高緯地區電離層擴展F發生時間研究

陶 偉 史建魁 王國軍 ZHEREBTSOV G POTEKHIN A ROMANOVA E RATOVSKY K STEPANOV A

(1.中國科學院空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190；2.Institute of Solar-Terrestrial Physics，RAS，Irkutsk，Russia；3.Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy，RAS，Yakutsk，Russia)

引 言

高緯地區是電離層擴展F(Spread-F, SF)現象頻繁出現的區域之一[1].Shimazaki利用北半球15個臺站的電離層測高儀觀測數據發現高緯地區的SF現象主要發生在夜間[2]，這與低緯和赤道地區相同[3].Singleton通過分析位于美洲和遠東地區31個臺站的電離層測高儀觀測數據，進一步指出在磁緯50°和55°之間的高緯地區，SF發生率的峰值大約出現在02∶00LT附近[4].Penndorf利用磁緯大于50°N的加拿大北極群島附近34個臺站在1957年7月至1958年12月的電離層測高儀觀測數據對高緯地區SF的出現時間進行了統計，其研究結果也表明高緯地區夜間SF發生率較高，并指出地磁緯度60°N附近的Fairbanks(GML 64.5°N，102.2°W)和Anchorage(GML 60.8°N，101.6°W)兩個臺站在冬季期間SF發生率的最大值出現在后半夜的05：00LT附近[5-6]，這與緯度相近的西伯利亞Tiksi臺站(GML 60°N，168°W)的觀測結果相似(Besprozvannaya and Lovcova，1956)[7].Shimazaki通過分析處于磁緯50.1°至88.1°的15個臺站在1958年1月的電離層頻高圖，也對高緯地區SF的出現時間進行了研究.他指出在地磁緯度50°至60°地區，冬季的SF發生率在地面日出后迅速降低，最小值大約出現在日出后3至5小時[8].

圖1 四種類型SF的頻高圖實例

從目前高緯電離層SF發生時間的研究現狀可以看出，雖然已經取得了一些研究結果，但還缺乏系統性的研究，并且自1957—1958國際地球物理年以后，未看到有新的關于東亞高緯地區SF發生時間的論文發表.由于不同類型SF的物理產生機制不同，因此需要對SF進行分類研究[9-10].而之前的研究都未對SF進行分類.本文利用Zhigansk和Yakutsk兩個東亞高緯電離層臺站在2006年的測高儀頻高圖數據，對兩臺站各類型SF的發生時間進行統計分析，并對其物理機制進行了討論.

1 數據來源及分類

本研究所用數據來源于俄羅斯Zhigansk和Yakutsk兩個高緯臺站的DPS-4電離層測高儀在2006年探測所獲取的頻高圖，兩臺站的地理坐標以及地磁緯度如表1所示.

表1 Zhigansk和Yakutsk兩臺站的位置

根據電離層測高儀實際觀測的頻高圖，SF現象可以被分為不同的類型.本文按照《電離圖解釋與度量手冊》建議的標準把SF現象分為四類進行分析研究[11]，它們分別是頻率型擴展F(Frequency Spread-F，FSF)、區域型擴展F(Range Spread-F，RSF)、混合型擴展F(Mixed Spread-F，MSF)和分叉型擴展F(Branch Spread-F，BSF).圖1給出了這四種類型SF的頻高圖觀測實例，圖中探測時間為世界時.

按照電離層研究中的常規，本文取各季節分別為：5—8月為夏季，3—4月以及9—10月為分季，11—12月以及1—2月為冬季.

2 結果分析

對SF的出現率進行定義.在所討論的月份，把每天0—24 h各小時時段內各類型SF的持續時間分別進行累加，求得每個小時時段各類型SF總持續時間占整個月份期間該時段的總有效觀測時長的百分比，即為該類型SF的發生率.

2.1 Zhigansk臺站不同類型SF的季節變化

圖2給出了2006年1—12月Zhigansk臺站FSF出現率的地方時變化情況，圖中橫坐標表示地方時，縱坐標是各時段FSF的發生率.

圖2 2006年Zhigansk臺站1—12月FSF發生率的地方時分布

可以看出在Zhigansk站，FSF不僅在各季的夜間都出現，也可在白天被觀測到.

還可看出，冬季期間Zhigansk站的FSF主要出現在09∶00—18∶00LT時段，并且其發生率表現出雙峰結構：FSF發生率在09∶00—11∶00LT附近出現首個峰值后開始下降，直到正午附近達到最低，隨后發生率又開始上升，并在15∶00—18∶00LT附近達到第二個峰值，其大小高于前一個峰值；11月至12月FSF發生率的最大峰值從60%增長至80%左右，而從1月至2月其峰值則由80%下降至60%附近.

在春季和秋季期間，Zhigansk站的FSF出現時間范圍相對冬季沒有太大變化，但發生率卻大幅降低，并且最大發生率的出現時間推遲至21：00LT附近.夏季期間FSF主要出現在18∶00—05∶00LT時段，其他時段基本沒有FSF現象發生.

數據分析結果還表明，MSF也經常在Zhigansk站被觀測到.圖3給出了2006年1至12月Zhigansk站MSF發生率的地方時變化.圖3與圖2的表示方法一致.

圖3 2006年Zhigansk臺站1—12月MSF發生率的地方時分布

可以看到，在各個季節期間Zhigansk臺站MSF的出現時間都主要在18∶00—06∶00LT時段.其出現率最低是在冬季，分季和夏季期間發生率最大，其最大值約為20%.

本文還對Zhigansk站RSF和BSF進行了統計研究.結果表明：RSF和BSF發生率都低于10%，這比FSF和MSF的小得多；RSF主要出現在冬季和分季某些日子的日出和日落附近；BSF只在分季、冬末以及初夏的一些夜間出現.

2.2 Yakutsk臺站不同類型SF的季節變化

圖4給出了2006年1至12月Yakutsk臺站FSF發生率的地方時變化，其表示方法與圖2和圖3完全一致.

可以看出，Yakutsk站的FSF發生率在冬季最高，分季次之，夏季最低.FSF在各季夜間都有出現，白天也可被觀測到，其中冬季正午前后其發生率在10%以上.

冬季期間Yakutsk站FSF主要出現在03∶00—21∶00LT，其發生率也表現出雙峰結構：首個峰值大約出現在09∶00LT，隨后發生率有所下降，在14∶00LT附近又開始上升，并在18∶00LT附近達到第二個峰值.

春季期間FSF的出現時間范圍和出現率都大幅減小，4月份白天的正午已經沒有FSF出現.夏季期間FSF的出現時間范圍最小，主要為18∶00-03∶00LT.進入秋季后，其出現的時間范圍又逐漸變大，在一些日子的正午附近時段又可觀測到FSF.

統計結果表明，MSF也是Yakutsk地區經常觀測到的一類SF.圖5給出了2006年1—12月Yakutsk臺站MSF出現率的地方時變化.

從圖5可以看出，Yakutsk站MSF的出現率在夏季最高.其在各季節都主要出現在18∶00—06∶00LT，并且在8—12月的09∶00—18∶00LT也有發生.

本文也對Yakutsk臺站RSF和BSF的出現率進行了統計分析，結果表明，RSF和BSF的出現率比FSF和MSF都小得多，一般都低于10%.RSF在各個季節主要都出現在18∶00—03∶00LT，BSF主要出現在21∶00—06∶00LT.

2.3 兩臺站結果對比分析

從以上分析可以得出，在出現時間范圍和出現率大小兩方面，高緯Zhigansk和Yakutsk臺站在各季節都是FSF的發生最為活躍，這與熊年祿等人給出的高緯地區最常觀測到頻率型擴展的結論相同.統計分析結果還表明，MSF也是這兩個高緯臺站經常觀測到的一類SF現象.各季節期間在兩臺站出現率最低的是 RSF和BSF.

不僅在各季的夜間，兩臺站在白天也可觀測到FSF的發生，統計結果表明白天FSF的發生率具有季節變化：冬季最高，分季大幅減小，夏季幾乎為零，表現出隨著白天時間變長而降低的特點.兩臺站MSF在各季節均主要出現在18∶00—06∶00LT時段.RSF和BSF在兩個臺站出現時間范圍最小，發生率最低；Zhigansk站RSF只在冬季和分季某些日子的日出和日落附近出現，而Yakutsk臺站RSF則主要出現在夜間的18∶00—03∶00LT，并且幾乎在各季節都能觀測到；兩臺站BSF都只在分季、冬末以及初夏某些日子的午夜前后出現.

圖4 2006年Yakutsk臺站1—12月FSF發生率的地方時分布

圖5 2006年Yakutsk臺站1—12月MSF出現率的地方時分布

3 討 論

Bowman等人提出電離層F層電子密度出現較大梯度時可能會導致FSF的發生[12-14].大量探測資料表明，通常在夜間高緯電離層中存在著電子密度谷區(稱為主電離槽).在冬季和分季的黃昏一直到日出前，主電離槽的出現率都較高，夏季期間主電離槽則主要出現在午夜附近[15-16].有關主電離槽的研究結果表明其邊界具有較大的電子密度梯度[17-18].Nichol對位于南半球電離槽附近的Hobart 和Canberra兩個臺站的SF數據進行分析后指出，這兩個地區SF的發生率在電離槽出現時都較高，他認為高緯電離層SF的產生與電離槽密切相關[19].Pirog等人根據北半球8個臺站(包括 Zhigank和Yakutsk)的電離層測高儀觀測數據也發現了電離槽現象[20].本文對Zhigank和Yakutsk兩臺站FSF發生時間統計的結果表明：兩臺站FSF都主要發生在夜間，并且冬季FSF的發生率大于夏季，這與高緯電離槽出現時間及出現率的季節特點相似，因此本文認為兩臺站的FSF也可能主要與電離槽密切相關.當電離槽區域掃過臺站時，臺站上空電離層增大的電子密度梯度引起了電離層FSF現象.而從圖2和圖4還可看到Zhigansk和Yakutsk兩個臺站FSF的出現率在冬季的白天也較高，說明電離層FSF的產生不只與電離槽有關，還可能受到其他因素的作用.一個重要的因素可能來源于磁層和高緯電離層之間復雜的相互作用[21]，在這些作用下，磁層發電機和電離層擾動發電機輸出的電場可通過等離子體E×B不穩定性在高緯電離層中產生電子密度不規則體[22]，繼而導致FSF的發生.

在各個季節，Zhigansk和Yakutsk兩臺站的MSF主要都出現在夜間的18∶00—06∶00LT.這可能與高緯夜側電離層的粒子沉降有關.Akasofu指出太陽風能量輸入的一部分儲存在地球磁尾，在磁層亞暴期間爆發性的釋放，最終耗散在地球的電離層和大氣中.亞暴耗散的能量會導致夜側高緯電離層局部地區粒子沉降和焦耳加熱[23-24]，使得電離層電導率顯著增大，引發高緯電離層電場的變化.焦耳加熱對高緯尤其是極光帶區域的電離層也將產生強烈的擾動，這些變化和擾動可能也是引起MSF發生的主要原因，這些都還需要進一步的深入研究.另外，AE-C衛星對主電離槽觀測統計分析結果表明各季節主電離層槽主要出現在夜側，因此電離層槽也是引起Zhigansk和Yakutsk兩臺站MSF的因素，但非主要因素.

Rastogi 和 Woodman指出RSF的產生是由于電離層F層底部出現大尺度的不規則體所造成的[25].因此在高緯地區，RSF出現率非常小可能是由于高緯地區電離層擾動主要源自頂部，而來自底部的擾動相對較少.

高緯兩臺站BSF的出現時常伴隨著電離圖空缺現象，這說明此時電離層對電波的吸收作用非常強烈.有文獻報道高緯空缺現象可能與極光橢圓帶有密切關系[26]，因此BSF的發生可能也與極光橢圓帶有關.

4 結 論

本文根據高緯地區Zhigansk和Yakutsk兩臺站DPS-4電離層垂直測高儀在2006年的頻高圖觀測數據，分析研究了這兩個地區各類型擴展F的發生時間以及季節變化特性.研究結果表明：FSF是兩個臺站經常觀測到的SF類型，其不僅出現在各季的夜間，在冬季和分季的白天也可被觀測到，并且白天FSF的出現率隨著白天變長而降低；MSF是兩個臺站經常觀測到的另一種SF類型，兩臺站MSF出現的時間范圍大致都在18∶00—06∶00LT；RSF和BSF在兩個高緯臺站的出現率最低.

通過分析討論，本文認為Zhigansk和Yakutsk臺站FSF的發生主要與電離槽有關，等離子體E×B不穩定性也是導致FSF的發生的可能因素；兩臺站MSF的發生可能主要是來自磁尾的粒子沉降和焦耳加熱引起的；BSF的出現常伴隨著電離圖空缺現象，其發生可能與極光橢圓帶有關.這些都需要更多的觀測和理論研究來驗證.

[1] REBER G. World-wide spread-F[J]. J Geophys Res, 1956, 61(2): 157-164.

[2] SHIMAZAKI T. A statistical study of world-wide occurrence probability of spread-F[J]. J Radio Res Labs, 1959, 6: 669-687.

[3] 王國軍, 史建魁, 王 霄, 等.太陽高年期間海南電離層擴展F出現的起始時間研究[J]. 科學技術與工程, 2006, 6(13):1895-1897.

WANG Guojun, SHI Jiankui, WANG Xiao, et al. Research of starting time of ionospheric Spread-F observed in Hainan during high solar activity[J]. Science Technology and Engineering, 2006, 6(13): 1895-1897. (in Chinese)

[4] SINGLETON D G. The geomorphology of Spread-F[J]. J Geophys Res, 1960, 65(11): 3615-3624.

[5] PENNDORF R. Spread F over polar cap on a quiet day[J]. J Geophys Res, 1962, 67(12): 4607-4616.

[6]PENNDORF R. Diurnal and seasonal variation of spread F in Arctic[J]. J Geophys Res, 1962, 67(6): 2289-2298.

[7] BESPROZVANNATA A S, LOVCOVA V A. State of the ionosphere in the high latitudes, according to observational data for Tiksi Bay[R]. Leningrad: Trudy Arctic Research Institute, 1956.

[8]SHIMAZAKI T. A Statistical study of occurrence probability of spread F at high latitudes[J]. J Geophys Res, 1962, 67(12): 4617-4631.

[9] SHI J K, WANG G J, REINISCH B W, et al. Relationship between strong range spread F and ionospheric scintillations observed in Hainan from 2003 to 2007[J]. J Geophys Res, 2011, 116: A08306. doi:10.1029/2011JA016806.

[10] 王國軍, 史建魁, 王 霄, 等. 海南地區擴展F的季節變化研究[J].電波科學學報, 2007, 22(4): 583-588.

WANG Guojun, SHI Jiankui, WANG Xiao, el al. Seasonal variation of ionospheric spread-F observed in Hainan[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007, 22(4): 583-588. (in Chinese)

[11] PIGGOTT W R, RAWER K. Handbook of ionogram interpretation and reduction[M]. 2nd edition. Washington D C: National Academy of Sciences, 1978: 68-72.

[12] BOWMAN G G. Ionospheric frequency spread and its relationship with range spread in mid-latitude regions[J]. J Geophys Res, 1991, 96(A6): 9745-9753.

[13] HOWER G L, RANZ D M, ALLISON C L. Comparison of HF radar echoes and high-latitude spread-F measurements[J]. J Geophys Res, 1966, 71(13): 3215-3221.

[14] KESKINEN M J, OSSAKOW S L. Theories of high-latitude ionospheric irregularities: A review[J]. Radio Sci., 1983, 18(6): 1077-1091.

[15] TULUNAY Y, SAYERS J. Characteristics of the mid-latitude trough as determined by the electron density experiment on Ariel 3[J]. J Atmos Terr Phys, 1971, 33(11): 1737-1761.

[16] SPIRO R W, HEELIS R A, HANSON W B. Ion convection and the formation of the mid-latitude F region ionization trough[J]. J Geophys Res, 1978, 83(A9): 4255-4264.

[17] MULDREW D B. F-layer ionization trough deduced from Alouette data[J]. J Geophys Res, 1965, 70(11): 2635-2650.

[18] BATES H F, BELON A E, HUNSUCKER R D. Aurora and the poleward edge of the main ionospheric trough[J]. J Geophys Res, 1973, 78(4): 648-658.

[19]NICHOL D G. Spread-F in the midlatitude ionospheric trough zone[J]. J Atmos Terr Phys, 1973, 35(10): 1869-1879.

[20]PIROG O, POLEKH N. The main ionospheric trough in the East Asian region: observation and modeling[J]. J Atmos Terr Phys, 2009, 71(1): 49-60.

[21] 陶 偉, 史建魁, 王國軍, 等.高低緯地區電離層擴展F暴時特性比較研究[J]. 電波科學學報, 2011, 26(5): 899-903.

TAO Wei, SHI Jiankui, WANG Guojun, el al. Comparing study on ionosphere SF between high and low latitude regions during the storm time[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2011, 26(5): 899-903. (in Chinese)

[22] TSUNODA R T. High-latitude F region irregularities: a review and synthesis[J]. Reviews of Geophysics, 1988, 26(4): 719-760.

[23] AKASOFU S I, KAN J R. Importance of Initial ionospheric conductivity on substorm onset[J]. Planet Space Sci, 1982, 30(12): 1315-1316.

[24] RASTOGI R G, WOODMAN R F. VHF radio wave scattering due to range and frequency types of equatorial spread-F[J]. J Atmos Terr Phys, 1978, 40: 485-491.

[25] PIGGOTT W R, RAWER K. URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction[M]. 2nd Edition Washington D C: National Academy of Sciences, 1978: 298.

[26] KELLEY M C, VICKREY J F, CARLSON C W, et al. On the origin and spatial extent of high-latitude F region irregularities[J]. J Geophys Res, 1982, 87(A6):4469-4475.