雷达相关响应在中纬度F区(电离层)的垂直运动外文翻译资料

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雷达相关响应在中纬度F区(电离层)的垂直运动

V.V. Kumar, M.L. Parkinson, P.L. Dyson, G.B. Burns

摘要：2003年8月，中纬度数字测高仪多普勒频率，极光电（AE）指数和云对地（CG）雷击用于研究与陆地雷暴相关的F区垂直漂移的扰动。叠加时代分析（SEA）表明，闪电之后，F区垂直漂移V_z具有约0.6ms^-1峰值到3h的净下降。在闪电日之前的一天下午，观察到强烈的向下扰动高达约0.9ms^-1。扰动在第二天没有显着性，而在雷电的任何一边的剩余时间间隔达到144小时，这些扰动并不显着。前一天更强的反应与因果关系一致，因为闪电时间只是所涉及的物理机制的代理。实际原因尚不清楚，但是我们将讨论雷电感应电离增强，从电气化云层向上渗透的强电场，以及雷暴辐射的大气重力波（AGW）或随附的对流层前线的可能作用。毫无疑问，中纬度F区的行为由热球风和太阳风磁层发电机控制，但我们的研究结果表明，电气云也是电离层变化的一个重要的，尽管是相对较小的组成部分。

1引言

对流层雷暴发电机和电离层之间一个电动耦合实现了近一个世纪(Rodger, 1999)，但揭示因果通路的证据仍然不足。最近在电离层基地附近启动的“精灵”光学观察，以及从雷暴顶部向上传播的“蓝色喷气机”的发展(Pasko, 2007)结合电离层散射E(Es)中增强的电子浓度的统计学证据， 与负云对地（CG）雷击相关的层（Davis和Lo,2008）已经建立了对流层，中层和电离层之间的电动连接。大气电力的最新评论(Siingh等等,2005; Rycroft,2006)鼓励研究人员识别F区电场雷暴的特征，因为这是全球电路中最不了解的方面之一(Kartaleval等等,2008)。

从概念上讲，垂直低层大气之间的质量交换和电离层不可能超过100公里，但电场不受这些条件约束(Rishbeth,2006),电离层的不是一个完美的导体。几种机制有助于调解雷雨和电离层之间的耦合：增强电导率高于雷暴(Rodger,1999)；静电场字段上面的雷暴,和相关的低电离层加热(Pasko等等,1998)；闪电相关交流现象(Rycroft,2006)，和波动力学包括次声的和声重力波(AGWs)(Johnson和Davis,2006)。

以前的工作表明，风暴系统通过压力变化影响F区（电离层）和他们生成的索引(例如Sauli Boska,2001)，不管闪电的发生。重要的是要注意，虽然本文确定的重要反应F区（电离层）发生与闪电，闪电可能是也可能不是直接物理原因或诱因观察到的反应。雷暴的细胞是一个复杂的现象，这就增加了许多并发大气过程(压力方面、强烈的风、带电的云层、闪电等等)。闪电可能会造成或仅仅是一个代理的原因。非常全面、多仪器紧密相联的大气研究的所有层最终可能被要求明确标识实际的物理原因。

在这项工作中,我们使用的一部分5.5年里(1999年2月- 2004年8月)数字电离层探测仪(DPS-4)数据库执行在中纬度地区南部，本多拉、墨尔本(145.11,37.71)(Kumar等等,2008)，(极光电喷流(AE)指数和全球闪电位置网络(WWLLN)( Dowden等等,2002)的数据，以确定电离层相关雷暴响应的开销。所选的研究区间是2003 - 2004年8月，第一年WWLLN全面运作。DPS-4测量也持续在这一区间。

中纬度F区（电离层）在地磁安静的时候由E -(天)和F -(晚上)地区发电机控制，和电离层扰动时期发电机和提示插入字段(Kumar等等,2008和引用其中)。这里采用的方法、当地时间、季节、磁活动依赖性平均速度从测量数据中删除。对残差进行闪电倍使用叠加时代分析(SEA)。SEA经常被用来确认相对较弱的反应淹没了其他竞争影响操作类似的时间尺度(Prager和Hoenig, 1989; Davis和Lo, 2008)。

在本文中,我们的报告很显著，与云地闪电有关的在F区（电离层）的可再生的反应位于墨尔本600公里。虽然这些反应可能直接关系到闪电,重要的是要记得,闪电可能代表一些其他大气过程。本文专注于垂直速度分量的分析,因为它是最准确的速度分量的数字探测仪(Parkinso等等,2001),它容易显示显著的反应。然而,初步分析表明小但重要的反应在水平运动将报道。

2 仪器和数据分析

2.1 F区（电离层）数据

本多拉DPS-4通过以100kHz的步长在2和12MHz之间扫描小于2分钟，每10分钟一次记录电离图。在间隔8分钟期间，使用普通模式极化在许可固定频率下进行多普勒分级干涉（DSI）（Parkinson等,1997）测量。具有低于180km的虚拟高度的相对较少的回波被归类为E区数据并被排除。标准数字式测高仪数据分析（DDA）软件用于估计笛卡尔参考系中的3D漂移速度。使用长积分时间（40.96-s），因此使用高多普勒分辨率意味着我们对垂直速度V z的估计是非常准确的（Parkinson等等,2001）。Kumar等 （2008）分析了整个DPS-4 F区数据库，发现速度表现出明确的昼夜和季节变化，对AE具有很强的敏感性。结果与使用非相干散射雷达的早期研究一致（例如Buonsanto等等,1993）。F区域的任何相对弱的反应漂移到电气化云活动可能被正常的Sq发电机，扰动发电机和迅速渗透场屏蔽。我们通过使用5.5年F区数据库创建统计模型来解决这个问题，结果分为两个代表性季节，春夏季（9月—2月）和秋冬季（3月—8月）。另外，由于在太阳活动下降阶段已知的高速太阳风流（例如Kumar等等,2008），漂移量通常大于2003年的平均值（Cliver等等,1996）。 模型中纳入了与年变化相关的“直流偏移”。

该模型（以下称为LT-AE模型）由在局部时间（LT）和AE的100nT箱中使用10分钟箱计算的平均速度分量组成。1分钟分辨率的AE数据从京都世界数据中心（http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/aeasy/index.html）下载。计算平均速度，条件是每箱至少有500个样本，从而保持模型的统计学意义。 LT-AE模型中AE的上限为1000nT。在AE 41000nT的情况下，模型给出对应于1000nT的值和本地测量时间。

图1.垂直速度V_z和垂直速度Delta;V_z的扰动的概要图，2003年至2004年间隔的LT和AE。△V_z是从每个原始V_z中减去LT-AE模型速度获得的残差。（a）原始V_z（上）和△V_z（底部）的日变化使用LT中的30分钟的箱体大小和V_z中的1ms^-1。实心白色曲线是每个面板的平均变化。（b）使用箱体尺寸为50nT，原始V_z（顶部）和△V_z（底部）随AE增加的日变化。

使用在2003-2004年8月间隔期间记录的所有31,376个漂移速度来检查LT-AE模型的有效性。垂直速度Vz分量的结果总结在图1中的部分（a）（上图）显示原始Vz的LT变化，并表明平均Vz（白色曲线）在黎明时强烈下降至11ms^-1，黄昏时逐渐向上升至6ms^-1。平均Vz在午后部分接近0ms^-1。 图1a（底部）表示通过从每个原始Vz中减去LT-AE模型获得的垂直速度△Vz的扰动。显然，残差显示了平均值的随机分布，平均值△V z在本地时间几乎为0ms^-1。虽然在16 LT后发生△Vz的小负值，但是将显示它们不能解释与闪电相关的更大的负扰动。

同样，图1b（顶部）是原始V_z中随AE增加的响应，表示在下午和晚上的V_z中净向上增加，而白天没有发生显着变化。图1d表示△V_z对AE。上午的残余量较大，AE值较高，但结构也被除去。图1b（底部）的结果证实，LT-AE模型充分消除了V_z组分的强烈的昼夜和AE依赖性。

在SEA分析中使用残差△V_z来研究它们对电气化云活动的反应。以这种方式处理Vz数据的观点就是使SEA分析对独立于太阳天顶角（LT）和地磁活动的过程敏感。虽然简单地减去每月的中值是一个合法的替代方法，但并不一定纠正与增强的地磁活动相关的扰动，其以LT的复杂方式变化。

2.2 电气云活动

使用从WWLLN获得的闪电数据作为电气云活动强度的代理。CG雷电放电发射非常低频（VLF）无线电波脉冲，sferics，峰值发射在约10kHz。径向脉冲在地球-电离层波导中以很小的衰减传播。WWLLN采用VLF辐射的群体到达时间（TOGA）来定位笔画的位置。获得TOGA的准确度，给出低至2km的位置误差（Dowden等等,2002）。WWLLN和其他雷电检测网络检测到的雷击行为的比较研究表明，WWLLN对470kA的放电电流敏感，而其他系统的阈值为20kA（Ramachandran等等,2005）。

垂直雷暴—电离层耦合的水平范围可以在30到300公里之间（Tonev和Velinov,2007），可能持续长达几个小时。Roble和Tzur（1986）模拟了雷电上方的静电势轮廓，延伸到电离层高度，并预测耦合的宽度随着磁场的增加而减小，因为磁场的倾斜越来越大。最初，我们的分析使用了Bundoora DPS-4 200公里范围内的所有闪电数据，与其他地方所使用的限制（Johnson和Davis,2006; Davis和Lo,2008）相当。主要结果如图3所示，但由于事件减少（1457笔），反应统计学意义不大。 因此，用于选择雷击的阈值半径增加。

在本研究中，使用Bundoora DPS-4 600公里半径范围内发现的所有雷击作为在提高结果的统计学意义的必要性之间的妥协，同时确保观察到的响应与当地雷暴活动相关。共有5个WWLLN站平均检测到24,202次雷击，在F区多普勒频移数据的SEA中，雷电时间被用作“控制”（t = 0）。因为大部分的雷电发生在很远的地方，所以这里报道的F区响应可能是对雷暴直接发生的实际响应的下限。

计算作为径向距离函数的CG闪光密度，以确认半径600km处的雷击属于通过附近Bundoora的相同雷暴系统。对于Bundoora 200公里内发生的每次雷击，所有在plusmn;6h内发现的雷击都用于估计半径为50km，最大半径1200km的圆形区域的闪光密度。结果如图2所示。 并提出了分离雷暴系统发生约850km的特征尺度。因此，在600公里半径范围内发生的雷电可以被认为属于同一个地雷雷暴系统。

3.结果

图2. 维多利亚州Bundoora的CG闪光密度与径向距离的增加。 用于此图的数据在文中说明。 实线是5点跑步平均值。

图3显示了针对三个不同数据集的CG雷击的中纬度F区电离层的垂直漂移速度（△V_z）的扰动SEA，“集合1,2和3”（待定义）。集合1-3的结果分别用红色，虚线黑色和纯黑色曲线显示。与LT-AE模式一致，用于平均值和平均值的标准偏差的所有估计的10分钟的窗口尺寸。

“Set”1在距离Bundoora半径600公里的圆形区域内的每次雷击两侧的48小时内使用了所有的CG闪电和F区域数据。图3a示出了以对数刻度绘制的CG闪电计数（红色曲线）的集合1结果。 如预期的那样，分布在t = 0时是对称的。还有与雷暴日常重现相关的曲线周期性的证据，峰值活动集中在下午3点左右。

相反，“Set 2”提供了当电气云活动相对较弱或不存在时预期的△Vz变化的估计。以与集合1相同的方式对集合2进行了分析，除了它仅使用包含在时间窗口（约144至96）和（96-144）h内的速度，因为它们对应于闪电发生的波谷。此外，除雷电天数记录的任何数据均不包括在内。在200公里内每天430次冲击的名义门槛有效地将雷电活动的日子与散发性放电的一般背景区分开。

集合2的SEA分析基于与设置1（红色曲线）相同的闪电时间，但是通过将796h映射到t = 0来计算组2的闪电SEA（图3a，虚线），从而保持 当地时间变化。如图所示，在t = 0时，雷电活动减少了一个数量级以上，但闪电背景几乎总是很弱，几乎不可能定义完全没有电气活动的预期变化。

“Set 3”提供了在没有电气云活动的情况下预期的变化的改进估计。而不是使用真正的闪电时间，24,202（相当于真正的闪电时间），合成闪电时间是使用与实际闪电时间相同的时间，而使用理想的随机数发生器产生的日数。再次，排除与名义上闪电天数重叠的合成日数。 Set 3的不对称性（图3a纯黑色）是由一组单独的合成控制引起的，其次是探测真实的闪电时间。在任何时候，集合3的闪电计数的SEA至少比第一组的数量级小。

图3.使用CG雷击作为控制（t = 0）“设置1”（红色曲线），在F区域垂直速度△Vz中扰动的叠加时代分析（SEA）。正如文中所解释的那样，另外两个数据集的“Set 2”（黑点）和“Set 3”（实心黑）也提供了SEA结果，提供了在没有电气化云的情况下预期的响应的替代估计。在该图中使用10分钟的纸盒尺寸。（a）三个数据组的CG闪电计数的SEA。（b）与（a）相同，但F区速度计数除外。（c）对于集合1和2，垂直速度的平均扰动的SEA为△Vz。正Delta;Vz表示电离层的净向上运动。每个曲线周围的灰色阴影区域是手段的标准误差; 排除了每个10分钟箱内的重复数据样本。Set 3的△Vz波动的2sigma;水平为0.23ms^-1，

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