極區(qū)中層夏季回波與偶發(fā)E層關系的初步研究

李海龍 吳 健 王茂琰

(1. 電子科技大學物理電子學院，四川 成都 610054； 2. 中國電波傳播研究所，電波環(huán)境特性及?；夹g國家重點實驗室，北京102206)

1. 引 言

極區(qū)中層夏季回波(Polar Mesosphere Summer Echoes, PMSE)是發(fā)生在當地夏季極區(qū)中層頂附近的一種異常強大的雷達回波。1979年，Ecklund和Balsley[1]首次用MST雷達(中間層—平流層—對流層頂雷達)在Poker Flat，Alaska觀察到這種現象之后，對PMSE的觀測已經從最初的VHF(甚高頻)頻段逐漸擴展到MF(中頻)、HF(高頻)頻段[2-3]至UHF(超高頻)頻段[4]。探測方式已經開始應用幾部雷達對同一區(qū)域進行觀測[5-6], 并利用電離層加熱裝置主動改變極區(qū)中層頂塵埃等離子體狀態(tài)來研究PMSE[7]，另外利用火箭、激光雷達等實驗裝置開展實時的中層頂區(qū)域基本參數的綜合測量[8]，奠定了研究PMSE的綜合實驗數據基礎，得到了一定的理論和實驗結果[9-10]。同時，不同實驗手段同時測量數據的解釋也向現有的理論發(fā)出了挑戰(zhàn)[11]。

現在PMSE已經在VHF和UHF頻段得到系統(tǒng)的研究，但是在較低的MF和HF頻段PMSE現象觀測依然比較少。HF頻段的觀測雖然具有一定的困難，但在南極Syowa站利用HF雷達已經觀測到PMSE現象[11-12]。另外在MF/HF頻段的探測設備是電離層測高儀，利用電離層測高儀與VHF雷達同時對共同區(qū)域的觀測表明，電離層測高儀能探測到PMSE現象[13-15]。但現在利用MF和HF頻段對PMSE的系統(tǒng)觀測仍沒有出現。我國在南極中山站配有電離層測高儀[17]，它與北極的EISCAT dynasonde(歐洲非相干散射科學聯合會電離層數字測高儀)的工作原理基本一致，這為在南北極對PMSE長期系統(tǒng)研究提供了條件。

利用電離層測高儀分析南北半球的PMSE-Es現象來研究PMSE現象。通過對PMSE-Es層異常特征的分析，利用新的方法統(tǒng)計給出了從1999至2003年五年PMSE-Es出現率的季節(jié)變化，并與北極PMSE的統(tǒng)計結果進行對比，用來驗證這種不規(guī)則的Es(偶發(fā)E層)現象PMSE-Es與PMSE存在一定的聯系。

2. PMSE-Es的判定

Es層是一個電離增強的薄層，在極區(qū)主要出現在夜間。Es物理成因在高緯地區(qū)可能歸因于電場的作用，或來自高能粒子的電離，在高度接近90 km，后者可能起得作用更大。從火箭探空的電子密度剖面和帶電塵埃的剖面可知[8]，在一定高度，帶電塵埃層的存在會使在它上方產生一個電子密度比較大的薄層，這個薄層可能產生一些與PMSE有關的Es現象。下面就分析當地夏季測高儀測量的頻高圖中的Es特點，進而確定PMSE-Es．

圖1表示位于挪威北部Tromsφ(69°35′N, 19°14′E)的Dynsonde對電離層觀測到的出現Es的頻高圖。圖2表示位于南極中山站(69°22′S，76°22′E)的Dynsonde對電離層觀測到的出現Es的頻高圖。圖1和圖2中橫坐標均表示掃描頻率，單位是MHz；縱坐標表示虛高，單位是km。圖1是在國際時間2008-07-03 0000時電離層測高儀觀測到的結果，Es接近90 km，對應于PMSE發(fā)生的區(qū)域，觀測頻率的范圍為1～7 MHz，屬于MF/HF頻段。圖2是在國際時間1997-12-13 1100UT時南極中山站電離層測高儀觀測到的結果，Es接近90 km，對應于PMSE發(fā)生的區(qū)域為2～5 MHz范圍。此處只關心中層頂區(qū)域，即100 km以下的情況。

圖1 電離層測高儀在北極Tromsφ 站2008-07-03 0000UT時觀測到的頻高圖

圖2 電離層測高儀在南極中山站1997-12-13 1100UT時觀測到的頻高圖

通過對比北極夏季和南極夏季當地的電離層頻高圖，發(fā)現在夏季Es經常降到100 km以下，PMSE發(fā)生的區(qū)域，而在冬季Es降到100 km以下的幾率非常低，所以夏季降到100 km以下的Es或許與PMSE存在一些內在的聯系。我們再結合南極中山站的觀測結果研究這種不規(guī)則的Es現象，研究在南極中山站的PMSE-Es現象與PMSE的內在聯系。根據文獻[18]，研究PMSE-Es有兩條判據，即：(1)Es的虛高小于等于90 km；(2)Es的虛高小于等于正常E層的虛高。第一個條件保證這樣的Es發(fā)生在中層頂高度，第二個條件是為了排除正常E層對研究結果的影響。

3. PMSE-Es與PMSE出現率對比與討論

在北極的長期觀測中，文獻[19]統(tǒng)計給出了1999-2003年五年的PMSE出現率的季節(jié)性變化。除2002年PMSE出現率大大減少之外，其它四年的PMSE出現率比2002年都大得多。在2002年PMSE出現的時間比其它時間晚，且它的出現率最大值剛剛超過80%，其它年份在穩(wěn)定期大部分天數PMSE出現率都達到80%以上，這能反映當地夏季極區(qū)中層的一些情況。為了驗證不規(guī)則Es研究的PMSE-Es與PMSE的關系，下面對利用新的統(tǒng)計方法對南極中山站PMSE-Es出現率的季節(jié)性變化進行統(tǒng)計分析，并與北極PMSE出現率的季節(jié)性變化進行對比。

對于PMSE-Es季節(jié)性變化出現率，取十天為一個點，在每天只要出現一次PMSE-Es這一天設為1，這樣每十天給出一個PMSE-Es出現率，這樣統(tǒng)計出的PMSE-Es出現率的季節(jié)特征如圖3所示。圖3中分別給出了1999年、2000年、2001年、2002年和2003年PMSE-Es出現率的季節(jié)性變化，其中橫坐標表示每年10月、11月、12月、01月和02月五個月份，其中每十天為一個單位，縱坐標表示PMSE-Es出現率。

圖3 1999至2003年PMSE-Es出現率在10、11、12、01和02五個月份的季節(jié)性變化。每個月被分為三個單位。橫坐標表示1999至2003五年的五個月份(10、11、12、01和02)，縱坐標表示每年出現的PMSE-Es的幾率

通過圖3發(fā)現：在2002年，PMSE-Es開始出現的時間也比較晚，通過對10月份前十天的統(tǒng)計發(fā)現：2002年時它的出現率僅為10%，其它四年均接近或超過50%，與PMSE出現率統(tǒng)計結果一致，即PMSE和PMSE-Es在2002年出現的都比較晚；實際上在2002年10月中旬的出現率也是比較低的。另外，在2002年只有兩個時間單元達到100%，兩個達到90%，其它四年PMSE-Es都至少三個十天在100%以上，多個在90%以上，可見在1999-2003這五年里2002年是PMSE-Es出現率最低的一年。2002年的這一的特點與北極觀測到的結果一致，都是這五年里出現幾率最低的一年。為了更方便地對比，圖4中分別給出1999-2003年統(tǒng)計在10、11、12、01和02五個月份出現PMSE-Es的總次數，橫坐標表示年數，從1999至2003年，縱坐標表示統(tǒng)計每年從10月到2月五個月份出現PMSE-Es的總次數。此時可以明顯地發(fā)現2002年PMSE-Es出現的次數最少，2000年PMSE-Es的出現率也是最高，比2002年多了二十多天。另外與北極PMSE結果對比發(fā)現：PMSE的出現率在2000年也是最高的，另外可以發(fā)現與其它四年的結果也是一致的。這也從另一個側面表明，PMSE-Es與PMSE之間可能有密切的聯系。

圖4 統(tǒng)計在10、11、12、01和02五個月份的分別在1999-2003五年出現PMSE-Es的總次數。橫坐標表示1999-2003年，縱坐標代表在出現PMSE-Es事件在各自五個月份的總次數

另外也發(fā)現PMSE-Es的出現率整體比PMSE的出現率要高，這和雷達觀測的頻段有密切關系，與在VHF和UHF頻段觀測到的PMSE出現幾率相比，在MF和HF頻段觀測PMSE的幾率要高，同時出現PMSE區(qū)域的高度范圍都比VHF和UHF要寬，這可能是造成此處統(tǒng)計的PMSE-Es出現率比北極統(tǒng)計的PMSE出現率高的原因[16]。

影響PMSE和PMSE-Es出現率主要有兩方面：一是中層頂大氣溫度，二是波驅動的大氣環(huán)流情況(垂直方向和沿子午線方向的)。2002年PMSE和PMSE-Es出現的幾率都比較低，這表明2002年與其它年份相比中層頂的大氣溫度比較高，大氣環(huán)流比較弱。在2002年夜光云(NLC，Noctilucent Cloud)出現率比其它年份相比也明顯的減少，這就提供了更充分和直接的理由說明在2002年極區(qū)當地夏季中層頂具有更高的溫度[20]?？梢奝MSE和PMSE-Es均與全球的氣候變化有關，利用電離層測高儀或許可見觀測空間大氣溫度的變化。

4. 結 論

利用電離層測高儀觀測PMSE-Es現象來研究南北半球PMSE現象。通過對PMSE-Es與PMSE對比發(fā)現了PMSE與PMSE-Es之間的聯系。主要結論如下：

利用新的統(tǒng)計方法統(tǒng)計得到從1999至2003年五年的PMSE-Es出現率季節(jié)性變化，在與北極1999-2003年的PMSE出現率統(tǒng)計結果進行發(fā)現：2002年PMSE和PMSE-Es出現的幾率都較小，結果趨于一致；另外四年得到的PMSE-Es也與北極統(tǒng)計結果非常類似，這也從另一側面發(fā)現PMSE-Es現象與PMSE可能具有一定的內在聯系，但這還需要其它相關參量確定它們之間的聯系。如果它們之間關系被證實，我們就能利用全球分布很廣的電離層測高儀設備長期觀測PMSE，并監(jiān)控全球溫度變暖的環(huán)境問題。

[1] ECKLUND W L, BALSLEY B B. Long-term observations of the arctic mesosphere with the MST radar at Poker Flat, Alaska[J]. J. Geophys .Res., 1981, 86(A9): 7775-7780.

[2]KARASHTIN A N, SHLYUGAEV Y V, ABRAMOV V I, et al. First HF radar measurements of summer mesopause echoes at SURA[J]. Ann. Geophys, 1997, 15(7): 935-941.

[3] OGAWA T, ARNOLD N F, KIRKWOOD S. Finland HF and Esrange MST radar observations of polar mesosphere summer echoes[J]. Ann. Geophys., 2003, 21(4): 1047-1055.

[4] CHO J Y N , KELLY M K. Enhancement of thomson scatter by charged aerosols in the polar mesosphere: with a 1.29-GHz radar[J]. Geophy. Res. Lett., 1992, 19(11): 1097-1100.

[5] BREMER J, HOFFMANN P, MANSON A H, et al. PMSE observations at three different frequencies in northern Europe during summer 1994[J]. Ann. Geophys., 1996, 14(12): 1317-1327.

[6] BELOVA E, DALIN P, KIRKWOOD S. Polar mesosphere summer echoes: a comparison of simultaneous observations at three wavelengths[J]. Ann. Geophys., 2007, 25(12): 2487-2496.

[7] HAVNES O, LA HOZ C, NSHEIM L I. First observations of the PMSE overshoot effect and its use for investigation the conditions in the summer mesosphere[J]. Geophys. Res. Lett., 2003, 30(23): 2229, doi:1029/2003GL018429.

[8] HAVNES O, TR?IM J, BLIX T, et al. First detection of charged dust particles in the earth’s mesosphere[J]. J. Geophys. Res., 1996, 101(A5): 10839-10847.

[9] 李海龍, 吳 健, 黃際英, 等. 極區(qū)中層頂區(qū)域塵埃粒子對電磁波散射的研究[J]. 電波科學學報, 2008, 23(4): 686-688.

üLI Hailong, WU Jian, HUANG Jiying, et al. Scattering of electromagnetic wave by charged dust in polar mesopause[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(4): 686-688. (in Chinese)

[10] 石雁祥, 王 菊, 吳 健,等. 對兩種弱電離塵埃等離子體特征參量的定量估計[J]. 電波科學學報, 2008, 23(1): 95-99.

SHI Yanxiang, WANG Ju, WU Jian, et al. Characteristic parameters estimation of two weakly ionized dusty plasma[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(1): 95-99. (in Chinese)

[11] RAPP M , LüBKEN F J. Polar mesosphere summer echoes (PMSE): review of observations and current understanding[J]. Atmos. Chem. Phys., 2004, 4(11/12): 2601-2633.

[12] OGAWA T, NISHITANI N. Upper mesosphere summer echoes detected with the Antartic Syowa HF radar[J]. Geophy. Res. Lett., 2002, 29(7), 1157, doi: 10. 1029/2001/GL014094.

[13] HOSOKAWA K, OGAWA T, SATO N, et al. Statistics of Antarctic mesospheric echoes observed with the SuperDARN Syowa Radar[J]. Geophys. Res. Lett., 2004, 31(2), L02106, doi: 10.1029/2003GL018776.

[14] LIU J Y, PAN C J, LEE C C. VHF radar and MF/HF dynasonde observations during Polar Mesosphere Summer Echoes conditions at EISCAT[J]. Earth Planets Space, 2002, 54(6): 691-698.

[15] LEE C C, LIU J Y, PAN C J, et al. Doppler velocities obtained by the EISCAT VHF and the dynasonde during the PMSE95 campaign[J]. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 2001, 63(2/3): 193-199.

[16] RAMOS C. KELLEY M C, DJUTH F, et al.MF/HF/VHF radar observations of polar mesosphere summer echoes (PMSE)[C]∥ Radar Conference, 2007 IEEE, 2007, 1029-1033.

[17] 劉瑞源, 錢嵩林, 賀龍松. 南極中山站數字式電離層測高儀的初步觀測結果[J]. 地球物理學進展, 1997, 12(4): 109-118.

LIU Ruiyuan, QIAN Songlin, HE Longsong. Preliminary experimintal results about the digisonde portable sounder-4 at Zhongshan Station, Antarctica[J]. Progress in Geophysics, 1997, 12(4): 109-118. (in Chinese)

[18] 李海龍, 吳 健, 劉瑞源, 等. 南極中山站DPS-4電離層測高儀的中層夏季回波統(tǒng)計分析[J]. 極地研究, 2007, 19(1): 1-9.

LI Hailong, WU Jian, LIU Ruiyuan, et al. The statistics analysis of mesosphere summer echoes observed by DPS-4 at Zhongshan Station,Antarctica[J]. Chinese Journal of Polar Research,2007,19(1): 1-9. (in Chinese)

[19] GOLDBERG R A, FRITTS D C, WILLIAMS B P, et al. The MaCWAVE/MIDAS rocket and ground-based measurements of polar summer dynamics: overview and mean state structure[J]. Geophys.Res.Lett.,2004,31,L24S02,doi:10.1029/2004GL019411.

[20] BAILEY S M, MERKEL A W, THOMAS G E, et al. Observations of polar mesospheric clouds by the student nitric oxide explorer[J]. J. Geophys. Res.,2005, 110(D13),D13203,doi:10.1029/2004JD005422.