南极中山站DPS_4电离层测高仪的中层夏季回波统计分析

南极中山站DPS_4电离层测高仪的中层夏季回波统计分析 第 19卷第 1期极地研究Vo .l 19 , No. 1 2007年 3月M a rch 2007 CH IN ESE JOURNAL O F POLAR R ESEARCH 研究论文 南极中山站 D PS24电离层测高仪 的中层夏季回波统计分析 1 23 1李海龙 吴 健 刘瑞源 黄际英 1( 西安电子科技大学理学院 ,西安 710071; 2 中国电波传播研究所北京研究中心 ,电波环境特性及模化技术国家重点实验室 ,北京 102206;3) 中国极地研究中心 ,上海 200136 提要 本文应用 D PS24 型 数字式电离层测高仪观测 数据研究南半球极区中 层夏 季 回 波 现 象 ( ) PM SE。通过对 E 层 和 E s层 异 常 特 征 的 分 析 , 证 实 在 南 半 球 中 频 和 高 频 频 段 能 够 观 测 到PM SE2E s现象 ,并发现其与北半球 PM SE出现率的季节性变化 、日变化及半日变化等规律性变 化类似 ,但存在一定差异 。最后分析讨论了这些差异 ,并通过极光卵图解释日变化及半日变化 等规律性变化 。 关键词 极区中层夏季回波 中山站 极光卵 1 前言 1979年夏季 , Eck lund和 B a lsley首次用 M ST雷达发现从极区中层顶附近返回一种异 [ 1 ] ( ) 常强大的雷达回波 ,即极区中层夏季回波 PM SE 。现在对 PM SE 的观测已经从最初 [ 2 , 3 ] [ 4 ] 的 VH F频段逐渐扩展到 M F、H F频段 至 UH F频段 ,但主要集中在 VH F 和 UH F 频 [ 5 ] 段 。探测方式已经从最初的垂直观测到斜探测观测 ,到后来的两种测量相结合 , [ 6 ] 应用几部雷达对相同区域同步进行观测 ,从不同角度对 PM SE 进行观测 。除了雷达观测 ,利用火箭 、激光雷达等实验装臵开展实时的中层顶区域的温度 、电子密度 、尘埃密度和 尺寸 、带电量等参数的综合测量 ,奠定了研究 PM SE的综合实验数据基础 ,同时 ,协同观测 [ 7 ] 数据的解释也向现有的理论提出了挑战 。 H F频段的观测与 VH F频段的观测有一定差异 ,但两种设备同时观测表明 , H F 雷达 [收稿日期 ] 年 10 月收到来稿 , 2006 年 12 月收到修改稿 。 2006 ( )[基金项目 ] 国家自然科学基金 40310223 和电波环境特性及模化技术国家重点实验室基金资助 。 [作者简介 ] 李海龙 , 1979 年生 。西安电子科技大学博士研究生 。研究方向为极区中层夏季回波 。 [ 8 , 9 ] 具有探测 PM SE的能力 ,如在南极 Syowa站利用 H F雷达观测到 PM SE 现象 。另外一 种工作在 M F /H F频段的探测设备是电离层测高仪 ,利用电离层测高仪与 VH F 雷达同时 [ 10 , 11 ] 对共同区域的观测表明 ,电离层测高仪能探测到 PM SE 现象 。电离层垂直测高仪的 优势是全球分布广 、观测历史长 、数据积累量大 ,在研究 PM SE的长期变化 ,区域特征方面 具有不可替代的优势 。 () 本文利用中国南极中山站数字式电离层测高仪 D PS24 1995 年 2 月至 2001 年的观 测资料 ,较为系统地对极区电离层 E 层和 E s层的异常变化特征进行了综合分析 , 得到 PM SE2E s出现的判据 。据此得到在太阳活动低年和高年 PM SE2E s出现率的变化规律 : 日 变化 、半日变化 ,季节性变化等等 ,然后把得到的结果与北半球观测的 PM SE 出现率进行 对比研究 。最后用极光卵的位臵解释了日变化及半日变化南北半球之间的差异 , 并讨论 了在太阳活动低年和高年两者出现率的季节特征和差异 。 2 南极中山站 PM SE2E s现象的判定 ( )在南极中山站 69. 4 ?S, 76. 4 ?E当地夏季 ,通过分析数字测高仪测到的频高图发现 : 无论太阳活动低年还是太阳活动高年期间 ,在虚高 80 —100 km 处经常存在 E 层和 E s层 异常描迹 ,它比平常观测到的 E s层的高度低 ,却与极区中层夏季回波的高度非常一致 ,如 图 1 ,图 2 所示 。图 1表示 1995 年中山站太阳活动低年的典型频高图 ,图 2 表示中山站太 阳活动高年的典型频高图 。每幅频高图的横坐标表示观测频率 ,单位为 MH z,并且观测 范围在 1 —10MH z之间 ,属于 M F和 H F 频段 ,纵坐标表示虚高 ,单位为 km。这些频高图 [ 10 ] 与在北半球的发生 PM SE时的频高图非常类似 ,出现有低于 100 km 的 E层回波描 迹 ,这种描迹在低纬地区是基本上没有的 ,在高纬地区的其它季节也是没有的 ,并且主要 发生在当地夏季 。 ( )( )图 1 南极中山站的电离层频高图 ,分别是 1995年 12月 1日 0200U T a和 0300U T b ( ) F ig. 1. Ionogram s reco rded a t Zhongshan Sta tion, A n ta rc tica a t 0200 U T 01 D ec 1995 aand 0300 U T 01 ( ) D ec 1995 b, re sp ec tive ly ( )( )图 2 南极中山站的电离层频高图 ,分别是 2001年 2月 1日 2000U T a和 2100U T b ( ) F ig. 2. Ionogram s reco rded a t Zhongshan Sta tion, A n ta rc tica a t 2000 U T 01 Feb 2001 aand 2100 U T 01 ( ) Feb 2001 b, re sp ec tive ly 在图 3中左图和右图分别取 1997年和 2001年的 1月和 7月的 E s虚高月中值 ,横坐 [ 12 ] () 标表示 1 d 的世界时间 L T = U T + 5 h,单位是 h;纵坐标表示虚高 ,单位是 km。通过图3看出 E s层虚高的一个共同点 : E s虚高月中值有时在 100 km 以下 ,在 1月份较低 , 7 月份 较高 。 图 3 1997 , 2001年在南极中山站观测到的 E s层虚高月中值 。点号曲线表示 7 月份观测值 ,星号曲 线表示 1月份观测值 F ig. 3. The mon th m ed ian s of E s virtua l he igh t a t Zhongshan Sta tion, A n ta rc tica in 1997 and 2001. The do t2 ted and a ste risked cu rve s stand fo r the va lue ob se rved a t J u ly and J anua ry, re sp ec tive ly 统计每年 E s层的虚高 ,发现 ?90 km 的 E s层虚高在 10、11、12、01 和 02 月份出现的 几率较大 ,并且是先逐渐增加然后慢慢减少 ,在 12月和 1 月份是一个稳定的高峰期 ,此时 正好是南极的夏季 ,也就是南半球中层顶温度最低的时候 。通过与北极 PM SE 与电离层 测高仪观测结果对比 ,可认定在南极中山站观测到的这种特殊的 E s描迹为极区中层夏季 回波 ,我们不妨称其为 PM SE2E s。 基于上述观测事实和北极的实验研究结果 ,我们按照以下两个条件确定 PM SE2E s事 件 : ( ) ( ) 1 E s的虚高 ?90 km; 2 E s的虚高小于等于正常 E层的虚高 。 第一个条件保证这样的 E s发生在中层顶高度 ,第二个条件是为了排除可能的正常 E 层对研究结果的影响 。事实上 ,在我们工作所用到的数据中 ,满足第一个条件的测量事件 基本满足第二个条件 。下面通过对 E s层的异常虚高研究 PM SE2E s的变化规律 。 3 南极中山站 PM SE2E s的变化规律 PM SE出现率具有规律性变化 : 日变化以及半日变化 ,季节性变化 ,随太阳活动的长 期变化等等 。下面通过符合上述判据的数据来研究 PM SE2E s在南极中山站出现率的变 化规律 。 3. 1 南极中山站 PM SE2E s日变化及半日变化 PM SE的出现时间每天都有所不同 ,但统计上具有一定的规律性变化 。 PM SE除了日 [ 6 , 13 ] 变化外 ,还有一个明显的半日变化特点 。 PM SE 平均出现几率有一个明显的最小值 在 19: 00 —22: 00 U T,最大值在 12: 00 —13: 00 U T,最大值和最小值在整个 PM SE 发生期 [ 14 ] 间是稳定的 ,次最大值一般发生在清晨 ,但时间并不稳定 。 下面根据南极中山站 D PS24在 1995、1996、1997、1999、2000 和 2001 共 6 年的电离层 (月数据进行分析 因南极中山站在 1995年 2 月份正式开始工作 ,不存在 1 月份数据 , ) 本文在处理过程中该月数据用 1996年 1月份数据代替 ,月报表中数据为每小时测量一 次的数据 。本文根据月报表特点 ,把出现 PM SE2E s的小时个数与对应的总观测小时个数 的比值 ,作为 PM SE2E s的出现率 。 ( ( ) 在图 4 中分 别给 出了 在 太阳 活动 低 年 1995、1996、1997 和 太阳 活 动高 年 1999、 )2000、2001 共 6 年的 PM SE2E s在 10月 、11月 、12月 、01 月 、02月 5 个月的平均值出现率 。 纵坐标表示 PM SE2E s出现率 ,横坐标表示世界时 。在太阳活动低年 , PM SE2E s的最大出 现率达到 40 % ,并在世界时间 5点左右出现率达到最大 ,次最大值一般在世界时间 20 点左右 ,出现率约 为 20 % , 最 小 值 在 世 界 时 间 15 点 左 右 , 此 时 几 乎 没 有 PM SE2E s现 象 。 PM SE2E s出现率的峰值和随太阳活动变化不太明显 ,在太阳活动高年 , PM SE2E s出现率的 两个极大值位臵有互换的趋势 ,总出现率有所降低 。 3. 2 南极中山站 PM SE2E s季节变化 在北半球 , PM SE 出现率从 5月底或 6 月初明显地增长 ,从 6 月中旬到 7 月中旬或 7 [ 15 ] 月末发生几率几乎接近 90 % , 8月下旬逐渐消退 。现在不同频段的雷达在不同纬度的 [ 1 ] 观察结果均证实了这种规律性 。 在南极中山站对 PM SE2E s出现率的季节特征分析同样也分为太阳活动低年和太阳 活动高年两种情况 。 图 5分别代表 1995、1996、1997、1999、2000、2001 年 6 年的季节性变化 ,各图中是每 10天取出所有 PM SE2E s事件数 ,然后统计这期间的平均出现率 。图中只取 10 —02 共计 ( 5 个月份 ,其它月份的 PM SE2E s出现率几乎为零 在 1999 年和 2001 年 ,图中第四图与第 ) 六图中出现的空白带是由于数据不全造成的 。从 10 月份 PM SE2E s开始出现 , 逐渐增 加 ,在 11月底达到最大值并保持稳定到 1 月末 ,然后快速下降 。这六幅图均显示一个几 乎相同的季节特征 ,它与北极的观测结果非常相似 。 通过图 5的对比分析可以发现 : 在太阳活动低年的 11 —01 月份 PM SE2E s出现率相 对稳定 ,而在高年 PM S2E s的出现率却相对波动较大 ,即使在出现率最高的时间段也出现 波动 。这可能与在太阳活动高年 ,地磁活动相对活跃 ,极区电离层容易受到各种动力学过 程的扰动有关 。 图 4 PM SE2E s出现率的日变化和半日变化 。图中分别对应的是 1995、1996、1997、1999、2000、2001 年在中国南极中山站 PM SE出现率随时间变化的日变化和半日变化情况 。 F ig. 4. D iu rna l va ria tion and sem id iu rna l va ria tion of the occu rrence ra te of PM SE2E s du ring 1995 —1997 and 1999 —2001 图 5 1995 , 1996 , 1997, 1999 , 2000 , 2001年南极中山站观测的 PM SE2E s出现率的季节特征 。每 10 天 作为 1个单元 ,横坐标表示从每年 10月份开始计算 F ig. 5. Sea sona l va ria tion of the occu rrence ra te of PM SE2E s du ring 1995 —1997 and 1999 —2001 4 讨论与结论 4. 1 日变化的南北差异 在南极中山站观测到的 PM SE2E s出现率变化与在北半球观测到的 PM SE 的日变化 、 半日变 化 和 季 节 性 变 化 等 有 一 定 的 区 别 , 最 大 值 在 时 间 上 相 差 约 4 h, 每 天 出 现 2 个 [ 15 ] PM SE2E s出现率的峰值 、并在 U T15: 00 前后几个小时的出现率最小 , 与 B rem e r等 在 E srange观测到的 PM SE出现率日变化相比较是一个鲜明的特点 。 [ 16 ] 充分考虑两个观测站的地磁纬度和它们相对于极光卵的位臵 ,引用 L iou 等 的极 光卵图来解释这种差异 ,如图 6所示 。从极光卵图中很容易发现 ,中山站的修正地磁纬度 ()约为 75 ?,它于 U T13: 00 ML T15: 00 左右进入极光发生概率最大的时段 ,这段时间由于极 [ 17 ] 光粒子加热 ,电离层底部温度会上升 ,并由于电子温度的上升导致 PM SE2E s减弱 ; 而 U T01: 00 至 U T11: 00 这段时间 ,中山站处于极光发生概率相对低的时间段 ,电离层温度 偏低 ,能维持较高的 PM SE2E s出现率 ; U T18: 00 以后 ,中山站又处于极光卵内侧 ,是极光 发生概率相对较小的另一段时间 ,因此维持第 2个PM SE2E s出现率峰值 。 ()图 6 极光发生概率统计分布图 引自 [ 16 ] ( )F ig. 6. D istribu tion of the au ro ra ova l in A n ta rc tica from [ 16 ] ( ) 而 E srange站 67. 9 ?N , 21. 1 ?E 的情况与中山站有所不同 ,它的修正地磁纬度约为 64. 7 ?,整个白天它都处在极光卵的外侧 ,能维持比较高的 PM SE 发生率 , U T18: 00 之后 , E srange开始从外侧快速进入极光卵 ,由于极光粒子的影响 , PM SE出现率急剧下降 ,等它 离开极光卵 ,出现率又开始回升 。在这里仅仅从极光粒子加热低电离层导致 PM SE 消失的角度解释上述差异 ,实际上极区电离层是一个非常复杂的系统 ,控制因素很多 。除了这 里考虑的主要因素 ,还有其它因素需要考虑 ,需要通过不同测量数据来印证 。 4. 2 季节特征的南北差异 南极中山站 PM SE2E s出现率的季节特征与北极 PM SE出现率的季节特征非常相似 , 但出现率的绝对值有较大差异 。我们可以从两个方面来理解这种差异 。 首先 , PM SE2E s是从电离层测高仪的频高图的描迹和虚高来判别的 ,没有回波信号幅 度信息的支持 ,在 PM SE2E s事件的判别方面可能与 PM SE 的测量有偏差 ,又由于电离层 是一个色散媒质 ,其散射特性与工作频率有关系 , VH F频段的测量与 M F /H F 频段的测量 [ 6 ] 有差别 。 其次 ,我们的研究用的是电离层月报表数据 ,每小时 1 次测量数据 ,数据的时间分辨 率很差 ,不像 VH F雷达可以高时间分辨率地连续观测 ,测量数据也可能有一定差异 。 4. 3 太阳活动相应的南北差异 太阳活动高年和太阳活动低年进行对比 : 在北半球 2001 年的 PM SE 出现率比 1996 [ 15 ] 年高得多 。即最近一个太阳活动高年和低年进行对比 ,高年的 PM SE 出现率比低年要 高 。但是在中山站观测的 PM SE2E s出现率对太阳活动的相应变化却不太明显 。 一种原因可能是电离层对 M F /H F频段的电波吸收比 VH F 频段大得多 ,在太阳活动高年 ,太阳辐射流量的增大和高能粒子沉降加大 , 导致对 M F /H F 频段的电波吸收的加 剧 ,对 M F /H F频段的观测可能带来影响 。另外在电离层中存在许多不规则体 ,测高仪探 测时产生一些相应的回波 ,干扰正常的极区中层夏季回波 ,从而对 PM SE2E s出现率的统 计产生一定的误差 。 参考文献 1 Eck lund W L and B a lsley B B. 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