中國低緯地區行星波擾動觀測及其對SF的影響

朱正平，高紫楓，羅偉華

(中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074)

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中國低緯地區行星波擾動觀測及其對SF的影響

朱正平，高紫楓，羅偉華

(中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074)

摘要為研究在日落后反轉增強(PRE)期間行進式行星波電離層擾動(TPWIDs)對F層的調制機制以及對擴展F(SF)形成和發展的作用，利用三亞地區DPS-4D數字測高儀2012年探測的34080張數字頻高圖數據，獲取了電離層特性參數-真高，以真高的逐日變化表征行進式行星波擾動，分析了中國低緯地區SF高發季節中行星波擾動特性，并研究了行星波擾動時的不同相位對SF產生和發展的影響.結果表明：地磁平靜時期，在PRE期間，TPWID行星波擾動調制著PRE時期的電場強度，根據其相位的不同能導致F層的高度上抬或下降；日落后F層高度的變化控制著SF的發生，在三亞地區真高閾值大約為250 km，即當PRE導致F層高度上抬到大于250 km時，有利于SF產生；并且在分點季節(3月，4月，9月和10月)，TPWID行星波相位也調制著SF的開始時間，即TPWID相位越大，SF發生的越早，TPWID相位越小，SF發生的越晚甚至不發生.

關鍵詞數字頻高圖；行進式行星波電離層擾動；日落后反轉增強；擴展F；開始時間

Observation of Planetary Wave Disturbances and Their Influence on Spread F in Low Latitude Region of China

ZhuZhengping,GaoZifeng,LuoWeihua

(College of Electronics and Information Engineering, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

AbstractTo study the modulation mechanism of traveling planetary wave ionospheric disturbances (TPWIDs) on F layer during pre-reversal enhancement (PRE) and its effect on the formation and development of spread F (SF), in this paper, the characteristics of planetary wave disturbance is analyzed during the high SF season in china′s low latitude region, and the influence of TPWIDs phase on the formation and development of SF is investigated by the method that TPWIDs are used to refer to oscillation of the true height, which is the day-to-day variability and one of the ionosphere characteristic parameters obtained from ionogram observed by Digital Portable Sounder 4d(DPS-4D) ionosonde at sanya in 2012. The results show that TPWIDs-type oscillations controlling the strength of the electric field during PRE, therefore, slowly push the F layer height up and down according to the TPWIDs phase in the geomagnetic quiet period. the occurrence of SF is strongly controlled by the change of post-sunset F layer height and the altitude of 250 km may be a threshold at sanya, so when the the electric PRE causes the F layer bottom side to reach heights above 250 km, it is conducive to generate SF. Also during equinox (March, April, September and October) the onset time of SF is modulated by the TPWIDs phase in such way that, when the phase greater, SF occurs earlier and when the phase smaller, SF occurs later or no SF.

Keywordsionogram; TPWIDs; PRE; spread F; the onset time

1938年，Booker和Wells[1]首次利用電離層測高儀觀測夜間磁赤道地區的電離層，發現并將電離圖上F層回波描跡出現彌散狀的現象定義為SF，已有研究表明，當SF現象出現時，無線電信號會受到這種電離層不規則體的嚴重影響，其相位和振幅會出現大的波動，即閃爍現象[2].SF發生涉及多種電離層過程，其形成機制始終是電離層物理的一個重要科學研究課題.開展SF產生機制以及出現的起始時間規律的研究對實現空間天氣預報以及短波通信和衛星通信保障等也有著十分重要的應用價值.

Rayleigh-Taylor(R-T)[3,4]不穩定性是赤道及低緯地區電離層大中尺度不規則體產生的基本機制，而觸發R-T不穩定性需要很小的擾動源作用在F層底部，目前研究提出引發R-T不穩定性的重要擾動源有來自大氣層和外部因素的熱層風，重力波，磁暴以及行星波[5-7]等，它們的共同作用使得電離層F層出現逐日變化的SF現象.

行星波是全球范圍的波，周期為2～35 d[8]，起源于對流層或平流層[9]水平和垂直方向傳播，通過調制潮汐或熱層風等氣象活動到達F層[10,11].Lastovicka[12]指出行星波在底層大氣通過調制向上傳播的潮汐波使得F層存在行星波狀擾動.Bertoni[13]通過對F層虛高的時間變化率dh′F/dt以及SF開始時間進行小波分析結果顯示，周期為12 d的擾動與行星波有關，并且指出在傍晚時刻電離層垂直漂移速度越大可能導致SF發生越早.

在本文中，我們采用中國科學院地質與地球物理研究所安裝在中國低緯地區三亞站的數字測高儀探測的電離層特性參數-真高來表征TPWIDs行星波的波動情況，研究和討論了SF發生與F層在傍晚時刻真高變化的關系，指出TPWIDs控制著PRE期間的電場強度，根據TPWIDs相位不同導致電離層F層上抬或下降；在日落后由TPWIDs行星波引起的F層垂直漂移為SF發生創造了有利或不利條件.

1數據觀測

中國科學院地質與地球物理研究所三亞(18oN, 109oE)綜合觀測臺位于中國低緯地區，其安裝的DPS-4D數字測高儀長期觀測積累了大量的數字頻高圖觀測數據，除了日常的電離層監測外，此數據也非常適于低緯地區SF統計特性及物理機制等研究[14-17].測高儀可工作在多種模式，而最常用是頻高圖模式，即從1～30MHz掃頻模式發射高頻脈沖波，脈沖寬度533 μs，頻率步長0.05 MHz，發射功率300W，通過測量從發射機到接收機的時間延遲，獲得電離層高度隨掃描頻率的變化圖.測高儀每5 min工作1次，不僅能夠探測電離層的基本參數變化，也能夠探測電離層不規則結構，其探測數據具有很高的精度和可靠性[18,19].通過對探測到的頻高圖進行自動度量[20]結合手動度量，可以比較準確地獲得電離層特征參數.本文采用的真高數據就是對三亞地區2012年的34080張頻高圖進行度量后獲得的.

2數據分析

圖1a和1b給出了在不同2d中分別出現了有無SF發生情況的頻高圖，圖中橫坐標為探測頻率，縱坐標為虛高，200 km以下為E層或E層二次回波，頻高圖選取時間為18 LT、19 LT、20 LT、21 LT，即電場PRE時期.圖1a為2012年2月19日PRE時期的電場沒有導致F層上抬的情況，圖中在18LT時，探測頻率為3 MHz時對應的F層虛高大約為250 km，在19 LT時，頻點3 MHz對應的虛高基本沒有改變，而在20 LT、21 LT時有所下降，其他頻點也類似，結果在這種條件下沒有SF發生.而圖1b中PRE期間F層的動態情況很不一樣，在2012年10月11日18 LT時3 MHz對應的虛高在250 km以下，在19 LT時由于電場作用使得F層高度上抬到280 km左右，隨后20 LT、21 LT時刻在頻高圖上可以明顯看到各頻點出現了多重回波，即發生了SF現象.F層上抬是由PRE引起的，而PRE的發生是由日落后電離層緯向風在F層產生一個垂直向下的電場導致的.F層垂直極化電場Ez表示為：

Ez=Uy×B0[∑F/∑F+∑E)]，

(1)

其中Uy為電離層緯向風，B0為地球的磁場強度，∑F和∑E分別表示F層和E層集成電導率.在白天，E層集成電導率∑E?∑F,Ez趨向于零；在日落時刻，由于∑E快速衰減，按照公式(1)，Ez在背太陽面的電場強度將增強，由于極化電場Ez是無旋電場，這將導致夜間緯向電場增強，使得F層發生上抬[21].在PRE期間，F層上抬是導致SF產生的一個重要因素[22].

圖1　2012年2月19日和10月11日在三亞地區探測的頻高圖Fig.1　Lonogram observed for February 19 and October 11, 2012, Sanya

圖2　三亞地區2012年10月11～14日在3、4、5、6、7、8MHz頻點探測的電離層虛高變化以及對應的Dst變化Fig.2　Virtual height variation for 3,4,5,6,7,8 MHz for the period 11～14 October 2012 observed at Sanya and Dst variation

圖3　三亞地區2012年9月10～13日在3、4、5、6、7、8MHz頻點探測的電離層虛高變化以及對應的Dst變化Fig.3　Virtual height variation for 3,4,5,6,7,8 MHz for the period 10～13 September 2012 observed at Sanya and Dst variation

圖4　三亞地區2012年9月14～17日在3、4、5、6、7、8MHz頻點探測的電離層虛高變化以及對應的Dst變化Fig.4　Virtual height variation for 3,4,5,6,7,8 MHz for the period 14～17 September 2012 observed at Sanya and Dst variation

為了詳細解釋在PRE期間，F層上抬與SF發生之間的聯系，圖2、3、4給出了幾種情況下電離層虛高的日常變化、PRE時期電場的逐日變化以及SF的發生情況.圖中上面是連續4 d每隔15 min 6個探測頻點(3,4,5,6,7和8 MHz)對應虛高變化，下面是對應當天的Dst指數變化，灰色框為在PRE期間(10UT～14UT)電離層的虛高變化，黑色框代表SF發生的時間段.同時圖中也展示了探測頻點在F層的二次回波(>400 km)以及E層和Es層的虛高(110 km左右).由于本研究主要關系著SF發生條件和開始時間，所以我們僅考慮在19 LT(11UT)～23 LT(15 UT)期間發生SF的情況.圖2展示的是有地磁擾動的情況下PRE時期電場變化與SF發生情況.圖中在2012年10月11～12日的PRE期間，F層都發生了上抬到高于預想高度的情況，并且都發生了SF現象，在14日PRE期間F層沒有出現上抬的現象，結果在這種情況下也沒有SF發生，但是在13日，F層在PRE時期出現了上抬很高的現場，然而SF也沒有發生，并且Dst指數在13日有很強的擾動現象(Dst<-30nT).有研究表明，如果Dst指數下降最快值出現在白天，SF的發生會被強烈地抑制；如果Dst指數下降最快值出現在晚間，夜晚擴展F的發生會被激發，磁暴整體上抑制SF的發生[23].圖3、4展示了2012年9月10～17日地磁活動比較平靜時期(Dst>-30nT)電離層虛高的日常變化、PRE時期電場的逐日變化以及SF的發生情況.圖中有3 d(2012年9月11日、2012年9月15～16日)沒有發生SF現象，其他5 d都在19LT(11 UT)以后出現了不同程度的SF現象，從圖中可以看出在有SF發生的天中，PRE前期如果F層虛高已經遠高于預想高度(2012年9月10、12日)，那么隨后將不在上抬或有很小幅度的上抬，如果F層高度低于或等于預想高度(2012年9月13～14日、2012年9月17日)，隨后F層將會出現急劇上抬現象，直至達到遠高于預想的高度.而在沒有SF發生的天中，PRE期間F層的虛高都沒有發生上抬到遠高于預想高度的情況.因此進一步證實了PRE時期電場對逐日發生的SF現象有重要影響.圖5、6、7展示的為三亞地區2012年的SF發生情況、PRE期間真高變化以及Dst指數變化.圖中最上面圖為SF每天的發生時段，縱坐標為當地時間，灰色和淺灰色粗線分別表示區域型擴展F(RSF)和頻率型擴展F(FSF)發生的時間段，虛線表示當天沒有SF發生，黑色粗線表示當天無數據，灰色方框為19 LT(11 UT)～23 LT(15 UT)時間段，黑色細線為SF開始時間，用來對比TPWIDs行星波相位的變化.中間兩部分為探測頻率3、4、5、6、7 MHz在三亞地區當地時間20 LT和20:30 LT對應的F層真高變化；下面部分為Dst指數變化.其中選用當地時間20 LT和20:30 LT是因為PRE電場主要在20 LT到20:30LT期間推動著F層上抬或下降，其強度和持續時間為SF的發生創造了有利或不利的條件；F層真高數據是通過對頻高圖度量后獲得的，能夠準確地反映出F層的真實高度；Dst指數可以方便分析在地磁平靜和擾動時期TPWID行星波對SF發生的影響.

圖5　2012年1～4月SF發生情況和PRE期間探測頻率3、4、5、6、7 MHz在20 LT、20:30 LT對應的真高變化以及四個月對應的Dst指數變化Fig.5　Occurrenced of SF ,true height variation for 3,4,5,6,7 MHz in 20 LT， 20:30 LT during PRE and Dst variation from January to April 2012

圖6　2012年5～8月SF發生情況和PRE期間探測頻率3、4、5、6、7 MHz在20 LT、20:30 LT對應的真高變化以及四個月對應的Dst指數變化Fig.6　Occurrenced of SF ,true height variation for 3,4,5,6,7 MHz in 20 LT， 20:30 LT during PRE and Dst variation from May to August 2012

圖7　2012年9～12月SF發生情況和PRE期間探測頻率3、4、5、6、7 MHz在20LT、20:30 LT對應的真高變化以及四個月對應的Dst指數變化Fig.7　Occurrenced of SF ,true height variation for 3,4,5,6,7 MHz in 20 LT， 20:30 LT during PRE and Dst variation from September to December 2012

本研究主要目的是分析TPWIDs行星波在PRE期間對F層的影響和對SF發生的作用.可以想象，如果沒有以天為周期的波調制，F層真高的逐日變化應該呈現隨機性的，如果F層真高變化呈現出以天為周期的波動性變化，說明TPWIDs行星波調制著F層的高度.通過圖5、6、7中真高的逐日變化可以看到，其變化呈現的是波動性的而不是隨機性的，這就表明TPWIDs行星波調制著電離層F層，通過F層真高變化可以體現出TPWIDs行星波的波動情況.同樣的方法，Fagundes[24]通過對F層虛高的逐日變化研究結果顯示，F層中周期為2 d，5 d，10 d，16 d的擾動與來源于對流層的行星波有關.不過其研究的時間為夜晚，PRE完成以后.仔細觀察圖5、6、7中真高的逐日變化，在PRE期間，TPWIDs行星波對F層調制特征可以理解為：TPWIDs控制著PRE時期電場的強度，進而控制著電離層垂直漂移速度，最后決定了F層底端的高度，而在地磁擾動時期這種調制被強烈的抑制.由于F層的高度控制SF的發生，因此TPWIDs行星波的相位和擾動電場對SF的形成和發展有著重要影響.以下將圖5、6、7中2012年的數據分別以冬季(1、2、11、12月)、分點季節(3、4、9、10月)、夏季(5、6、7、8月)三個時段進行詳細分析TPWIDs行星波對SF的影響.冬季是SF低發生率季，與分季和夏季相比其PRE時期的電場很弱，使得PRE期間的F層的高度很低.但是，在PRE期間電場很強時，也會有SF現象發生.仔細觀察1、2、11、12月可以看出，在19 LT～23 LT期間出現SF的天，其在20 LT的真高(3～8 MHz)會出現上抬到高于250 km的現象，并且此時TPWID行星波的相位最大(1月21、24日，2月1～4、15、23、29日，12月15日).而在23 LT以后出現的SF沒有這樣的特征.

分點季節3和4月是冬季到夏季的過度時期，SF發生率高.在3月份，20日以前F層真高(3～8 MHz)在20 LT和20:30 LT時刻低于250 km，并且當TPWIDs行星波相位使得F層底端高度高于250 km時，才有SF發生；而20日以后到4月份，F層底端高度整體高于250 km，但當TPWID行星波的相位最小時，沒有SF發生，并且此時大部分情況下PRE期間的F層底端高度都低于250 km.仔細觀察3月和4月，在20 LT時明顯發現，在相鄰連續的天F層底端的高度越來越高，對應的當天SF發生的時間就更早.并且，SF發生開始時間的波動與TPWID行星波的波動有很大的關聯型，表現為真高越高，SF發生的越早，真高越低，SF發生的越晚.同樣的現象在9月和10月也如此，從8月29日開始，在無地磁擾動的情況下，幾乎每天都有SF發生，在20 LT和20:30 LT時刻，F層高度波動在250 km上下，SF發生與F層高度的關聯同樣是F層越高發生時間越早.這表明，在SF高發季節，F層低端的高度不僅為SF的發生創造了有利的條件，而且控制著SF發生的時間.

夏季，在PRE期間，F層底端高度大都高于250 km，但是SF發生開始時間整體較晚，并且FSF居多.只有少數幾天在19 LT～23 LT期間發生了SF現象，雖然其發生時間與TPWID行星波的相位看不出明顯的關聯，但是依然可以看到PRE期間F層真高有上抬現象(5月2、11日，6月17、18日，7月9、30日，8月7、10、26日).

3結果與討論

通過分析三亞地區2012年的電離層數據結果顯示TPWID行星波擾動對SF發生起著重要的作用，但是這種作用在冬季、夏季和分季有所不同.在冬季，當TPWIDs行星波相位最大導致PRE時期F層真高升高到250 km以上時才有可能發生SF現象；在夏季，PRE期間F層低端高度整體較高，SF發生的開始時間整體比較晚，并且FSF居多，只有少數情況可以觀察到在SF發生時F層有比較明顯的上抬現象；在分季，SF現象幾乎每天都會發生，只有當TPWID行星波相位最小使得F層真高在PRE期間低于250 km時或有地磁擾動時，才不會有SF現象發生，并且可以明顯看到SF的開始時間與TPWIDs行星波相位有一定的關聯，即TPWID行星波相位控制SF開始時間：在F層高于250 km的情況下，TPWID相位越大，SF發生時間越早.因此整體上，250 km是個閾值，即TPWID行星波通過相位的不同調制著PRE時期的電場強度，使得在PRE期間F層的高度上抬到高于250 km時，為SF的發生創造非常有利的條件.

SF現象的發生是多種因素共同作用的結果，太陽高低年、重力波、磁暴相位以及磁暴期間局地風場等[25-28]都會對SF的發生產生影響.Abdu等[29]研究發現快速滲透電場對SF起著主要作用，而擾動發電機電場起著調節作用.Tsunoda[30]指出大尺度的波結構可能與SF的形成與發展有關系.可見地磁擾動時期，由于地磁擾動電場的調節作用，抑制了SF的形成，而在地磁平靜時期，TPWID行星波對SF的形成起著主導作用.通過本文研究結果顯示，TPWIDs調制著PRE時期的電場，根據PRE時期的電場強度推動著F層上抬到有利于SF發生的高度，進而使得TPWIDs行星波控制著SF的發生和開始時間.

4總結

本文利用2012年三亞地區DPS-4D數字測高儀探測的頻高圖數據，主要分析研究了TPWIDs對PRE時期電場的調制以及TPWID行星波的不同相位導致F層垂直漂移與SF現象發生的相互關系，主要結果為：地磁平靜時期，在PRE期間，TPWID行星波調制著PRE時期的電場強度，根據其相位的大小能導致F層的高度上抬或下降；日落后F層高度的變化控制著SF的發生，分析結果顯示三亞地區真高閾值大約為250 km，即當PRE導致F層升高到高于250 km時，有利于SF產生，因此SF的發生對TPWID的相位有一定的依賴性；并且在分點季節，SF的開始時間與TPWID相位也有一定的關系，表現為SF發生的越早對應的TPWID相位就越大，SF發生的越晚甚至不發生時，對應的TPWID相位就越小.

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中圖分類號P352

文獻標識碼A

文章編號1672-4321(2016)01-0081-08

基金項目國家自然科學基金資助項目(41474135，41474134)

作者簡介朱正平(1968-)，男，教授，博士，研究方向: 電離層無線電傳播，信號檢測與信息處理，電離層垂直探測設備的研究與開發，無線電探測新觀測模式，E-mail: zpzhu2007@sina.com

收稿日期2016-01-11