極區(qū)夏季中層回波(Polar Mesosphere Summer Echoes,PMSE)是發(fā)生在夏季極地地區(qū)高度約80~90km的異常雷達回波現(xiàn)象。自從發(fā)現(xiàn)PMSE現(xiàn)象以來,科學(xué)家們開展了大量的實驗和理論研究工作。一般來說,大氣雷達回波的物理機制有兩種:湍流散射和菲涅爾(部分)反射。湍流散射理論主要是從中性大氣湍流出發(fā),考慮小尺度結(jié)構(gòu)對雷達電磁波的散射(Bragg散射);菲涅爾反射理論主要是從PMSE大尺度分層結(jié)構(gòu)出發(fā),考慮折射梯度引起的雷達波反射,這兩種物理機制在一定條件下都能造成足夠強的回波現(xiàn)象。然而現(xiàn)有的理論模型并不能很好的解釋PMSE現(xiàn)象,而且實驗結(jié)果顯示了PMSE現(xiàn)象可能并不是只是某一種回波機制造成的,理解PMSE現(xiàn)象發(fā)生的背后物理機制對豐富大氣層的無線電波傳播理論具有非常重要的意義。本文就極區(qū)夏季中層頂區(qū)域的電磁散射開展了研究工作:首先介紹了中層頂區(qū)域結(jié)構(gòu)和PMSE現(xiàn)象。根據(jù)以往對PMSE的實驗觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)PMSE現(xiàn)象在空間和時間上有很大的變化,另外實驗觀測到的冰晶顆粒使得中層頂區(qū)域的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜,我們根據(jù)ECT-02實驗數(shù)據(jù),對電子“吞噬”區(qū)塵埃顆粒數(shù)密度擾動和電子數(shù)密度擾動的相關(guān)性進行了分析,發(fā)現(xiàn)電子和塵埃顆粒之間呈很大的負(fù)相關(guān)性,這說明在電子“吞噬”區(qū)高度的冰晶顆粒的存在很有可能是電子密度急劇減少的原因。另外利用傅里葉分析方法得到PMSE區(qū)域三個典型高度的塵埃等離子體密度擾動功率譜,然后通過擬合得到它們的譜指數(shù),發(fā)現(xiàn)并不是所有高度的譜指數(shù)都是-5/3,因此PMSE區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)并非都是由中性大氣湍流造成的。然后根據(jù)電子密度擾動功率譜計算了中層頂區(qū)域湍流散射回波強度,并與實驗數(shù)據(jù)對比。結(jié)果顯示理論計算結(jié)果在某些區(qū)域相對于實驗結(jié)果偏大,說明湍流散射理論并不能解釋整個中層頂區(qū)域的異�；夭ìF(xiàn)象�；谏厦娴慕Y(jié)論,考慮到湍流散射和菲涅爾反射機制都會對PMSE現(xiàn)象有貢獻,本文建立了包含大尺度反射和小尺度散射的中層頂區(qū)域電磁散射模型。結(jié)合火箭探測的電子密度數(shù)據(jù)計算了雷達回波信噪比隨高度變化剖面,通過與ECT-02雷達實驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)電子密度不規(guī)則結(jié)構(gòu)大尺度的反射和小尺度Bragg散射的同時作用會產(chǎn)生與PMSE強度相當(dāng)?shù)睦走_回波,驗證了模型的合理性。并在此基礎(chǔ)上分析了不同頻率和不同分層厚度對模型計算結(jié)果的影響,結(jié)果表明一般情況下雷達頻率越高,雷達回波強度越大。研究結(jié)果對理解PMSE現(xiàn)象發(fā)生的物理機制具有重要意義。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN957.51;O441
【部分圖文】：

大氣層溫度剖面圖

示了中層頂區(qū)域每月的平均溫度剖面。這些極低的溫度導(dǎo)致了 NLC 和 PMSE 現(xiàn)象的發(fā)生。圖2.2 中層頂?shù)膮^(qū)域的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)隨季節(jié)的變化，虛線表示一年內(nèi)的平均溫度剖面[20]2.1.3 夜光云現(xiàn)象夜光云(NLC)是一種比較容易理解的、由可見的冰晶組成的薄而纖細(xì)的結(jié)構(gòu)。盡管這些高度的水汽含量極低，但極低的溫度使得該區(qū)域發(fā)生水汽飽和。水蒸汽凝結(jié)在塵埃顆粒上形成了冰晶離子，隨著時間的推移不斷增大形成了可以觀測到的云結(jié)構(gòu)

9（如圖 2.3）。夜光云現(xiàn)象只有在太陽低于地平線時才能被看見。圖2.3 夜光云現(xiàn)象[23]夜光云層非常薄，以至于只有在黃昏前或日落后，陽光從云層底部反射回觀測者時，才被能觀測到。短的觀測時間和只發(fā)生在極區(qū)中層區(qū)域的苛刻條件使得夜光云很難被發(fā)現(xiàn)，但是隨著衛(wèi)星探測技術(shù)的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)更多形成夜光云的信息。2.1.4 PMSE 現(xiàn)象Ecklund和Balsley[1]首次用VHF雷達觀測到了來自高緯度夏季中層頂（約86km）的強烈回波，回波的強度比低高度、中緯度（任何季節(jié)）和高緯度（非夏季）的時候高出 3~5 倍，這種回波被稱作極區(qū)夏季中層回波（Polar Mesosphere Summer Echoes，PMSE）。圖 2.4 是 MST 雷達的觀測結(jié)果，圖中的不同顏色代表著不同的回波信噪比大小（dB）
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本文編號：2862282