2018 年黑龙江漠河站全天空无线电流星雷达数据集

解海永，刘立波，宁百齐，李国主,4，熊建刚，胡连欢，余优,4，赵秀宽，李来顺，苏振波，岳云龙

1. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院地球与行星物理重点实验室，北京 100029

2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京空间环境国家野外科学观测研究站，北京 100029

3. 中国科学院地质与地球物理研究所，漠河地球物理野外科学观测研究站，黑龙江漠河 165303

4. 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

5. 国家地球系统科学数据中心地球物理分中心，北京 100029

引 言

中间层-低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere，MLT）是地球中性大气和电离层的过渡区域。MLT 区域大气风场和温度等的观测研究，对深入了解中性大气和电离层之间的耦合起着至关重要的作用。长期以来对MLT 区域的探测一直是大气探测技术中的难题。由于探测数据的缺乏，使得对该区域了解仍然较少。

每天有数以亿计的流星体进入地球大气层，高速流星体与大气分子碰撞会使流星体表面迅速烧蚀并电离化，在注入轨道上留下一段细而长的高密度等离子体柱，这就是所谓的流星尾迹。流星雷达通过发射无线电波，接收流星尾迹反射回波，获得流星尾迹距接收点的距离、到达角和径向速度等参量，可以计算反演MLT 区域环境参数。流星雷达数据的一个重要应用是MLT 区域大气动力学等方面的研究，如大气平均风场[1-3]、大气潮汐[4-7]、大气行星波[8-10]和大气温度[11]和密度[12-13]等。此外，利用流星雷达数据能够得到流星速度和辐射点，还可以开展流星天文学研究[14]。流星雷达常规是利用镜面流星尾迹反演平均风场，通过识别非镜面尾迹还能反演瞬时风场[15]。流星雷达还能探测电离层偶发E 层和电离层E 层不规则体[16-17]。目前，流星雷达已成为中高层大气和空间环境观测研究的有效手段，是空间环境监测和空间物理研究中的一种重要科学探测设备。

在子午工程[18]的支持下，中国科学院地质与地球物理研究所在我国黑龙江漠河和湖北武汉建成了全天空流星雷达，用于监测研究我国上空MLT 区域环境特性。全天空流星雷达是国际上20 世纪末才发展起来的一种新型流星雷达[19-21]，采用宽波束发射，具有干涉测量和流星尾迹自动识别技术。目前世界上已有数十台这类流星雷达在运行，为观测研究全球中高层大气波动和传播特性，中高层大气动力学及与电离层耦合发挥了重要作用。漠河站流星雷达采用澳大利亚ATRAD（Atmospheric Radar Systems）公司的EMDR 雷达系统，其结构和配置与Buckland Park 全天空流星雷达[21]类似，可以用于探测距离雷达天线阵300 km 范围内约70-110 km 高度的流星尾迹回波。漠河站流星雷达系统包括：控制采集系统、分析处理计算机、接收机、发射机、发射天线和接收天线。控制采集系统包括相应的控制、通信与分析软件等。漠河站流星雷达由5 个接收天线组成一个干涉仪，可以获得精确的流星回波距离及到达角（仰角和方位角）。

漠河站流星雷达运行参数如下：

雷达工作频率：38.9 MHz

固态发射机峰值功率：20 kW

发射脉冲重复频率：430 Hz

脉冲波形：高斯

发射机可工作最大脉冲占空比：10%

发射信号极化方式：圆极化

相干接收机通道数：5 通道

距离分辨率：1.8 km

角度分辨率：2°

1 数据采集和处理方法

漠河站流星雷达的控制采集系统由通用计算机与专用信号采集控制板构成，在它的控制下，经收发系统产生发射射频脉冲，由脉冲功率放大器放大后，从发射天线向上空发射宽波束脉冲信号；信号经流星尾迹反射，其回波被五幅空间分置的二单元正交八木天线组成的接收天线阵进行接收，经多路接收机接收放大，形成的各路正交基带信号被采样，转换为数字信号。在采样控制系统中采集的流星尾迹的原始数字化回波信号存储在计算机中。

1.1 雷达观测数据处理方法

漠河站流星雷达观测数据是由雷达自带的处理程序，将原始数字化回波信号进行处理后的结果，包括流星尾迹的距离、到达角、径向速度、回波信号强度及衰减时间和扩散系数等参量[3,22]。每24小时的分析结果以二进制形式存放在一个单独的DAT 文件中，文件名包含台站和年月日的信息[20-22]。由原始数字化回波信号到观测数据的处理过程如图1 所示。

图1 原始数字化回波信号到流星观测数据的处理过程

1.2 雷达分析数据处理方法

漠河站流星雷达分析数据是由雷达观测数据（dat 格式）经过分析处理后得到的大气风场数据[3,22]，每24 小时的分析结果以二进制形式存放在一个单独的TXT 文件中，文件名包含台站和年月日的信息[20-22]。处理雷达原始数据得到风场分析数据的过程如图2 所示。

图2 处理雷达原始数据得到风场分析数据的过程

2 数据样本描述

2.1 雷达观测数据格式

漠河站流星雷达观测数据（dat 格式）为二进制数据文件，包含文件信息、参数信息及参数设置、数据信息及数据：

（1）文件信息（表1）。

（2）参数信息及参数（表2 和表3）。

表1 文件信息列表

表2 参数信息列表

表3 参数列表

（3）数据信息及数据（表4 和表5）。

表5 数据列表

作为例子，图3 给出了漠河站流星雷达2018 年1 月3 日观测的流星尾迹在天空中的分布。由图可以看出，漠河站流星雷达探测到的流星尾迹在天空中分布较为均匀，表明漠河站流星雷达的天线可以接收来自各个方向的流星尾迹回波。图4 给出了漠河站流星雷达2018 年1 月3 日观测到的流星尾迹数目随高度（距离）的分布以及随世界时的分布。由图可知，流星主要出现在70-110 km 之间，峰值高度在90 km 附近；流星数目存在明显的日变化，凌晨时分观测到的流星数目最多，傍晚时分最少，这主要与地球自转和流星进入地球大气的方向有关[4]。

图3 漠河站流星雷达2018 年1 月3 日观测的流星尾迹在天空中的分布

图4 漠河站流星雷达2018 年1 月3 日观测到的流星尾迹数目随高度（左）和距离（右下）以及随世界时的分布（右上）

2.2 雷达分析数据格式

漠河站流星雷达分析数据（txt 格式）为二进制数据文件，包含文件信息、参数信息及参数设置、数据信息及数据：

（1）文件信息（表6）。

表6 文件信息列表

（2）参数信息及参数（表7 和表8）。

表7 参数信息列表

表8 参数列表

（3）数据信息及数据（表9 和表10）。

表9 数据信息列表

表10 数据列表

作为例子，图5 给出了利用漠河站流星雷达2018 年1 月3 日观测得到的纬向风和经向风，图中风场数据时间分辨率为1 小时，高度分辨率为2 km。

图5 漠河站流星雷达2018 年1 月3 日观测得到的纬向风（上）和经向风（下）的等值线图

3 数据质量控制和评估

相较于以前的窄波束流星雷达，漠河站全天空流星雷达发射功率小，可以长时间连续运行。漠河站电磁环境良好，为流星雷达运行提供了非常理想的观测环境。技术人员定期对流星雷达主机、天线和线缆进行检查维护，并配有充足的易损件，雷达如果出现故障可及时修复。雷达配有不间断电源，可以消除短时间停电对雷达运行的影响。这些措施保证了观测数据的质量和连续性。2018 年全年，除了由于当地电力检修造成数十小时的停电停机外，漠河站流星雷达无故障连续运行365 天，数据完整率接近100%。

4 数据价值

漠河站流星雷达观测数据可以支撑大气平均风场、大气潮汐和大气行星波等领域的研究，有助于认识中高层大气波动和传播特性，在MLT 区域大气动力学以及中性大气与电离层耦合等方面的研究具有重要的价值。

本数据集为2018 年漠河站流星雷达观测数据集，如需要使用更长时段的漠河站流星雷达观测数据，可访问子午工程数据中心（http://data.meridianproject.ac.cn）。此外，在中国科学院日地空间环境观测研究网络支持下，国内多个台站也建成了全天空流星雷达，相关数据可以在http://wdc.geophys.ac.cn 进行下载。

致 谢

本数据论文的完成得到了国家科技基础条件平台- 国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和帮助。

数据作者分工职责

解海永（1985—），男，山东寿光人，硕士，高级工程师，研究方向为电离层不规则体/闪烁。主要承担工作：流星雷达数据处理加工与论文撰写。

刘立波（1970—），男，湖南常德人，博士，研究员，研究方向为电离层物理。主要承担工作：论文策划与撰写。

宁百齐（1957—），男，湖南邵阳人，博士，研究员，研究方向为电离层电波诊断。主要承担工作：数据观测过程管理。

李国主（1980—），男，湖南娄底人，博士，研究员，研究方向为电离层探测和低纬不均匀体诊断与机理研究。主要承担工作：数据质量及数据加工过程管理。

熊建刚（1965—），男，湖北武汉人，博士，副研究员，研究方向为中高层大气和电离层扰动。主要承担工作：流星雷达数据分析方法研究。

胡连欢（1981—），男，湖北武汉人，博士，高级工程师，研究方向为电离层地基探测。主要承担工作：流星雷达技术支持。

余优（1985—），女，湖南常德人，博士，副研究员，研究方向为高层大气的本征模模式化研究。主要承担工作：流星雷达数据分析方法研究。

赵秀宽（1982—），男，河北南宫人，博士，高级工程师，研究方向为数据共享技术及应用。主要承担工作：观测数据传输。

李来顺（1965—），男，黑龙江漠河人，实验师，方向为电离层地基观测。主要承担工作：流星雷达观测与数据传输。

苏振波（1971—），男，黑龙江漠河人，助理实验师，方向为电离层地基观测。主要承担工作：流星雷达观测与数据传输。岳云龙（1987—），男，黑龙江漠河人，实验员，方向为电离层地基观测。主要承担工作：流星雷达观测与数据传输。