[发明专利]一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法

摘要

本发明公开了一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法，包括如下步骤：（1）热层温度与氧原子密度模型、氧原子离子热量平衡方程：（2）反演初值与收敛条件的确定：（3）分步反演法。本发明所公开的基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法，对提升我国的热层大气探测与研究水平具有重要意义，与现有其它的热层探测反演方法相比，具有简单、快捷、有效的突出优点。该方法的研究提出，有助于充分发挥已建大型设备（非相干散射雷达）的作用，具有重要的科学与应用价值。

主权项

1.一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)热层温度与氧原子密度模型、氧原子离子热量平衡方程：Bates的热层温度经验模型如下：其中TN120为120km的热层温度，z为相对120km的高度，s表示热层温度形态因子；热层氧原子密度的经验模型如下：其中m(O)为氧原子质量，g为重力加速度，k是波尔兹曼常数，z0是参考高度，[O]z0是参考高度处的氧原子密度，可见中性氧原子密度主要由热层温度、参考高度氧原子密度与高度确定；在高度150‑500km的电离层F层，主要离子成分为氧原子离子，忽略氮分子与氧分子的热损失、输运过程，那么电子‑氧原子离子碰撞能量损失Lei与氧原子离子‑氧原子碰撞能量损失Lin满足能量平衡，即Lei＝Lin；根据Banks的经验公式：Lin＝2.1×10‑15×[O]×(TN+TI)1/2×(TI‑TN)×NE(3‑2)这里NE为电子密度，TE是电子温度，TI是离子温度，TN是热层中性大气温度；(2)反演初值与收敛条件的确定：根据(1)式，未知变量为逃逸层温度TN∞、120km热层温度TN120和温度梯度s，其中TN120为常数，其变化范围为350‑450K，由于120km位于电离层E区，在夜间热层温度与离子温度处于热平衡，因此通过对非相干散射雷达夜间的离子温度观测数据进行统计分析可得出；在高度大于300km时，热层温度接近逃逸层温度，温度梯度很小，为0.02K/km，近似为零，难以有效反演温度梯度；根据(2)式，未知变量为热层温度与参考高度处的氧原子密度；根据(3)式，未知变量为氧原子密度与热层温度；利用MSIS模型可计算逃逸层温度与参考高度氧原子密度初值；非相干散射雷达可提供100‑500km内电离层电子密度、电子温度、离子温度剖面的观测数据，即观测方程个数多于反演参数个数，属于超定方程组，可采用最小二乘法迭代求解；即假设TN∞、s与[O]z0的初值，通过方程(1)‑(3)，求解离子温度TIinv，并与非相干散射雷达实测离子温度TImea比较，在满足迭代次数与反演精度条件下，即可得到一组TN∞、s与[O]z0的反演值；迭代收敛条件可表示如下：N为与高度范围、高度步长有关的高度数目，ΔTImea,i为相对于非相干散射雷达观测值的第i个高度的离子温度偏差；从(1)式可推导出热层温度梯度与热层温度形态参数的表达式如下：在300km以上，热层温度趋近于常数，温度梯度接近于零，此时无法有效反演热层温度形态因子；从(3)式可知，未知量为氧原子密度[O]、离子温度与热层温度差ΔTin，从(3)式可推导出氧原子密度随着离子温度与热层温度差而变化的表达式如下：可见ΔTin较小时，氧原子密度变化剧烈，误差增大；(3)分步反演法：(31)对于300km以上高度，设温度梯度为常数值s0，利用非相干散射雷达350‑500km的电子密度、电子温度、离子温度观测数据，可以初步反演TN∞与[O]z0；(32)对于160‑500km，将以上步骤的[O]z0作为准确值，进一步反演TN∞和s。