2014, Vol. 57
2. 中国科学院地质与地球物理研究所 北京空间环境国家野外科学观测研究站, 北京 100029;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Beijing National Observatory of Space Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
低纬电离层F区场向不规则体(Field Aligned Irregularities,FAI)对电波通信和导航系统有着重要的影响.通常认为，电离层不规则体是顶部等离子体泡受广义的Rayleigh-Taylor不稳定性激发经非线性演化形成的.在东南亚赤道和低纬地区，与Rayleigh-Taylor不稳定性有关的电离层F区不规则体主要发生在春秋季的午夜前时段(Otsuka et al., 2009; Patra and Phanikumar, 2009; Patra et al., 2009).近年发展的VHF电离层相干散射雷达观测表明，在太阳活动低年夏季电离层F区场向不规则体回波在午夜后/日出前时段有一个发生率极大值(Li et al., 2011a; Otsuka et al., 2009; Patra et al., 2009).
位于赤道的Kototabang EAR雷达(0.2°S，100.3°E，dip latitude 10.4°S)观测发现：太阳活动高年大多数F区场向不规则体回波出现于日落以后，在午夜时消失.但在太阳活动低年，F区不规则体回波很少出现于日落以后，而是经常出现于夏季午夜以后时段.波束扫描结果表明夏季午夜后不规则体回波主要向西漂移，与日落后漂移方向相反.午夜后的不规则体回波通常不伴随着GPS电离层闪烁现象.这种太阳活动低年夏季午夜后的不规则体回波，表现出类似于中纬MU雷达探测的不规则体回波 特征(Otsuka et al., 2009; Yokoyama et al, 2011a，2011b) . 在印度扇区，Gadanki(13.5°N，79.2°E，dip latitude 6.5°N)MST雷达在2008年夏季记录的F区不规则体事件都发生于午夜以后，且不规则体在0000—0300LT向上漂移，而0300LT以后转为向下漂移(Patra et al., 2009).在美洲扇区，位于磁赤道的Jicamarca雷达观测表明太阳活动低年午夜后电离层场向不规则体依然活跃，但不规则体的扩展高 度远低于太阳活动高年(Heysell and Burcham, 2002).
上述结果表明太阳活动低年夏季午夜后F区场向不规则体的发生率和回波特征明显不同于午夜前和太阳活动高年，目前这一现象的产生机制尚不十分明确.有关学者对此进行了分析研究，并提出向赤道风的会聚、低纬电离层Es活动、中尺度TID(Traveling Ionospheric Disturbances，电离层行进式扰动)等都可能是午夜后F区场向不规则体发生的重要因素(Heysell and Burcham, 2002; Li et al., 2011a; Otsuka et al., 2009; Patra et al., 2009; Yokoyama et al, 2011a,2011b).
太阳活动低年夏季，Kototabang和Gadanki经常观测到午夜后F区不规则体.我国三亚与Kototabang近似处于磁共轭点，又与Gadanki处于相邻经度区，三亚上空午夜后的F区不规则体的时空分布特征及其与其他低纬台站的差异是值得研究的问题.
2009年初，中国科学院地质与地球物理研究所在海南三亚建成了VHF电离层相干散射雷达.该雷达能够给出3 m尺度电离层不规则体时空变化信息，是观测和研究电离层E区、谷区和F区场向不规则体的有力手段(Li et al, 2010, 2011b, 2012a，2012b，2012c; Ning et al., 2012; 李国主等，2013；宁百齐等，2013).本文利用三亚VHF雷达观测数据并结合同时的电离层测高仪、GPS闪烁监测仪数据和美国C/NOFS卫星在轨观测数据，研究太阳活动低年夏季地磁平静和扰动条件下，三亚上空电离层不规则体的基本特征，并对这些不规则体的产生机制进行分析讨论.
三亚空间环境观测站拥有地磁、电离层和中高层大气等多种观测手段.测高仪是最常规的电离层观测设备，除了能够得到电离层特征参数外，还能记录电离层中较大尺度的不规则体(扩展F).GPS闪烁监测仪能够监测电离层中400 m尺度的不规则体.三亚VHF雷达采用2×12天线阵，峰值发射功率24 kW，工作频率47.5 MHz.雷达在夜间电离层F区观测模式下探测范围为80~800 km，高度分辨率4.8 km，时间分辨率为2 min.
美国C/NOFS(Communication/Navigation Outage Forecasting System) 卫星是一颗低轨卫星.轨道倾角13°，近地点401 km，远地点867 km.能够探测卫星轨迹上的等离子体密度(Yokoyama et al., 2011a)，该卫星每天十多次经过三亚经度区.本文选用了该卫星的等离子体密度数据来研究三亚VHF雷达探测的电离层不规则体与赤道等离子体泡之间的关系.
太阳活动F10.7指数下载自美国NGDC (National Geophysical Data Center)的SPIDR(Space Physics Interactive Data Resource)网站.从表1可看出2009年至2011年太阳活动逐渐回升，但整体上仍处于较低的水平.地磁指数下载自世界数据中心和CDAWEB(Coordinated Data Analysis Web)网站.为了研究不同地磁活动条件下电离层不规则体的特性，根据Kp指数对所选数据进行分类：Kp指数均小于4且全天Kp指数之和ΣKp小于20为磁静日，否则即为磁扰日.在2009—2011年的夏季(5—8月)间，共有316天为磁静日，53天为磁扰日.其中，选取了2009年6月15日和2010年7月9日作为磁静日事例、2011年7月4日作为磁扰日事例进行详细分析.
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表1 2009—2011年夏季各月F10.7指数月中值 Table 1 Monthly median F10.7 index from May to August in 2009—2011 |
图1是2009年6月15日的观测结果.当天Kp指数最大值2-，ΣKp为5+.从VHF雷达回波强度变化图(HTI)上看(图1a)，三亚VHF雷达从午夜后1700UT(0100LT，LT=UT+8h)开始记录到F区场向不规则体，起始高度在300 km附近，缓慢上升到400 km消失，回波在HTI图上表现为条带状结构.另一个条带状结构在1710UT(0110LT)时出现，起始高度约270 km，开始阶段高度变化非常缓慢，并演化为两个距离非常近的水平分层，在1750—1800UT(0150—0200LT)不规则体回波短暂消失，再次出现后缓慢上升至430 km.前后两个条带状结构大约相隔45 min.这种周期性上升的条带状结构，在其他低纬台站如印度Gadanki、印尼 Kototabang都曾有报道(Otsuka et al., 2009; Patra et al., 2009).利用Gadanki MST雷达，Sripathi(2008)给出了夏季午夜后周期性的F区不规则体回波探测结果.Patra和Phanikumar(2009)进一步观测发现，在分别起始于日落后和午夜后的两类不规则体事件中，都存在着周期性的不规则体回波.从不规则体的运动趋势看，本事件与Gadanki夏季午夜后的不规则体回波先上升后下降的趋势所不同， 而与其分点季节起始于日落后的不规则体事件 相似，均呈现上升趋势.Fukao等(2004)报道了Kototabang EAR雷达波束扫描模式探测的间隔15~30 min的周期性条带状结构自西向东穿过波束扫描面.
 | 图1 2009年6月15日观测的电离层不规则体 (a) VHF雷达不规则体回波强度随高度时间变化图(HTI)；(b) GPS闪烁监测仪和电离层测高仪观测的不规则体，标注SF和Es的水平棒分别是电离层测高仪观测到扩展F和Es的时间，向上箭头代表C/NOFS卫星经过三亚经度的时刻；(c) C/NOFS卫星飞越三亚经度区运行轨迹的投影；(d) C/NOFS卫星在三亚经度区观测的等离子体密度. Fig.1 Irregularity observed on Jul.15 2009 (a) Height-Time-Intensity map of irregularity measured by VHF radar. (b) Irregularity observed by GPS scintillation monitor and Ionosonde. Horizontal bar marked SF and Es represents the time of spread F and Es recorded by ionosonde. Vertical dashed line represents the time C/NOFS satellite passing Sanya longitude. (c) Ground tracks of C/NOFS satellite crossing Sanya longitude. (d) Plasma density measured along the satellite tracks. |
图1b给出了GPS电离层闪烁指数和电离层测高仪记录的扩展F和Es的时间段.电离层测高仪在1545—2000UT(2345—0400LT)之间观测到了扩展F，覆盖了VHF雷达HTI图上出现F区不规则体回波的整个时段.在整个夜间，GPS闪烁监测仪都没有记录到明显的L波段电离层闪烁.
C/NOFS卫星记录的赤道和低纬地区等离子体密度明显降低的耗空区是赤道等离子泡发展过程的表现(Li et al., 2012c).从图1c、1d给出的C/NOFS卫星等离子体密度观测结果看，C/NOFS卫星几次经过三亚经度区都没有记录到明显的等离子体耗空，表明此次F区场向不规则体事件与赤道区域的不稳定性过程无关.
VHF雷达和电离层测高仪观测表明，此次不规则体事件与本地电离层E区的扰动过程有着密切的关系.对比VHF雷达回波HTI图与电离层测高仪记录的Es和扩展F发现：雷达回波HTI图上F区场向不规则体出现前后两个时段都有较强的E区场向不规则体回波，而电离层测高仪从1345UT开始交替记录到Es、扩展F和Es，并且时段与VHF雷达回波HTI图上的E区和F区不规则体回波出现时间基本对应.印度Gadanki MST雷达也曾在F区不规则体的开始和结束阶段探测到从E 区扩展到F区的场向不规则体，Patra和Phanikumar(2009) 认为这是电离层E区和F区相互耦合引发不规则体的证据.在夏季与Es活动相关的电场是F区变得不稳定的驱动力，扩展F是电离层E区和F 区耦合的表现(Sripathi et al., 2008).印尼Kototabang 雷达观测到的条纹状结构可能与Perkins不稳定性 或者电离层E区和F区耦合有关(Yokoyama et al, 2011a, 2011b).
图2是2010年7月9日的观测结果，当天Kp 指数最大值2-，ΣKp为9.图2a、2b、2c分别是VHF 雷达回波强度、多普勒速度和谱宽随高度和时间的变化图(HTI、HTV、HTW).从HTI图上看，午夜前没有出现F区场向不规则体.午夜后1900—2000UT(0300—0400LT)之间，在320~420 km的高度范围内观测到F区不规则体.持续的时间和出现的高度范围均小于分点季节经常观测的日落后不规则体回波，在HTI图上表现为块状结构，与分点季节日落后的羽毛状结构也有明显的差异(Li et al., 2012c).HTV图上显示F区不规则体整体的漂移速度较为均匀，约为30 m/s.正的漂移速度表明不规则体朝远离雷达方向漂移(向上/向北)，这与雷达回波强度变化图上不规则体回波缓慢上升的形态相一致.HTW图上除了F区不规则体块状结构 的上边缘外，大部分不规则体回波谱宽在0~20 m/s 之间.较小的谱宽表明不规则体整体上比较平静，内部没有剧烈的湍流扰动过程.电离层测高仪记录的扩展F略早于雷达不规则体回波出现，在不规则体回波消失后还持续了近2小时, Es从日落前一直持续到2120UT.GPS闪烁监测仪整个夜间均未记录到明显的L波段电离层闪烁.
 | 图2 2010年7月9日观测的电离层不规则体 (a) VHF雷达不规则体回波强度随高度时间变化图(HTI)，白色点划线和虚线分别是电离层测高仪记录到的7月9日和7月10日的h′F变化曲线；(b) VHF雷达不规则体回波多普勒速度随高度时间变化图(HTV)；(c) VHF雷达不规则体回波谱宽随高度时间变化图(HTW)；(d) GPS闪烁监测仪和电离层测高仪观测的不规则体，标注SF和Es的水平棒分别是电离层测高仪观测到扩展F和Es的时间，向上的箭头代表C/NOFS卫星经过三亚经度区的时刻；(e) C/NOFS卫星飞越三亚经度区运行轨迹的投影；(f) C/NOFS卫星在三亚经度区观测的等离子体密度. Fig.2 Irregularity observed on Jul.09 2010 (a) Height-Time-Intensity map of irregularity measured by VHF radar. White dotted line and dashed line shows the h′F variation measured by Ionosonde on Jul 09 and Jul 10 respectively. (b) Height-Time-Doppler velocity map of irregularity measured by VHF radar. (c) Height-Time-Spectral width map of irregularity measured by VHF radar. (d) Irregularity observed by GPS scintillation monitor and Ionosonde. Horizontal bar marked SF and Es represents the time of spread F and Es recorded by ionosonde. Vertical dashed line represents the time of C/NOFS satellite passing Sanya longitude. (e) Ground tracks of C/NOFS satellite crossing Sanya longitude. (f) Plasma density measured along the satellite tracks. |
图2e，2f表明C/NOFS卫星从午夜开始连续几个飞行轨道中，在较宽的经度区域内记录到了三亚南面等离子体耗空.从雷达HTV图上看，午夜以后电离层E区和F区的场向不规则体回波多普勒速度均大于零，表明E区和F区不规则体都存在向上漂移，电离层测高仪从1830UT开始记录到了F层底部高度h′F的向上抬升，综合观测表明，此次午夜后F区不规则体事件与赤道等离子泡过程有关. Nishioka等(2012)发现磁赤道地区的F层抬升与Kototabang 雷达午夜后F区不规则体回波发生率的变化特征一致，认为F层抬升在午夜后F区不规则体发展过程中起了重要作用.午夜后F层抬升能够增强重力驱动的东向电场，进而促进Rayleigh- Taylor不稳定性过程，加速赤道等离子体泡的发展.
图3是2011年7月4日一次小型磁暴期间的观测结果.图3a是7月3日至5日的地磁指数.磁 暴主相发生在7月4日夜间，Dst最小值达-50 nT. 行星际磁场Bz分量从0700UT开始转为南向，0930—1110UT之间恢复北向，但此后一直持续南向，在1730UT有一次快速的北向反转，之后继续长时间保持南向.AE指数在夜间逐渐增大，最强AE活动发生在1900—2100UT之间.
 | 图3 2011年7月4日观测的电离层不规则体 (a) 2011年7月3日至5日地磁指数；(b) VHF雷达不规则体回波强度随高度时间变化图(HTI)；(c) VHF雷达不规则体回波多普勒速度随高度时间变化图(HTV)；(d) VHF雷达不规则体回波谱宽随高度时间变化图(HTW)；(e) GPS闪烁监测仪和电离层测高仪观测的不规则体，标注SF和Es的水平棒分别是电离层测高仪观测到扩展F和Es的时间，向上的箭头代表C/NOFS卫星经过三亚经度的时刻；(f) C/NOFS卫星飞越三亚经度区运行轨迹的投影；(g) C/NOFS卫星在三亚经度区观测的等离子体密度. Fig.3 Irregularity observed on Jul.04 2011 (a) Magnetic indices during Jul.03—05, 2011. (b) Height-Time-Intensity map of irregularity measured by VHF radar. (c) Height-Time-Doppler velocity map of irregularity measured by VHF radar. (d) Height-Time-Spectral width map of irregularity measured by VHF radar. (e) Irregularity observed by GPS scintillation monitor and Ionosonde. Horizontal bar marked SF and Es represents the time of spread F and Es recorded by ionosonde. Vertical dashed line represents the time of C/NOFS satellite passing Sanya longitude. (f) Ground tracks of C/NOFS satellite crossing Sanya longitude. (g) Plasma density measured along the satellite tracks. |
VHF雷达探测的不规则体在午夜后1730—1840UT之间出现于350~450 km高度上.从回波强度演化特征来看，在开始阶段不规则体呈现上升趋势，到结束阶段逐渐转变为下降趋势.不规则体多普勒速度在开始阶段约为20 m/s，结束阶段，多普勒速度减小并转为负值，与回波演化特征基本一致，类似于Gadanki雷达夏季磁静日午夜后回波特征(Patra and Phanikumar, 2009).扩展F在午夜前开始，一直持续到日出阶段，Es则是日落前一直持续到日出后.整个夜间没有记录到明显的L波段电离层闪烁.C/NOFS卫星从1738UT开始连续两次飞行都观测到明显的等离子体泡.
地磁扰动期间午夜后产生的电离层不规则体主要由东向的电离层扰动发电机电场引起(Fejer and Cherliess，1997).在太阳活动低年，夜间等离子体的向下漂移较弱，容易被地磁扰动期间的扰动发电 机电场反转为向上的扰动漂移(Heysell and Burcham, 2002)， 从而增强Rayleigh-Taylor不稳定性，并促进赤道等离子体泡的发展.此外，此次不规则体事件中，1730UT行星际磁场Bz分量短暂的南北向反转，提供了与扰动发电机电场同相的穿透电场，有利于触发电离层不规则体.
尽管此次不规则体事件认为是与磁暴有关，且出现了与磁静日不同的不规则体特征，如扩展F和Es持续的时间明显长于磁静日，F区场向不规则体漂移速度在结束阶段转为向下.但是，F区不规则体仍出现于午夜后较小的时间和空间范围内，与磁静日相近.表明太阳活动低年夏季，地磁活动对F区不规则体没有显著的影响效果.而在分点季节，磁暴可促进日落后不规则体持续至午夜以后，或者激发产生午夜后新的不规则体(Li et al., 2010).比如2010年10月的一次中等磁暴，就促发了三亚地区午夜前后两个时段的F区场向不规则体，并伴随着扩展F与电离层闪烁(胡连欢等，2013).
图4给出了2009—2011年5—8月磁静日和磁扰日VHF雷达、电离层测高仪和GPS闪烁监测仪观测到的电离层不规则体发生率.在所选时间段中VHF雷达、电离层测高仪和GPS闪烁监测仪在磁静日观测数据天数分别为308、313、315，在磁扰日分别为53、50、52.统计结果表明，无论磁静日还是磁扰日，扩展F和VHF雷达F区不规则体回波主要发生于地方时午夜以后，在2300LT之前发生率相对较低.但GPS电离层闪烁发生率没有表现出以午夜后为主的分布特征，而是在午夜前后均有发生，且整体的发生率较低，各时段均小于5%.另外，大部分时段扩展F发生率远高于VHF雷达F区不规则体回波和GPS电离层闪烁的发生率.其中扩展F最大发生率接近50%，而VHF雷达F区不规则体回波最大发生率小于20%.
 | 图4 磁静日和磁扰日电离层测高仪扩展F(SF)、VHF雷达场向不规则体回波(FAI)和GPS闪烁(S4>0.2)的发生率 (a)磁静日的发生率；(b)磁扰日的发生率. Fig.4 Ionospheric irregularity occurrence on quiet and disturbed days (a) Occurrence on quiet days; (b) Occurrence on disturbed days. |
VHF雷达F区不规则体午夜后高发生率的现象在其他台站也有报道.Kototabang雷达观测结果显示午夜后不规则体回波多发生于5月至8月，且太阳活动低年发生率高于太阳活动高年(Otsuka et al., 2009).Gadanki MST雷达在2008年夏季连续20个夜晚都记录到了午夜后的不规则体回波(Patra et al.， 2009).
电离层F区不规则体发生率受晨昏线与磁力线之间的夹角控制(Yokoyama et al.，2011b).分点季节晨昏线与磁力线之间夹角较小，因此日落后电离层不规则体发生率较高.夏季晨昏线与磁力线之间的夹角增大，日落反转增强过程较弱，不利于日落后电离层不规则体的发展.但是午夜前后，赤道向的中性风和来自日侧的东风在赤道区域会合，形成中性密度极大值和午夜温度极大值，导致电离层F区向上抬升，为Rayleigh-Taylor不稳定性的发展创造有利条件，这是夏季午夜后电离层不规则体形成和 发展的重要驱动力(Yokoyama et al，2011a, 2011b). 在太阳活动高年，中性风引起的F区抬升相对于午夜较强的向下 E×B 漂移并不占优势，而在太阳活动低年，午夜后向下的 E×B 漂移较弱，中性风引起的F区抬升占主导地位，为夏季午夜后电离层不规则体发生提供背景.
在地磁扰动期间，来自高纬地区的快速穿透电场和电离层扰动发电机电场是两个主要的扰动源.它们既可能促进也可能抑制低纬电离层不规则体的发生(Li et al., 2010).从图4看出相比于磁静日，磁扰日扩展F发生率略有降低，VHF雷达不规则体回波和电离层闪烁发生率有一定程度提高，但总体 上发生率分布特征与磁静日相似.这可能是由于所选时段内 地磁扰动强度都不大，Dst最小值达-80 nT的事件仅3次.
太阳活动低年夏季午夜后很少观测到伴随雷达不规则体回波的L波段电离层闪烁.这是因为太阳活动低年午夜后电子密度绝对扰动太低，GPS接收机探测的L波段电离层闪烁的灵敏性受背景电子密度的影响，在太阳活动低年不适合作为百米尺度电离层不规则体的指标(Li et al, 2011b,2012c).
本文利用三亚VHF雷达、电离层测高仪和GPS闪烁监测仪与C/NOFS卫星等多种数据，分析了太阳活动低年夏季地磁平静和扰动期间东亚扇区低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.结果表明：
(1)太阳活动低年夏季，VHF雷达F区不规则体回波主要发生午夜以后，通常伴随着扩展F但不伴随L波段电离层闪烁.
(2)相比于分点季节日落后F区不规则体回波，夏季午夜后雷达F区不规则体回波出现的高度范围和时间范围较小，在强度随高度和时间分布图上表现为块状结构或者周期性的条带状结构.回波的多普勒速度与回波演化相一致，回波多普勒谱宽较小，不规则体内部没有较强的湍流扰动.
(3)午夜后的F区不规则体回波可能与赤道等离子体泡有关，也有可能由低纬地区电离层E区和F区的耦合产生.磁扰日电离层F区不规则体可受快速穿透电场和扰动发电机电场的共同触发.
(4)磁静日和磁扰日电离层不规则体发生率分布特征基本相似，发生率与地磁活动没有明显关联.
(5)电离层不规则体地方时分布特性与其他经度区台站相似，但在发生率、不规则体漂移等方面存在一定差异.
致 谢 本文部分数据来自国家重大科技基础设施“子午工程”.| [1] | Fejer B G, Scherliess L. 1997. Empirical models of storm time equatorial zonal electric fields. J. Geophys. Res., 102(A11): 24, 047-24, 056, doi: 10. 1029/97JA02164. |
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