曲靖非相干散射雷达电离层E-F 谷区电子密度日间变化特征初步分析

丁宗华 代连东 杨嵩 苗建苏 吴健

（1. 中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室，青岛 266107；2. 昆明电磁波环境国家野外科学观测研究站，曲靖 655500）

引 言

根据Chapman 理论，在电离层E 层与F 层之间存在电子密度谷区(即E-F 谷区)，由于探测手段与数据的不足，目前对电离层E-F 谷区的认识十分有限.垂直探测仪虽然是最常规、最广泛使用的电离层探测设备，但无法给出E-F 谷区详细信息(包括谷区位置、谷宽、谷深等)[1]. 目前E-F 谷区的主要探测方法是探空火箭和非相干散射雷达，探空火箭是E-F 谷区就位探测的唯一手段，但探测时间与数据量不足.史建魁等[2]介绍了我国海南地区E-F 谷区电子密度的首次探空火箭观测结果，发现谷区位于90～150 km，谷宽约42 km，谷深约50%，这与国际上其他地区的探测相比都偏大，但谷区外的电子密度与垂直探测仪探测结果相符合.

非相干散射雷达是目前最强大的地基电离层探测设备. CHAU 等[3]介绍了低纬地区Jicamarca (11.9°S,283.1°E)非相干散射雷达的E-F 谷区电子密度探测结果，发现与探空火箭探测结果一致. MAHAJAN 等[4-5]分析了低纬地区Arecibo (18.3°N, 66.7°W)非相干散射雷达的E-F 谷区电子密度随地方时与太阳天顶角的变化特征，发现白天的谷区结构不明显且变化很小，但是夜间的谷区结构很显著且变化很大. ZHANG等[6]介绍了中纬地区(34.8°N, 136.1°E)MU 雷达(中、高层大气雷达)对电离层90 ～160 km 电子密度的初步探测结果. CHEN 等[7]对比了中纬地区Millstone Hill (42.6°N, 288.5°E) 垂直探测仪与非相干散射雷达的电离层电子密度数据，发现垂直探测仪反演的EF 谷区电子密度(利用Titheridge 模型)与非相干散射雷达相比存在较大差异.

在子午工程支持下，中国电波传播研究所于2012 年初在云南曲靖(25.6°N, 103.8°E)建成了我国首套非相干散射雷达. 丁宗华等介绍了该雷达的技术性能指标与数据处理方法[8]及初步探测结果，包括电离层电子密度变化[9-10]、电子温度变化[11]、电子密度日落增强[12]与空间碎片分布特征[13]等，但尚未报道该雷达对电离层E-F 谷区电子密度的探测结果.本文利用曲靖非相干散射雷达日间探测的120～200 km(覆盖E 层上部、E-F 谷区、F1层)电子密度数据，对曲靖地区E-F 谷区电子密度变化特征进行了初步分析.

1 数据处理方法

根据雷达方程[14]，电离层非相干散射回波功率与电子密度成正比. 120 km 以下低电离层电子密度与F2层相比很小，散射回波弱，信噪比低，探测精度较差；同时，120 km 以下经常会受到相干回波(电离层偶发E 层、E 区不规则体、流星) 干扰，信噪比进一步降低[6].

非相干散射回波功率与电离层电子密度的关系为式中：Pr为回波功率；C为非相干散射雷达系统常数；Ne为电子密度；R为雷达到电离层散射体的距离；Tr为电子与离子温度比； α为德拜因子(电离层等离子体德拜长度与雷达波长之比的平方). 曲靖非相干散射雷达的波长为60 cm，德拜长度一般为数cm，因此德拜因子一般小于0.01，该数值非常小可以忽略. 对于低电离层，由于碰撞频率较高，温度的迟豫时间很短(在90 km 和150 km 处分别为0.000 1 s 和1 s)[6]，可认为电子与离子近似热平衡(特别是夜间).Evans[15]对比分析了非相干散射雷达、探空火箭和卫星观测的电离层电子与离子温度数据，发现在130 km以下的电子与离子处于热平衡，但是在160 km 的电子与离子温度比约1.1～1.2，本文假设120～200 km的电子与离子温度比为1，这可能会导致约10%的误差[6]. 利用本地垂直探测仪探测的F2层临界频率可以标校雷达系统常数，从而估算电离层电子密度剖面.

2 初步结果

2.1 基本变化特征

图2 为曲靖地区不同季节白天(约9:00—16:00)120～200 km 的电子密度剖面，其中红色实线为平均值，距离分辨率为4.5 km，时间分辨率为2 min. 可以看出，120～200 km 电子密度剖面在不同月份具有不同的形态结构，冬(2015-01-15)、春(2015-04-05)与秋季(2014-11-02)120～150 km 的电子密度随着高度增加迅速降低，在约140 km 达到最小值(谷底)，然后缓慢单调增加，形成显著的谷区结构，200 km 的电子密度低于120 km. 夏季(2014-07-11)120～150 km 的电子密度随着高度增加缓慢变化，谷区更宽，谷底高度约130 km，从150 km 开始快速单调增加，200 km 的电子密度远大于120 km，夏季120 ～200 km 总电子密度含量大于其他季节.

图1 2014-03-30T9:25LT 曲靖非相干散射雷达探测的回波功率和电子密度剖面Fig. 1 The echo power and electron density profile of Qujing incoherent scatter radar at 9:25LT on 2014-03-30

图2 曲靖地区不同季节的日间电子密度剖面Fig. 2 The daytime electron density profiles in different seasons in Qujing

图3 为2017-04-30 探测的120～200 km 电子密度剖面随地方时的变化. 可见不同时刻的电子密度剖面形态不一样，并且相对正午时刻具有一定的对称性. 在日出时的E-F 谷区较深较宽(谷底约144 km，谷深约0.92)；9:00—13:00 期间电子密度增加，谷区较窄并缓慢变化(谷底约140 km，谷深约0.73)，谷底位置在140～144 km 变化；15:00 开始谷区再一次加深.

图3 2017-04-30 不同地方时的电子密度剖面对比Fig. 3 The comparison of the daytime electron density profiles in different local time on 2017-04-30

图4 为2015-05-30 探测的149～198 km 6 个不同高度处电子密度随不同地方时的变化. 可见不同高度处的电子密度相对正午12:00 具有对称性，随着高度增加，对称性降低. 在日出时电子密度迅速增加，约9:00 即达到最大值，随后缓慢变化；在15:00 开始快速降低，在19:00 达到极小值；在19:00—20:00 出现短暂的增加；在21:00 再次开始下降，并维持在夜间的较低值.

图4 2015-05-30 不同高度电子密度变化Fig. 4 The variations of the electron density in different altitudes with local time on 2015-03-30

2.2 太阳耀斑期间的E-F 谷区电子密度变化

众所周知，低电离层主要受光化学过程控制，耀斑期间太阳X 射线与极紫外等电磁辐射显著增加，必然对电离层光化学过程产生影响. 2014-12-17 发生了一次X 级耀斑，曲靖11:20 时刻软X 射线辐射流量 迅速 增 加，11:46 达 到 最大 约 8×10-5W/m2，为M8.7 级耀斑水平，于12:15 结束，持续约55 min. 图5为2014-12-17 曲靖地区不同高度的电子密度变化.可见曲靖9:30—13:00 期间124～129 km电子密度变化趋势相似，在耀斑爆发后迅速增加，在11:30 达到最大值，随后下降；134～149 km 的电子密度增加不明显.

图5 2014-12-17 耀斑期间不同高度电子密度变化Fig. 5 The variations of the electron density in different altitudes with local time in the solar flare event on 2014-12-17

图6 为2014-12-15—18 电离层垂直探测的fmin(起测频率)与foE(E 层寻常波临界频率)变化，fmin一定程度上反映了D 层电子密度的变化，foE 与E 层最大电子密度有关. 耀斑期间，电离层D 层在太阳软 X射线辐射电离作用下，电子密度迅速增加，导致入射到D 层的无线电波吸收衰减增加，起测频率越高吸收越严重. 从图6 可见12-17 T 11:00—12:00fmin快速增加，12:00 达到最大值约6.0 MHz，对应的电子密度约4.46×1010/m3，12:00—14:00 快速降低，15:00 以后降低到约1.4 MHz，表明fmin与太阳软 X 射线辐射流量增加有关.foE 相对正午12:00 具有明显的对称性，表明foE 主要受太阳辐射光化学过程控制，但是2014-12-17T11:00 以后无观测数据，因此利用foE 无法分析此次耀斑效应.

图6 2014-12-15—18 耀斑期间电离层fmin 与foE 变化Fig. 6 The variations of the fmin and foE with local time in the solar flare event during 2014-12-15—18

由于电离层不同高度的中性成分不同，不同成分吸收太阳电磁辐射的程度不同，导致不同高度的电子密度变化特征不同. 比如低电离层(D 层和E 层底部)以分子离子为主，对太阳 1～8 Å 软 X 射线辐射强度的变化很敏感；随着高度增加，分子离子与原子离子并存，太阳极紫外辐射电离也变得重要，因此图5 中124～129 km 电子密度增加可能是由于太阳X 射线或极紫外辐射增强有关.

2.3 磁暴期间的E-F 谷区电子密度变化

磁暴是引起电离层剧烈扰动的主要因素，磁暴发生后数十小时至数天内，电离层会出现不同程度的扰动. 以往研究表明，磁暴期间电离层F2层会出现显著变化，而F1层暴时变化可能不显著[16]. 2015-04-11 与2015-04-16 接连爆发了中等磁暴，图7 为2015-04-01—21 的地磁环电流指数(disturbance storm time,DST)分布，黑色虚线分别对应04-17 与04-19T0:00UT，可见04-01—04-09 内Dst 指数在-20～20 nT 变化，14 日22:00 已 达 到-36 nT，15 日23:00 降 低 到-43 nT，16 日23:00 达到-78 nT(中强磁暴级别)，随后逐渐增加，18 日13:00 增加到-8 nT，随后缓慢降低，19 日0:00 达到-30 nT，随后缓慢增加.

图7 2015-04-01—21 DST 指数变化Fig. 7 The DST variations during 2015-04-01—21

图8 为2015-04 磁暴事件期间曲靖地区电离层139～196 km 电子密度观测结果. 为了比较，图8 也给出了04-03(Dst 平均值为-8 nT，可认为磁静日)的观测结果. 可以看出：在磁静日电子密度随着高度增加而增大，139 km 的电子密度为极小值，随着高度增加电子密度逐渐增加，说明电子密度谷区可能位于139 km 附近；不同高度的电子密度随着地方时缓慢变化. 在磁暴日的04-19 午后，177～196 km 的电子密度出现显著增加，高度越高，电子密度增加的幅度越大，即F1层出现了正暴效应；04-17 午后177～196 km出现疑似增强但不明显，139～158 km 的电子密度变化不明显. 以上现象也反映出04-19 的谷区结构相对于04-03 发生了变化.

图8 2015-04 磁暴期间不同高度电子密度变化Fig. 8 The variations of electron density in the different altitudes during the geomagnetic storm event in 2015-04

图9 为此次磁暴事件期间的电离层垂直探测foE，foF1(F1层寻常波临界频率)与foF2(F2层寻常波临界频率) 的变化，foF1与F1层最大电子密度有关，foF2与F2层最大电子密度有关. 从图9 可见，磁暴期间foE 相对正午12:00 具有明显的对称性，而且相对于磁静日无明显增加，说明磁暴期间E 层电子密度变化不明显.foF1观测数据缺失严重，无法分析磁暴期间foF1的相对变化，但初步显示04-17 相对于04-03 无明显增加.foF2在04-17T14:00—21:00 相对04-03 出现增加，最大增幅为2.9 MHz(16:00)，对应的电子密度相对增加36%，04-19T16:00—21:00 相对04-03 出现增加，最大增幅为2.2 MHz(18:00)，对应的电子密度相对增加32%.

图9 2015-04 磁暴期间电离层foE，foF1 与foF2 的变化Fig. 9 Temporal variations of the foE, foF1 and foF2 in the geomagnetic storm event in 2015-04

F1层是原子离子与分子离子的过渡区，原子离子与分子离子之间的竞争是控制F1区暴时电子密度变化的主要机制，另外与中性成分(O，O2，N2)的季节变化也有关. F1层日间电子密度变化主要受太阳极紫外辐射下中性成分的光化学过程控制，F1层氧原子离子( O+)密度可表示为

式 中：q(O+)为 氧 原 子 离 子 产 生 率； β为 损 失 率；H=kTn/(mg)为原子氧标高. 可见氧离子密度随高度增加而增加，而分子离子密度随高度增加不明显，因此在F1层上部甚至F2层氧原子离子占主导地位，而在F1层下部以分子离子占主导，氧原子离子密度的变化也决定了F1层暴时效应的正负.

BURESOVA 等[17]利用欧洲电离层垂直探测数据分析了日间160～190 km 电子密度的暴时效应，发现无论F2层是正暴还是负暴，F1层暴时电子密度总是减小，即负暴效应. F1层暴时效应存在季节差异，夏季不明显，冬季明显，秋季强于春季. MIKHAILOV[16]利用Millstone Hill 与EISCAT 非相干散射雷达数据分析了160～200 km 电子密度的磁暴效应，发现电子密度以负暴效应为主，但也会出现正暴. 在四个季节都会出现负暴，其幅度比正暴更大，随着高度增加幅度变化越大. 出现负暴与氧原子离子密度减小与分子离子密度增加有关. 出现正暴的机制有多种，比如氧原子密度增加、220 km 以下热层大气收缩导致密度减小等. 如果F1层正暴与氧原子密度增加有关，那么不同高度的正暴效应不同，高度越高，正暴效应越强，同时在暴时赤道向热层风导致的垂直等离子体漂移作用下，F2层出现强烈的正暴效应. 相反，如果与热层大气收缩有关，那么随着高度增加，正暴效应减弱.

2015-04-19 曲靖地区139～158 km 的电子密度变化不明显，与垂直探测foF1的变化基本一致；177～196 km 的电子密度在午后出现显著增加，高度越高，增幅越大；垂直探测foF2的变化显示午后16:00—21:00 的F2层电子密度出现增强，这些与MIKHAILOV 观测研究结果基本一致. 因此猜测2015-04-19 177～196 km(F1层上部)电子密度增加可能与氧原子等中性成分增加有关.

3 分析与讨论

ZHANG 等[6]利用中纬地区MU 雷达数据分析了90～160 km 电子密度变化特征，发现1 月与3 月相似，7 月与9 月相似，但1 月和3 月与7 月和9 月的差别很大，1 月日间的E-F 谷区谷底位于125～155 km，但9 月E-F 谷区结构不明显. 上文结果表明曲靖地区120～200 km 电子密度具有两种形态：一种具有显著的谷区结构(谷底位于134～144 km)，另一种谷区不明显，这与MU 雷达观测结果基本一致，但相对其他地区而言，谷底更高.

苏元智等[18]利用武昌白天的垂直探测电离图反演的E-F 谷区电子密度数据分析了武昌地区白天的谷区特征，发现大部分时间里都存在谷区结构，谷深很浅，大部分谷深约0.2；谷宽平均约30 km，随季节变化，冬季较宽，夏季较窄；谷宽随太阳天顶角增加而增大. 图2 中曲靖地区的谷深约0.7，远大于武昌，表明曲靖地区的深谷较多；图3 中曲靖地区的谷宽在正午较小，在日出更大，即随着太阳天顶角增大而增大，这与武昌的观测结果一致.

SHI 等[2]首次使用探空火箭数据分析了海南地区日出时的电离层E-F 谷区结构，发现E-F 谷位于123.5 km，宽度约42 km，深度约50%，这个结果与其他站观测结果相比，谷区更宽更深. 曲靖地区位于中低纬过渡区，谷宽与谷深相对更小，上文结果表明曲靖地区E-F 谷位于约140 km，谷宽约30 km，这相对于我国低纬海南地区而言，谷区位置更高，宽度更窄.

MAHAJAN 等人[4-5]利用低纬地区Arecibo 非相干散射雷达数据分析了E-F 谷区的谷宽与谷深变化特征，并给出了谷宽谷深的经验模型. 研究发现夜间谷区相对于日间变的更宽更深，日间实测的谷宽相对于模型值更窄. 图10 为利用MAHAJAN 模型仿真的谷区参数随太阳天顶角的变化. 可知，当太阳天顶角从0°变化到60°时，谷区深度从0 变化到0.1，谷区宽度由7 km 增加到13 km. 当天顶角增加并接近90°时(比如日出、日落)，谷区宽度和深度进一步增大，谷深可达0.25，谷宽可达23 km.

图10 谷区参数随太阳天顶角的变化Fig. 10 Variations of the E-F valley depth and width with the solar zenith angle

根据TITHERIDGE 模型[19]，正午时E-F 谷区宽度约10～15 km，谷区深度约4%～7%；当天顶角增加到70°时，谷宽约10～25 km，谷深约7%～10%；当天顶角增加到84°时，E-F 谷区结构将消失. E-F 谷区宽度和深度与太阳天顶角的关系近似满足(sec χ)0.6. 图3中日出时的谷区宽度与深度更大，随着天顶角减小，谷区变窄，谷深变浅，这与MAHAJAN 和TITHERIDGE模型基本一致.

一般认为，影响电离层E-F 谷区结构的因素包括以下几个方面：1) 太阳天顶角. TITHERIDGE[19]指出E-F 谷区宽度和深度会随着太阳天顶角的增加而变大，这已被探空火箭实验[18]观测证实. 2)地磁纬度. TITHERIDGE[19]指出低纬地区的E-F 谷区宽度和深度更大. 曲靖地区的地磁纬度为14.3°N，位于赤道北驼峰边缘地区，属于中低纬过渡区，与典型的低纬或中纬不同. MAEDA[20]通过分析中纬地区探空火箭数据，发现日间E-F 谷区平均高度约115 km，说明低纬地区的谷区高度低于中纬地区. 3)地方时.MAHAJAN 等[5]发现E-F 谷区的宽度和深度在日出日落时更大，当太阳天顶角80°时，谷区平均高度约122 km.

4 小 结

通过分析曲靖非相干散射雷达数据，文中首次初步给出了曲靖地区电离层E-F 谷区电子密度剖面的变化特征，包括：1)曲靖地区日间120～200 km 电子密度剖面具有两种形态，随着季节与地方时变化.一种是存在明显的谷区结构，谷底高度约134～144 km；另一种是谷区很宽，谷底位于约130 km，120～150 km电子密度随高度缓慢变化，160 km 以上电子密度快速单调增加，这与MU 雷达观测结构基本一致. 2)耀斑期间，129 km 以下的电子密度会出现显著的增强，134 km 以上增强现象不明显，可能与太阳X 射线与极紫外辐射增强有关，D 层电子密度出现突然增加，可能与X 射线爆发有关. 3)中等磁暴期间，177～196 km 的电子密度与foF2均出现了正暴效应，可能与氧原子含量增加有关，这与国外非相干散射雷达观测基本一致.

下一步将利用更多数据深入分析曲靖地区电离层E-F 谷区的变化特征，探讨其机制，并尝试建立经验模型.

致 谢本文使用了子午工程曲靖非相干散射雷达的观测数据，在此表示感谢.