本期摘要

     子午工程團(tuán)隊(duì)成員武漢大學(xué)和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究團(tuán)隊(duì)，利用子午工程MST雷達(dá)和海南VHF雷達(dá)的建設(shè)、升級(jí)改造和運(yùn)行，在VHF頻段陣列雷達(dá)探測中高層大氣和電離層方向開展了許多探測技術(shù)類和物理機(jī)制類研究，通過發(fā)展新的探測技術(shù)來推進(jìn)空間物理機(jī)制研究，又基于物理機(jī)制研究的需求改進(jìn)升級(jí)觀測設(shè)備和探測技術(shù)。在2023年開展了一系列先進(jìn)設(shè)備研制、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和多種設(shè)備聯(lián)合觀測相關(guān)工作，理論研究和技術(shù)成果發(fā)表在多篇《JGR: Space Physics》上，該成果被評選為子午工程2023年度優(yōu)秀成果。

     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(shí)無線電波在不同尺度空氣團(tuán)塊上產(chǎn)生反射和散射的理論日臻完善，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。同時(shí)電離層中被磁場約束的不規(guī)則等離子體結(jié)構(gòu)會(huì)散射VHF頻段電磁波，工作在該頻段的雷達(dá)也可以用于觀測電離層中的場向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

     武漢MST雷達(dá)和海南VHF雷達(dá)都是子午工程一期重要的無線電觀測設(shè)備，它們都工作在VHF頻段分別對對流層-平流層-中間層大氣和電離層不規(guī)則體開展長期全天候不間斷觀測。在2020年6月21日日食期間武漢MST雷達(dá)采用3波束快速輪替探測以高時(shí)空分辨率記錄到中緯中間層響應(yīng)太陽輻射快速變化的特征（圖1）?；谏?jí)改造的海南VHF雷達(dá)干涉陣列，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次電離層不規(guī)則體成像（圖2），首次記錄到的白天不規(guī)則體展現(xiàn)的鵝頸結(jié)構(gòu)。比對海南VHF雷達(dá)和全天空氣輝成像儀共同觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了等離子體泡及其中的不規(guī)則結(jié)構(gòu)在耗散過程中表現(xiàn)的差異性（圖3）。

     過去的理論和技術(shù)研究成果使我們認(rèn)為有必要建設(shè)一個(gè)全新的多頻點(diǎn)、高性能和通用性的軟件化無線電陣列平臺(tái)，以滿足日益增長的技術(shù)演進(jìn)要求和空間物理機(jī)制研究需求。在子午工程二期的支持下，研究團(tuán)隊(duì)在廣西欽州建設(shè)了一部先進(jìn)的無線電觀測平臺(tái)（圖4）。該平臺(tái)有A和B兩個(gè)陣列組成，占地50畝，工作頻率在50、160和200MHz，最大發(fā)射功率超過2MW，它是全球第一個(gè)使用全數(shù)字陣列的MST雷達(dá)。希望新設(shè)備和新技術(shù)的探索能促進(jìn)系列原創(chuàng)性的科研成果。

圖1 武漢MST雷達(dá)以高時(shí)空分辨率觀測到的日食中間層響應(yīng)

圖2 子午工程海南VHF雷達(dá)記錄的散射回波圖及相應(yīng)的無線電成像圖

圖3 氣輝和散射回波共體觀測揭示等離子泡中3米尺度不規(guī)則體的耗散過程

圖4 子午工程二期新一代天線級(jí)相控陣MST雷達(dá)模塊圖和現(xiàn)場圖

文章原文下載鏈接：

1.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JA031008

2.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JA030878

3.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JA030892

4.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JA031856

5.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2023JA031890