中国低纬地区行星波扰动观测及其对SF的影响

朱正平，高紫枫，罗伟华

(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)



中国低纬地区行星波扰动观测及其对SF的影响

朱正平，高紫枫，罗伟华

(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)

摘要为研究在日落后反转增强(PRE)期间行进式行星波电离层扰动(TPWIDs)对F层的调制机制以及对扩展F(SF)形成和发展的作用，利用三亚地区DPS-4D数字测高仪2012年探测的34080张数字频高图数据，获取了电离层特性参数-真高，以真高的逐日变化表征行进式行星波扰动，分析了中国低纬地区SF高发季节中行星波扰动特性，并研究了行星波扰动时的不同相位对SF产生和发展的影响.结果表明：地磁平静时期，在PRE期间，TPWID行星波扰动调制着PRE时期的电场强度，根据其相位的不同能导致F层的高度上抬或下降；日落后F层高度的变化控制着SF的发生，在三亚地区真高阈值大约为250 km，即当PRE导致F层高度上抬到大于250 km时，有利于SF产生；并且在分点季节(3月，4月，9月和10月)，TPWID行星波相位也调制着SF的开始时间，即TPWID相位越大，SF发生的越早，TPWID相位越小，SF发生的越晚甚至不发生.

关键词数字频高图；行进式行星波电离层扰动；日落后反转增强；扩展F；开始时间

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]首次利用电离层测高仪观测夜间磁赤道地区的电离层，发现并将电离图上F层回波描迹出现弥散状的现象定义为SF，已有研究表明，当SF现象出现时，无线电信号会受到这种电离层不规则体的严重影响，其相位和振幅会出现大的波动，即闪烁现象[2].SF发生涉及多种电离层过程，其形成机制始终是电离层物理的一个重要科学研究课题.开展SF产生机制以及出现的起始时间规律的研究对实现空间天气预报以及短波通信和卫星通信保障等也有着十分重要的应用价值.

Rayleigh-Taylor(R-T)[3,4]不稳定性是赤道及低纬地区电离层大中尺度不规则体产生的基本机制，而触发R-T不稳定性需要很小的扰动源作用在F层底部，目前研究提出引发R-T不稳定性的重要扰动源有来自大气层和外部因素的热层风，重力波，磁暴以及行星波[5-7]等，它们的共同作用使得电离层F层出现逐日变化的SF现象.

行星波是全球范围的波，周期为2～35 d[8]，起源于对流层或平流层[9]水平和垂直方向传播，通过调制潮汐或热层风等气象活动到达F层[10,11].Lastovicka[12]指出行星波在底层大气通过调制向上传播的潮汐波使得F层存在行星波状扰动.Bertoni[13]通过对F层虚高的时间变化率dh′F/dt以及SF开始时间进行小波分析结果显示，周期为12 d的扰动与行星波有关，并且指出在傍晚时刻电离层垂直漂移速度越大可能导致SF发生越早.

在本文中，我们采用中国科学院地质与地球物理研究所安装在中国低纬地区三亚站的数字测高仪探测的电离层特性参数-真高来表征TPWIDs行星波的波动情况，研究和讨论了SF发生与F层在傍晚时刻真高变化的关系，指出TPWIDs控制着PRE期间的电场强度，根据TPWIDs相位不同导致电离层F层上抬或下降；在日落后由TPWIDs行星波引起的F层垂直漂移为SF发生创造了有利或不利条件.

1数据观测

中国科学院地质与地球物理研究所三亚(18oN, 109oE)综合观测台位于中国低纬地区，其安装的DPS-4D数字测高仪长期观测积累了大量的数字频高图观测数据，除了日常的电离层监测外，此数据也非常适于低纬地区SF统计特性及物理机制等研究[14-17].测高仪可工作在多种模式，而最常用是频高图模式，即从1～30MHz扫频模式发射高频脉冲波，脉冲宽度533 μs，频率步长0.05 MHz，发射功率300W，通过测量从发射机到接收机的时间延迟，获得电离层高度随扫描频率的变化图.测高仪每5 min工作1次，不仅能够探测电离层的基本参数变化，也能够探测电离层不规则结构，其探测数据具有很高的精度和可靠性[18,19].通过对探测到的频高图进行自动度量[20]结合手动度量，可以比较准确地获得电离层特征参数.本文采用的真高数据就是对三亚地区2012年的34080张频高图进行度量后获得的.

2数据分析

图1a和1b给出了在不同2d中分别出现了有无SF发生情况的频高图，图中横坐标为探测频率，纵坐标为虚高，200 km以下为E层或E层二次回波，频高图选取时间为18 LT、19 LT、20 LT、21 LT，即电场PRE时期.图1a为2012年2月19日PRE时期的电场没有导致F层上抬的情况，图中在18LT时，探测频率为3 MHz时对应的F层虚高大约为250 km，在19 LT时，频点3 MHz对应的虚高基本没有改变，而在20 LT、21 LT时有所下降，其他频点也类似，结果在这种条件下没有SF发生.而图1b中PRE期间F层的动态情况很不一样，在2012年10月11日18 LT时3 MHz对应的虚高在250 km以下，在19 LT时由于电场作用使得F层高度上抬到280 km左右，随后20 LT、21 LT时刻在频高图上可以明显看到各频点出现了多重回波，即发生了SF现象.F层上抬是由PRE引起的，而PRE的发生是由日落后电离层纬向风在F层产生一个垂直向下的电场导致的.F层垂直极化电场Ez表示为：

Ez=Uy×B0[∑F/∑F+∑E)]，

(1)

其中Uy为电离层纬向风，B0为地球的磁场强度，∑F和∑E分别表示F层和E层集成电导率.在白天，E层集成电导率∑E≫∑F,Ez趋向于零；在日落时刻，由于∑E快速衰减，按照公式(1)，Ez在背太阳面的电场强度将增强，由于极化电场Ez是无旋电场，这将导致夜间纬向电场增强，使得F层发生上抬[21].在PRE期间，F层上抬是导致SF产生的一个重要因素[22].

图1　2012年2月19日和10月11日在三亚地区探测的频高图Fig.1　Lonogram observed for February 19 and October 11, 2012, Sanya

图2　三亚地区2012年10月11～14日在3、4、5、6、7、8MHz频点探测的电离层虚高变化以及对应的Dst变化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

图3　三亚地区2012年9月10～13日在3、4、5、6、7、8MHz频点探测的电离层虚高变化以及对应的Dst变化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

图4　三亚地区2012年9月14～17日在3、4、5、6、7、8MHz频点探测的电离层虚高变化以及对应的Dst变化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

为了详细解释在PRE期间，F层上抬与SF发生之间的联系，图2、3、4给出了几种情况下电离层虚高的日常变化、PRE时期电场的逐日变化以及SF的发生情况.图中上面是连续4 d每隔15 min 6个探测频点(3,4,5,6,7和8 MHz)对应虚高变化，下面是对应当天的Dst指数变化，灰色框为在PRE期间(10UT～14UT)电离层的虚高变化，黑色框代表SF发生的时间段.同时图中也展示了探测频点在F层的二次回波(>400 km)以及E层和Es层的虚高(110 km左右).由于本研究主要关系着SF发生条件和开始时间，所以我们仅考虑在19 LT(11UT)～23 LT(15 UT)期间发生SF的情况.图2展示的是有地磁扰动的情况下PRE时期电场变化与SF发生情况.图中在2012年10月11～12日的PRE期间，F层都发生了上抬到高于预想高度的情况，并且都发生了SF现象，在14日PRE期间F层没有出现上抬的现象，结果在这种情况下也没有SF发生，但是在13日，F层在PRE时期出现了上抬很高的现场，然而SF也没有发生，并且Dst指数在13日有很强的扰动现象(Dst<-30nT).有研究表明，如果Dst指数下降最快值出现在白天，SF的发生会被强烈地抑制；如果Dst指数下降最快值出现在晚间，夜晚扩展F的发生会被激发，磁暴整体上抑制SF的发生[23].图3、4展示了2012年9月10～17日地磁活动比较平静时期(Dst>-30nT)电离层虚高的日常变化、PRE时期电场的逐日变化以及SF的发生情况.图中有3 d(2012年9月11日、2012年9月15～16日)没有发生SF现象，其他5 d都在19LT(11 UT)以后出现了不同程度的SF现象，从图中可以看出在有SF发生的天中，PRE前期如果F层虚高已经远高于预想高度(2012年9月10、12日)，那么随后将不在上抬或有很小幅度的上抬，如果F层高度低于或等于预想高度(2012年9月13～14日、2012年9月17日)，随后F层将会出现急剧上抬现象，直至达到远高于预想的高度.而在没有SF发生的天中，PRE期间F层的虚高都没有发生上抬到远高于预想高度的情况.因此进一步证实了PRE时期电场对逐日发生的SF现象有重要影响.图5、6、7展示的为三亚地区2012年的SF发生情况、PRE期间真高变化以及Dst指数变化.图中最上面图为SF每天的发生时段，纵坐标为当地时间，灰色和浅灰色粗线分别表示区域型扩展F(RSF)和频率型扩展F(FSF)发生的时间段，虚线表示当天没有SF发生，黑色粗线表示当天无数据，灰色方框为19 LT(11 UT)～23 LT(15 UT)时间段，黑色细线为SF开始时间，用来对比TPWIDs行星波相位的变化.中间两部分为探测频率3、4、5、6、7 MHz在三亚地区当地时间20 LT和20:30 LT对应的F层真高变化；下面部分为Dst指数变化.其中选用当地时间20 LT和20:30 LT是因为PRE电场主要在20 LT到20:30LT期间推动着F层上抬或下降，其强度和持续时间为SF的发生创造了有利或不利的条件；F层真高数据是通过对频高图度量后获得的，能够准确地反映出F层的真实高度；Dst指数可以方便分析在地磁平静和扰动时期TPWID行星波对SF发生的影响.

图5　2012年1～4月SF发生情况和PRE期间探测频率3、4、5、6、7 MHz在20 LT、20:30 LT对应的真高变化以及四个月对应的Dst指数变化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

图6　2012年5～8月SF发生情况和PRE期间探测频率3、4、5、6、7 MHz在20 LT、20:30 LT对应的真高变化以及四个月对应的Dst指数变化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

图7　2012年9～12月SF发生情况和PRE期间探测频率3、4、5、6、7 MHz在20LT、20:30 LT对应的真高变化以及四个月对应的Dst指数变化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期间对F层的影响和对SF发生的作用.可以想象，如果没有以天为周期的波调制，F层真高的逐日变化应该呈现随机性的，如果F层真高变化呈现出以天为周期的波动性变化，说明TPWIDs行星波调制着F层的高度.通过图5、6、7中真高的逐日变化可以看到，其变化呈现的是波动性的而不是随机性的，这就表明TPWIDs行星波调制着电离层F层，通过F层真高变化可以体现出TPWIDs行星波的波动情况.同样的方法，Fagundes[24]通过对F层虚高的逐日变化研究结果显示，F层中周期为2 d，5 d，10 d，16 d的扰动与来源于对流层的行星波有关.不过其研究的时间为夜晚，PRE完成以后.仔细观察图5、6、7中真高的逐日变化，在PRE期间，TPWIDs行星波对F层调制特征可以理解为：TPWIDs控制着PRE时期电场的强度，进而控制着电离层垂直漂移速度，最后决定了F层底端的高度，而在地磁扰动时期这种调制被强烈的抑制.由于F层的高度控制SF的发生，因此TPWIDs行星波的相位和扰动电场对SF的形成和发展有着重要影响.以下将图5、6、7中2012年的数据分别以冬季(1、2、11、12月)、分点季节(3、4、9、10月)、夏季(5、6、7、8月)三个时段进行详细分析TPWIDs行星波对SF的影响.冬季是SF低发生率季，与分季和夏季相比其PRE时期的电场很弱，使得PRE期间的F层的高度很低.但是，在PRE期间电场很强时，也会有SF现象发生.仔细观察1、2、11、12月可以看出，在19 LT～23 LT期间出现SF的天，其在20 LT的真高(3～8 MHz)会出现上抬到高于250 km的现象，并且此时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以后出现的SF没有这样的特征.

分点季节3和4月是冬季到夏季的过度时期，SF发生率高.在3月份，20日以前F层真高(3～8 MHz)在20 LT和20:30 LT时刻低于250 km，并且当TPWIDs行星波相位使得F层底端高度高于250 km时，才有SF发生；而20日以后到4月份，F层底端高度整体高于250 km，但当TPWID行星波的相位最小时，没有SF发生，并且此时大部分情况下PRE期间的F层底端高度都低于250 km.仔细观察3月和4月，在20 LT时明显发现，在相邻连续的天F层底端的高度越来越高，对应的当天SF发生的时间就更早.并且，SF发生开始时间的波动与TPWID行星波的波动有很大的关联型，表现为真高越高，SF发生的越早，真高越低，SF发生的越晚.同样的现象在9月和10月也如此，从8月29日开始，在无地磁扰动的情况下，几乎每天都有SF发生，在20 LT和20:30 LT时刻，F层高度波动在250 km上下，SF发生与F层高度的关联同样是F层越高发生时间越早.这表明，在SF高发季节，F层低端的高度不仅为SF的发生创造了有利的条件，而且控制着SF发生的时间.

夏季，在PRE期间，F层底端高度大都高于250 km，但是SF发生开始时间整体较晚，并且FSF居多.只有少数几天在19 LT～23 LT期间发生了SF现象，虽然其发生时间与TPWID行星波的相位看不出明显的关联，但是依然可以看到PRE期间F层真高有上抬现象(5月2、11日，6月17、18日，7月9、30日，8月7、10、26日).

3结果与讨论

通过分析三亚地区2012年的电离层数据结果显示TPWID行星波扰动对SF发生起着重要的作用，但是这种作用在冬季、夏季和分季有所不同.在冬季，当TPWIDs行星波相位最大导致PRE时期F层真高升高到250 km以上时才有可能发生SF现象；在夏季，PRE期间F层低端高度整体较高，SF发生的开始时间整体比较晚，并且FSF居多，只有少数情况可以观察到在SF发生时F层有比较明显的上抬现象；在分季，SF现象几乎每天都会发生，只有当TPWID行星波相位最小使得F层真高在PRE期间低于250 km时或有地磁扰动时，才不会有SF现象发生，并且可以明显看到SF的开始时间与TPWIDs行星波相位有一定的关联，即TPWID行星波相位控制SF开始时间：在F层高于250 km的情况下，TPWID相位越大，SF发生时间越早.因此整体上，250 km是个阈值，即TPWID行星波通过相位的不同调制着PRE时期的电场强度，使得在PRE期间F层的高度上抬到高于250 km时，为SF的发生创造非常有利的条件.

SF现象的发生是多种因素共同作用的结果，太阳高低年、重力波、磁暴相位以及磁暴期间局地风场等[25-28]都会对SF的发生产生影响.Abdu等[29]研究发现快速渗透电场对SF起着主要作用，而扰动发电机电场起着调节作用.Tsunoda[30]指出大尺度的波结构可能与SF的形成与发展有关系.可见地磁扰动时期，由于地磁扰动电场的调节作用，抑制了SF的形成，而在地磁平静时期，TPWID行星波对SF的形成起着主导作用.通过本文研究结果显示，TPWIDs调制着PRE时期的电场，根据PRE时期的电场强度推动着F层上抬到有利于SF发生的高度，进而使得TPWIDs行星波控制着SF的发生和开始时间.

4总结

本文利用2012年三亚地区DPS-4D数字测高仪探测的频高图数据，主要分析研究了TPWIDs对PRE时期电场的调制以及TPWID行星波的不同相位导致F层垂直漂移与SF现象发生的相互关系，主要结果为：地磁平静时期，在PRE期间，TPWID行星波调制着PRE时期的电场强度，根据其相位的大小能导致F层的高度上抬或下降；日落后F层高度的变化控制着SF的发生，分析结果显示三亚地区真高阈值大约为250 km，即当PRE导致F层升高到高于250 km时，有利于SF产生，因此SF的发生对TPWID的相位有一定的依赖性；并且在分点季节，SF的开始时间与TPWID相位也有一定的关系，表现为SF发生的越早对应的TPWID相位就越大，SF发生的越晚甚至不发生时，对应的TPWID相位就越小.

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中图分类号P352

文献标识码A

文章编号1672-4321(2016)01-0081-08

基金项目国家自然科学基金资助项目(41474135，41474134)

作者简介朱正平(1968-)，男，教授，博士，研究方向: 电离层无线电传播，信号检测与信息处理，电离层垂直探测设备的研究与开发，无线电探测新观测模式，E-mail: zpzhu2007@sina.com

收稿日期2016-01-11