調(diào)制脈沖來提高回波的信噪比[13]。還采用相干積累來提高回波信號的信噪比，增強(qiáng)探測性能。在信號處理過程中，雷達(dá)回波頻譜估計的主要方式為FFT，通過選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)可以用來減少FFT 過程產(chǎn)生的頻譜泄露并增強(qiáng)帶外抑制效果。功率譜平均可以進(jìn)一步對回波雜散信號進(jìn)行抑制，同時提高風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性和可信性。通過其信號處理過程，最終輸出的雷達(dá)原始數(shù)據(jù)為功率譜數(shù)據(jù)，即0 級產(chǎn)品數(shù)據(jù)，再通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理終端軟件反演生成對應(yīng)的1 級產(chǎn)品數(shù)據(jù)和2 級產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其主要參數(shù)有后向散射功率、功率譜密度、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速、信噪比、大氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)常數(shù)等。武漢MST 雷達(dá)有低模式、中模式和高模式3 種工作模式，分別對應(yīng)大氣的對流層、平流層和中間層的高度范圍。其3 種工作模式對應(yīng)的工作參數(shù)如表2 所示。

表2 MST 雷達(dá)三種模式對應(yīng)參數(shù)

武漢MST 雷達(dá)的日常工作模式采用五波束掃描，即在一個探測周期內(nèi)，雷達(dá)波束依次進(jìn)行5 個方向（北、南、天頂、西、東方向）的波束掃描探測。單個模式的探測掃描時間約為5 分鐘，三模式五波束常規(guī)探測（24 小時不間斷運(yùn)行）周期小于30 分鐘。為增加探測數(shù)據(jù)分辨率，也可以將五波束掃描減少為三波束掃描（南或北、天頂、東或西3 個方向），每個波束掃描探測時間約為1 分鐘。大氣風(fēng)速可以利用多普勒波束掃描技術(shù)，通過5 個或3 個波束的徑向速度來計算估計[14]。

采用譜矩計算方式，針對離散的功率譜數(shù)據(jù)，其零階、一階、二階譜矩表示為：

式中，N為FFT 的點數(shù)，pi和fi分別是第i點的功率值和頻率值，Δf為頻率分辨率。依據(jù)動差法計算，大氣風(fēng)場的主要參數(shù)如下：

信號功率估值：

多普勒速度估值：

速度譜寬估值：

式（5）得到的多普勒速度是對應(yīng)方向波束的徑向速度，則緯向風(fēng)速u，經(jīng)向風(fēng)速v和垂直風(fēng)速w分別為：

式中，Eυ、Wυ、Sυ、Nυ和Zυ分別表示東、西、南、北和天頂方向波束的徑向速度，θ是傾斜波束的天頂角。武漢MST 雷達(dá)采用3 波束掃描探測時也可用相同的方式計算出大氣三維風(fēng)速。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集包含武漢崇陽站MST 雷達(dá)低、中、高模式的徑向多普勒功率譜數(shù)據(jù)（0 級數(shù)據(jù)）、徑向數(shù)據(jù)（1 級數(shù)據(jù)）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)（2 級數(shù)據(jù)）。在日常工作模式下，低、中、高模式依次進(jìn)行，每30 分鐘生成一組數(shù)據(jù)，包含低、中、高模式的功率譜數(shù)據(jù)、徑向數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

功率譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式為 dat，數(shù)據(jù)集的 dat 文件以 CYT_MST01_DP*_L01_STP_YYYYLLDDHHMMSS.dat 形式命名并存儲。其中*表示觀測模式，L 表示低模式（3.5-10 km），M 表示中模式（11-25 km），H 表示高模式（60-90 km），YYYY、LL、DD、HH、MM、SS 分別為觀測數(shù)據(jù)記錄的年份、月、日、時、分、秒。功率譜數(shù)據(jù)文件由文件標(biāo)識、測站基本參數(shù)、性能參數(shù)、觀測參數(shù)及觀測數(shù)據(jù)組成，全部為二進(jìn)制格式，功率譜數(shù)據(jù)文件根據(jù)探測模式實時動態(tài)生成，每個模式生成一個文件。功率譜數(shù)據(jù)的具體格式說明如表3-6 所示。

表3 功率譜數(shù)據(jù)文件標(biāo)識格式說明

表4 功率譜數(shù)據(jù)測站基本參數(shù)格式說明

表5 功率譜數(shù)據(jù)雷達(dá)性能參數(shù)格式說明

類型 變量名 字節(jié)數(shù) 說明short int BinNum 2 距離庫數(shù)，三位整數(shù)char Temp[40] 40 保留字

表6 功率譜數(shù)據(jù)觀測參數(shù)格式說明

功率譜數(shù)據(jù)為：float DspToDpDat [gate][SpwidNum]；gate 表示總距離庫數(shù)（為高、中、低三模式距離庫數(shù)之和），SpwidNum 表示FFT 點數(shù)。數(shù)據(jù)示例如下：

譜線的編號依次從左到右展開，有幾個波束方向就有幾個DspToDpDat 數(shù)組順序排下去。

對流層是地球大氣層中湍流最多的一個分層，也是最低的一層。它在中緯度區(qū)域的高度范圍從地表到離地面平均為10-12 km 的高度。絕大多數(shù)氣象活動都發(fā)生在對流層，其大氣湍流也最多最強(qiáng)，因此MST 雷達(dá)在對流層的探測回波強(qiáng)度也最高。如圖4 所示，為武漢MST 雷達(dá)在低模式五波束掃描探測過程中生成記錄的一個探測周期的回波功率譜數(shù)據(jù)。其對稱的南北方向波束和東西方向波束的多普勒功率譜峰基本對稱，因此在加密探測時，也可以采用三波束掃描的方式來減少探測周期，增加數(shù)據(jù)的時間分辨率。

圖4 武漢MST 雷達(dá)低模式五波束掃描多普勒譜

徑向數(shù)據(jù)為實時的采樣高度上的各個徑向的數(shù)據(jù)文件，由文件頭和數(shù)據(jù)段組成，數(shù)據(jù)段包括數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)塊。 其數(shù)據(jù)記錄的文件格式為 TXT ， 文件名后綴為*.dat, 以CYT_MST01_DJ*_L11_STP_YYYYLLDDHHMMSS.dat 形式命名和存儲，該文件可以直接采用記事本打開。其中*表示觀測模式，YYYY、LL、DD、HH、MM、SS 表示時間，與前文對功率譜數(shù)據(jù)的表述一致。文件頭包括：觀測時間（年月日時分秒）、臺站代碼、設(shè)備號、垂直波束寬度、水平波束寬度、天線增益、發(fā)射波長，每一項均采用“空格”為分隔符。數(shù)據(jù)頭包括：掃描波束數(shù)、觀測模式號、相干積分?jǐn)?shù)、非相干積分?jǐn)?shù)（譜平均數(shù)）、FFT 點數(shù)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期、發(fā)射峰值功率、發(fā)射平均功率、波束偏離垂直方向的角度，每一項均采用“空格”為分隔符。數(shù)據(jù)項按照高度先后順序由N 個高度上的觀測值連續(xù)排列組成，N 的值與雷達(dá)不同探測模式時設(shè)置的探測高度范圍和距離分辨率有關(guān)，每個高度的觀測值包含高度、波束方位、波束仰角、譜寬、和信噪比等多個變量。上述變量在每個高度上有n 組，n 為實際探測時的波束數(shù)，雷達(dá)進(jìn)行5 波束掃描探測時n 為5，進(jìn)行3波束掃描探測時n 為3。所有數(shù)據(jù)項均采用“空格”為分隔符。其具體格式說明如表7-9 所示。

表7 徑向數(shù)據(jù)文件頭格式說明

表8 徑向數(shù)據(jù)頭格式說明

第N 記錄格無效缺省數(shù)據(jù)項中文名稱數(shù)據(jù)項英文名稱物理單位(中英文)數(shù)值范圍列式值10波束偏離垂直方向的角度Elevation I5 度（°） / 0-20

表9 徑向數(shù)據(jù)項格式說明

產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件為實時的采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，由文件頭和數(shù)據(jù)項組成。其數(shù)據(jù)記錄的文件格式為TXT，文件名后綴為*.dat,以CYT_MST01_DW*_L21_STP_ YYYYLLDDHHMMSS.dat 形式命名和存儲，該文件可以直接采用記事本打開。其中*表示觀測模式，YYYY、LL、DD、HH、MM、SS表示時間，與前文對功率譜數(shù)據(jù)的表述一致。文件頭包括觀測時間（年月日時分）、臺站代碼和設(shè)備號組成，每一項均采用“空格”為分隔符。數(shù)據(jù)項按照高度先后順序由N 個高度上的觀測值連續(xù)排列組成，每個高度的觀測值包含高度、風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速和大氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)常數(shù)5 個變量，數(shù)據(jù)項均采用1 個空格為分隔符。具體格式說明如表10-11 所示。

表10 產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件頭格式說明

表11 產(chǎn)品數(shù)據(jù)項格式說明

利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速和風(fēng)向就可以得到對應(yīng)高度處的大氣水平風(fēng)場矢量，MST雷達(dá)的低、中、高模式主要對應(yīng)不同的高度探測范圍（低模式為3.5-10 km，中模式為11-25 km，高模式為60-90 km），其探測得到的大氣參數(shù)一致。如下圖5 所示，為利用2 級產(chǎn)品數(shù)據(jù)得到的低模式高度范圍的大氣水平風(fēng)場矢量圖。圖中水平風(fēng)速的方向由箭頭方向表示（向上為北方向），風(fēng)速的強(qiáng)度由箭頭的大小和背景色度條表示，可以看出在16:00UT-6:00UT，7-8 km 處有強(qiáng)烈的風(fēng)切變。

圖5 武漢MST 雷達(dá)記錄的低模式風(fēng)場矢量（2014 年11 月30 日8：00 UT 到12 月1 日14：00 UT）

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

武漢崇陽站MST 雷達(dá)探測的各級數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到數(shù)據(jù)發(fā)布均由計算機(jī)自動處理完成，從2012 年至今運(yùn)行穩(wěn)定可靠，全天候不間斷對雷達(dá)上空對流層、平流層和中間層的大氣風(fēng)場進(jìn)行監(jiān)測。按照每半小時產(chǎn)生9 個文件計算（低、中、高模式各自對應(yīng)有0 級、1 級、2 級數(shù)據(jù)文件），2012-2020 總共應(yīng)有1 419 120 個文件，現(xiàn)有1 096 969 個文件，文件完整率約為77.3%，數(shù)據(jù)丟失主要由突然斷電、設(shè)備故障、儀器停機(jī)維護(hù)以及雷達(dá)維護(hù)改造引起。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用了以下措施對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制：

（1）定期維護(hù)T/R 組件，更換損壞和性能下降的器件，確保80%及以上的收發(fā)模塊正常工作，以保證足夠的功率輻射以及合成波束的正確性。

（2）在觀測站內(nèi)配備常規(guī)容易損壞的模塊器件庫存，對設(shè)備故障及時維修和上報，保證設(shè)備最大限度處于正常工作狀態(tài)。

（3）定期檢查上傳日志和數(shù)據(jù)中心文件，對錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新上傳，對上傳失敗的數(shù)據(jù)及時補(bǔ)傳，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院图皶r性。

4 數(shù)據(jù)價值

MST 雷達(dá)作為一種無線電觀測設(shè)備能夠在除雷電外的絕大多數(shù)天氣條件下24 小時持續(xù)運(yùn)行，對站點上空大氣做高時間和距離分辨率的連續(xù)實時采樣，是目前對流層、平流層和中間層中性大氣三維風(fēng)場探測能力最強(qiáng)大的無線電設(shè)備。本數(shù)據(jù)可支持對我國中低緯地區(qū)開展中性大氣風(fēng)場等空間天氣要素的觀測研究，結(jié)合現(xiàn)有的中高層大氣觀測，了解中低緯地區(qū)大氣波動的結(jié)構(gòu)特征，開展中層-平流層-對流層能量耦合過程研究；結(jié)合其他區(qū)域和種類的空間環(huán)境探測設(shè)備，開展不同緯度大氣的能量傳輸和耦合過程、中性大氣-電離層的耦合機(jī)制等方面的研究。本數(shù)據(jù)為我國空間環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、工程項目、數(shù)值模擬和預(yù)報研究提供數(shù)據(jù)支持。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺- 國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

龔?fù)砹郑?990—），男，博士，工程師，主要承擔(dān)工作為數(shù)據(jù)服務(wù)。

周曉明（1966—），男，本科，高級工程師，主要承擔(dān)工作為數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

陳 罡（1980—），男，博士，教授，主要承擔(dān)工作為設(shè)備研制。

張維帆（1994—），女，博士，主要承擔(dān)工作為數(shù)據(jù)服務(wù)。