武汉 MST(Mesosphere-Stratosphere-Troposphere)雷达是国家重大科技基础设施项目“子午工程”的重要设备,基于晴空湍流回波原理,可对对流层、低平流层和部分中间层的三维风场进行探测。作为我国第一批建设的MST雷达,武汉MST雷达被广泛应用于大气风场廓线、大气波动、中纬对流层顶、回波角度敏感特性、低电离层电子漂移速度等方面的观测,结合数值计算,还可进行大气温度剖面反演、动量通量统计等方面的研究。为了更好地提高武汉MST雷达的观测性能,发挥雷达在冷锋等事件下能对对流层和低平流层连续观测的突出优势,本文基于回波角度敏感(角谱)特性,通过实验论述了雷达对低平流层探测最佳倾角的选择,并开展了冷锋期间的角谱实验观测,对实验中观测到的异常现象给出了物理机制解释。主要工作包括:1.对武汉MST雷达中模式(10-25km)工作的探测倾角进行了修正。根据角谱理论,VHF频段的雷达在对流层顶附近大气折射率波动比较大的区域会产生明显的回波功率随角度递减的现象,这种现象将导致雷达在较大探测倾角的回波信噪比会相对较弱,从而无法探测到良好的湍流回波谱。但是,雷达探测倾角选择过小又会面临水平风速分辨率过低以及因角谱造成的测风偏差等问题。为了解决武汉MST雷达在对流层顶附近风场数据缺失率较大的问题,本文基于实验从角谱对信噪比的影响、角谱对测风准确度的影响、水平风速的最小误差以及水平风场的均匀性四个方面综合分析了雷达中模式最佳波束倾角的选择。2.基于重力波线性理论,分析并解释了对流层锋面系统运动对平流层的影响。武汉MST雷达在一次冷锋过境期间进行了连续时间的回波角谱探测,利用角谱在强对流不稳定下其特性会发生明显变化的特点,观测到雷达回波在16-17km处因受下对流层冷锋活动的影响出现了强回波带。同时,利用气球数据对武汉对流层顶区域的惯性重力波进行了提取,计算了惯性重力波的特征参数和传播方向,并结合重力波线性理论分析了重力波的源、波流相互作用、重力波饱和破碎与湍流生成的相互关系。最后得出结论,锋面运动产生的斜压不稳定性造成了重力波的产生并上传到16-17km附近饱和破碎,对背景风场产生了向西的拖曳力,形成强剪切,最终形成湍流层。