2018 年黑龍江漠河站全天空無線電流星雷達(dá)數(shù)據(jù)集

解海永，劉立波，寧百齊，李國主,4，熊建剛，胡連歡，余優(yōu),4，趙秀寬，李來順，蘇振波，岳云龍

1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100029

3. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，漠河地球物理野外科學(xué)觀測研究站，黑龍江漠河 165303

4. 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

5. 國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心地球物理分中心，北京 100029

引 言

中間層-低熱層（Mesosphere and Lower Thermosphere，MLT）是地球中性大氣和電離層的過渡區(qū)域。MLT 區(qū)域大氣風(fēng)場和溫度等的觀測研究，對深入了解中性大氣和電離層之間的耦合起著至關(guān)重要的作用。長期以來對MLT 區(qū)域的探測一直是大氣探測技術(shù)中的難題。由于探測數(shù)據(jù)的缺乏，使得對該區(qū)域了解仍然較少。

每天有數(shù)以億計(jì)的流星體進(jìn)入地球大氣層，高速流星體與大氣分子碰撞會(huì)使流星體表面迅速燒蝕并電離化，在注入軌道上留下一段細(xì)而長的高密度等離子體柱，這就是所謂的流星尾跡。流星雷達(dá)通過發(fā)射無線電波，接收流星尾跡反射回波，獲得流星尾跡距接收點(diǎn)的距離、到達(dá)角和徑向速度等參量，可以計(jì)算反演MLT 區(qū)域環(huán)境參數(shù)。流星雷達(dá)數(shù)據(jù)的一個(gè)重要應(yīng)用是MLT 區(qū)域大氣動(dòng)力學(xué)等方面的研究，如大氣平均風(fēng)場[1-3]、大氣潮汐[4-7]、大氣行星波[8-10]和大氣溫度[11]和密度[12-13]等。此外，利用流星雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠得到流星速度和輻射點(diǎn)，還可以開展流星天文學(xué)研究[14]。流星雷達(dá)常規(guī)是利用鏡面流星尾跡反演平均風(fēng)場，通過識(shí)別非鏡面尾跡還能反演瞬時(shí)風(fēng)場[15]。流星雷達(dá)還能探測電離層偶發(fā)E 層和電離層E 層不規(guī)則體[16-17]。目前，流星雷達(dá)已成為中高層大氣和空間環(huán)境觀測研究的有效手段，是空間環(huán)境監(jiān)測和空間物理研究中的一種重要科學(xué)探測設(shè)備。

在子午工程[18]的支持下，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在我國黑龍江漠河和湖北武漢建成了全天空流星雷達(dá)，用于監(jiān)測研究我國上空MLT 區(qū)域環(huán)境特性。全天空流星雷達(dá)是國際上20 世紀(jì)末才發(fā)展起來的一種新型流星雷達(dá)[19-21]，采用寬波束發(fā)射，具有干涉測量和流星尾跡自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。目前世界上已有數(shù)十臺(tái)這類流星雷達(dá)在運(yùn)行，為觀測研究全球中高層大氣波動(dòng)和傳播特性，中高層大氣動(dòng)力學(xué)及與電離層耦合發(fā)揮了重要作用。漠河站流星雷達(dá)采用澳大利亞ATRAD（Atmospheric Radar Systems）公司的EMDR 雷達(dá)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和配置與Buckland Park 全天空流星雷達(dá)[21]類似，可以用于探測距離雷達(dá)天線陣300 km 范圍內(nèi)約70-110 km 高度的流星尾跡回波。漠河站流星雷達(dá)系統(tǒng)包括：控制采集系統(tǒng)、分析處理計(jì)算機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線和接收天線?？刂撇杉到y(tǒng)包括相應(yīng)的控制、通信與分析軟件等。漠河站流星雷達(dá)由5 個(gè)接收天線組成一個(gè)干涉儀，可以獲得精確的流星回波距離及到達(dá)角（仰角和方位角）。

漠河站流星雷達(dá)運(yùn)行參數(shù)如下：

雷達(dá)工作頻率：38.9 MHz

固態(tài)發(fā)射機(jī)峰值功率：20 kW

發(fā)射脈沖重復(fù)頻率：430 Hz

脈沖波形：高斯

發(fā)射機(jī)可工作最大脈沖占空比：10%

發(fā)射信號(hào)極化方式：圓極化

相干接收機(jī)通道數(shù)：5 通道

距離分辨率：1.8 km

角度分辨率：2°

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

漠河站流星雷達(dá)的控制采集系統(tǒng)由通用計(jì)算機(jī)與專用信號(hào)采集控制板構(gòu)成，在它的控制下，經(jīng)收發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)射射頻脈沖，由脈沖功率放大器放大后，從發(fā)射天線向上空發(fā)射寬波束脈沖信號(hào)；信號(hào)經(jīng)流星尾跡反射，其回波被五幅空間分置的二單元正交八木天線組成的接收天線陣進(jìn)行接收，經(jīng)多路接收機(jī)接收放大，形成的各路正交基帶信號(hào)被采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在采樣控制系統(tǒng)中采集的流星尾跡的原始數(shù)字化回波信號(hào)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

1.1 雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)處理方法

漠河站流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)是由雷達(dá)自帶的處理程序，將原始數(shù)字化回波信號(hào)進(jìn)行處理后的結(jié)果，包括流星尾跡的距離、到達(dá)角、徑向速度、回波信號(hào)強(qiáng)度及衰減時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)等參量[3,22]。每24小時(shí)的分析結(jié)果以二進(jìn)制形式存放在一個(gè)單獨(dú)的DAT 文件中，文件名包含臺(tái)站和年月日的信息[20-22]。由原始數(shù)字化回波信號(hào)到觀測數(shù)據(jù)的處理過程如圖1 所示。

圖1 原始數(shù)字化回波信號(hào)到流星觀測數(shù)據(jù)的處理過程

1.2 雷達(dá)分析數(shù)據(jù)處理方法

漠河站流星雷達(dá)分析數(shù)據(jù)是由雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)（dat 格式）經(jīng)過分析處理后得到的大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)[3,22]，每24 小時(shí)的分析結(jié)果以二進(jìn)制形式存放在一個(gè)單獨(dú)的TXT 文件中，文件名包含臺(tái)站和年月日的信息[20-22]。處理雷達(dá)原始數(shù)據(jù)得到風(fēng)場分析數(shù)據(jù)的過程如圖2 所示。

圖2 處理雷達(dá)原始數(shù)據(jù)得到風(fēng)場分析數(shù)據(jù)的過程

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)格式

漠河站流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)（dat 格式）為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，包含文件信息、參數(shù)信息及參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)信息及數(shù)據(jù)：

（1）文件信息（表1）。

（2）參數(shù)信息及參數(shù)（表2 和表3）。

表1 文件信息列表

表2 參數(shù)信息列表

表3 參數(shù)列表

（3）數(shù)據(jù)信息及數(shù)據(jù)（表4 和表5）。

表5 數(shù)據(jù)列表

作為例子，圖3 給出了漠河站流星雷達(dá)2018 年1 月3 日觀測的流星尾跡在天空中的分布。由圖可以看出，漠河站流星雷達(dá)探測到的流星尾跡在天空中分布較為均勻，表明漠河站流星雷達(dá)的天線可以接收來自各個(gè)方向的流星尾跡回波。圖4 給出了漠河站流星雷達(dá)2018 年1 月3 日觀測到的流星尾跡數(shù)目隨高度（距離）的分布以及隨世界時(shí)的分布。由圖可知，流星主要出現(xiàn)在70-110 km 之間，峰值高度在90 km 附近；流星數(shù)目存在明顯的日變化，凌晨時(shí)分觀測到的流星數(shù)目最多，傍晚時(shí)分最少，這主要與地球自轉(zhuǎn)和流星進(jìn)入地球大氣的方向有關(guān)[4]。

圖3 漠河站流星雷達(dá)2018 年1 月3 日觀測的流星尾跡在天空中的分布

圖4 漠河站流星雷達(dá)2018 年1 月3 日觀測到的流星尾跡數(shù)目隨高度（左）和距離（右下）以及隨世界時(shí)的分布（右上）

2.2 雷達(dá)分析數(shù)據(jù)格式

漠河站流星雷達(dá)分析數(shù)據(jù)（txt 格式）為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，包含文件信息、參數(shù)信息及參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)信息及數(shù)據(jù)：

（1）文件信息（表6）。

表6 文件信息列表

（2）參數(shù)信息及參數(shù)（表7 和表8）。

表7 參數(shù)信息列表

表8 參數(shù)列表

（3）數(shù)據(jù)信息及數(shù)據(jù)（表9 和表10）。

表9 數(shù)據(jù)信息列表

表10 數(shù)據(jù)列表

作為例子，圖5 給出了利用漠河站流星雷達(dá)2018 年1 月3 日觀測得到的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)，圖中風(fēng)場數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 小時(shí)，高度分辨率為2 km。

圖5 漠河站流星雷達(dá)2018 年1 月3 日觀測得到的緯向風(fēng)（上）和經(jīng)向風(fēng)（下）的等值線圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

相較于以前的窄波束流星雷達(dá)，漠河站全天空流星雷達(dá)發(fā)射功率小，可以長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。漠河站電磁環(huán)境良好，為流星雷達(dá)運(yùn)行提供了非常理想的觀測環(huán)境。技術(shù)人員定期對流星雷達(dá)主機(jī)、天線和線纜進(jìn)行檢查維護(hù)，并配有充足的易損件，雷達(dá)如果出現(xiàn)故障可及時(shí)修復(fù)。雷達(dá)配有不間斷電源，可以消除短時(shí)間停電對雷達(dá)運(yùn)行的影響。這些措施保證了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和連續(xù)性。2018 年全年，除了由于當(dāng)?shù)仉娏z修造成數(shù)十小時(shí)的停電停機(jī)外，漠河站流星雷達(dá)無故障連續(xù)運(yùn)行365 天，數(shù)據(jù)完整率接近100%。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

漠河站流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)可以支撐大氣平均風(fēng)場、大氣潮汐和大氣行星波等領(lǐng)域的研究，有助于認(rèn)識(shí)中高層大氣波動(dòng)和傳播特性，在MLT 區(qū)域大氣動(dòng)力學(xué)以及中性大氣與電離層耦合等方面的研究具有重要的價(jià)值。

本數(shù)據(jù)集為2018 年漠河站流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)集，如需要使用更長時(shí)段的漠河站流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，可訪問子午工程數(shù)據(jù)中心（http://data.meridianproject.ac.cn）。此外，在中國科學(xué)院日地空間環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)支持下，國內(nèi)多個(gè)臺(tái)站也建成了全天空流星雷達(dá)，相關(guān)數(shù)據(jù)可以在http://wdc.geophys.ac.cn 進(jìn)行下載。

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(tái)- 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)

解海永（1985—），男，山東壽光人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡婋x層不規(guī)則體/閃爍。主要承擔(dān)工作：流星雷達(dá)數(shù)據(jù)處理加工與論文撰寫。

劉立波（1970—），男，湖南常德人，博士，研究員，研究方向?yàn)殡婋x層物理。主要承擔(dān)工作：論文策劃與撰寫。

寧百齊（1957—），男，湖南邵陽人，博士，研究員，研究方向?yàn)殡婋x層電波診斷。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)觀測過程管理。

李國主（1980—），男，湖南婁底人，博士，研究員，研究方向?yàn)殡婋x層探測和低緯不均勻體診斷與機(jī)理研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)加工過程管理。

熊建剛（1965—），男，湖北武漢人，博士，副研究員，研究方向?yàn)橹懈邔哟髿夂碗婋x層擾動(dòng)。主要承擔(dān)工作：流星雷達(dá)數(shù)據(jù)分析方法研究。

胡連歡（1981—），男，湖北武漢人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡婋x層地基探測。主要承擔(dān)工作：流星雷達(dá)技術(shù)支持。

余優(yōu)（1985—），女，湖南常德人，博士，副研究員，研究方向?yàn)楦邔哟髿獾谋菊髂ＤＪ交芯?。主要承?dān)工作：流星雷達(dá)數(shù)據(jù)分析方法研究。

趙秀寬（1982—），男，河北南宮人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)共享技術(shù)及應(yīng)用。主要承擔(dān)工作：觀測數(shù)據(jù)傳輸。

李來順（1965—），男，黑龍江漠河人，實(shí)驗(yàn)師，方向?yàn)殡婋x層地基觀測。主要承擔(dān)工作：流星雷達(dá)觀測與數(shù)據(jù)傳輸。

蘇振波（1971—），男，黑龍江漠河人，助理實(shí)驗(yàn)師，方向?yàn)殡婋x層地基觀測。主要承擔(dān)工作：流星雷達(dá)觀測與數(shù)據(jù)傳輸。岳云龍（1987—），男，黑龍江漠河人，實(shí)驗(yàn)員，方向?yàn)殡婋x層地基觀測。主要承擔(dān)工作：流星雷達(dá)觀測與數(shù)據(jù)傳輸。