文摘
6 c波段天气雷达位于欧洲(芬兰、荷兰和瑞士)被用来监控慢变太阳发射,这是一个振荡的振幅几分贝和一段约27天。造成的事实是活动区域的数量提高太阳射电辐射对安静的组件,从地球上看到,因为太阳的变化对其轴旋转。中包含的分析是基于太阳能信号极性产生体积数据操作期间天气扫描策略。介绍了数以百计的日常比较雷达估计和太阳的参考信号,太阳当前活动期间(2014年)。太阳的引用值准确地衡量统治射电天体物理天文台(DRAO)在s波段和转换为c波段使用标准DRAO公式。垂直和水平极化接收器能够捕捉太阳的月度振荡的微波信号:标准差之间的对数转换比雷达和DRAO参考范围从0.26到0.4 dB。更大的系数(和平静的太阳组件)的不同的值在标准公式提高了协议。
1。介绍
气象雷达是用于检测、监视和跟踪复杂和高度可变降水字段在四维空间。在欧洲,大多数这些雷达操作在c波段(~ 5厘米波长)。在本文中,我们表明,现代气象雷达能探测和监测安静和慢慢的变量组件的太阳能信号。
太阳大气不断发出无线电发射波长。在每一个波长,有一个良好定义的最小值,达到当太阳是免费的斑点;这叫做太阳的安静的排放。太阳黑子的存在增强了射电辐射,产生一个慢慢的变量组件。太阳磁场活动起伏在其10 /十三周期,不同数量的活跃区出现在太阳圆盘:太阳黑子活跃的地区是最明显可见的特性。因为太阳的自转对其轴(变量,纬度的函数),活动区域的数量提高了无线电发射对安静的组件,从地球上看到,各不相同。结果是一个振动,振幅的几个分贝在5厘米、10.7厘米波长和一段约27天。本文的主要目的是这种振荡的振幅之间的比较观察到5厘米(所谓的电磁波谱的c波段内)和引用,以10.7厘米(s波段)。本文并不打算介绍天气雷达估计太阳能通量太阳能社区作为一个额外的产品;相反,它只是旨在描述其使用的可能性。详细描述的s波段测量和c波段每日检索值提出了部分3,就在一个简短的描述部分2关于太阳的射电辐射属性。部分4介绍了数据集,已经收购了在最近的一次活跃的太阳周期(对于大多数雷达来说,同样的一年100天2014)和用于评估的分数量化条款的协议。部分5介绍了协议radar-received水平和垂直极化和引用未极化的值。提出了一个简短的摘要、结论和展望部分6。
2。太阳射电辐射特性
太阳的电台输出在时间和频率明显不同。太阳能条件通常所描述的条款“安静”,“干扰”,和“活跃。“太阳的安静的太阳能条件发生在没有本地化的来源,是由于热排放在太阳大气的存在。最小值的值观察到自1949年以来提供的信息的意思是平静的太阳在过去大约55年的时期。然而,因为总有一些磁场活动,目前尚不清楚什么是一个真正的“平静的太阳。“太阳的扰动太阳能条件有一个额外的组件,这源于明亮的地区。也称为慢变分量,将会呈现出一种名义27天周期性,与太阳同步旋转。如上所述的介绍,慢变的光谱范围在太阳能组件是显著的,而安静的广播流量,是57和2厘米之间;这样一个组件是最有效地检测到10厘米左右。这个属性的排放,加上10.7厘米的完全偶然的选择对于长期太阳能监控程序,从上世纪初开始,一直是一个主要因素在10.7厘米太阳能通量太阳活动指数的一个里程碑。之间的密切关联的一个例子在10.7厘米,平均每年无线电发射太阳黑子数量可以在攻丝和Zwaan1]。另一个显著的相关性,与太阳辐照总量(其中最大的一部分是迄今为止在紫外、可见,和近红外光谱区)(见,例如,2])。
安静的太阳射电流量对微波频率有三个不同的光谱区域:(我)在频率低于350 MHz,光谱大约是Rayleigh-Jeans法律和对应于一百万开氏度安静的日冕。(2)在频率高于6 GHz,后的排放主要来源于色球层,Rayleigh-Jeans近似黑体的6000 - 10000 K。(3)之间,有一个从主要是色球过渡到过渡区辐射最后主要冠状发射。安静和慢变的排放都是热辐射:亮度温度、发射率成正比的Rayleigh-Jeans近似的普朗克定律,对应的加权平均温度在一个给定的波长范围。太阳大气的热发射高度取决于本法:波长越长,发射的占主导地位的高度就越高。与非热能的排放、热排放的亮度温度不能超过等离子体温度。
第三或零星的组件与一个活跃的太阳。无线电脉冲,常与太阳耀斑,可能超过太阳宁静水平由几个分贝。在这些情况下,热辐射胜过,一段时间的毫秒时间,人口太多亮排放量的高能电子非热能的能量分布(火焰)。在强烈的太阳黑子活动,太阳能通量密度和明显的发射中心不可预知的变化。没有观察到火焰DRAO或雷达在欧洲时间期间分析(2014年4月8日至9月15日)。更详细的信息关于太阳射电辐射可以发现,例如,在攻丝(3和奔驰4)和引用文献。
3所示。专用测量太阳能通量密度在s波段和c波段气象雷达观测
3.1。每日测量太阳能通量在s波段:DRAO参考信号
太阳能通量密度在10.7厘米波长连续监控统治射电天体物理天文台(DRAO)。这个天文台彭蒂克顿附近,不列颠哥伦比亚,加拿大,和特点是低水平分米和厘米波长干涉;环境的质量维护通过强大的地方,省级和联邦保护(3]。每日观察开始于1946年,一直持续至今。当前太阳能通量在10.7厘米, ,可以从DRAO天文台网站获得。这样的大气衰减值修正。特别是,他们指的是精确测量获得一天三次。在夏天,这发生在17岁,20(本地中午),23 UTC。丘陵地平线和50°N纬度低导致太阳过第一个和最后一个计时在“冬季”;因此,通量决定是在18日20日和22日在“暗月UTC。“DRAO测量最后一小时(而不是几秒钟描述雷达观测操作期间与一个移动的天线扫描程序);long-integration时期显著降低了噪音。
在4.1节Gabella et al。5],它已经表明,精确的10.7厘米测量获得的三大系列DRAO在实践与雷达观测的无特征的比较。在本文中,类似于Gabella et al。5),每日雷达值提出了部分3.3将评估对20 UTC数据集,这是用作定量评估的程度的参考协议。
3.2。将从s波段DRAO引用值转换为c波段
以来,这项工作的重点是相对而不是绝对校准,它是可行的,使用10.7厘米太阳能通量测量DRAO估计预期在c波段通量密度:10.7厘米太阳能通量测量转化为其它波长具有不确定性,取决于不同的波长。事实上,转换方程,利用显著稳定的慢变分量的黑体光谱太阳活动可用于这一目的。方程是一个简单的线性变换: 在哪里和代表比例因子和平静的太阳通量密度所需的波长,而安静的太阳能通量密度在10.7厘米参考波长。这样的方程是描述在第五节背后的基本原理的(3]。从他在第五节的表1,比例因子在5和6厘米是0.71和0.73,分别;用简单的线性插值,瑞士的比例因子气象雷达(λ= 5.5厘米)可以估计 。
从物理学的观点,磁通密度在射电天文学观察到光谱辐照度;因此,他们有权力单位每单位带宽和天线的等效收集区域。使用米千克秒的单位,这些权力非常小:在射电天文学,通量单位对应于10−26W m−2赫兹−1。太阳是一个强大的无线电来源和其通量密度通常是在太阳能通量单位(学院),在1学院= 10−22W m−2赫兹−1。根据攻丝(3),安静的太阳能通量密度在2.8 GHz= 64学院。有趣的可以比较这些估计与另一个来源,例如,奔驰(4]:数字8的频率(1 GHz - 30 GHz)表中列出1。然而,指出利用(6),没有可靠的方法测量在10.7厘米波长可以应用在其他频率的天线校准操作。因此,多波长测量需要添加上下文和重量在s波段流量测量。
3.3。水平和垂直极化在c波段雷达观测
使用太阳能信号探测到地面的想法在操作天气雷达扫描程序提出了在一系列的论文:Huuskonen和Holleman7]介绍了太阳能的使用信号来确定天线指向。Holleman et al。8]扩展方法对量化电磁功率测量,为了监视雷达接收链的稳定性。在双极化雷达的情况下,能够测量两个水平(H)和垂直极化(V),同样的技术可以用来监控存在(稳定)的残差反射率抵消:微分稳定性的雷达反射率调查Holleman et al。9]太阳宁静排放期间(2008年3个月)和Gabella et al。5)在高太阳活动(前7个月,2014)。
太阳的自动检测的完整描述签名在极地气象雷达的体积数据可以发现在Huuskonen和Holleman [7];类似的方法用于MeteoSwiss:细节部分2提供了Gabella et al。5]。每日太阳报的数量取决于操作扫描策略,本赛季,和雷达的纬度;山岳志也可能影响最低海拔,总之出院的瑞士雷达为了减少折射率和衰减的影响。注意,大气衰减修正在芬兰和荷兰雷达。不幸的是,太阳几乎从不检测雷达波束轴达到太阳能磁盘的中心:因此,挑战是检索,通过最小二乘法和高斯适合应用于天线辐射方向图的主瓣,太阳能高峰,雷达会收到如果梁打太阳的中心(7,10]。这是检索的一个至关重要的方面:获得,每天几十的测量,最具代表性的每日价值;注意,每个测量的信噪比变化的函数之间的角距离太阳和天线辐射声束轴线模式。如上所述,主瓣可以近似高斯分布,这意味着一个抛物线减少数据库的函数表达的信噪比角偏移量。高灵敏度c波段系统(低接收机损失,配备低噪声放大器、天线半功率波束宽度比1°)在这项研究中,使用对数转换比率太阳+噪声和噪声值范围9和10 dB只有当声束轴线之间的主瓣撞击中心的太阳能磁盘。然而,一方面,所有测量实际执行与一个贫穷的信噪比;另一方面,从冲击噪声贡献的分布存在显著差异,一天比一天。这噪音中减去的一部分,另一部分通过平均每天为一个值,过滤。总之,正如所料,影响雷达的噪声估计远远大于一个影响DRAO测量,如图1和2。
4所示。的描述工具,分数,和选择的观测时间
4.1。瑞士雷达(波长= 5.5厘米)
MeteoSwiss最近重申了天气雷达网络:antenna-mounted,全数字接收机已经引入当前网络(11]。每个系统配备了两个正交接收渠道,能够测量垂直和水平线性极化在操作频率范围在5433 - 5468 MHz。扫描策略是一个关键因素在设计雷达网络的操作在一个山区。MeteoSwiss扫描程序由20仰角扫描重复每五分钟之间的高度与角度−0.2°和40°;产品每2.5分钟更新一次,利用交叉扫描模式(详情,参见图在第45页11])。三个雷达系统(从5安装)是在整个2014:眼肌(海拔1625米,附近的卢加诺;纬度。46.04°;朗。8.83°),阿尔比斯河(935 m,苏黎世附近;纬度。46.29°;朗。8.51°),和多尔(1681 m,日内瓦附近; lat. 46.43°; lon. 6.10°).
4.2。荷兰和芬兰雷达(波长= 5.3厘米)
芬兰气象研究所的网络经营十条c波段多普勒天气雷达,其中9个是偏振。每15分钟,雷达执行11仰角扫描角之间的高程0.3°、45°。在目前的研究中,数据从偏振Anjalankoski (ANJ)雷达。ANJ站点坐标lat。60.90°,经度。27.11°,海拔169米。
2014年,荷兰皇家气象学院(其中)操作的网络两个相同的c波段多普勒天气雷达(水平极化)。每5分钟,雷达执行14仰角扫描角0.3°之间的高程和25°。在目前的研究中,水平极化的观察从这两个站点。两个雷达网站登海尔德(lat。52.95°;朗。4.79°;高度4米)和印度(lat。52.10°;朗。 5.18°; altitude 2 m).
4.3。成绩评估的协议
如上所述的介绍,目前的分析集中在相对协议而不是绝对校准的雷达接收器。换句话说,重点是错误的分散的意思。错误被定义为对数转换比率(dB)中表达之间的价值衡量的雷达接收机和参考从s波段转换后的c波段。这个选择是由于现行的乘法性质的错误影响接收机测量通量密度。最直观的评估分数的相关协议的标准偏差是错误。毫不奇怪,在总结雷达接收机性能2008年平静的太阳期间,Holleman et al。8)使用对数转换的标准差radar-to-DRAO日常比率:荷兰德印度和登海尔德雷达(46天),标准差是0.14和0.17分贝;芬兰Vimpeli和Luosto雷达(44天),这是0.16和0.20分贝。标准偏差的另一个优点是,它是独立于任何乘法偏见可能影响测量。然而,它是高度敏感的任何单个大错误(认为,例如,20和21之间的耀斑UTC,将检测到DRAO但肯定不是由雷达在欧洲)。因此,我们选择了第二个,健壮的、和翔实的分数叫“散射”12]。它的定义是严格选择连接到从用户和生产者角度误差分布。累积误差分布表示为累计归一化加权贡献总额(设在)作为一个函数的对数转换估计/引用率(设在)。的散射(dB)也表达了一半被定义为84%和16%之间的距离加权误差分布的百分位数。上面定义的散射是一个健壮的色散的测量误差。它是独立于偏见和对离群值。
4.4。选择太阳2014年和视觉比较活跃天
理想情况下,一个希望比较之间的协议6欧洲雷达和DRAO参考一样在太阳活跃的时期。此外,一个想要一段时间,至少包括3或4太阳旋转(慢变分量振荡)。然而,它将出现在部分5,我们正面临协议dB的百分之几十的顺序;这意味着,即使是很小的0.1 dB跳(“不连续”)或漂移在垂直或水平通道的雷达会影响我们的调查关于慢变分量。因此,我们必须仔细地选择一段自由的任何类型的不连续或漂移对极化通道的可能的原因(小不连续或飘超出这个范围的注意)。
四个雷达,可以选择一个100天——长期共同4 maxima S-component:持续了100天,从4月8日到7月16日,2014年(98年和197年的一天);太阳慢变分量,以DRAO被4水平通道,如图1。注意,太阳能通量单位设在对数转换。在目前的情况下,年代= 10使用, 学院= 10−19mW·米−2·赫兹−1和[年代)= dBsfu。所有4雷达能够捕获和描述“27天”太阳发出的微波信号的变化;DRAO参考曲线,是指准确1小时每日测量天线辐射方向图的波束轴中心的磁盘,显然是比雷达每天估计更为顺畅,由拟合检索的离轴冲击期间获得第二的一小部分。所指出的Gabella et al。5]4.3节中,这种随机误差(“每日跳跃”)影响雷达曲线可以很容易地和有效地删除running-median过滤器:即使是“短时期限”,为期三天的运行平均每天能够显著降低这些雷达的波动。例如,大型ANJ跳133天将中值滤波消除的。显然这样的点有很强的影响的标准差之间的差异参考和ANJ:因为它会出现在部分5.1(表2),标准偏差结果0.36分贝;这就是为什么这样的分数散射是(见部分4所示。3):它的值是,事实上,小得多,值0.25 dB,类似于一个用于登海尔德,阿尔比斯河。相反,跳跃和滴眼肌(绿色曲线)更大量的:因此,眼肌的散射和标准偏差都显示出相似的数据(表中可以看到2下一节)。如果我们分析之间的关系曲线如图51(98自由度),我们发现最好的解释方差登海尔德和DRAO之间(87%),其次是ANJ和DRAO (84%);最好的两个雷达之间的相关性是略小的:它包括登海尔德ANJ,解释方差的81%。
多尔,可以选择一个亚纪持续只有60天,即4月27(117天),6月25日(176天)。这是因为外部噪音断断续续影响多尔雷达(直到2016年底)。图2表明,在这样的时期,两个慢变分量的最大值发生:蓝色曲线代表再次DRAO引用,而在这种情况下我们选择可视化水平(红色)和纵向(绿色)雷达极化的观察。虽然在这60天剩余噪声比平常更小,它仍然将同时影响雷达通道(比DRAO参考价值);然而,如前所述,为期三天的运行中能够显著降低日常雷达波动引起的噪音。很明显,两个雷达频道之间的协议比H、V和DRAO之间:我们将看到在表2和3标准偏差的区别多尔和DRAO 0.3 dB的顺序,虽然0.08 dB H - v .感兴趣的读者可以比较数据1和2本文用图Gabella et al。5],显示检索到的平均每日值三个瑞士雷达从1月1日到8月12日,2015年。德印度雷达,选择期限大多是不重叠的:它持续90天,运行于6月18日至9月15日,2015年。
5。定量比较DRAO和六个雷达在欧洲
5.1。每日协议H (V)极化和DRAO参考
定量的结果比较雷达和DRAO引用的散射和标准偏差(dB)表中列出2。注意,对于瑞士雷达,我们使用 和 (如[5]);芬兰和荷兰雷达,我们跟随Holleman et al。8]: 和 。
前六行指的是水平极化:5雷达也有类似的良好表现的散射;眼肌是更糟。瑞士雷达而言,与表2页55的5)表明,这两个分数回应“优化”减少(见部分4所示。4)分析了从224年到100年天(阿尔比斯河和眼肌):平均而言,有一个减少0.06 (0.11)dB散射(标准偏差);“优化”(更大的)减少的天数为多尔导致减少0.19 (0.21)dB散射(标准差)。
正如我们已经提到的,大区别ANJ雷达的散射和标准偏差可以很容易地解释为大2 dB雷达检索值下降,发生在133年的一天(见紫曲线在图1)。
关于垂直极化(去年第四行),值得注意的是,演出水平略低于一个标准差和散射;有一个例外,这是ANJ的散射。
5.2。大气衰减和噪声减法的角色
在本部分中,重点是定量协议DRAO和四种雷达数据在100天的时间。如上所述节3.3、一个关键方面是每日雷达检索基于许多太阳能,获得在不同的高度和角度不同角梁轴之间的距离和太阳的中心。最好的方法当然是第二节中描述的一个,1705页,Huuskonen et al。10),这是基于5个参数的线性模型检索的天线会收到如果梁达到太阳的中心。考试成绩表中列出2基于这种方法。如果一个绝对校准不感兴趣,但是只有在相对协议,一个更简单的方法可以使用的一个Gabella et al。5):中位数的,例如,最强的21支安打每天只是为了得到一个健壮的日常使用的估算。通过这样做,正如所料,瑞士雷达的性能没有显著变化:阿尔比斯河的散射(眼肌)是0.25(0.32)数据库,而不是0.23 (0.36)dB。相反,在使用中位数时,ANJ的散射和登海尔德显著恶化:后者从0.22 dB恶化到0.42 dB,前者从0.25 dB 0.39 dB。我们认为主要的原因是缺乏(在瑞士数据)的大气校正,进而战利品拟合过程的好处。另一个原因可与不可避免的存在未知的残留噪声。从被测信号噪声的价值减去,事实上,可能完全不同于真正的噪声影响的雷达观测太阳。在瑞士雷达,例如,减去噪声值的中值观察是什么在每卷的仰角40°。
5.3。相关协议H和V极化(4双极化雷达)
差分反射率标定的问题是至关重要的成功应用偏振天气雷达(见,例如,13,14])。由于太阳观测,可以使用离线方法监测接收链的质量(例如,15])或在操作扫描(9),这里遵循的方法。正如在前一节中所看到的,两种极化类型显示类似的表演而DRAO(水平只是略好);因此,毫不奇怪,他们看起来非常相似,尤其是分散错误的意思。出于这个原因,为定量评估协议,标准差是足够不需要(散射):表中列出的结果3。所有四个雷达,日常中水平和垂直观测之间的协议是小于0.1分贝,即使在标准偏差。比较与表4的57页Gabella et al。5)表明,这类协议不依赖于观察期间的长度:实际上,超过二百天,标准偏差甚至略小。
5.4。增加Radars-DRAO协议使用一个较大的系数(1)
通过观察数据~ 27天振荡1和2,看起来甚至引用的振幅小于检索使用雷达观测曲线。这一事实表明使用大一点的想法系数(1);其他四个价值观已经使用和评估协议的分散在dB:表中列出的结果4。使用更大的系数导致一个更好的协议,所有六个雷达。阿尔比斯河和ANJ(多尔),改善很小;眼肌,De印度,登海尔德散射变成0.05,0.06,和0.07 dB小。作为审稿人提出的,我们也试着修改除了 。多尔登海尔德,阿尔比斯河,De用以改变没有进一步提高协议。ANJ(眼肌),值为90(74)学院减少散射从0.23(0.31)到0.20 (0.30)dB。
6。摘要、结论和展望
在这篇文章中,我们讨论了使用太阳能通量密度5.5厘米的双核的常规监测和单偏振天气雷达共同期间的2014年太阳活动:每天比较两/三个月期间(2014年)之间的值从六个雷达在欧洲和DRAO参考检索显示之间的误差标准偏差0.26 dB和0.40 dB。这个范围的值比较接近Holleman等获得的是什么。844天的一个安静的太阳能期间](2008)。至于水平和垂直极化之间的相对协议而言,Holleman et al。9)发现的特拉普雷达标准差对数转换H-to-V每日比率等于0.20 dB 2008年3个月太阳宁静时期。现代旋光系统似乎比这个基准测试:尽管太阳活动发生在2014年,阿尔比斯河(100天)标准差的眼肌0.06 dB,和ANJ和多尔(60天)为0.08分贝。注意,第一个224天,2014年Gabella et al。5)已获得值介于0.05 dB(阿尔比斯河)和0.06 dB(眼肌和多尔)。最近,Huuskonen et al。16)找到一个标准偏差低至0.02 dB,发现罗芬兰ANJ和雷达。这些数字指较短的观测时期(2015年4月)和一种改进的质量控制去除雨水污染值太阳能。在部分4和5,它已经表明,radar-retrieved太阳能通量曲线能够捕获和描述“27天期”太阳发出的微波信号的振荡,这是所谓的慢变分量。我们得出结论,分析太阳能信号期间获得操作气象雷达的扫描程序是有用的监测接收机稳定和检查质量的微分雷达反射率不仅安静而且活跃的太阳时期。
在瑞士,从2015年初开始,我们还实现了一个基于直接分析 原始数据,接收功率使用的脉冲数量不一定限于1°的方位,除了当前,基于雷达反射率值直接存储在极地体积数据(1°半功率波束宽度)。我们相信,未来的分析基于这部小说技术(通过增加雷达的数量和年)将使我们能够更好地描述慢变分量在5.5厘米。值得注意的是,我们还实现了一个互补技术针对双极化的绝对校准接收器:为了最大化信噪比、雷达接收机必须离线几分钟在太阳的跟踪以天线波束轴指向太阳的中心(17]。雷达观测的太阳能信号进行公平的天气条件的需求。通过这种方式,沿着路径避免wet-radome衰减,衰减。初步结果非常令人鼓舞,MeteoSwiss决定实现一个快速、半自动的Sun-tracking技术,从那时起也被应用于其他四个MeteoSwiss操作c波段雷达(18]。这样一个Sun-tracking技术的主要缺点是,它需要离线操作气象雷达几分钟。最近,该方法已成功应用于x波段(19),尽管规模较小的信噪比和慢变分量的振幅。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。