2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
等离子体波沿着地球磁力线传播,造成电离层中电子密度不规则结构沿着磁力线的方向排列,形成场向不规则结构(Field Aligned Irregularities). 20世纪60年代,电离层E区场向不规则结构在赤道电急流(EEJ)区被首次发现.根据不规则结构回波多普勒特性,不规则结构回波主要分为Ⅰ型和Ⅱ型回波:Ⅰ型回波的特征为多普勒宽度较窄,多普勒速度接近离子声速;而Ⅱ型回波多普勒宽度较宽,多普勒速度远小于离子声速.两种类型回波的产生机制分别归结为双束流不稳定性(Two-stream Instability)和梯度漂移不稳定性(Gradient-drift Instability)[1].20世纪90年代,日本实施了SEEK-I和Ⅱ系列探测计划,观测研究中纬电离层E区场向不规则结构发生特征.其中,Yamamoto等[2]基于MU雷达观测发现E区不规则体回波在雷达RTI(距离-时间-强度)图上呈现两种不同的形态,表现为时间上持续不间断,即连续性回波(Continuous Radar Echoes),和时间上周期性(几分钟到十几分钟)出现,即准周期回波(Quasi Periodic Echoes).在中纬,电离层E区场向不规则结构连续性回波(下文简称E区连续性回波)主要出现在夜间,同时的电离层测高仪偶发E层(Es)观测表明,中纬电离层E区连续性回波和本地Es的出现密切相关[3].我国台湾学者利用中坜VHF雷达的观测,对电离层赤道异常峰区的场向不规则结构特征进行了详细研究,指出在不同磁纬度下观测的E区连续性回波特征存在有明显差异[4].而对赤道电急流区(EEJ)以外的低纬电离层E区连续性回波特征研究,目前只有非常有限的观测,主要基于印度南部Gadanki的MST雷达和秘鲁北部Piura的VHF雷达.研究结果发现低纬电离层E区场向不规则结构的形态变化与E区连续性回波的谱特征和中纬地区非常类似,而与赤道电急流区(EEJ)的不规则结构特征截然不同[5].此外,在不同经、纬度带,低纬E区连续性回波表现出不同的日变化特征.在Piura,地方时1100-1400LT很少观测到E区连续性回波[6],而在Gadanki,全天都可观测到E区连续性回波[7].
近年来,我国学者利用电离层测高仪和GPS电离层TEC与闪烁观测仪,对我国低纬电离层开展了一系列观测研究工作[8-10],但由于缺乏VHF雷达观测等手段,我国低纬电离层米级尺度场向不规则结构回波特性的研究一直是空白.2009年2月,中国科学院地质与地球物理研究所在海南三亚建立了我国大陆首台VHF电离层相干散射雷达,其主要目的是探测我国低纬电离层E、F区场向不规则结构的发生与演变特征.利用该雷达观测,Ning等[11],Li和Ning [12]对E区不规则结构的逐日变化和统计特征开展了相应研究工作,发现在冬季1100-1600LT时段很少观测到E区回波,在夏季E区回波与Es表现出明显的2日波特征.此外,Li等[13]对赤道F区和低纬E区不规则结构回波开展了耦合研究.然而,对雷达观测E区连续性回波特征的日夜差异,以及E区连续性回波的多普勒谱分布特征等工作尚未开展.本文主要利用三亚VHF雷达观测的E区连续性回波数据,结合电离层数字测高仪Es观测和全天空流星雷达风场观测,分析研究我国低纬E区连续性回波日夜形态特征和多普勒谱分布的差异,给出E区连续性回波多普勒速度与全天空流星雷达风场联合观测的结果,讨论影响E区连续性回波日夜形态变化特征的可能因素.
2 观测设备与实验参数设定三亚VHF雷达具有电离层相干散射探测和全天空流星(镜面)观测2种工作模式[14].相干散射探测和全天空流星探测采用不同的天线阵,在电离层相干散射探测模式:雷达天线阵采用12×2个水平极化5单元八木天线用于发射和接收;雷达波束的3dB宽度东西方向为10°,南北方向为24°;波束天顶角23°,通常固定指向地磁正北,与电离层E、F区地磁场垂直;此外,雷达波束可沿东西方向以2.5°步进扫描,扫描范围为±45°,观测电离层E、F区不规则结构及其东西向漂移特征.在全天空流星观测模式:天线采用目前广泛使用的1根正交偶极天线发射,5根正交偶极天线布阵接收的干涉测量方式,观测高层大气镜面流星尾迹(Specularmeteortrail)并获得大气风场.三亚VHF雷达的基本参数如表 1.
在日常观测中,三亚VHF雷达常采用交替工作模式:每1min在电离层相干散射和全天空流星观测模式之间切换,同时获得电离层不规则结构回波和高层大气风场[14].本文主要采用的数据为2010年12月至2011年11月的观测事例.在此期间,电离层相干散射工作模式如表 2.在主要监测E区不规则结构时(80~200km),雷达回波空间分辨率可达0.9km;而对E、F区展开同时监测时(80~800km),回波空间分辨率为4.8km.此外,三亚站电离层数字测高仪以每15min获取一次电离层频高图,从频高图中可以获取Es等相关参数.为了减少波束宽度效应对Es虚高测量的影响,本文采用的Es高度为利用SAOExplorer手工标定的Es底部高度hbEs.
在三亚VHF相干雷达对电离层E区的探测中,主要观测到3类事件,包括白天缓慢下降的单层连续性回波,日落后的多层连续性回波结构,以及伴随赤道扩展F发生的夜间E区连续性回波短暂中断和高E区连续性回波的产生.本文选取6个事例(详见表 2),研究不同类型回波的形态特征及其可能的产生机制.
3.1 白天E区缓慢下降的单层连续性回波利用三亚VHF相干雷达2009年2月-2010年1月观测,Ning等[11]统计了E区回波发生率随地方时和季节的变化特征以及与Es的相关关系,分析表明在冬季,回波主要发生在0800-1100LT,正午和下午时段很少观测到E区回波.图 1给出了2011年1月26-27日0730-1530LT期间,三亚VHF雷达观测的不规则结构回波强度随时间和高度的变化图(HTI),以及测高仪观测Es临频(foEs)和遮蔽频率(fbEs)等参数.HTI图中附加的粗实点线表示Es底部所在的高度hbEs(图中hbEs为45min滑动平均值)随时间的变化.由于E区3m尺度不规则结构的磁敏感夹角通常小于0.5°,即具有很强的场向敏感性(Magnetic Aspect Sensitivity),对于三亚VHF雷达(波束指向地磁正北)观测的E区3m尺度(由布拉格散射可知不均匀体尺度为λ/2,λ为雷达波长)不规则结构,回波高度H可由H=Rcos(23°)近似获得,R为雷达探测距离.
如图 1a和1c所示,E区雷达回波随时间和高度变化表现出2个主要特征:1)回波主要出现在0730-1300LT(27日出现在0845-1250LT),在下午时段1300-1600LT,基本没有观测到E区不规则结构回波;2)回波高度主要位于95~105km范围,如粗虚线所示,回波平均高度由0730 LT(0830LT)观测的105km(102km)下降到1230LT(1300LT)观测的97km(97km),以大约1.5km/h(1km/h)缓慢下降,与hbEs的变化表现出类似的地方时特征.图 1b和1d给出了1月26-27日0730-1530LT期间测高仪观测Es参数的变化,图中的实线、虚线、颜色棒分别表示foEs,fbEs以及foEs和fbEs的差值.如颜色棒所示,foEs和fbEs差值主要发生在0745-1230LT,对应于图 1a和1c中雷达回波出现的时间,表明对我国低纬三亚地区,白天E区连续性回波产生的条件之一是空间不规则Es层的存在以提供触发梯度漂移不稳定性所需的电子密度梯度.
早期研究显示:在赤道电急流区域,电离层E区场向不规则结构的发生与赤道电急流强度明显相关,赤道地区的强电场通过E×B漂移作用,使得等离子体在垂直磁力线运动时,其电子和离子的相对运动速度大于某一临界值,产生等离子不稳定性(如双束流不稳定性)从而形成赤道电急流区场向不规则结构[1];而在中纬,Haldoupis和Schlegel[3]利用电离层E区场向不规则结构回波事例,发现E区回波的日变化和季节变化特征与强Es表现出很好的相关.中纬E区连续性回波的产生主要归结为梯度漂移不稳定性,不稳定性因子受电离层中电流J=σ(E+U×B)的驱动,式中σ表示电离层电导率,E和U分别表示背景电场和风场[15].在北半球,负向风切(高高度西向风,低高度东向风)可以提供触发等离子体不稳定性的合适条件从而在Es的一侧甚至两侧形成场向不规则体;相比风场,电场驱使的密度梯度漂移不稳定性,则在密度梯度的两侧发挥不同的作用,分别触发和抑制不规则体的产生.在地处低纬的三亚,图 1a和1c显示白天E区连续性回波的最大高度与电离层测高仪观测的hbEs有很好的相关性.利用中坜VHF雷达回波以及测高仪Es观测,Lee等[16]发现在夜间,回波的最低高度与hbEs一致.事实上,三亚和中坜地区hbEs所在高度与连续性回波高度的对比分析结果类似.因为在白天,向上的背景电场作用于Es层底部向上的电子密度梯度(电子密度变化与高度成正比),通过梯度漂移不稳定性可能促使Es层底部这个区域变得不稳定从而在Es下方一侧形成不规则结构.Lee等人在中坜的观测主要在夜间,不规则结构产生的原因可能是夜间向下的背景电场作用于Es层顶部向下的密度梯度区(电子密度变化与高度相反),促使Es层顶部不稳定从而在Es上方一侧形成场向不规则体.
图 2给出白天E区连续性回波的多普勒速度和宽度(全谱宽)分布,图中负(正)多普勒速度表示目标接近(远离)VHF雷达运动,倒V直线下方区域为多普勒速度大于多普勒宽度.总体上图 2显示白天E区连续性回波的平均多普勒速度大致为数十米每秒,比离子声速(大约360m/s)小得多,但多普勒宽度稍大于多普勒速度,少部分多普勒宽度可达100m/s,属于型态2不规则结构,由梯度漂移不稳定性引起[17].然而梯度漂移不稳定理论适应于百米尺度波长,不能解释三亚VHF雷达观测的3 m小尺度回波.这种小尺度型态2不规则结构,一般认为是梯度漂移不稳定性产生的二次回波所致.在非线性耦合作用下,大振幅波动引起的电子密度梯度与电子漂移速度在垂直波动行进方向产生的二次不稳定,其扰动回波的波长会小到米级尺度[1].另外,如图 2b中圆圈所示,在1月27日,少部分连续性回波的多普勒速度大于宽度,其多普勒宽度很窄(大致在25m/s左右),这些回波的发生特征和原因仍有待进一步分析.
利用Arecibo非相干散射雷达观测,Earle等[18]观测到在夜间,E区不同的高度上(2到3个甚至更多)都可出现密度梯度极大值,即多Es层结构.Szuszczewicz等[19]利用澳大利亚Townsville测高仪观测发现,在低高度Es层较弱时,测高仪也可观测到多Es层结构.非相干散射雷达观测结果表明多Es层现象普遍出现在日落及夜间.在多Es层结构中,高的Es层常出现在120km以上(有时达到170km),并随时间呈现缓慢下降的特征.早期观测表明在高Es层下降过程中,这种层状结构可能突然消失,或者长时间持续缓慢下降,直到与低高度的Es汇聚形成单一薄层.夜间缓慢下降的高Es层形成原因可能归因于潮汐风切的作用(周日、半日潮),垂直方向的负向风切(子午向:高高度北向风,低高度南向风;东西向:高高度西向风,低高度东向风)驱使等离子体运动并汇聚一起,在风切结点附近形成密度增加的结构,因此这种夜间下降的高Es层也常被称之为潮汐离子层(TidalIonLayers)[18, 20].
不同于中纬,三亚VHF雷达观测的多层回波起始高度很少超过130km.图 3给出2010年12月10日和2011年2月11日夜间的观测结果,其中图 3a和3d为雷达回波HTI图,图 3b-3c和3e-3f为回波对应时间和高度的多普勒速度与多普勒宽度.从图 3a-3c中可以清楚地看出,在12月10日,多层回波结构(1-4)主要发生在夜间1900-2300LT.其中:低高度回波层1初始出现在98km附近,回波信号强度从1900LT开始逐渐减弱直至2000LT完全消失,回波多普勒速度范围±20m/s,多普勒宽度50m/s左右;回波层2和3分别出现在1900LT和2000LT左右的115km和105km处,双层回波的高度均随时间缓慢下降,在2100LT左右汇聚形成单一回波层,直至2230LT左右消失,回波多普勒速度范围在-20至50 m/s,多普勒宽度50至110m/s;相比其它层,回波层4的持续时间不足1h,回波高度迅速降低,回波强度迅速减弱并在2300LT左右消失,多普勒速度和宽度范围与回波层1-3类似.图 4给出夜间E区多层连续性回波的多普勒速度和谱宽分布,从图中可以清楚地看出,类似于白天单层回波,夜间多层不规则结构的回波属于2型回波.结果表明,三亚VHF雷达观测的多层场向不规则结构可能来源于梯度漂移不稳定性作用,缓慢下降的潮汐离子层与低高度Es层提供梯度漂移不稳定性所需的密度梯度,在合适的背景电场或/与潮汐风场的作用下触发产生多层不规则结构回波.
除了潮汐波,在低热层高度也存在着丰富的周期为几分钟到几小时的重力波,重力波同样可以引起离子的垂直漂移,与潮汐波引起的垂直漂移叠加,从而增强或者减弱甚至完全破坏潮汐的汇聚作用而影响Es的发生[21].如图 3e-3f所示,日落双层回波结构与图 3a-3c表现出类似的高度变化特征:高回波层随时间缓慢下降,回波的多普勒速度范围为-40至50m/s,多普勒宽度在20至100m/s左右.夜间回波主要发生在3个时段(1800-2030 LT;2100-2300LT和0015-0130LT),这种周期性发生的回波可能是受重力波的调制作用所致.此外,值得指出的是,HTI图中(图 3a和3d)显示的持续时间很短的竖条状回波并非噪声,而是由流星离化引起的距离扩展尾迹(Rangespread meteortrail)所致,Li等[14]从距离扩展流星尾迹的运动特征中提取了低热层风场信息,对这种流星尾迹小尺度不规则结构的发生特征和产生机制将另文阐述.
3.3 夜间E区连续性回波短暂中断与高E区(或谷区)回波的产生在日落后赤道扩展F(ESF)高发季节,低纬电离层相干散射雷达观测到2种E区连续性回波重要现象:即E区(110km附近)回波短暂中断,或者/和高E区(有时称为谷区,150km附近)回波的发生[13, 22-23].此外,利用Fortaleza测高仪观测,Abdu等[24]发现在强反转垂直漂移发生时,日落Es也存在短时间的中断,并提出日落Es的中断可能和赤道F区的涡流(Vortexflow)结构相关.Carrasco等[25]对日落Es中断的模拟研究表明,位于赤道涡流结构(300~350km)底部方向朝上的背景电场沿磁力线映射到低纬,能抑制Es的形成.然而对低纬观测的日落后E区场向不规则体回波中断,Patr等[22]利用Gadanki和EAR雷达观测,分析认为回波中断的原因不同于Es中断,并不是由赤道F区涡流结构相关的背景电场所致,而和赤道扩展F产生的极化电场相关.
在赤道扩展F的高发季节(春秋分),三亚VHF雷达常观测到E区回波的短暂中断和高E区(谷区)回波的发生.利用春秋季的E、F区不规则结构回波观测数据,Li等[13]分析发现,低纬E区不规则结构回波中断和高E区回波出现这两种现象能同时发生,认为赤道等离子体泡分裂(Equatorial plasma bubble bifurcation)引起不同向的极化电场映射到低纬,分别抑制或者触发了低纬不同高度区的不规则结构.然而,在赤道扩展F低发季节的电离层背景条件下,日落后在三亚是否仍可以观测到E区回波中断与高E区回波的发生?图 5给出了2011年2月和11月的两个观测事例,其中图 5a和5c为雷达回波HTI图,图 5b和5d为回波对应的多普勒速度.如图所示,在2月18日2000-2400LT之间有三个时段雷达观测到了F区回波:第一段回波首先出现在2010LT附近的250km高度,大约20min后,初始的薄层结构迅速发展上升到近400km;第二段回波起始于2130LT,回波最大强度达到近20dB,回波持续存在大约1.5h;第三段回波发生在午夜附近,其信号强度、持续时间以及高度范围都弱于日落后观测的回波,可能表明这种午夜F区不规则结构回波由停止演化的衰落期不规则体(dead or decayed bubble)所致.在第一、二段F区不规则结构回波发生期间,高E区观测到补丁状的回波结构,其多普勒速度和谱宽与F区不规则结构表现出类似的特征.同时,对E区不规则结构的观测发现,回波中断主要发生在2030-2200LT期间的部分时刻.对处于衰落期的F区不规则结构(午夜附近),未观测到对应的E区回波中断和高E区回波发生.在三亚VHF雷达的观测中,E区回波中断和高E区回波发生并不总是同时出现.如图 5c-5d所示,在观测到日落后F区和高E区不规则结构回波时,E区回波并未被中断,而在F区回波出现前的1840-1900LT和1930-1950LT时段,E区回波明显减弱或者消失,这种日落E区回波短暂中断可能并不与赤道扩展F相关,而是类似Abdu等[24]的观测,由与赤道F区涡流结构有关的背景电场所致.综合图 5a-5d可以清楚地看出,冬季夜间E区和高E区不规则结构回波的发生特征与Li等[13]给出的春秋季观测一致.结果表明即使在赤道扩展F的低发季节,不同的背景电离层条件下,只要赤道扩展F发生,与赤道扩展F演变相伴随的东、西向泡状结构内部不同向的极化电场沿磁力线耦合到低纬E区和高E区,通过梯度漂移不稳定性分别抑制和触发E区、高E区场向不规则结构,从而可能造成雷达观测的E区、高E区不规则体回波中断与产生的现象.
在电离层E区(100km高度下),由于中性粒子与离子碰撞频率大于回旋频率,离子可近视为被中性风束缚,当中性风吹过E区不规则结构时,离子随着中性风移动,在不规则结构边界一侧累积正电荷,从而可能造成和中性风方向相反的极化电场,引发自由电子的E×B漂移.VHF相干雷达所观测的多普勒速度可视为电子与离子相对速度在雷达主波束上的投影分量,包括电场与背景风场的作用.当三亚VHF雷达主波束朝向地磁正北时,考虑中性风场的变化可能造成E区不规则结构多普勒速度的变化,利用观测的E区不规则结构多普勒速度,可以得到低E区子午向中性风场的基本变化特征.由于三亚VHF雷达可交替工作在电离层相干散射和全天空流星雷达观测模式,流星雷达观测镜面流星尾迹获取的风场信息,为同时比较E区不规则结构多普勒速度和子午风场特征提供了可能.
图 6为2011年1月26和27日白天E区不规则结构多普勒速度与同时观测的子午风场的比较.图 6中虚线箭头表示V'=Vd/sin(23°)在2km高度范围内的平均值,其中Vd为多普勒速度,实线箭头表示流星雷达观测的子午风场V.箭头朝右上(左下)表示北(南)向风.从图 6中可以清楚地看出,虽然V'和V在某些具体高度上存在有差异,但总体上,V'和V表现出类似的特征.如图中圆圈所示,V'和V差异主要出现在风向发生变化时所在的高度.在本文观测事例中,三亚VHF相干雷达波束指向地磁正北,如果忽略东西向漂移对多普勒速度的影响,不规则结构回波多普勒速度可以表示为:
式中ψ表示各向异性因子,V'表示子午风场.在低E区(大约100km高度下),ψ远大于1[26],相比子午风场,电场对不规则结构多普勒速度的贡献可以忽略不计,因而在低的高度上,由多普勒速度获取的子午风场V'与全天空流星雷达观测的子午风场有很好的一致性.
4 结论利用三亚VHF雷达电离层场向不规则结构回波观测,分析了我国低纬E区连续性回波的发生特征,主要包括E区白天缓慢下降的单层连续性回波,日落后多层连续性回波,以及伴随赤道扩展F发生的夜间E区连续性回波短暂中断和高E区连续性回波发生的现象,研究结果表明:
(1)白天E区连续性回波的出现与Es临频foEs和遮蔽频率fbEs的差值foEs-fbEs明显相关,这与Chungli VHF雷达以及Gadanki MST雷达的观测结果一致;回波最大高度低于测高仪观测Es高度,且与Es高度同时呈现出随时间缓慢下降(大约1km/h)的变化特征,类似赤道大气雷达(EAR)的观测结果;回波多普勒速度范围为-50至25m/s,多普勒宽度范围在20至70m/s,多普勒速度远小于离子声速,表明白天E区连续性回波的发生主要归因于梯度漂移不稳定性.
(2)早期夜间多Es层结构主要来源于中纬的非相干散射雷达,如Arecibo等以及测高仪的观测,多层结构的起始高度常在120km以上;三亚VHF雷达观测显示夜间E区存在多层连续性回波,其主要发生在日落后午夜前时段,E区高的回波层随时间缓慢下降并有可能与低高度层汇聚形成单一层状结构,夜间多层结构的持续时间一般小于2h且其起始高度一般低于130km.夜间多层回波的多普勒速度范围-50至50m/s,多普勒宽度为20至110m/s,表现出类似白天单层回波的多普勒特征.夜间的多层场向不规则结构可能由梯度漂移不稳定性作用于潮汐或重力波形成的多个离化密度梯度层所致.
(3)在冬季,日落后赤道扩展F发生时,三亚VHF雷达观测到E区连续性回波短暂中断和高E区连续性回波发生,回波特征表现出类似春季观测的形态特征;同时,午夜附近观测的F区不规则结构并没有影响E区和高E区不规则结构的产生与发展.Gadanki和EAR雷达对夜间高E区回波的观测主要集中在春秋季.三亚VHF雷达观测表明不仅在春秋季,其它季节仍可能观测到E区连续性回波短暂中断和高E区连续性回波发生,其主要受赤道扩展F演变过程中产生的极化电场影响.
(4)由E区场向不规则结构多普勒速度获取的子午风场与全天空流星雷达观测子午风场的比较发现,电离层相干散射雷达与全天空流星雷达的风场观测有很好的一致性,表明在低E区(100km),VHF相干散射雷达所观测的多普勒速度主要来源于背景风场的贡献.在日落附近,当全天空流星雷达观测的镜面流星数量不足以用来获取可靠的平均风场时,利用E区场向不规则结构的多普勒信息可能弥补全天空流星雷达风场观测的不足.
虽然本文分析了梯度漂移不稳定性作用于密度梯度层产生E区连续性回波的发生特征,然而,针对梯度漂移不稳定性所需的背景密度梯度来源及其产生机制并没有作进一步分析,如哪些因素形成白天缓慢下降的Es层以及夜间高E区的离化层,这些外部因素除了驱使离子汇聚提供密度梯度外,在触发梯度漂移不稳定性的过程中还扮演着何种角色:增强抑或削弱不稳定性的产生?此外,对利用电离层E区场向不规则结构多普勒速度获取的子午风场,是否具有全天空流星雷达观测风场同样的潮汐和行星波特征,两种测量手段获取风场的统计相关程度,这些问题仍有待进一步研究.
致谢感谢中科院地质与地球物理研究所三亚空间环境综合观测研究站全体同事在VHF雷达建设和运行中的辛勤付出.
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