【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學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系統(tǒng)，發(fā)展了基于多站流星雷達組網(wǎng)觀測的中高層大氣三維風場成像技術(shù)，將水平分辨率從400千米提高到30千米，并提出了垂直風反演方法，實現(xiàn)了我國中東部地區(qū)中高層大氣區(qū)域三維風場精細探測。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)表于大氣科學國際知名學術(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動和最為豐富的大氣波動現(xiàn)象，因此對探測該區(qū)域內(nèi)的大氣風場對于理解其內(nèi)部大氣動力學過程及動量能量的垂直輸運過程有著重要意義。
 

　　流星雷達是中高層大氣風場探測的主要手段之一。目前國內(nèi)外流星雷達通常采用的是單站自發(fā)自收觀測模式(即雷達接收機和發(fā)射機位于同一處)，利用流星尾跡的后向散射回波反演水平風場。然而，單站流星雷達反演風場時需假設(shè)整個觀測范圍(半徑約為200千米)內(nèi)的風場為相同速度和方向(即水平風場的同一性)，這意味著只能獲得大氣水平平均風場，缺乏水平方向上的分辨率。另一方面，大氣垂直風可以直接反映大氣動量、能量和成分的垂直輸運過程，這對于研究全球大氣的動力學過程及其經(jīng)向環(huán)流具有重要意義。但是中間層-低熱層大氣垂直風量級很小(通常只有0.1cm/s至1m/s)，導致對垂直風探測技術(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。
 

　　針對上述問題，為了實現(xiàn)中間層-低熱層大氣區(qū)域三維精細風場探測，中國科學技術(shù)大學中高層大氣團隊在中國中東部地區(qū)建立了我國首套多站流星雷達系統(tǒng)，發(fā)展了多站流星雷達間信號的互發(fā)互收技術(shù)，實現(xiàn)多站流星雷達組網(wǎng)觀測。如圖1所示，該多站流星雷達系統(tǒng)包括蒙城、肥東流星雷達以及長豐遠程接收站，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所武漢站流星雷達，組成了3發(fā)5收多站流星雷達系統(tǒng)。多站流星雷達不僅可以擴大觀測范圍、增加流星探測數(shù)量，最重要的是由于能夠同時對同一片區(qū)域從不同角度進行觀測，最終可以實現(xiàn)中間層-低熱層大氣三維風場探測。
 

　　圖1. 中國中東部多站流星雷達觀測網(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應用物理研究所Gunter Stober教授團隊合作，發(fā)展了基于中東部多站流星雷達系統(tǒng)的三維風場成像技術(shù)，實現(xiàn)了中間層-低熱層大氣三維風場探測。圖2展示了我國中東部地區(qū)中間層-低熱層大氣區(qū)域二維水平風場變化情況，通過對大氣風場的精細化探測，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域大氣風場呈現(xiàn)復雜的動力學過程，如大氣風場的匯聚、旋轉(zhuǎn)、發(fā)散等過程。另外，利用多站流星雷達系統(tǒng)，該研究首次實現(xiàn)了中緯度地區(qū)中間層-低熱層大氣垂直風的長期連續(xù)觀測。觀測得到垂直風基本小于1m/s，符合理論量級，填補了該區(qū)域垂直風連續(xù)探測的空白。目前，該多站流星雷達系統(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)境實時監(jiān)測和科學研究提供數(shù)據(jù)支撐。
 

圖2. 多站流星雷達系統(tǒng)觀測的中東部地區(qū)中間層-低熱層大氣二維水平風場。
 

　　論文第一作者為地球和空間科學學院博士生曾潔，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基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、雙一流專項資助，安徽省自然科學基金、子午工程、瑞士國家自然科學基金等的資助。同時，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所為本研究提供了武漢流星雷達數(shù)據(jù)支持。(地球和空間科學學院、科研部)