曲靖非相干散射雷達(dá)電離層E-F 谷區(qū)電子密度日間變化特征初步分析

丁宗華 代連東 楊嵩 苗建蘇 吳健

（1. 中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實驗室，青島 266107；2. 昆明電磁波環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站，曲靖 655500）

引 言

根據(jù)Chapman 理論，在電離層E 層與F 層之間存在電子密度谷區(qū)(即E-F 谷區(qū))，由于探測手段與數(shù)據(jù)的不足，目前對電離層E-F 谷區(qū)的認(rèn)識十分有限.垂直探測儀雖然是最常規(guī)、最廣泛使用的電離層探測設(shè)備，但無法給出E-F 谷區(qū)詳細(xì)信息(包括谷區(qū)位置、谷寬、谷深等)[1]. 目前E-F 谷區(qū)的主要探測方法是探空火箭和非相干散射雷達(dá)，探空火箭是E-F 谷區(qū)就位探測的唯一手段，但探測時間與數(shù)據(jù)量不足.史建魁等[2]介紹了我國海南地區(qū)E-F 谷區(qū)電子密度的首次探空火箭觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)谷區(qū)位于90～150 km，谷寬約42 km，谷深約50%，這與國際上其他地區(qū)的探測相比都偏大，但谷區(qū)外的電子密度與垂直探測儀探測結(jié)果相符合.

非相干散射雷達(dá)是目前最強(qiáng)大的地基電離層探測設(shè)備. CHAU 等[3]介紹了低緯地區(qū)Jicamarca (11.9°S,283.1°E)非相干散射雷達(dá)的E-F 谷區(qū)電子密度探測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與探空火箭探測結(jié)果一致. MAHAJAN 等[4-5]分析了低緯地區(qū)Arecibo (18.3°N, 66.7°W)非相干散射雷達(dá)的E-F 谷區(qū)電子密度隨地方時與太陽天頂角的變化特征，發(fā)現(xiàn)白天的谷區(qū)結(jié)構(gòu)不明顯且變化很小，但是夜間的谷區(qū)結(jié)構(gòu)很顯著且變化很大. ZHANG等[6]介紹了中緯地區(qū)(34.8°N, 136.1°E)MU 雷達(dá)(中、高層大氣雷達(dá))對電離層90 ～160 km 電子密度的初步探測結(jié)果. CHEN 等[7]對比了中緯地區(qū)Millstone Hill (42.6°N, 288.5°E) 垂直探測儀與非相干散射雷達(dá)的電離層電子密度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)垂直探測儀反演的EF 谷區(qū)電子密度(利用Titheridge 模型)與非相干散射雷達(dá)相比存在較大差異.

在子午工程支持下，中國電波傳播研究所于2012 年初在云南曲靖(25.6°N, 103.8°E)建成了我國首套非相干散射雷達(dá). 丁宗華等介紹了該雷達(dá)的技術(shù)性能指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理方法[8]及初步探測結(jié)果，包括電離層電子密度變化[9-10]、電子溫度變化[11]、電子密度日落增強(qiáng)[12]與空間碎片分布特征[13]等，但尚未報道該雷達(dá)對電離層E-F 谷區(qū)電子密度的探測結(jié)果.本文利用曲靖非相干散射雷達(dá)日間探測的120～200 km(覆蓋E 層上部、E-F 谷區(qū)、F1層)電子密度數(shù)據(jù)，對曲靖地區(qū)E-F 谷區(qū)電子密度變化特征進(jìn)行了初步分析.

1 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)雷達(dá)方程[14]，電離層非相干散射回波功率與電子密度成正比. 120 km 以下低電離層電子密度與F2層相比很小，散射回波弱，信噪比低，探測精度較差；同時，120 km 以下經(jīng)常會受到相干回波(電離層偶發(fā)E 層、E 區(qū)不規(guī)則體、流星) 干擾，信噪比進(jìn)一步降低[6].

非相干散射回波功率與電離層電子密度的關(guān)系為式中：Pr為回波功率；C為非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)；Ne為電子密度；R為雷達(dá)到電離層散射體的距離；Tr為電子與離子溫度比； α為德拜因子(電離層等離子體德拜長度與雷達(dá)波長之比的平方). 曲靖非相干散射雷達(dá)的波長為60 cm，德拜長度一般為數(shù)cm，因此德拜因子一般小于0.01，該數(shù)值非常小可以忽略. 對于低電離層，由于碰撞頻率較高，溫度的遲豫時間很短(在90 km 和150 km 處分別為0.000 1 s 和1 s)[6]，可認(rèn)為電子與離子近似熱平衡(特別是夜間).Evans[15]對比分析了非相干散射雷達(dá)、探空火箭和衛(wèi)星觀測的電離層電子與離子溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在130 km以下的電子與離子處于熱平衡，但是在160 km 的電子與離子溫度比約1.1～1.2，本文假設(shè)120～200 km的電子與離子溫度比為1，這可能會導(dǎo)致約10%的誤差[6]. 利用本地垂直探測儀探測的F2層臨界頻率可以標(biāo)校雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)，從而估算電離層電子密度剖面.

2 初步結(jié)果

2.1 基本變化特征

圖2 為曲靖地區(qū)不同季節(jié)白天(約9:00—16:00)120～200 km 的電子密度剖面，其中紅色實線為平均值，距離分辨率為4.5 km，時間分辨率為2 min. 可以看出，120～200 km 電子密度剖面在不同月份具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)，冬(2015-01-15)、春(2015-04-05)與秋季(2014-11-02)120～150 km 的電子密度隨著高度增加迅速降低，在約140 km 達(dá)到最小值(谷底)，然后緩慢單調(diào)增加，形成顯著的谷區(qū)結(jié)構(gòu)，200 km 的電子密度低于120 km. 夏季(2014-07-11)120～150 km 的電子密度隨著高度增加緩慢變化，谷區(qū)更寬，谷底高度約130 km，從150 km 開始快速單調(diào)增加，200 km 的電子密度遠(yuǎn)大于120 km，夏季120 ～200 km 總電子密度含量大于其他季節(jié).

圖1 2014-03-30T9:25LT 曲靖非相干散射雷達(dá)探測的回波功率和電子密度剖面Fig. 1 The echo power and electron density profile of Qujing incoherent scatter radar at 9:25LT on 2014-03-30

圖2 曲靖地區(qū)不同季節(jié)的日間電子密度剖面Fig. 2 The daytime electron density profiles in different seasons in Qujing

圖3 為2017-04-30 探測的120～200 km 電子密度剖面隨地方時的變化. 可見不同時刻的電子密度剖面形態(tài)不一樣，并且相對正午時刻具有一定的對稱性. 在日出時的E-F 谷區(qū)較深較寬(谷底約144 km，谷深約0.92)；9:00—13:00 期間電子密度增加，谷區(qū)較窄并緩慢變化(谷底約140 km，谷深約0.73)，谷底位置在140～144 km 變化；15:00 開始谷區(qū)再一次加深.

圖3 2017-04-30 不同地方時的電子密度剖面對比Fig. 3 The comparison of the daytime electron density profiles in different local time on 2017-04-30

圖4 為2015-05-30 探測的149～198 km 6 個不同高度處電子密度隨不同地方時的變化. 可見不同高度處的電子密度相對正午12:00 具有對稱性，隨著高度增加，對稱性降低. 在日出時電子密度迅速增加，約9:00 即達(dá)到最大值，隨后緩慢變化；在15:00 開始快速降低，在19:00 達(dá)到極小值；在19:00—20:00 出現(xiàn)短暫的增加；在21:00 再次開始下降，并維持在夜間的較低值.

圖4 2015-05-30 不同高度電子密度變化Fig. 4 The variations of the electron density in different altitudes with local time on 2015-03-30

2.2 太陽耀斑期間的E-F 谷區(qū)電子密度變化

眾所周知，低電離層主要受光化學(xué)過程控制，耀斑期間太陽X 射線與極紫外等電磁輻射顯著增加，必然對電離層光化學(xué)過程產(chǎn)生影響. 2014-12-17 發(fā)生了一次X 級耀斑，曲靖11:20 時刻軟X 射線輻射流量 迅速 增 加，11:46 達(dá) 到 最大 約 8×10-5W/m2，為M8.7 級耀斑水平，于12:15 結(jié)束，持續(xù)約55 min. 圖5為2014-12-17 曲靖地區(qū)不同高度的電子密度變化.可見曲靖9:30—13:00 期間124～129 km電子密度變化趨勢相似，在耀斑爆發(fā)后迅速增加，在11:30 達(dá)到最大值，隨后下降；134～149 km 的電子密度增加不明顯.

圖5 2014-12-17 耀斑期間不同高度電子密度變化Fig. 5 The variations of the electron density in different altitudes with local time in the solar flare event on 2014-12-17

圖6 為2014-12-15—18 電離層垂直探測的fmin(起測頻率)與foE(E 層尋常波臨界頻率)變化，fmin一定程度上反映了D 層電子密度的變化，foE 與E 層最大電子密度有關(guān). 耀斑期間，電離層D 層在太陽軟 X射線輻射電離作用下，電子密度迅速增加，導(dǎo)致入射到D 層的無線電波吸收衰減增加，起測頻率越高吸收越嚴(yán)重. 從圖6 可見12-17 T 11:00—12:00fmin快速增加，12:00 達(dá)到最大值約6.0 MHz，對應(yīng)的電子密度約4.46×1010/m3，12:00—14:00 快速降低，15:00 以后降低到約1.4 MHz，表明fmin與太陽軟 X 射線輻射流量增加有關(guān).foE 相對正午12:00 具有明顯的對稱性，表明foE 主要受太陽輻射光化學(xué)過程控制，但是2014-12-17T11:00 以后無觀測數(shù)據(jù)，因此利用foE 無法分析此次耀斑效應(yīng).

圖6 2014-12-15—18 耀斑期間電離層fmin 與foE 變化Fig. 6 The variations of the fmin and foE with local time in the solar flare event during 2014-12-15—18

由于電離層不同高度的中性成分不同，不同成分吸收太陽電磁輻射的程度不同，導(dǎo)致不同高度的電子密度變化特征不同. 比如低電離層(D 層和E 層底部)以分子離子為主，對太陽 1～8 ? 軟 X 射線輻射強(qiáng)度的變化很敏感；隨著高度增加，分子離子與原子離子并存，太陽極紫外輻射電離也變得重要，因此圖5 中124～129 km 電子密度增加可能是由于太陽X 射線或極紫外輻射增強(qiáng)有關(guān).

2.3 磁暴期間的E-F 谷區(qū)電子密度變化

磁暴是引起電離層劇烈擾動的主要因素，磁暴發(fā)生后數(shù)十小時至數(shù)天內(nèi)，電離層會出現(xiàn)不同程度的擾動. 以往研究表明，磁暴期間電離層F2層會出現(xiàn)顯著變化，而F1層暴時變化可能不顯著[16]. 2015-04-11 與2015-04-16 接連爆發(fā)了中等磁暴，圖7 為2015-04-01—21 的地磁環(huán)電流指數(shù)(disturbance storm time,DST)分布，黑色虛線分別對應(yīng)04-17 與04-19T0:00UT，可見04-01—04-09 內(nèi)Dst 指數(shù)在-20～20 nT 變化，14 日22:00 已 達(dá) 到-36 nT，15 日23:00 降 低 到-43 nT，16 日23:00 達(dá)到-78 nT(中強(qiáng)磁暴級別)，隨后逐漸增加，18 日13:00 增加到-8 nT，隨后緩慢降低，19 日0:00 達(dá)到-30 nT，隨后緩慢增加.

圖7 2015-04-01—21 DST 指數(shù)變化Fig. 7 The DST variations during 2015-04-01—21

圖8 為2015-04 磁暴事件期間曲靖地區(qū)電離層139～196 km 電子密度觀測結(jié)果. 為了比較，圖8 也給出了04-03(Dst 平均值為-8 nT，可認(rèn)為磁靜日)的觀測結(jié)果. 可以看出：在磁靜日電子密度隨著高度增加而增大，139 km 的電子密度為極小值，隨著高度增加電子密度逐漸增加，說明電子密度谷區(qū)可能位于139 km 附近；不同高度的電子密度隨著地方時緩慢變化. 在磁暴日的04-19 午后，177～196 km 的電子密度出現(xiàn)顯著增加，高度越高，電子密度增加的幅度越大，即F1層出現(xiàn)了正暴效應(yīng)；04-17 午后177～196 km出現(xiàn)疑似增強(qiáng)但不明顯，139～158 km 的電子密度變化不明顯. 以上現(xiàn)象也反映出04-19 的谷區(qū)結(jié)構(gòu)相對于04-03 發(fā)生了變化.

圖8 2015-04 磁暴期間不同高度電子密度變化Fig. 8 The variations of electron density in the different altitudes during the geomagnetic storm event in 2015-04

圖9 為此次磁暴事件期間的電離層垂直探測foE，foF1(F1層尋常波臨界頻率)與foF2(F2層尋常波臨界頻率) 的變化，foF1與F1層最大電子密度有關(guān)，foF2與F2層最大電子密度有關(guān). 從圖9 可見，磁暴期間foE 相對正午12:00 具有明顯的對稱性，而且相對于磁靜日無明顯增加，說明磁暴期間E 層電子密度變化不明顯.foF1觀測數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，無法分析磁暴期間foF1的相對變化，但初步顯示04-17 相對于04-03 無明顯增加.foF2在04-17T14:00—21:00 相對04-03 出現(xiàn)增加，最大增幅為2.9 MHz(16:00)，對應(yīng)的電子密度相對增加36%，04-19T16:00—21:00 相對04-03 出現(xiàn)增加，最大增幅為2.2 MHz(18:00)，對應(yīng)的電子密度相對增加32%.

圖9 2015-04 磁暴期間電離層foE，foF1 與foF2 的變化Fig. 9 Temporal variations of the foE, foF1 and foF2 in the geomagnetic storm event in 2015-04

F1層是原子離子與分子離子的過渡區(qū)，原子離子與分子離子之間的競爭是控制F1區(qū)暴時電子密度變化的主要機(jī)制，另外與中性成分(O，O2，N2)的季節(jié)變化也有關(guān). F1層日間電子密度變化主要受太陽極紫外輻射下中性成分的光化學(xué)過程控制，F(xiàn)1層氧原子離子( O+)密度可表示為

式 中：q(O+)為 氧 原 子 離 子 產(chǎn) 生 率； β為 損 失 率；H=kTn/(mg)為原子氧標(biāo)高. 可見氧離子密度隨高度增加而增加，而分子離子密度隨高度增加不明顯，因此在F1層上部甚至F2層氧原子離子占主導(dǎo)地位，而在F1層下部以分子離子占主導(dǎo)，氧原子離子密度的變化也決定了F1層暴時效應(yīng)的正負(fù).

BURESOVA 等[17]利用歐洲電離層垂直探測數(shù)據(jù)分析了日間160～190 km 電子密度的暴時效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)無論F2層是正暴還是負(fù)暴，F(xiàn)1層暴時電子密度總是減小，即負(fù)暴效應(yīng). F1層暴時效應(yīng)存在季節(jié)差異，夏季不明顯，冬季明顯，秋季強(qiáng)于春季. MIKHAILOV[16]利用Millstone Hill 與EISCAT 非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)分析了160～200 km 電子密度的磁暴效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)電子密度以負(fù)暴效應(yīng)為主，但也會出現(xiàn)正暴. 在四個季節(jié)都會出現(xiàn)負(fù)暴，其幅度比正暴更大，隨著高度增加幅度變化越大. 出現(xiàn)負(fù)暴與氧原子離子密度減小與分子離子密度增加有關(guān). 出現(xiàn)正暴的機(jī)制有多種，比如氧原子密度增加、220 km 以下熱層大氣收縮導(dǎo)致密度減小等. 如果F1層正暴與氧原子密度增加有關(guān)，那么不同高度的正暴效應(yīng)不同，高度越高，正暴效應(yīng)越強(qiáng)，同時在暴時赤道向熱層風(fēng)導(dǎo)致的垂直等離子體漂移作用下，F(xiàn)2層出現(xiàn)強(qiáng)烈的正暴效應(yīng). 相反，如果與熱層大氣收縮有關(guān)，那么隨著高度增加，正暴效應(yīng)減弱.

2015-04-19 曲靖地區(qū)139～158 km 的電子密度變化不明顯，與垂直探測foF1的變化基本一致；177～196 km 的電子密度在午后出現(xiàn)顯著增加，高度越高，增幅越大；垂直探測foF2的變化顯示午后16:00—21:00 的F2層電子密度出現(xiàn)增強(qiáng)，這些與MIKHAILOV 觀測研究結(jié)果基本一致. 因此猜測2015-04-19 177～196 km(F1層上部)電子密度增加可能與氧原子等中性成分增加有關(guān).

3 分析與討論

ZHANG 等[6]利用中緯地區(qū)MU 雷達(dá)數(shù)據(jù)分析了90～160 km 電子密度變化特征，發(fā)現(xiàn)1 月與3 月相似，7 月與9 月相似，但1 月和3 月與7 月和9 月的差別很大，1 月日間的E-F 谷區(qū)谷底位于125～155 km，但9 月E-F 谷區(qū)結(jié)構(gòu)不明顯. 上文結(jié)果表明曲靖地區(qū)120～200 km 電子密度具有兩種形態(tài)：一種具有顯著的谷區(qū)結(jié)構(gòu)(谷底位于134～144 km)，另一種谷區(qū)不明顯，這與MU 雷達(dá)觀測結(jié)果基本一致，但相對其他地區(qū)而言，谷底更高.

蘇元智等[18]利用武昌白天的垂直探測電離圖反演的E-F 谷區(qū)電子密度數(shù)據(jù)分析了武昌地區(qū)白天的谷區(qū)特征，發(fā)現(xiàn)大部分時間里都存在谷區(qū)結(jié)構(gòu)，谷深很淺，大部分谷深約0.2；谷寬平均約30 km，隨季節(jié)變化，冬季較寬，夏季較窄；谷寬隨太陽天頂角增加而增大. 圖2 中曲靖地區(qū)的谷深約0.7，遠(yuǎn)大于武昌，表明曲靖地區(qū)的深谷較多；圖3 中曲靖地區(qū)的谷寬在正午較小，在日出更大，即隨著太陽天頂角增大而增大，這與武昌的觀測結(jié)果一致.

SHI 等[2]首次使用探空火箭數(shù)據(jù)分析了海南地區(qū)日出時的電離層E-F 谷區(qū)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)E-F 谷位于123.5 km，寬度約42 km，深度約50%，這個結(jié)果與其他站觀測結(jié)果相比，谷區(qū)更寬更深. 曲靖地區(qū)位于中低緯過渡區(qū)，谷寬與谷深相對更小，上文結(jié)果表明曲靖地區(qū)E-F 谷位于約140 km，谷寬約30 km，這相對于我國低緯海南地區(qū)而言，谷區(qū)位置更高，寬度更窄.

MAHAJAN 等人[4-5]利用低緯地區(qū)Arecibo 非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)分析了E-F 谷區(qū)的谷寬與谷深變化特征，并給出了谷寬谷深的經(jīng)驗?zāi)Ｐ? 研究發(fā)現(xiàn)夜間谷區(qū)相對于日間變的更寬更深，日間實測的谷寬相對于模型值更窄. 圖10 為利用MAHAJAN 模型仿真的谷區(qū)參數(shù)隨太陽天頂角的變化. 可知，當(dāng)太陽天頂角從0°變化到60°時，谷區(qū)深度從0 變化到0.1，谷區(qū)寬度由7 km 增加到13 km. 當(dāng)天頂角增加并接近90°時(比如日出、日落)，谷區(qū)寬度和深度進(jìn)一步增大，谷深可達(dá)0.25，谷寬可達(dá)23 km.

圖10 谷區(qū)參數(shù)隨太陽天頂角的變化Fig. 10 Variations of the E-F valley depth and width with the solar zenith angle

根據(jù)TITHERIDGE 模型[19]，正午時E-F 谷區(qū)寬度約10～15 km，谷區(qū)深度約4%～7%；當(dāng)天頂角增加到70°時，谷寬約10～25 km，谷深約7%～10%；當(dāng)天頂角增加到84°時，E-F 谷區(qū)結(jié)構(gòu)將消失. E-F 谷區(qū)寬度和深度與太陽天頂角的關(guān)系近似滿足(sec χ)0.6. 圖3中日出時的谷區(qū)寬度與深度更大，隨著天頂角減小，谷區(qū)變窄，谷深變淺，這與MAHAJAN 和TITHERIDGE模型基本一致.

一般認(rèn)為，影響電離層E-F 谷區(qū)結(jié)構(gòu)的因素包括以下幾個方面：1) 太陽天頂角. TITHERIDGE[19]指出E-F 谷區(qū)寬度和深度會隨著太陽天頂角的增加而變大，這已被探空火箭實驗[18]觀測證實. 2)地磁緯度. TITHERIDGE[19]指出低緯地區(qū)的E-F 谷區(qū)寬度和深度更大. 曲靖地區(qū)的地磁緯度為14.3°N，位于赤道北駝峰邊緣地區(qū)，屬于中低緯過渡區(qū)，與典型的低緯或中緯不同. MAEDA[20]通過分析中緯地區(qū)探空火箭數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)日間E-F 谷區(qū)平均高度約115 km，說明低緯地區(qū)的谷區(qū)高度低于中緯地區(qū). 3)地方時.MAHAJAN 等[5]發(fā)現(xiàn)E-F 谷區(qū)的寬度和深度在日出日落時更大，當(dāng)太陽天頂角80°時，谷區(qū)平均高度約122 km.

4 小 結(jié)

通過分析曲靖非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)，文中首次初步給出了曲靖地區(qū)電離層E-F 谷區(qū)電子密度剖面的變化特征，包括：1)曲靖地區(qū)日間120～200 km 電子密度剖面具有兩種形態(tài)，隨著季節(jié)與地方時變化.一種是存在明顯的谷區(qū)結(jié)構(gòu)，谷底高度約134～144 km；另一種是谷區(qū)很寬，谷底位于約130 km，120～150 km電子密度隨高度緩慢變化，160 km 以上電子密度快速單調(diào)增加，這與MU 雷達(dá)觀測結(jié)構(gòu)基本一致. 2)耀斑期間，129 km 以下的電子密度會出現(xiàn)顯著的增強(qiáng)，134 km 以上增強(qiáng)現(xiàn)象不明顯，可能與太陽X 射線與極紫外輻射增強(qiáng)有關(guān)，D 層電子密度出現(xiàn)突然增加，可能與X 射線爆發(fā)有關(guān). 3)中等磁暴期間，177～196 km 的電子密度與foF2均出現(xiàn)了正暴效應(yīng)，可能與氧原子含量增加有關(guān)，這與國外非相干散射雷達(dá)觀測基本一致.

下一步將利用更多數(shù)據(jù)深入分析曲靖地區(qū)電離層E-F 谷區(qū)的變化特征，探討其機(jī)制，并嘗試建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?

致 謝本文使用了子午工程曲靖非相干散射雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)，在此表示感謝.