重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性研究

李筱，馬麗，岳甫璐

環(huán)境試驗與觀測

重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性研究

李筱1，馬麗1，岳甫璐2

（1.中國電波傳播研究所, 山東 青島 266107；2.63770部隊，西安 710600）

研究獲得重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性，以及強Es對短波鏈路可用頻率的影響，為相關(guān)無線電系統(tǒng)設(shè)計和使用提供依據(jù)。對2008—2018年期間重慶站電離層觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到Es臨界頻率和遮蔽頻率的變化規(guī)律。引入遮蔽因子，分析Es遮蔽因子隨地方時、季節(jié)的變化特征。利用新鄉(xiāng)–昆明站短波鏈路試驗數(shù)據(jù)，對強Es期間的鏈路可用頻率變化情況進行驗證。重慶地區(qū)Es主要發(fā)生在夏季白天，峰值強度出現(xiàn)在6月份的上午，臨界頻率約為8 MHz。遮蔽因子的峰值出現(xiàn)在7月份，最大值約為0.8，且在日出前遮蔽效果較其他時刻顯著。全遮蔽Es可發(fā)生在各地方時，平均發(fā)生率約為10%，峰值位于上午，峰值發(fā)生率約為21%。發(fā)生強Es遮蔽時，能夠到達電離層F層并被反射的短波鏈路最低可用頻率增加，特別是在白天。通過Es散射的鏈路最高可用頻率顯著增加，平均增加約10 MHz。重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽程度主要隨地方時和季節(jié)變化，隨太陽活動的變化較小。Es的遮蔽程度在夏季的上午達到最強，在春秋季較弱。強Es期間，依靠電離層F層反射傳播的短波鏈路最低可用頻率增加，導(dǎo)致可用頻段變窄，同時利用電離層Es散射傳播的鏈路最高可用頻率也有增加。

電離層；突發(fā)E層(Es)；垂測電離圖；遮蔽；短波鏈路；最高可用頻率

電離層突發(fā)E層（Es）是發(fā)生在地球大氣層約90～120 km高度的電子濃度不均勻現(xiàn)象，其水平尺度為50～100 km，垂直尺度為1～3 km，具有極高的電子密度，有時甚至達到常規(guī)E層電子密度的100倍，在垂測電離圖（圖1）上一般表現(xiàn)為常規(guī)E層的附加描跡[1-3]。當(dāng)電離層Es造成部分反射或全反射時，在垂測電離圖上表現(xiàn)為對電離層F層回波的部分遮蔽和全遮蔽現(xiàn)象[1]，分別對應(yīng)于F層描跡低頻段缺失，以及F層描跡完全消失。由于Es發(fā)生區(qū)域內(nèi)具有極大的電子密度梯度，能對短波至超短波的無線電波產(chǎn)生散射、部分反射、全反射等現(xiàn)象，從而對相關(guān)頻段的通信、雷達等無線電系統(tǒng)造成影響[4-7]，導(dǎo)致系統(tǒng)信號難以正常通過電離層F層反射到期望地區(qū)，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)功能喪失。電離層Es對無線電波的部分遮蔽或全遮蔽現(xiàn)象是與其傳播特性密切相關(guān)的。當(dāng)發(fā)生部分遮蔽時，短波低頻段的無線電信號在E層高度被反射，無法穿透Es到達電離層F層，從而導(dǎo)致其傳播距離低于預(yù)期（只考慮1次反射），以至于正常利用F層反射傳播的無線電系統(tǒng)最低可用頻率增加，可用頻段變窄。當(dāng)發(fā)生全遮蔽時，無線電系統(tǒng)信號完全被Es層散射，以至于系統(tǒng)常規(guī)的選頻業(yè)務(wù)無法實現(xiàn)。

在研究電離層Es特征時，常用其臨界頻率oEs或遮蔽頻率bEs。由于對無線電波的反射機制的不同，oEs或bEs并不能代表Es的等離子體頻率。20世紀(jì)60年代的火箭搭載試驗表明[8-9]，bEs比Es的峰值等離子體頻率略小，oEs則高于后者。這表明利用oEs或bEs研究幾乎具有等價性。大量研究表明，電離層Es具有明顯的日變化和季節(jié)變化特性，以及有顯著的地域特征，其特征頻率一般在白天和夏季具有極大值。文獻[3]通過分析全球垂測電離圖觀測特征及VHF頻段超視距傳播現(xiàn)象，提出了電離層“遠(yuǎn)東異?！爆F(xiàn)象，即在遠(yuǎn)東中低緯地區(qū)，夏季電離層Es的出現(xiàn)率特別高，強度特別強，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同緯度其他地區(qū)。后續(xù)研究證實了該現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)我國重慶、蘭州、廣州等地區(qū)同樣表現(xiàn)出超高的Es出現(xiàn)率[10-13]。分析認(rèn)為，地磁場水平分量的地區(qū)異常是電離層Es出現(xiàn)率地區(qū)差異的重要原因。

圖1 發(fā)生Es時的垂測電離圖及相關(guān)參數(shù)

由于對Es的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演化特性認(rèn)知不夠，目前主要是基于試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果給出其傳播模型[14-15]，還很難界定Es散射和反射機制的相對重要性[16-18]。從現(xiàn)象學(xué)上講，垂測電離圖上的Es遮蔽特性能在一定程度上（至少在短波頻段）反映其對無線電波的散射和反射效果。中國電波傳播研究所在重慶長期開展了電離層垂直探測試驗，積累了大量歷史數(shù)據(jù)。本文利用該站的電離層垂測歷史數(shù)據(jù)，分析了重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性，并用短波傳輸試驗鏈路數(shù)據(jù)進行了驗證，其結(jié)論能為相關(guān)無線電系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和驗證提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

中國電波傳播研究所在重慶部署了電離層垂測儀，在新鄉(xiāng)–昆明架設(shè)了短波無線傳輸試驗鏈路，長期開展觀測試驗，目前已積累了大量數(shù)據(jù)。電離層垂測儀通過掃頻探測方式獲得1.5～30 MHz的垂測電離圖，對其進行處理后，提取了oEs、bEs、oF2等特征參數(shù)，獲取頻次為每小時1組。短波無線傳播試驗鏈路同樣通過掃頻方式，每小時獲得1組1.5～30 MHz的斜測電離圖，提取了F層最低和最高可用頻率LUF-F和MUF-F，E層最高可用頻率MUF-E。此外，考慮到電離層Es與太陽活動存在長期相關(guān)性[12,19]，為了避免數(shù)據(jù)選取對結(jié)論的影響，本研究利用2008—2018年期間共11年的數(shù)據(jù)，基本覆蓋了1個太陽活動周?？紤]到能對無線電系統(tǒng)產(chǎn)生影響的Es都比較強，研究中略去了oEs（bEs）<1.5 MHz的數(shù)據(jù)。在驗證電離層Es對短波傳輸鏈路可用頻率的影響時，選取了2016—2018年期間新鄉(xiāng)–昆明短波無線傳輸?shù)脑囼炴溌窋?shù)據(jù)。該鏈路中點與重慶站的位置較為接近，可作為重慶地區(qū)發(fā)生電離Es遮蔽時傳播效應(yīng)分析的參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 Es的發(fā)生規(guī)律

2008—2018年期間重慶站電離層Es的特征參數(shù)分布情況如圖2所示，其中空白表示沒有Es發(fā)生，或者Es很弱。從圖2中可以看出，重慶站附近電離層Es主要發(fā)生在夏季白天，并能延續(xù)到午夜前后，而在冬季夜間則很少發(fā)生。相對來講，太陽活動低年（如2009年）的Es略強，表現(xiàn)為oEs和bEs的值高于太陽活動高年（如2013年）。這些結(jié)果與前人對中緯度地區(qū)強Es發(fā)生概率及Es強度的研究結(jié)果[10-12,19]相吻合。2016年以來，隨著太陽活動的減弱（太陽黑子數(shù)的12月滑動均值不超過40），電離層Es在夜間的發(fā)生頻次和強度均比前幾年高。

圖2 重慶站電離層Es的特征參數(shù)分布

早期研究認(rèn)為，風(fēng)剪切是電離層Es形成的主要原因[20]。在大氣潮汐或重力波產(chǎn)生的緯向風(fēng)作用下，電離層中的離子在垂直風(fēng)的剪切作用下被壓縮到一個薄層中，從而形成電離層Es。然而，該理論不能解釋中低緯地區(qū)夏季Es的異常增強現(xiàn)象。近期研究認(rèn)為，平流層風(fēng)場[21]和行星波對中低緯電離層Es的形成及變化起關(guān)鍵作用[22-24]。行星波在夏季達到最強，它能引起電離層中同周期的擾動，從而造成夏季Es的頻發(fā)，該理論也可用于解釋重慶站電離層Es的季節(jié)變化特性。另一方面，太陽活動低年，電離層電子密度整體上偏低，平流層風(fēng)場和行星波對電離層的影響相對變強，特別是在夜間，這可能是太陽2016—2018年夜間電離層Es頻發(fā)的原因。文獻[24]指出，赤道地區(qū)平流層緯向風(fēng)場中存在準(zhǔn)兩年振蕩現(xiàn)象，這也是造成低緯電離層Es長期變化的誘因。然而，本研究并未發(fā)現(xiàn)在重慶地區(qū)存在類似的現(xiàn)象，表明該地區(qū)已處于低緯向中緯過渡區(qū)域，電離層Es受赤道地區(qū)平流層大氣活動的控制較弱。

2.2 Es的遮蔽性

考慮到電離層Es總體上隨太陽活動的變化不大，主要表現(xiàn)出隨季節(jié)和地方時的變化特性。以下以不同月份和地方時的平均值為參考，研究電離層Es的遮蔽特性。

oEs、bEs和oF2的平均值由式（1）獲得。

根據(jù)文獻[25]，定義遮蔽因子為：

(,)用來表示電離層Es對F層的遮蔽性，當(dāng)全遮蔽時，令(,)=1。遮蔽因子反映了電離層Es對其上面分層的遮蔽效果，當(dāng)bEs<1.5 MHz或不存在Es時，(,)=0。

不同月份和地方時oEs和遮蔽因子的變化如圖3所示。從圖3中可以看出，用oEs表示的重慶地區(qū)電離層Es平均峰值強度出現(xiàn)在夏季的白天，特別是6月份的地方時10點前后，最大值約為8 MHz。即使到了夜間，6月份前后的oEs仍顯著高于其他季節(jié)。到了春秋季和冬季，電離層Es的發(fā)生頻次和平均強度快速下降，特別是在冬季，oEs一般不超過3 MHz。這與文獻[25]中對拉薩、?？诘鹊氐姆治鼋Y(jié)果類似。另一方面，遮蔽因子的最大值與之稍有不同，峰值出現(xiàn)在7月份，最大值約為0.8，而到了春秋季和冬季，遮蔽因子一般不超過0.4。如上所述，電離層Es在夏季達到極大值[22]，此時垂直風(fēng)剪切導(dǎo)致Es內(nèi)的電子密度具有更強的散射性。受熱層大氣環(huán)流導(dǎo)致的電離層F層夏季異常的影響，此時oF2處于全年中較低的值。由此，導(dǎo)致遮蔽因子在夏季更大些。到了春秋季和冬季，隨著電離層Es的變?nèi)?，遮蔽因子也隨之變小。在凌晨4點前后，遮蔽因子有1個次峰值，其在夏季可達0.5，在冬季甚至超過了0.6。與oF2數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，造成該現(xiàn)象的主要原因是oF2在此時達到每天的最低值，盡管oEs的值并不高，但也能造成遮蔽因子的增加。

對短波鏈路而言，若oEs遠(yuǎn)低于oF2，短波信號將主要通過電離層F層反射傳輸，這是短波無線電系統(tǒng)進行頻率選擇時主要考慮的傳輸模式。當(dāng)oEs的遮蔽性較強時，短波低頻段的信號將被Es散射，而無法到達F層，使得F層傳輸?shù)淖畹涂捎妙l率增加，可用頻段變窄。當(dāng)遮蔽因子較大時，短波信號將有很大的可能性被電離層Es反射（或散射），導(dǎo)致其傳輸距離下降，這會對相關(guān)系統(tǒng)的使用造成不利影響。

圖3 foEs的平均值和遮蔽因子隨月份和地方時的變化

2.3 全遮蔽Es統(tǒng)計特性

當(dāng)發(fā)生全遮蔽Es時，高頻電波幾乎無法穿透Es到達其上的各層，使得系統(tǒng)原有的頻率選擇方法不可用。由于此時沒有F層電波傳播模式，在垂測電離圖上表現(xiàn)為F層反射描跡缺失?？紤]到Es主要發(fā)生在夏季，秋冬季較少，本文主要以夏季（5—8月）為例，研究全遮蔽Es的分布特性。夏季全遮蔽Es的發(fā)生率及oEs平均值分布如圖4所示?？梢钥闯?，夏季全遮蔽Es可以發(fā)生在各個地方時，平均發(fā)生率約為10%，發(fā)生率峰值在8—10點之間，最大值約為21%。到了夜間，全遮蔽Es的發(fā)生率普遍低于10%，甚至在20點降至4%。與之對應(yīng)的是，oEs在整個白天幾乎能維持在較高值，其平均值約為11 MHz，而到了凌晨前后，oEs降至8 MHz以下。這表明，當(dāng)發(fā)生全遮蔽Es時，電離層能反射短波信號的最高頻率能穩(wěn)定在較高值，特別是在白天。即使到了夜間oEs下降時，全遮蔽Es也能比部分遮蔽甚至無Es時反射更高頻率的短波信號。此時，系統(tǒng)仍可利用Es層散射信號工作，但其傳輸距離將會變小。

2.4 強Es時的短波鏈路最高可用頻率

以往研究證實[4-5]，發(fā)生強Es時，會對短波信號造成部分遮蔽或全遮蔽，從而導(dǎo)致短波低頻段甚至全頻段信號的傳輸距離大幅下降。以電離層Es的反射高度為160 km，F(xiàn)層反射高度為300 km估計，對仰角為10°的信號，其被電離層Es和F層反射的距離分別為1 360、2 190 km，可見Es反射明顯抑制了短波信號的傳輸距離。此外，當(dāng)發(fā)生強Es時，利用F層反射傳播的無線電系統(tǒng)最低可用頻率增加，使得可用頻段變窄。本文選取了2016—2018年期間夏季新鄉(xiāng)–昆明短波無線傳輸試驗鏈路數(shù)據(jù)，分析發(fā)生強Es（oEs≥5 MHz）時F層短波最低可用頻率LUF-F相比弱Es（oEs<5 MHz）時，增量ΔLUF-F隨地方時的變化，如圖5a所示?？梢钥闯?，當(dāng)發(fā)生強Es時，LUF-F的平均值整體上有所增加，增幅最大時刻在上午，約為2.6 MHz。相對來說，LUF-F的增幅并不顯著。這表明，在重慶地區(qū)能穿透Es到達F層的短波鏈路信號仍然占多數(shù)，這與圖3中Es以部分遮蔽為主的結(jié)果吻合。

圖4 夏季全遮蔽Es的發(fā)生率及foEs平均值分布

另一方面，當(dāng)發(fā)生強Es時，可以散射更寬頻段的信號。當(dāng)不考慮系統(tǒng)作用距離時，強Es和弱Es期間夏季新鄉(xiāng)–昆明短波鏈路E層和F層MUF平均值（MUF-Es和MUF-F）隨地方時的變化如圖5b、c所示。可以看出，當(dāng)發(fā)生強Es時，該鏈路的MUF普遍較高，特別是在白天，其峰值約為28 MHz。該特征與圖4給出的oEs變化特性基本一致。當(dāng)沒有發(fā)生強Es時，該鏈路的MUF平均值具有明顯的地方時變化特征，此時短波鏈路信號主要通過電離層F層反射。通過對比可以看出，發(fā)生強Es時，鏈路MUF明顯高于未發(fā)生強Es時，平均高約10 MHz。這表明，強Es期間，Es的散射可大幅提升短波鏈路的可用頻段。由此可見，在短波無線電系統(tǒng)設(shè)計和工作選頻中，Es是不可忽略的環(huán)境因素，特別是在夏季。

圖5 新鄉(xiāng)–昆明鏈路短波可用頻率平均值變化曲線

3 結(jié)論

1）重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽程度主要隨地方時和季節(jié)變化，隨太陽活動變化較小。Es平均峰值強度出現(xiàn)在6月份的上午，oEs最大值約為8 MHz。

2）Es的遮蔽程度在夏季的上午達到最強，在春秋季較弱。遮蔽因子的平均峰值出現(xiàn)在7月份，最大值約為0.8。在夏季，全遮蔽Es可發(fā)生在各地方時，平均發(fā)生率約為10%，峰值出現(xiàn)在上午，最大值約為21%。

3）強Es期間，利用F層反射傳播的無線電系統(tǒng)最低可用頻率增加，使得系統(tǒng)可用頻段變窄。以新鄉(xiāng)–昆明短波鏈路為例，發(fā)生強Es時，該鏈路的LUF-F平均值最高增加約2.6 MHz。此時，利用Es散射的短波鏈路MUF大幅上升，比未發(fā)生強Es時平均高約10 MHz。

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Obscure Properties of Ionospheric Sporadic-E over Chongqing

LI Xiao1, MA Li1, YUE Fu-lu2

(1. China Research Institute of Radiowave Propagation, Shandong Qingdao 266107, China;2. Unit 63770, PLA, Xi'an 710600, China)

The work aims to obtain the obscure properties of ionospheric sporadic-E over Chongqing, and its effects on the usable frequency of high frequency links, and provide a basis for related design and operation process of radio systems. After a statistical study on ionosonding data of Chongqing station from 2008-2018, the variabilities of the critical and obscure frequencies of sporadic-E were obtained. The obscure factor was adopted to analyze the change of sporadic-E obscure factor with local time and season. Experimental data from a short-wave radio propagation link, Xinxiang-Kunming, were used to validate the change of usable frequency of the link during strong sporadic-E. The result showed that the sporadic-E over Chongqing mainly occured in daytime of summer. The peak strength of foes appeared in the morning of June, with an average critical frequency of about 8 MHz. The obscure factor reached its peak value in July with a magnitude of about 0.8, which was more significant before sunrise. The entire obscurity could happen at any local time, but occured more often before noon. The average occurrence rate of entire obscurity is about 10%, with a peak value of 21%. When strong sporadic-E occured, the lowest usable frequency of the short-wave link that propagated into the ionospheric F region and was reflected to the ground was raised especially in the daytime. On the other hand, the maximum usable frequency refracted by Es also increased, with the maximum magnitude of about 10 MHz. It is concluded that the obscure property of sporadic-E over Chongqing changes much with local time and season, but little with solar activity. The obscure magnitude reaches its peak value in the morning in summer, but it is much weak in equinoxes. When strong sporadic-E occurs, the lowest usable frequency of short-wave links relying on the ionospheric F region is raised, which leads to a reduction of usable band. Meanwhile, the highest usable frequency of links transmitted by virtue of the sporadic-E scattering in ionosphere also increases to a certain extent.

ionosphere; sporadic-E (Es); ionogram; obscure; short-wave link; maximum usable frequency

2021-09-24；

2022-03-31

LI Xiao (1988-), Female.

馬麗（1988—），女。

Corresponding author：MA Li (1988-), Female.

通訊作者：岳甫璐（1989—），男，碩士。

Corresponding author：YUE Fu-lu (1989-), Male, Master.

李筱, 馬麗, 岳甫璐.重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(2): 125-131.

P352

A

1672-9242(2023)02-0125-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.017

2021–09–24；

2022–03–31

中國電波傳播研究所穩(wěn)定支持科研經(jīng)費資助項目（A132111W01）

Fund：Stable-Support Scientific Project of China Research Institute of Radiowave Propagation (A132111W01)

李筱（1988—），女。

LI Xiao, MA Li, YUE Fu-lu. Obscure Properties of Ionospheric Sporadic-E over Chongqing[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 125-131.

責(zé)任編輯：劉世忠