地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (11): 3564-3569   PDF    
曲靖非相干散射雷达功率剖面的初步观测与分析
丁宗华1,2, 鱼浪1,2, 代连东1,2, 许正文1,2, 吴健1    
1. 中国电波传播研究所, 青岛 266107;
2. 中国科学院空间天气学国家重点实验室, 北京 100190
摘要:介绍了非相干散射雷达功率剖面与电离层电子密度剖面之间的关系,给出了曲靖非相干散射雷达功率剖面的一些观测结果,结合电离层垂直探测数据,初步介绍了曲靖非相干散射雷达在夜间电离层波状扰动、低纬电离层异常区北驼峰位置、电离层电子密度日落增强和暴时变化等观测研究中的应用.本文结果丰富了对我国曲靖地区电离层空间天气特性的认识,显示了该雷达在我国低纬电离层空间天气观测研究中的良好应用前景.
关键词非相干散射雷达     电离层     功率剖面     电子密度    
The preliminary measurement and analysis of the power profiles by the Qujing incoherent scatter radar
DING Zong-Hua1,2, YU Lang1,2, DAI Lian-Dong1,2, XU Zheng-Wen1,2, WU Jian1    
1. China Research Institute of Radio wave Propagation, Qingdao 266107, China;
2. State Key Laboratory of Space Weather, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Abstract: The formula for the inversion of electron density from the power profiles is described firstly. Then some preliminary measurements of the power profile are presented. Combining the measurement of the collocated ionosonde, some typical space weather characteristic including the wave-like disturbance in night, the location of the northern crest of the equatorial ionospheric abnormal, the enhancement of electron density after sunset, and the ionospheric variation during the geomagnetic storm are investigated. The above results help us understand the ionospheric space weather characteristic in Qujing and show the good capability of Qujing ISR in the observation and research in the low-latitude ionospheric abnormal region of China.
Key words: Incoherent scatter radar     Ionosphere     Power profile     Electron density    

1 引言

非相干散射雷达是目前地面监测电离层最强大的手段,它具有探测参数多、覆盖空间范围广和时空分辨率高等突出优点,同时也具有技术难度大、建设费用高和操作维护复杂等特点.自1961年美国在秘鲁吉卡马尔卡建成了全球首套非相干散射雷达以来,国外以美国和欧洲非相干散射科学联合会(EISCAT)为代表先后建设了10多套非相干散射雷达(Bauer et al., 1974; Fukao et al., 2003;Kato et al., 1984;Kelly et al., 1995;Ioannidis and Farley, 1972;Wannberg et al., 1997;Williams and Taylor, 1974;Esa,2009;丁宗华,2014).在国家“子午工程”的支持下,中 国电波传播研究所于2012年初在云南曲靖(25.6°N,103.8°E)初步建成了我国首套非相干散射雷达(丁宗华等,2012),对我国中低纬地区的电离层空间天气监测与研究具有重要意义.

非相干散射雷达探测的原始数据主要包括功率剖面和功率谱.功率剖面是非相干散射雷达探测的最基本的数据,从功率剖面可反演电子密度剖面,反演方法较简单,反演精度相对较高.国外在非相干散射雷达功率剖面探测与研究方面开展了大量工作(Evans,1969; Zhou and Morton, 2005).由于缺乏探测手段与数据,国内相关工作开展的非常少.郑传青等(1984)利用某雷达开展了电离层非相干散射探测实验,成功接收到电离层散射回波功率剖面,并进行了电子密度等参数的初步分析.本文参照前人的工作,介绍了曲靖非相干散射雷达的功率剖面与电子密度的一些观测结果,并进行了初步分析.

2 非相干散射功率剖面与电离层电子密度剖面的关系

从非相干散射雷达方程可推导出电离层电子密度表达式如下(Evans,1969):

上式中C与雷达系统参数(如发射峰值功率、脉冲宽度、天线增益和系统损耗等)有关.R为探测距离,Pr为接收的电离层散射信号功率,α为电离层等离子体德拜长度D与雷达波长之比,Tr为电离层电子温度Te与离子温度Ti之比, ε0为等离子体介电常数,K为波尔兹曼常数,Ne为电离层电子密度.等离子体德拜长度表达式为

曲靖非相干散射雷达工作波长为60 cm,而德拜长度一般为cm量级甚至更小,比如电离层F2层 在太阳活动峰年夏季白天的典型德拜长度约0.3 cm,在太阳活动谷峰年冬季夜间约1 cm,因此α2一般很小,约0.001量级.在顶部电离层及以上高度,德拜长度将增加可达数cm,对电子密度剖面的影响增大.电离层的电子与离子温度比一般约1~3.若忽略等离子体德拜效应,且假定电子与离子温度比为常数,则(1)式简化为

利用电离层垂直探测仪探测的F2层峰值电子密度(或F2寻常波临界频率foF2)来标校(3)式的系数C′,即可从实测功率剖面得到电离层电子密度剖面.

3 功率剖面初步观测与分析 3.1 垂直探测

图 1为曲靖非相干散射雷达实测的2014年3月30日9 ∶ 52时刻(曲靖地方时,下同)的垂直探测功率剖面,显示了清晰的电离层分层结构,包括Es层、F1层、F2层以及各层之间的谷区.其中Es层位于110~120 km,F1层分布在140~170 km,最强回波出现于F2层约300 km处.

图 24分别为不同地方时、不同积累时间和不同方位角条件下的回波功率剖面.从图 2可见从早上到中午到傍晚,电离层F区回波功率先增大后减弱,这直接对应于电离层电子密度先增大后减弱的过程,同时电离层高度先增大再缓慢降低.电离层E区的散射回波功率在白天较强,在其他时段很弱,反映了电离层E区形成到消失的过程.从图 3发现随积累次数的增加,探测的功率剖面曲线越光滑,表明信噪比逐渐增加.图 4表明相同仰角(84°)时不同方位角(正北0°和正南180°)探测的功率剖面基本相似但存在细微差异,说明两种条件下的电离层状态是相近的.

图 1 一个完整的非相干散射功率剖面(2014年3月30日9 ∶ 52LT) Fig. 1 A complete power profile of ISR(At 9 ∶ 52LT on March 30,2014)

图 2 不同地方时的功率剖面对比(2014年6月20日) Fig. 2 The comparison of power profiles in different local time(On June 20,2014)

图 3 不同积累次数的功率剖面对比(2014年6月20日10 ∶ 00LT) Fig. 3 The comparison of normalised power profiles in different integration times(At 10 ∶ 00LT on June 20,2014)

图 4 不同方位角的功率剖面对比(2014年6月20日10 ∶ 30LT) Fig. 4 The comparison of normalised power profiles in different azimuth angle(At 10 ∶ 30LT on June 20,2014)

图 5为2014年7月24日夜间对功率剖面的连 续观测结果,该图显示回波功率剖面中存在周期性波 动,周期约3 h,特别是在7月25日地方时0 ∶ 00—2 ∶ 00LT期间存在一个显著的相位随高度变化过程,垂直相速度约1 km/min.为了分析这次波动过程的可能原因,我们给出了与曲靖同一子午链上的其他电离层垂直探测仪观测的foF2和F层虚高(h′F)变化曲线,见图 6所示,其中虚线为月中值,实线为foF2h′F,这里我们用h′F定性反应电离层 的高度变化.垂直探测站包括兰州(36.1°N,103.8°E,图中简称LZ)、重庆(29.5°N,106.4°E,图中简称CQ)、 曲靖(图中简称QJ)和广州(23.15°N,113.35°E,图中简称GZ).从图 6可见,在地方时7月24日至25日期间,除7月24日下午至夜间外,四站均全部显示foF2负扰动.特别是在7月24日下午15 ∶ 00至25日2 ∶ 00期间,曲靖和重庆地区均显示明显的foF2正扰动,最大正扰动时刻为7月24日下午17 ∶ 00,与此同时两地电离层高度相对月中值也显示了负扰动.结合图 4和5,猜测可能是某种大尺度电离层扰动在不同地区之间传播,于7月24日夜间对曲靖地区电离层产生了影响(Ding et al., 2011).

图 5 夜间连续观测的功率剖面(2014年7月24日与25日) Fig. 5 The variation of the power profiles with local time in night(On July 24 and 25,2014)

图 6 子午链上多站垂直探测foF2(左)和h′F(右)对比(2014年7月24日与25日) Fig. 6 The comparison of foF2 and h′F variation along the 120°E chain(On July 24 and 25,2014)
3.2 扫描探测

图 7为固定方位角(180°)时,改变雷达波束仰角扫描探测的归一化功率剖面(已转化为高度和地理纬度),仰角变化范围为30°~84°,仰角步长为5°.从图可见在曲靖站上空的F2层回波功率很强,随着纬度降低,回波功率有所减弱.图 8为同时期子午链上4个垂直探测站探测的foF2地方时变化,从图 8可见午后曲靖地区的foF2与低纬广州的相似,但大于中纬其他两站的结果,图 7图 8表明电离层低纬异常区的北驼峰可能位于广州和曲靖附近.

图 7 沿子午链扫描探测的功率剖面(2014年7月23日16 ∶ 00LT) Fig. 7 The power profiles along the 120°E meridian Chain(At 16 ∶ 00LT on July 23,2014)

图 8图 7同时的foF2子午链变化 Fig. 8 The variation of foF2 along the 120°E meridian Chain at the same time with Fig. 7
4 电子密度剖面初步观测与分析

图 9(a,b)分别为2014年4月9日上午8 ∶ 25—10 ∶ 25和4月8日11 ∶ 40—21 ∶ 30的电子密度剖面变化(单位为1010m-3,下同),其中黑色实线为F2峰值高度.从中可见4月9日上午F2层峰值高度从290 km逐渐上升为350 km,最大电子密度从1.3×1012m-3逐渐增加到1.8×1012m-3.这些变化反映了上午随着太阳电离辐射作用增强,电离层电子产生率增加,电子密度逐渐增加的这一电离层光化学控制过程.

图 9 电子密度的周日变化.(a)上午;(b)下午和夜间 Fig. 9 The daily variation of electron density.(a)Morning on April 9;(b)Afternoon and night on April 8,2014

4月8日午后F2层峰值高度缓慢增加到375 km,从16 ∶ 30开始逐渐下降,在19 ∶ 00左右下降到最低高度325 km,然后逐渐增加,在21 ∶ 30左右上升到370 km,相应的最大电子密度从11 ∶ 40的2.3× 1012m-3逐渐增加到13 ∶ 40的极大值1.8×1012m-3,然后在18 ∶ 00达到最大值3.1×1012m-3.随后逐渐下降到21 ∶ 30的1.5×1012m-3.4月8日午后的电子密度变化既反映了在电离、复合和等离子体输运等过程控制下正常的电离层变化过程,又反映了日落期间电子密度增强这一异常现象.刘立波等分析发现,电离层 E × B 漂移日落反向前增强是低纬驼峰附近地区foF2日落后增强最关键因素,场向中性风起调控作用(刘立波等,1999Liu et al., 2013Zhao et al., 2009).4月8日日落期间F2层峰值高度的下降,也正反映了电离层西向电场驱动等离子体垂直向下漂移过程,其具体物理过程还需进一步研究.

图 10为2014年4月的Dst指数变化曲线,从中可见在4月12日至13日发生了一次中等磁暴.从4月11日20 ∶ 00开始Dst逐渐下降,到4月12日7 ∶ 00左右Dst下降到-50 nT以下,在4月12日19 ∶ 00左右Dst达最小,为-83 nT.图 11为曲靖非相干散射雷达4月12日观测的部分电子密度剖面.从图 11可见,在4月12日上午9 ∶ 30—10 ∶ 30期间,电子密度出现增强,上午的最大电子密度出现在10 ∶ 00左右,达1.95×1012m-3,之后略有下降,在此期间F2层峰值高度无显著变化.在4月12日中午12 ∶ 00—14 ∶ 00期间,电子密度逐渐增强,F2层峰值高度无显著变化.在通常的电离层条件下,上午电离层主要受光化学过程控制,电子密度应逐渐增加,高度缓慢增加.因此,图 11中上午的电子密度 变化除了受通常的光化学控制外,很可能受到其他 因素(比如此次中等磁暴事件)的影响,其具体物理过程还需进一步研究.

图 10 2014年4月的Dst指数 Fig. 10 The variation of Dst index on April,2014

图 11 2014年4月12日的电子密度变化.(a)上午;(b)中午 Fig. 11 The variation of electron density on April 12,2014.(a)Morning;(b)Noon
5 讨论与总结

曲靖非相干散射雷达自2014年3月底以来已进入正常观测状态,目前已积累了部分数据.本文给出了功率剖面与电子密度剖面的初步观测结果,一方面丰富了对我国曲靖地区电离层空间天气特性的认识,另一方面显示了该雷达在我国低纬电离层空间天气观测研究中的重要应用前景.

需要说明的是,由于非相干散射雷达设备量大、操作程序复杂,设备运行中经常可能出现各种异常甚至故障,观测时必须有人全程职守,这就给观测增加了很大工作量,因此目前我们的观测数据还很有限,特别是较长期连续观测和午夜后观测数据十分缺乏.下一步将有针对性地开展观测,积累更多数据.同时加强数据精度分析与验证、开展电离层电子温度和离子温度反演与分析等.

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.

参考文献
[1] Bauer P, Waldteufel P, Vialle C. 1974. The French quadristatic incoherent scatter facility. Radio Science, 9(2): 77-83.
[2] Ding F, Wan W X, Xu G R, et al. 2011. Climatology of medium-scale traveling ionospheric disturbances observed by a GPS network in central China. J. Geophys. Res., 116(A9): A09327, doi: 10.1029/2011JA016545.
[3] Ding Z H, Huang C L, Xu B, et al. 2012. The Qujing ISR and its initial results (in Chinese). // Proceedings of the 8th space weather symposium. Jinan, 101.
[4] Ding Z H, Dai L D, Dong M Y, et al. 2014. Progress of the incoherent scattering radar: From the traditional radar to the EISCAT 3D. Progress in Geophysics (in Chinese), 29(5):2376-2381.
[5] Esa T. 2009. EISCAT 3D: our windows to Geospace environment. EISCAT Scientific Association, Kiruna, Sweden, 1(1): 11-19. (http://www.eiscat3D.se)
[6] Evans J V. 1969. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar. Proc. IEEE, 57(4): 496-530.
[7] Fukao S, Hashiguchi H, Yamamoto M, et al. 2003. Equatorial atmpshpere radar (EAR): system description and first results. Radio Sci., 38(3): 1053-1069.
[8] Ioannidis G, Farley D T. 1972. Incoherent scatter observations at Arecibo using compressed pulses. Radio Sci., 7(7): 763-766.
[9] Kato S, Ogawa T, Tsuda T, et al. 1984. The middle and upper atmosphere radar: First results using a partial system. Radio Sci., 19(6): 1475-1484.
[10] Kelly J D, Heinselman C J, Vickrey J F, et al. 1995. The Sondrestrom radar and accompanying ground-based instrumentation. Space Sci. Rev., 71(1-4): 797-813.
[11] Liu L B, Wan W X, Tu J N. 1999. Modelling study of night time enhancement in foF2 at low latitudes. Chinese J. Space Sci. (in Chinese), 19(2): 108-113.
[12] Liu L B, Chen Y D, Le H J, et al. 2013. A case study of post-midnight enhancement in F-layer electron density over Sanya of China. J. Geophys. Res.: Space Phys., 118(7): 4640-4648.
[13] Wannberg G, Wolf I, Vanhainen L G, et al. 1997. The EISCAT Svalbard radar: A case study in modernincoherent scatter radar system design. Radio Sci., 32(6): 2283-2307.
[14] Williams P J S, Taylor G N. 1974. The UK incoherent scatter radar. Radio Sci., 9(2): 85-88.
[15] Zhao B Q, Wan W X, Liu L B, et al. 2009. Ionospheric response to the geomagnetic storm on 13-17 April 2006 in the West Pacific region. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 71(1): 88-100.
[16] Zheng C Q, Jing Y S, Ni J A, et al. 1984. Probing the ionosphere by the incoherent scatter method. Acta Electronica Sinica (in Chinese), 12(6): 11-15.
[17] Zhou Q H, Morton Y T. 2005. Incoherent scatter radar study of photochemistry in the E-region. Geophys. Res. Lett., 32(1), L01103, doi: 10.1029/2004GL021275.
[18] 丁宗华, 黄昌理, 徐彬等. 2012. 我国曲靖非相干散射雷达及其初步观测结果. // 第八次全国空间天气学学术研讨会.济南, 101.
[19] 丁宗华,代连东,董明玉等.2014.非相干散射雷达进展:从传统体制到EISCAT 3D.地球物理学进展,29(5):2376-2381.
[20] 刘立波, 万卫星, 涂剑南. 1999. 低纬电离层foF2夜间增强的模拟研究. 空间科学学报, 19(2): 108-113.
[21] 郑传青, 景玉山, 倪济安等. 1984. 利用非相干散射雷达探测电离层. 电子学报, 12(6): 11-15.