冲绳地区电离层Es变化特性研究

张盼盼,杨培培

(1.郑州工商学院，河南 郑州 451400; 2.中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

0 引 言

突发Es层是电离层内特殊的层结结构，它不像常规E层那样在形态结构和变化趋势上稳定而有规则。它是一种偶发而不规则的强电离的薄层，高度范围为90 km～120 km，垂直方向厚度是0.5 km～2 km，水平尺度从几千米到上千千米不等，水平漂移速度20 m/s～130 m/s，图1是利用曲靖站非相干散射雷达观测到的Es现象。Es层具有显著的时空变化特性[1-5]：季节分布不均，通常夏季5～8月份出现频率高，其他月份较低；昼夜分布不均，通常白天出现频率高，晚上低。Es层的电子密度相当高，可达到常规E层电子浓度100倍以上，因此电离层Es的变化与扰动直接影响了众多无线电技术系统性能的发挥。

图1 曲靖站VHF相干散射雷达观测到的Es层现象

目前，国际上解释Es成因的主流观点是风剪切理论[6-8]，在东向和西向风剪切的情况下，位于中间区域的带电离子沿磁力线运动，最后汇聚形成Es层。一般认为：东向和西向风场由太阳潮汐和太阴潮汐产生，带电离子主要来源于流星消融，地磁倾角对带电离子的汇聚具有重要作用，重力波对Es产生具有调制作用[9-15]。国外利用卫星信标和掩星数据的研究结果表明，Es发生概率最高、强度最强的地区主要分布在夏半球的中低纬地区，这些地区磁倾角在30°～70°之间[16-17]。图2图3，给出了Es层的全球分布情况，从图上可以看出东亚地区位于Es出现频率和强度的峰值位置。

图2 夏季全球Es强度分布图[17](高度为105 km)

图3 冬季全球Es强度分布图[17](高度为105 km)

Es层的电子密度相当高，有时达到常规E层电子浓度100倍，因此它对VHF反射/散射效率高，有利于VHF传播的优势，又因为Es层结位置高，一次反射达到2 000 km，具有超视距传播优势。Es散射通信，对于应对自然灾害、突发事件其它通信设施瘫痪的场合，具有非常明显的军事效益。另外，在核战争条件下各种通信设施都遭受破坏，Es散射通信是一种极其重要的应急通信手段。在Es出现概率较低的春冬季节，可以通过在电离层高度释放金属蒸气，生成人工空间等离子体云[18-19]，进行VHF超视距通信。

本文利用日本冲绳站(26.3°N，127.8°E)30年(1958—1987年)的电离层垂直探测数据，开展了Es强度特性、日变化、季节变化及长期变化趋势研究，得到了有意义的研究结论，对开展电离层Es产生机理和应用研究具有重要参考价值。

1 Es强度特性

Es层临界频率(foEs)月中值是衡量某一地区Es强度的重要参数，月中值能够体现出某一地区Es强度的平均水平，具有较强的可信度。图4利用冲绳站30年数据的月中值，统计平均得到冲绳地区Es强度随地方时和季节的变化特性。

图4 冲绳地区foEs平均月中值分布

从图4上可以看出，冲绳地区foEs平均月中值，随季节和地方时变化显著，夏季5～8份Es强度明显高于其他季节，地方时正午附近强度明显高于其他时间。foEs平均月中值的最大值出现在6月份中午11～12时，最大值达6.5 MHz，最小值出现在春冬季节日出前后，最小值约2 MHz。Es强度最大值出现在夏季正午的主要原因是，电离层E层高度背景电子密度受太阳辐射强度影响，夏季正午太阳高度角大，太阳辐射强，引起E层背景电子密度升高，风剪切形成的Es强度更高。

2 Es时间变化特性

2.1 日变化

为了进一步研究冲绳地区Es的日变化规律，给出了foEs月均值随时间的变化曲线，如图5所示。

图5 冲绳地区foEs日变化曲线

从图5可以看出，冲绳地区foEs平均月中值具有显著的日变化特性，整体上Es强度白天显著高于夜间，foEs平均月中值最大值出现在中午12时，约为4.7 MHz，最小值出现在早上6时，约为2.3 MHz。

2.2 季节变化

为了进一步研究Es季节变化规律，给出了冲绳地区foEs月均值随时间的变化曲线，如图6所示。

图6 冲绳地区foEs季节变化曲线

从图6可以看出，冲绳地区foEs平均月中值具有显著的季节变化特性，foEs平均月中值整体介于2.7 MHz～4.7 MHz之间，最强值出现在6月份，最小值出现在12月份。夏季5～8月份Es强度显著高于其他季节。电离层Es日变化、季节变化特性，是太阳高度角、金属离子密度、大气潮汐、高空风场、重力波等控制因素共同作用的结果。

2.3 太阳周期变化

Es强度与太阳周期之间的关系一直是科学界争论的一个焦点，目前，主要有三种观点，第一种观点认为Es强度与太阳活动不相关，第二种观点认为Es强度与太阳活动弱正相关，第三种观点认为Es强度与太阳活动弱负相关[20]。本文利用冲绳站1977—1987年一个太阳周期11年的观测数据，分析了Es强度与太阳活动的关系(如图7所示)，其中，1979—1981年为太阳活动高年。

图7 冲绳地区foEs太阳周期变化特性(1977—1987年)

从图7可以看出，冲绳地区foEs太阳周期变化不明显，整体上Es强度较强的年份为1985年、1986年、1987年，而这三个年份处于太阳活动相对较低水平，据此可以看出冲绳地区Es强度与太阳活动存在弱的负相关性。

2.4 长期变化

为了研究Es的长期变化趋势，给出了冲绳站月中值和年平均值的逐年变化曲线，如图8和图9所示。

图8 冲绳地区foEs月中值长期变化曲线

图9 冲绳地区foEs年平均值变化曲线

从图8可以看出冲绳地区foEs月中值整体变化范围为2.3 MHz～5.8 MHz，Es层强度具有明显下降趋势。和图9可以看出：冲绳地区Es临界频率年均值整体变化范围为2.5 MHz～4.3 MHz，年均值具有明显下降趋势，这与月中值变化趋势相同。电离层Es强度长期具有下降趋势的研究结论在其他相关文献也有报道[20]，Es强度下降的原因是否与碳排放引起的全球气温变化有关，尚需进一步深入研究。

3 结 语

本文利用冲绳垂测站30年观测数据，重点研究了冲绳地区Es的强度特性和时间分布特性。研究结论如下：

1)冲绳地区Es整体强度较强，foEs平均月中值的最大值出现在6月份中午11～12时，最大值达6.5 MHz，最小值出现在春冬季节日出前后，最小值约2 MHz；

2)冲绳地区Es强度时间分布不均，Es最强值出现在中午12时，Es强度最小值出现在上午6时，Es强度白天远远大于夜晚；

3)选取1977—1987一个太阳周期的观测数据，发现冲绳地区Es强度与太阳活动存在弱相关性；

4)从选取1958—1987年30年的观测数据研究发现，冲绳地区Es强度具有长期整体下降趋势。

电离层Es层作为一种重要的空间环境资源，不但对无线电信息系统的正常工作具有重要影响，同时，Es散射通信也是一种重要的应急通信手段，具有重要应用价值。开展Es特性研究，掌握Es层时空变化规律，对电离层Es产生机理和应用研究具有重要意义。