北京上空中小尺度電離層擾動特征

胡連歡, 李國主,3, 寧百齊, 朱正平, 藍(lán)加平, 孫文杰,3,郝喜慶, 常首民, 吳寶元, 趙秀寬,5, 解海永,3, 李怡

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站, 北京 1000292 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 中國科學(xué)院地球與行星物理重點實驗室, 北京 1000293 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 1000494 中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 武漢 4300745 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 黑龍江漠河地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站, 北京 100029

0 引言

電離層擾動是指電離層在日夜常規(guī)變化之外,受外來因素驅(qū)動產(chǎn)生的電子密度/高度起伏現(xiàn)象.劇烈電離層擾動能夠產(chǎn)生電離層折射指數(shù)梯度,顯著影響高頻通訊和超視距雷達(dá)探測效果,對電離層擾動的觀測在空間物理研究和空間環(huán)境應(yīng)用中具有重要意義.

近幾十年來,研究人員采用多種手段對電離層擾動進(jìn)行了觀測研究,并取得了顯著進(jìn)展(Wan et al., 1998;Shiokawa et al., 2003;Kotake et al., 2007;Ding et al., 2011, 2013, 2014;Zhou et al., 2012;Huang et al., 2018, 2019;Sun L C et al., 2019;Sun W J et al., 2020;Xie et al., 2020).一般認(rèn)為電離層擾動是中性大氣重力波在電離層F區(qū)等離子體密度上的反映(Hines,1960).大尺度電離層擾動通常與磁暴有關(guān),周期可達(dá)數(shù)小時,波長可達(dá)1000 km以上,主要在高緯產(chǎn)生并向中低緯傳播(Hunsucker, 1982; Ding et al., 2014).中尺度電離層擾動通常周期小于1 h,波長小于500 km,在白天和夜間具有不同的產(chǎn)生機(jī)制,一般認(rèn)為這種擾動起源于近距離的對流層(Ding et al., 2011;Otsuka et al., 2013;Huang et al., 2018, 2019).小尺度電離層擾動周期更短,傳播范圍更小,通常與局部對流活動、雷電和傳播到電離層的冷鋒有關(guān)(Hunsucker,1982).如雷暴產(chǎn)生的電離層擾動周期約為5 min,空間范圍在距擾動源250 km以內(nèi)(Lay et al., 2013).臺風(fēng)引起的電離層擾動周期可短至數(shù)十秒(Xiao et al., 2007).

中小尺度電離層擾動起源于近距離的大氣波動,其垂直傳播相對于水平傳播不可忽略,監(jiān)測不同高度的電離層擾動將有助于追溯中小尺度電離層擾動的源區(qū)和認(rèn)識中小尺度電離層擾動的傳播規(guī)律.然而目前對中小尺度電離層擾動在垂直方向上的特征還缺少研究.這主要是由于早期研究采用的GNSS-TEC觀測、氣輝觀測和高頻多普勒觀測均無法有效給出電離層擾動的高度信息.電離層測高儀是最為常用的電離層探測手段,可探測電離層峰值高度以下的電離層結(jié)構(gòu)及其變化.電離層測高儀通常每15 min探測一次,在觀測研究大尺度電離層擾動傳播中發(fā)揮了作用(萬衛(wèi)星等,1993;Ding et al., 2013, 2014),但這種分辨率難以監(jiān)測中小尺度電離層擾動過程.近年來,隨著電離層垂直探測技術(shù)的發(fā)展,具備連續(xù)快速探測能力的電離層測高儀投入運行,為中小尺度電離層擾動提供了有效的監(jiān)測手段(Harris et al., 2012;Bullett et al., 2014;Lan et al., 2018;藍(lán)加平等,2019).

采用電離層測高儀分鐘級分辨率的快速探測模式,Harris等(2012)和Vybornov等(2022)在電離層頻高圖上記錄到環(huán)形(loop)、鉤形(hook)或尖形(cusp)等異常結(jié)構(gòu).利用磁赤道Jicamarca臺站VIPIR2電離層測高儀的高精度快速測量,研究人員發(fā)現(xiàn)作為聲重波指征的5～15 min周期的電離層快速起伏,在調(diào)制150 km高度上電離層不均勻體的時空變化中起到了重要作用(Reyes et al., 2020).在極區(qū),研究人員采用1 min快速頻高圖觀測,對SGO臺站上空5種不同時間尺度的電離層擾動進(jìn)行了分類研究,發(fā)現(xiàn)5～15 min周期和15～30 min周期的電離層擾動發(fā)生率與電離層高度呈反相關(guān),即在電離層高度較低的夏季,中小尺度電離層擾動的發(fā)生率較高(Kozlovsky et al., 2013).

為監(jiān)測研究電離層擾動及其變化過程,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在北京臺站(116.2°E,40.3°N)開展了長期電離層測高儀常規(guī)觀測.針對中小尺度電離層擾動,還開展了短期的快速擾動探測實驗.本文將在給出一次電離層快速擾動事件時空變化特征的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計分析北京上空中等尺度電離層擾動發(fā)生率的氣候?qū)W特征,并分析討論其與太陽活動和地磁活動的相關(guān)性.

1 設(shè)備和數(shù)據(jù)

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京臺站DPS4D電離層測高儀于2009年12月建成投入運行.DPS4D電離層測高儀是國際上使用最為廣泛的電離層垂測設(shè)備(Reinisch et al., 2009).該設(shè)備在常規(guī)觀測模式每15 min開展一次電離層探測,得到電離層頻高圖.圖1為2009年12月26日01∶15UT的電離層頻高圖.在F2層O波主描跡臨界頻率(5.1 MHz)之后,有一個U形描跡.這種附加描跡,結(jié)構(gòu)上類似于電離層附加分層,被認(rèn)為是行進(jìn)式電離層擾動的表現(xiàn)(Munro and Heisler,1956).在此次探測的前一幅和后一幅電離層頻高圖中(01∶00UT和01∶30UT),均未記錄到這種特殊描跡.

圖1 北京DPS4D電離層測高儀記錄的頻高圖分叉結(jié)構(gòu)示例

PDI電離層測高儀是國內(nèi)自主開發(fā)的具有快速探測和移動探測能力的新型便攜式數(shù)字測高儀.它采用了互補(bǔ)碼復(fù)用、軟件區(qū)分極化、收發(fā)一體化調(diào)諧等一系列技術(shù),確保了在小型化天線條件還可開展快速、可靠的電離層垂測(Lan et al., 2018;藍(lán)加平等,2019).2017年9—11月采用PDI電離層測高儀在北京臺站開展了10次持續(xù)快速探測實驗,每次實驗持續(xù)數(shù)小時.實驗中PDI電離層測高儀每分鐘完成一次電離層垂測,用于監(jiān)測北京上空電離層的快速擾動變化.本文選擇了2017年11月13日的探測數(shù)據(jù)開展事例研究,該天Kp指數(shù)最大值為2.3,全天Kp指數(shù)之和為11.3,處于地磁平靜期.

為了得到電離層不同頻率上對應(yīng)的虛高和實際高度變化情況,采用SAOExplorer軟件標(biāo)定1 min觀測模式下的電離層頻高圖,得到電離層描跡,并采用SAOExplorer軟件內(nèi)嵌的ARTIST5算法反演得到電子密度剖面.

2 結(jié)果

2.1 中小尺度電離層擾動的快速探測事例

圖2給出了2017年11月13日02∶01—02∶26UT時段PDI電離層測高儀觀測的電離層頻高圖.在這一系列的頻高圖中,在較高的高度和頻率端出現(xiàn)了V形的異常結(jié)構(gòu).在V形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的初始階段,虛高較高,信號較弱,為便于辨認(rèn),圖中采用箭頭標(biāo)識出了初始階段V形結(jié)構(gòu)的底部位置.02∶01UT,一個小的V形結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)在電離層頻高圖的520 km高度處.隨著時間推移,這個V形結(jié)構(gòu)逐漸下降,在02∶05UT和02∶08UT,V形結(jié)構(gòu)的底部分別下降至450 km虛高和400 km虛高.02∶17UT該結(jié)構(gòu)下降到300 km虛高處且與原主描跡相合并,形成一個y形描跡.合并后O波描跡在合并點之上形成兩條分叉的描跡.隨后位于內(nèi)側(cè)的描跡逐漸變?nèi)?至02∶26UT,內(nèi)側(cè)描跡消失,原V形結(jié)構(gòu)的右邊沿成為新的F層描跡.當(dāng)日,北京臺站DPS4D電離層測高儀在02∶15UT也觀測到了相同的V形結(jié)構(gòu).

圖2 PDI電離層測高儀快速探測模式下記錄的電離層頻高圖序列

在V形結(jié)構(gòu)下降和演變的過程中,其形態(tài)結(jié)構(gòu)在頻率范圍和虛高范圍上逐漸增大.作為背景的原F2層描跡也有顯著的變化,主要表現(xiàn)為隨著V形結(jié)構(gòu)的下降F2層臨界頻率(foF2)逐漸減小,從02∶01UT的5.6 MHz減小至02∶16UT的4.9 MHz.

為了進(jìn)一步分析電離層背景變化情況,采用SAOExplorer軟件人工標(biāo)定了2017年11月13日的1 min分辨率的電離層頻高圖,得到了每1 min的電離層描跡.然后對電離層描跡數(shù)據(jù)進(jìn)行切片,得到給定頻點在每1 min的虛高,即可生成該頻點的虛高時變曲線.圖3給出了01∶00—06∶00UT時段從4 MHz到6 MHz、每隔0.1 MHz每一個頻點上的虛高變化.灰色的背景為對應(yīng)時段的電離層臨界頻率foF2.為了便于顯示,每一個頻點的虛高減去了01∶00—06∶00UT時段該頻點的平均虛高,且相鄰頻點之間虛高依次偏移了一定高度以避免線條覆蓋.每一條點線代表一個頻點的虛高曲線.

圖3清晰地展現(xiàn)了不同頻點上的虛高波動情況.圖中用虛線標(biāo)識了虛高波動峰值的等相位面,并給出編號.圖3可以看出虛高波動事例可分為以下幾類.(1)波動1、2、3、4、6、7、8、16,其特征是從高頻段到低頻段均出現(xiàn)虛高波動,且頻率越高虛高波動的幅度越大,波動出現(xiàn)的時間越早,波動的周期約為15～45 min.(2)波動9,其特征是從高頻段到低頻段均出現(xiàn)虛高波動,頻率越高,虛高波動的幅度越大.但虛高波動先出現(xiàn)在低頻段,然后出現(xiàn)在高頻段,波動的周期約為20 min.(3)波動5、10、11、12、13,虛高波動僅在低頻段較為明顯,波動的周期約為10 min.(4)波動14、15,虛高波動僅在高頻段較為明顯,波動的周期約為10 min.

第一類波動事例的一個顯著特征是,虛高波動時電離層臨界頻率也存在著類似的波動結(jié)構(gòu)(見圖3灰色背景),且與虛高的波動呈反相位,即虛高的峰區(qū)通常對應(yīng)著臨界頻率的谷區(qū).圖3中的藍(lán)色箭頭標(biāo)示了圖2中電離層頻高圖中V形結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)時間(02∶01UT),可以看出,02∶01UT之后電離層臨界頻率呈下降狀態(tài),而電離層的虛高呈上升狀態(tài),與圖2電離層頻高圖中顯示的特征一致.Munro和Heisler(1956)認(rèn)為,這種V形(或U形)結(jié)構(gòu)的電離層擾動屬于中等尺度的電離層擾動.從圖3中分析得出的波動周期來看,第一類波動正好屬于中等尺度電離層擾動的范圍.

圖3中共有8次第一類波動事例,經(jīng)過仔細(xì)檢查電離層頻高圖,發(fā)現(xiàn)這8次事例均可在電離層頻高圖中找到對應(yīng)的V形結(jié)構(gòu).圖4給出了這8次事例中典型的電離層頻高圖,每個事例中對應(yīng)的V形結(jié)構(gòu)均用藍(lán)色箭頭示出.由于V形結(jié)構(gòu)的信號強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)形態(tài)變化較快,圖4選取了每個V形結(jié)構(gòu)事例中回波較為清晰階段的頻高圖用于展示.檢查這些V形結(jié)構(gòu)的前后時刻的電離層頻高圖,發(fā)現(xiàn)所有V形結(jié)構(gòu)均呈下降趨勢.這一結(jié)果表明,電離層頻高圖中下降的V形結(jié)構(gòu)可以作為中等尺度電離層擾動的一種“顯式”的表征.

圖4 2017年11月13日北京上空觀測到的8次中等尺度電離層擾動期間包含下降V型結(jié)構(gòu)的電離層頻高圖示例

標(biāo)定了每1 min的電離層描跡之后,利用SAOExplorer軟件中內(nèi)嵌的ARTIST5算法可以反演得到電離層電子密度剖面.采用類似圖3中的方法,對電離層峰值高度以下的電子密度剖面進(jìn)行切片,可以得到從3 MHz到6 MHz、每隔0.2 MHz每一個頻點上的電離層真實高度變化,如圖5所示.由圖5可知,經(jīng)過反演得到真高之后,除了圖3中已經(jīng)展現(xiàn)的在較高頻率(對應(yīng)較高高度)上出現(xiàn)的電離層擾動外,在較低高度上有明顯的短周期波動.比如在02∶45—03∶45UT之間出現(xiàn)的周期約為10 min的波動,而且波動的幅度在低高度上(130～160 km)明顯高于高高度(170 km以上),表明這種短周期波動屬于小尺度電離層擾動,且主要出現(xiàn)于低高度區(qū)域,隨著高度升高,其幅度逐漸衰減.檢查電離層頻高圖發(fā)現(xiàn),在出現(xiàn)小尺度電離層擾動的時段內(nèi),電離層頻高圖上沒有伴隨著比較明顯的虛高或頻率上的異常結(jié)構(gòu).

圖5 2017年11月13日01∶00—06∶00UT北京上空不同頻率電離層真高變化圖

GNSS電離層電子總量(TEC)監(jiān)測儀是電離層擾動的另一種常用監(jiān)測手段(Xiong et al., 2016).作為驗證,圖6給出了北京臺站GNSS TEC監(jiān)測儀當(dāng)日北斗C01號衛(wèi)星的電離層TEC曲線和PDI電離層測高儀的臨界頻率曲線.兩條曲線均為減去了1 h平均背景值的相對變化曲線.可以看出,電離層臨界頻率和電離層TEC在該時段均有多次波動.兩條曲線主要的波峰和波谷基本一一對應(yīng),但是電離層TEC的波動相位滯后于臨界頻率的波動相位.由于北斗C01衛(wèi)星的電離層穿刺點位于北京臺站南面,這個相位差可能是電離層擾動朝赤道向傳播的結(jié)果.

圖6 2017年11月13日00∶30—06∶00UT消除背景后的電離層臨界頻率(foF2)和GNSS電子總含量(TEC)曲線

2.2 中等尺度電離層擾動發(fā)生率統(tǒng)計特征

雖然北京臺站常規(guī)觀測的15 min分辨率的電離層頻高圖數(shù)據(jù)難以用于研究小尺度電離層擾動的演化,但從2.1節(jié)的結(jié)果可知,電離層頻高圖中的V形結(jié)構(gòu),可作為中尺度電離層擾動的表征.通過統(tǒng)計電離層頻高圖中的V形結(jié)構(gòu),可以分析研究中等尺度電離層擾動發(fā)生率的氣候?qū)W特征.自2009年底開始至2022年底,北京臺站已積累了13年的DPS4D電離層測高儀常規(guī)觀測數(shù)據(jù),本文取2010—2021年共12年的觀測數(shù)據(jù).在這12年中共有4169天觀測數(shù)據(jù),缺失的數(shù)據(jù)主要集中于設(shè)備安裝初期的2010年和2011年,12年平均數(shù)據(jù)完整率為95%,數(shù)據(jù)長度跨過一個太陽活動周,為統(tǒng)計分析工作提供了較為充分的樣本.圖7展示了12年中電離層測高儀數(shù)據(jù)分布情況、太陽活動指數(shù)F10.7和地磁活動指數(shù)Kp的變化情況.

為統(tǒng)計中等尺度電離層擾動的發(fā)生率,采用SAOExplorer軟件檢查每一天的電離層頻高圖,記錄每小時的電離層頻高圖中出現(xiàn)V形(或U形)結(jié)構(gòu)的次數(shù),從而計算得到每小時內(nèi)中等尺度電離層擾動的發(fā)生率.

圖8給出了2010—2021年北京上空中等尺度電離層擾動發(fā)生率隨地方時-月份的二維分布.為簡便起見,本文取LT=UT+8 h.圖8可以看出,中等尺度電離層擾動事件主要是白天現(xiàn)象,其初始發(fā)生的時間隨季節(jié)變化,冬季較晚,夏季較早,這與日出時間的季節(jié)變化一致,表明中等尺度電離層擾動主要在日出以后開始發(fā)生.季節(jié)變化上,中等尺度電離層擾動在冬季的發(fā)生率最高,其中11—12月份顯著高于其他月份,在這兩個月內(nèi)地方時8時到16時都有較高發(fā)生率.最高發(fā)生率出現(xiàn)于11月地方時10時,接近 50%.

圖8 不同地方時和月份北京上空中等尺度電離層擾動的發(fā)生率分布(a) 電離層擾動發(fā)生率隨地方時和月份的二維分布; (b) 不同地方時的電離層擾動發(fā)生率; (c) 不同月份的電離層擾動發(fā)生率.

為了分析北京上空中等尺度電離層擾動的太陽活動變化特征,本文采用兩種標(biāo)準(zhǔn)對電離層擾動進(jìn)行分類分析.第一種取2010—2021年中太陽活動最強(qiáng)的2013年(年均F10.7為123)和2014年(年均F10.7為146)和太陽活動最弱的2018年和2019年(年均F10.7均為70),分別統(tǒng)計分析太陽活動高年和太陽活動低年北京上空中等尺度電離層擾動的發(fā)生率,如圖9a、b所示.第二種是按照每一天的F10.7指數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,取F10.7>130和F10.7<75分別作為高太陽活動日(共有685天)和低太陽活動日(共有1260天)的標(biāo)準(zhǔn),分別統(tǒng)計分析2010—2021年高太陽活動日和低太陽活動日北京上空中等尺度電離層擾動的發(fā)生率,如圖9c、d所示.由圖9可知,中等尺度電離層擾動在太陽活動低年(低太陽活動日)的發(fā)生率顯著高于太陽活動高年(高太陽活動日).

進(jìn)一步地,為了分析北京上空中等尺度電離層擾動的地磁活動性特征,本文取地磁活動指數(shù)Kp≥4和Kp≤1作為地磁擾動期(共有5262 h)和地磁平靜期(共有43563 h)的標(biāo)準(zhǔn).由圖10可知,地磁擾動期與地磁平靜期的中等尺度電離層擾動發(fā)生率總體趨勢基本一致.但在地方時變化上,在上午07—10LT和下午14—16LT,地磁擾動期中等尺度電離層擾動的發(fā)生率高于地磁平靜期,說明白天的地磁活動,可能促進(jìn)中等尺度電離層擾動的發(fā)生.在季節(jié)變化上,中等尺度電離層擾動在多數(shù)月份在地磁擾動期的發(fā)生率高于地磁平靜期,但是在3、11月地磁擾動期中等尺度電離層擾動的發(fā)生率低于地磁平靜期的發(fā)生率.以上結(jié)果說明地磁活動對中等尺度電離層擾動的觸發(fā)/抑制作用還較為復(fù)雜,在不同的地方時和月份呈現(xiàn)不同的影響效果.

圖10 不同地磁活動條件下北京電離層測高儀監(jiān)測的中等尺度電離層擾動發(fā)生率

3 討論

本文利用PDI電離層測高儀的快速擾動探測數(shù)據(jù),分析了2017年11月13日北京上空典型的中小尺度電離層擾動事件.通過度量標(biāo)定和反演計算獲得電離層不同頻點的虛高和真高變化,得到了電離層擾動的周期及其隨高度的變化差異.從波峰波谷代表的擾動周期來判斷,電離層頻高圖上的V形(或U形)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的是中等尺度的電離層擾動.分析表明,電離層測高儀直接觀測的電離層頻高圖上的V形(或U形)下降結(jié)構(gòu),是中等尺度電離層擾動的一種“顯式”特征.

Munro和Heisler(1956)認(rèn)為頻繁出現(xiàn)在電離層頻高圖高頻段的異常尖形結(jié)構(gòu)是典型的行進(jìn)式電離層擾動通過觀測站上空的結(jié)果.當(dāng)電離層擾動過境時,電離層密度將先減小后增大,引起電子密度等值線的彎曲且在不同的高度產(chǎn)生相位差.我們在北京上空的觀測結(jié)果與這個理論解釋相符.在以往的報道中,電離層頻高圖中的異常描跡包括U形、Z形、分叉(bifurcation)、尖形(cusp)、環(huán)形(loop)和鐮刀形(sickle)等(Munro and Heisler, 1956;Harris et al., 2012;Vybornov et al., 2022).從北京PDI電離層測高儀的快速連續(xù)探測結(jié)果來看,某些不同形態(tài)的異常描跡是電離層擾動距臺站不同距離的表現(xiàn).比如在圖2中V形結(jié)構(gòu)的發(fā)生和發(fā)展階段,可以體現(xiàn)為獨立的V形,與主描跡結(jié)合以后則變?yōu)榉植娼Y(jié)構(gòu).這種分叉結(jié)構(gòu),并不是由電離層的垂直梯度產(chǎn)生的新分層(如低緯赤道地區(qū)的F3層),而是電離層的水平梯度引起電離層反射面傾斜的結(jié)果(Munro and Heisler, 1956).另外一些不同形態(tài)的異常描跡,如U形、環(huán)形、鐮刀形,可能與行進(jìn)式電離層擾動的尺度和造成的電離層水平梯度大小有關(guān).

白天的電離層行進(jìn)式擾動通常認(rèn)為是由低層大氣的重力波引起的(Hines, 1960; Hooke,1968).近些年開展的基于射線追蹤的電離層擾動仿真結(jié)果表明,當(dāng)電離層底部存在特定參數(shù)的重力波時,可以重現(xiàn)電離層測高儀觀測到的不同尺度的擾動頻高圖,證明了重力波與電離層擾動的因果關(guān)系(Cervera and Harris, 2014;Jiang et al., 2019).通過統(tǒng)計2010—2021年的電離層頻高圖數(shù)據(jù)中的V形、U形等特殊描跡,本文進(jìn)一步得到了北京上空中等尺度電離層擾動的發(fā)生率特征.以電離層頻高圖中特殊描跡為特征的電離層擾動主要是白天現(xiàn)象,且冬季的發(fā)生率顯著高于其他季節(jié).基于GNSS 電離層TEC觀測,Ding等(2011)、Huang等(2019)和Hu等(2021)分別對東亞扇區(qū)不同緯度地區(qū)的中等尺度電離層擾動開展了統(tǒng)計分析.本文結(jié)果與這些文獻(xiàn)中我國中緯地區(qū)電離層擾動發(fā)生率的季節(jié)和地方時變化特征相一致.中等尺度電離層擾動發(fā)生率的地方時變化主要受盛行風(fēng)場對電離層擾動的濾波效應(yīng)有關(guān).白天盛行極向風(fēng),有利于赤道向傳播的電離層擾動的發(fā)展(Otsuka et al., 2013).中等尺度電離層擾動發(fā)生率的季節(jié)變化可能與中層頂溫度梯度對重力波的抑制有關(guān).夏季較大的中層頂溫度梯度不利于重力波傳播到較高的電離層(Ding et al., 2011).而作為電離層擾動來源的重力波在冬季白天有較高的發(fā)生率也可能與電離層擾動發(fā)生率的季節(jié)和地方時變化有關(guān)(Hu et al., 2021).

雖然模型仿真能重現(xiàn)某些電離層擾動事件,但是目前仍缺乏電離層擾動的氣候?qū)W模式,不同因素對電離層擾動的控制效應(yīng)仍有待進(jìn)一步研究.前述基于GNSS數(shù)據(jù)開展的電離層擾動特征研究均采用的是太陽活動低年的數(shù)據(jù),本文則進(jìn)一步將電離層擾動的統(tǒng)計數(shù)據(jù)時長擴(kuò)展到了一個太陽活動周.從本文的結(jié)果來看.太陽活動低年(低太陽活動日)中等尺度電離層擾動的發(fā)生率顯著高于太陽活動高年(高太陽活動日),表明太陽活動與中等尺度電離層擾動發(fā)生率呈反相關(guān).最近,Otsuka等(2021)采用2個太陽活動周的GNSS數(shù)據(jù)研究了中等尺度電離層擾動的太陽活動性.結(jié)果表明日本上空中等尺度電離層擾動的發(fā)生率與太陽活動呈反相關(guān).北京上空基于電離層測高儀觀測的結(jié)果與日本上空GNSS數(shù)據(jù)觀測結(jié)果一致.這一現(xiàn)象可能的原因是在較強(qiáng)的太陽活動條件下,背景中性大氣密度較高,中性大氣的黏滯力制約了重力波的發(fā)展和傳播(Otsuka et al., 2021).

本文結(jié)果還表明,地磁活動對中等尺度電離層擾動的控制作用較為復(fù)雜.在不同的月份/地方時,地磁擾動條件下的中等尺度電離層擾動發(fā)生率既可能高于也可能低于地磁平靜條件下的發(fā)生率.在極區(qū),中小尺度的電離層擾動與地磁活動指數(shù)未表現(xiàn)出明顯的關(guān)系(Kozlovsky et al., 2013).當(dāng)然,地磁擾動期的數(shù)據(jù)樣本相對于地磁平靜期還較少,還有待積累更長的觀測數(shù)據(jù)或者采用更多臺站的數(shù)據(jù),以獲得更為清晰的中等尺度電離層擾動的地磁活動性特征.

與中等尺度電離層擾動不同的是,小尺度電離層擾動主要出現(xiàn)在較低的高度,隨著高度升高其幅度減弱,這與極區(qū)SGO臺站上空小尺度電離層擾動主要出現(xiàn)在較低高度的結(jié)果相一致.MSIS模式計算表明,100～150 km高度是短周期波動向上傳播的截止區(qū)域,短周期的電離層擾動難以跨越此區(qū)域傳播到更高的高度(Kozlovsky et al., 2013).早期報道的短周期電離層擾動多與低層大氣的氣象活動如熱層對流有關(guān),但在圖2事例的2017年11月13日,北京地區(qū)并沒有發(fā)生顯著的氣象事件,這說明短周期的小尺度電離層擾動的來源和物理機(jī)制尚不明確.由于缺少1 min探測模式的長期電離層垂測數(shù)據(jù),北京上空小尺度電離層擾動發(fā)生率的統(tǒng)計規(guī)律還無法給出.雖然北京臺站也有多年的GNSS觀測數(shù)據(jù),但從Hu等(2021)的結(jié)果來看,北京臺站GNSS TEC觀測得出的電離層擾動周期集中在30～50 min之間,表明GNSS TEC觀測并不能有效監(jiān)測小尺度的電離層擾動.這可能是由于小尺度電離層擾動主要出現(xiàn)于較低高度上(對應(yīng)較低的電子密度),對電離層TEC的整體貢獻(xiàn)較小,難以被GNSS TEC觀測捕捉到.為了獲得北京上空小尺度電離層擾動的統(tǒng)計特性,需要采用電離層測高儀開展長期連續(xù)的快速擾動探測,并建立短基線的垂測/斜測監(jiān)測陣,以進(jìn)一步觀測研究小尺度電離層擾動的產(chǎn)生和傳播規(guī)律.

4 結(jié)論

本文基于電離層測高儀觀測數(shù)據(jù)對北京上空中小尺度電離層擾動進(jìn)行了事例分析和統(tǒng)計研究.得到的結(jié)論如下:

(1) 對快速探測的電離層頻高圖進(jìn)行不同頻點的虛高和真高分析的結(jié)果表明,電離層測高儀直接觀測的電離層頻高圖上的V形(或U形)下降結(jié)構(gòu),是中等尺度電離層擾動的一種“顯式”特征.

(2) 小尺度電離層擾動主要出現(xiàn)于較低的高度上,擾動的幅度較小,在電離層頻高圖上沒有對應(yīng)著顯著的異常結(jié)構(gòu).

(3) 以V形、U形等特殊描跡為特征的北京上空中等尺度電離層擾動主要是白天現(xiàn)象,且冬季的發(fā)生率顯著高于其他季節(jié).其發(fā)生率與太陽活動呈反相關(guān),但與地磁活動的相關(guān)性尚不十分明確.

致謝本文所用電離層測高儀和GNSS TEC數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站,由國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心——地球物理分中心和子午工程數(shù)據(jù)中心提供.地磁Kp指數(shù)下載自World Data Center for Geomagnetism, Kyoto (https:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/).太陽活動指數(shù)F10.7下載自O(shè)MNIWeb (https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html).