曲靖非相干散射雷達電離層E-F 谷區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 電波環境特性及模化技術重點實驗室，青島 266107；2. 昆明電磁波環境國家野外科學觀測研究站，曲靖 655500）

引 言

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

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

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. 丁宗華等介紹了該雷達的技術性能指標與數據處理方法[8]及初步探測結果，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[12]與空間碎片分布特征[13]等，但尚未報道該雷達對電離層E-F 谷區電子密度的探測結果.本文利用曲靖非相干散射雷達日間探測的120～200 km(覆蓋E 層上部、E-F 谷區、F1層)電子密度數據，對曲靖地區E-F 谷區電子密度變化特征進行了初步分析.

1 數據處理方法

根據雷達方程[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 以下經常會受到相干回波(電離層偶發E 層、E 區不規則體、流星) 干擾，信噪比進一步降低[6].

非相干散射回波功率與電離層電子密度的關系為式中：Pr為回波功率；C為非相干散射雷達系統常數；Ne為電子密度；R為雷達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波長之比的平方). 曲靖非相干散射雷達的波長為60 cm，德拜長度一般為數cm，因此德拜因子一般小于0.01，該數值非常小可以忽略. 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、探空火箭和衛星觀測的電離層電子與離子溫度數據，發現在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120～200 km的電子與離子溫度比為1，這可能會導致約10%的誤差[6]. 利用本地垂直探測儀探測的F2層臨界頻率可以標校雷達系統常數，從而估算電離層電子密度剖面.

2 初步結果

2.1 基本變化特征

圖2 為曲靖地區不同季節白天(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結構，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 達到最小值(谷底)，然后緩慢單調增加，形成顯著的谷區結構，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，谷區更寬，谷底高度約130 km，從150 km 開始快速單調增加，200 km 的電子密度遠大于120 km，夏季120 ～200 km 總電子密度含量大于其他季節.

圖1 2014-03-30T9:25LT 曲靖非相干散射雷達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 曲靖地區不同季節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 即達到最大值，隨后緩慢變化；在15:00 開始快速降低，在19:00 達到極小值；在19:00—20:00 出現短暫的增加；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 谷區電子密度變化

眾所周知，低電離層主要受光化學過程控制，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過程產生影響. 2014-12-17 發生了一次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 到 最大 約 8×10-5W/m2，為M8.7 級耀斑水平，于12:15 結束，持續約55 min. 圖5為2014-12-17 曲靖地區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，在耀斑爆發后迅速增加，在11:30 達到最大值，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. 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重. 從圖6 可見12-17 T 11:00—12:00fmin快速增加，12:00 達到最大值約6.0 MHz，對應的電子密度約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.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過程控制，但是2014-12-17T11:00 以后無觀測數據，因此利用foE 無法分析此次耀斑效應.

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有關.

2.3 磁暴期間的E-F 谷區電子密度變化

磁暴是引起電離層劇烈擾動的主要因素，磁暴發生后數十小時至數天內，電離層會出現不同程度的擾動. 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 接連爆發了中等磁暴，圖7 為2015-04-01—21 的地磁環電流指數(disturbance storm time,DST)分布，黑色虛線分別對應04-17 與04-19T0:00UT，可見04-01—04-09 內Dst 指數在-20～20 nT 變化，14 日22:00 已 達 到-36 nT，15 日23:00 降 低 到-43 nT，16 日23:00 達到-78 nT(中強磁暴級別)，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 達到-30 nT，隨后緩慢增加.

圖7 2015-04-01—21 DST 指數變化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電離層139～196 km 電子密度觀測結果. 為了比較，圖8 也給出了04-03(Dst 平均值為-8 nT，可認為磁靜日)的觀測結果. 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 的電子密度出現顯著增加，高度越高，電子密度增加的幅度越大，即F1層出現了正暴效應；04-17 午后177～196 km出現疑似增強但不明顯，139～158 km 的電子密度變化不明顯. 以上現象也反映出04-19 的谷區結構相對于04-03 發生了變化.

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，foF2與F2層最大電子密度有關. 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觀測數據缺失嚴重，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 出現增加，最大增幅為2.9 MHz(16:00)，對應的電子密度相對增加36%，04-19T16:00—21:00 相對04-03 出現增加，最大增幅為2.2 MHz(18:00)，對應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，原子離子與分子離子之間的競爭是控制F1區暴時電子密度變化的主要機制，另外與中性成分(O，O2，N2)的季節變化也有關. 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過程控制，F1層氧原子離子( O+)密度可表示為

式 中：q(O+)為 氧 原 子 離 子 產 生 率； β為 損 失 率；H=kTn/(mg)為原子氧標高. 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地位，而在F1層下部以分子離子占主導，氧原子離子密度的變化也決定了F1層暴時效應的正負.

BURESOVA 等[17]利用歐洲電離層垂直探測數據分析了日間160～190 km 電子密度的暴時效應，發現無論F2層是正暴還是負暴，F1層暴時電子密度總是減小，即負暴效應. F1層暴時效應存在季節差異，夏季不明顯，冬季明顯，秋季強于春季. MIKHAILOV[16]利用Millstone Hill 與EISCAT 非相干散射雷達數據分析了160～200 km 電子密度的磁暴效應，發現電子密度以負暴效應為主，但也會出現正暴. 在四個季節都會出現負暴，其幅度比正暴更大，隨著高度增加幅度變化越大. 出現負暴與氧原子離子密度減小與分子離子密度增加有關. 出現正暴的機制有多種，比如氧原子密度增加、220 km 以下熱層大氣收縮導致密度減小等. 如果F1層正暴與氧原子密度增加有關，那么不同高度的正暴效應不同，高度越高，正暴效應越強，同時在暴時赤道向熱層風導致的垂直等離子體漂移作用下，F2層出現強烈的正暴效應. 相反，如果與熱層大氣收縮有關，那么隨著高度增加，正暴效應減弱.

2015-04-19 曲靖地區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層電子密度出現增強，這些與MIKHAILOV 觀測研究結果基本一致. 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.

3 分析與討論

ZHANG 等[6]利用中緯地區MU 雷達數據分析了90～160 km 電子密度變化特征，發現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 谷區谷底位于125～155 km，但9 月E-F 谷區結構不明顯. 上文結果表明曲靖地區120～200 km 電子密度具有兩種形態：一種具有顯著的谷區結構(谷底位于134～144 km)，另一種谷區不明顯，這與MU 雷達觀測結果基本一致，但相對其他地區而言，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 谷區電子密度數據分析了武昌地區白天的谷區特征，發現大部分時間里都存在谷區結構，谷深很淺，大部分谷深約0.2；谷寬平均約30 km，隨季節變化，冬季較寬，夏季較窄；谷寬隨太陽天頂角增加而增大. 圖2 中曲靖地區的谷深約0.7，遠大于武昌，表明曲靖地區的深谷較多；圖3 中曲靖地區的谷寬在正午較小，在日出更大，即隨著太陽天頂角增大而增大，這與武昌的觀測結果一致.

SHI 等[2]首次使用探空火箭數據分析了海南地區日出時的電離層E-F 谷區結構，發現E-F 谷位于123.5 km，寬度約42 km，深度約50%，這個結果與其他站觀測結果相比，谷區更寬更深. 曲靖地區位于中低緯過渡區，谷寬與谷深相對更小，上文結果表明曲靖地區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而言，谷區位置更高，寬度更窄.

MAHAJAN 等人[4-5]利用低緯地區Arecibo 非相干散射雷達數據分析了E-F 谷區的谷寬與谷深變化特征，并給出了谷寬谷深的經驗模型. 研究發現夜間谷區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 模型仿真的谷區參數隨太陽天頂角的變化. 可知，當太陽天頂角從0°變化到60°時，谷區深度從0 變化到0.1，谷區寬度由7 km 增加到13 km. 當天頂角增加并接近90°時(比如日出、日落)，谷區寬度和深度進一步增大，谷深可達0.25，谷寬可達23 km.

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

一般認為，影響電離層E-F 谷區結構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]指出低緯地區的E-F 谷區寬度和深度更大. 曲靖地區的地磁緯度為14.3°N，位于赤道北駝峰邊緣地區，屬于中低緯過渡區，與典型的低緯或中緯不同. MAEDA[20]通過分析中緯地區探空火箭數據，發現日間E-F 谷區平均高度約115 km，說明低緯地區的谷區高度低于中緯地區. 3)地方時.MAHAJAN 等[5]發現E-F 谷區的寬度和深度在日出日落時更大，當太陽天頂角80°時，谷區平均高度約122 km.

4 小 結

通過分析曲靖非相干散射雷達數據，文中首次初步給出了曲靖地區電離層E-F 谷區電子密度剖面的變化特征，包括：1)曲靖地區日間120～200 km 電子密度剖面具有兩種形態，隨著季節與地方時變化.一種是存在明顯的谷區結構，谷底高度約134～144 km；另一種是谷區很寬，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增加，這與MU 雷達觀測結構基本一致. 2)耀斑期間，129 km 以下的電子密度會出現顯著的增強，134 km 以上增強現象不明顯，可能與太陽X 射線與極紫外輻射增強有關，D 層電子密度出現突然增加，可能與X 射線爆發有關. 3)中等磁暴期間，177～196 km 的電子密度與foF2均出現了正暴效應，可能與氧原子含量增加有關，這與國外非相干散射雷達觀測基本一致.

下一步將利用更多數據深入分析曲靖地區電離層E-F 谷區的變化特征，探討其機制，并嘗試建立經驗模型.

致 謝本文使用了子午工程曲靖非相干散射雷達的觀測數據，在此表示感謝.