F-lacuna(F层空白)是发生在高纬电离层的一种典型现象，在测高仪电离图上表现为部分或全部F层描迹的消失，一般在夏季白天比较常见.这种观测到的电离图描迹的消失，最初被称作“某高度区间的回波消失”或“E-F层频率空白”(Olesen，1957).该现象第一次被官方定义为F-lacuna是在1972年的国际无线电联盟会议上，在测高仪的日常观测数据中用字母“Y”标记.

按照回波描迹消失高度不同，将F-lacuna分为F1-lacuna，F2-lacuna以及Total lacuna.三种典型F-lacuna在测高仪电离图上的特征如图 1所示.测高仪F层回波描迹的部分或全部消失，使得F层临界频率、漂移速度等电离层参数无法获取，给电离图标定造成困难.由于F-lacuna经常伴随SEC(Slant Es condition)出现，F-lacuna与SEC之间的关系曾引起一些学者的关注.利用Dumont d′Urville站15 min间隔的测高仪电离图数据，Sylvain等(1978)统计分析了F-lacuna同行星际磁场、对流电场，地磁场、电子密度以及SEC的关系，发现SEC与F1-lacuna和Total lacuna相关，F1层或较高的E层扰动产生了SEC，提出了一种解释模型，认为能量粒子沉降引起的大尺度不规则体是形成F-lacuna的原因.Morris等(2003，2004)利用南极凯西站数据，对F-lacuna和伴随的SEC分别进行了统计分析，认为F-lacuna产生的原因是等离子体不稳定性引起的电离层不规则体.

图 1

Fig. 1

图 1 中山站三种典型F-lacuna：(a)F1-lacuna，(b)F2-lacuna，(c)total lacuna(Yang et al.，2014)Fig. 1 Typical ionograms of F1-lacuna (a), F2-lacuna (b) and total lacuna (c) observed at Zhongshan station

自从20世纪80年代以来，很少有人再对极区F-lacuna现象进一步研究，目前为止，F-lacuna所揭示的电离层物理过程仍未定论.随着数字测高仪以及其他协同观测手段广泛用于高纬极区电离层，大量积累的数据为进一步研究F-lacuna现象提供了数据支撑.在地磁活动较为平静时，中山站一天中磁正午附近位于极隙区投影，两次穿过极光区，夜间进入极盖(沈长寿等，2005)，其位置非常有利于研究极区特别是极隙区物理过程(刘顺林等，1997; 贺龙松等，2000).Yang等(2014)利用南极中山站7.5 min间隔测高仪电离层图数据，对F-lacuna的时间特性、同地磁指数、行星际磁场以及TEC相关性进行了统计分析研究.本文在此基础上，着重分析F-lacuna发生期间协同观测手段(GPS TEC以及高频相干散射雷达)观测的电离层特征.

中山站的地理坐标(69.4°S，76.4°E)，修正地磁纬度74.5°S，即LT≈UT+5h，MLT≈UT+2h.本文用到的数据主要包括中山站数字式测高仪电离图、GPS TEC以及昭和站(69°S，39°E)高频相干散射雷达观测的中山站上空对流数据.

中山站数字式测高仪Digisonde-4D是马萨诸塞州Lowell大学大气研究中心研制的由计算机实时控制的高频脉冲多普勒地面雷达，能详细记录无线电信号经电离层传播时的各种物理参量.通过频率扫描(频率在1~30 MHz范围内连续变化)，垂直向上发射高频无线电脉冲，接收在不同频率上由电离层反射的回波，测量回波的传播时间，得到虚高随频率变化的频高图(电离图).GPS TEC采用几何方法将斜TEC直接转换为垂直TEC(Bhawre et al.，2011)，再经反距离插值到中山站上空的垂直TEC(Mueller et al.，2004)，考虑到极区电离层水平梯度较大，在处理数据时，剔除卫星仰角小于50°的斜TEC数据.作为国际超级双子极光雷达观测网(SuperDARN)的组成部分，昭和站与其他SuperDARN高频雷达一样，通过探测电离层不规则体的布拉格(Bragg)散射回波，对回波信号的自相关函数进行谱分析，从而得到电离层中场向不规则体的回波强度、视线速度以及多普勒谱宽(刘二小等，2012).图 2是昭和站高频雷达的探测视场，通过相控阵在16个固定波束方向上连续扫描(即波束0—15)，其中第7波束经过中山站上空，可用来探测中山站上空对流情况.

图 2

Fig. 2

图 2 修正地磁坐标系下昭和站高频雷达视场(第7波束经过中山站上空) Fig. 2 The field of view of Syowa East HF radar in the corrected magnetic coordinate system (the beam 7 directs Zhongshan station)

为得到F-lacuna发生的统计特性，采用一种表征F-lacuna发生频率的指标f_i(i代表不同类型的F-lacuna)，其定义如下(Yang et al.，2014)：

利用南极中山站数字化测高仪记录的7.5 min间隔的电离图，对F-lacuna的时间特性，同地磁指数、行星际磁场以及TEC相关性进行了统计分析研究(Yang et al.，2014).结果显示，中山站几乎所有的F-lacuna都发生在03∶00—13∶00MLT(06∶00—16∶00LT)时间段，即主要集中于磁地方时晨侧，有很强的晨昏不对称性；对于季节变化而言，两分日所在月份的F-lacuna发生率小于夏至日所在月份，冬至日所在月份的F-lacuna几乎没有发生；F2-lacuna和Total lacuna同地磁活动表现出很强的正相关，F1-lacuna发生率没有表现出相关性；南向IMF分量有利于F2-lacuna发生；TEC越大，F1-lacuna发生率越大，TEC越小，F2-lacuna发生率越大，Total lacuna在不同水平TEC下，发生率几乎不变.

本文利用南极中山站夏季白天测高仪数据，统计了三种不同类型F-lacuna在不同太阳风速度水平下的发生率，结果如图 3所示.可以看出，F2-lacuna发生率随太阳风速度增加而增大，其他两种F-lacuna没有表现出相关性.为进一步分析F2-lacuna同太阳风速度的这种相关性，图 4给出2011年12月的F2-lacuna的天发生数目和天平均太阳风速度，两者趋势呈现出较好的一致性.因此，可以得出，F2-lacuna表征的电离层物理过程与太阳风参数(太阳风速度V_sw、南向行星际磁场IMF B_z)以及地磁活动，存在某种相关性，即强的太阳风参数和地磁活动水平更有利于F2-lacuna的发生.

图 3

Fig. 3

图 3 三种F-lacuna在不同太阳风速度水平的发生率Fig. 3 The occurrence frequency of the three types of F-lacuna for different solar wind levels

图 4

Fig. 4

图 4 F2-lacuna天发生数目和太阳风速度天平均水平随时间变化 Fig. 4 Daily F2-lacuna number and daily averaged solar wind velocity variation with time

统计结果显示，F2-lacuna发生与太阳风参数(太阳风速度V_sw、南向行星际磁场IMF B_z)、地磁活动指数Ap以及电离层参数TEC具有明显相关性(Yang et al.，2014).本节给出一个F2-lacuna观测实例，重点分析其发生期间的其他电离层观测特征.

由于F-lacuna造成测高仪回波部分或全部消失，导致截止频率、峰值高度等电离层参数标定困难，因此，其他协同观测手段对深入理解F-lacuna涉及的电离层物理过程尤为重要.图 5是南极中山站2012年2月15日02∶00—04∶00UT(07∶00—09∶00LT)期间15 min间隔的测高仪电离图，从图中看出，02∶00UT开始，电离图F2层回波逐渐消失，03∶00UT开始，F1层不断下降.

图 5

Fig. 5

图 5 中山站2012年2月15日02∶00—04∶00UT测高仪电离图 Fig. 5 Ionograms during 02∶00—04∶00UT on Feb.15, 2012 at Zhongshan station

图 6是2012年2月15日3 h平均地磁指数Ap和1 min分辨率的极光电急流指数AE/AU/AL随时间变化.AL表征西向电急流的最大值，可以看出，在03∶00—05∶00UT期间，地磁指数Ap达到一天的最大值56，AL指数也有明显的变化，导致AE指数增大.该观测结果与统计结果较为一致(Yang et al.，2014).极光电急流指数AE是反映极光带磁扰程度的指标，通常用来研究亚暴(徐文耀，2009)，AE指数增大，表明极区电离层电流体系扰动，电流强度增强(王慧等，2010).

图 6

Fig. 6

图 6 2012年2月15日地磁指数Ap和极光电集流指数AE随时间变化 Fig. 6 Ap and AE index variation with UT on Feb. 15, 2012

电子密度是电离层重要参数之一，是研究电离层中各种物理过程的重要指标.图 7给出2012年2月15日中山站15 min间隔的GPS TEC观测结果.从图中看出，TEC在磁正午达到最大，这与沈长寿等(2005)的统计结果相一致.研究显示，中山站电离层TEC变化与地磁Ap指数变化具有良好的一致性(孟泱等，2010)，即Ap指数大时，TEC值也大.而在此次F2-lacuna事件发生时段(02∶30—04∶00UT)，Ap指数达到56，TEC却明显减小(03∶00UT左右的突然增大可能是数据误差导致)，表明电离层发生的某种过程抑制了电子密度的增大.

图 7

Fig. 7

图 7 2012年2月15日中山站GPS TEC随时间变化(02∶00UT对应TEC无效) Fig. 7 GPS TEC variation with time on Feb.15, 2012 at Zhongshan station (TEC corresponding to 02∶00UT is invalid)

高频相干散射雷达主要探测电离层中沿地磁场排列的小尺度不规则体，对来自电离层中小尺度电子密度不均匀体的Bragg散射特别敏感.由于等离子体的不稳定性、高能粒子沉降等因素，电离层中存在着不同尺度的电子密度不均匀体，高频相干散射雷达是探测这些不均匀体的有力工具(Ho et al.，1994).图 8是昭和站SuperDARN高频雷达第7波束的回波功率随时间变化图，横坐标是世界时，纵坐标是地磁纬度，-75°附近的回波强度反映中山站上空电离层的Bragg后向散射效应(Liu et al.，2011).可以看出，从02∶20UT左右开始回波功率明显增强，可能是电离层某种不稳定性作用形成的场向不规则体后向散射增强的结果.

图 8

Fig. 8

图 8 昭和站SuperDARN高频雷达第7波束的回波功率随时间变化 Fig. 8 The power intensity of echoes from beam 7 of Syowa Eastern SuperDARN HF radar

图 9是中山站2012年2月15日02∶00—05∶00UT幅度闪烁指数，从图中看出，在整个F2-lacuna期间，闪烁表现平静，仅在02∶30UT至03∶00UT间，有小幅增大，这同前期统计结论一致(Yang et al.，2014)，F-lacuna发生与闪烁无明显相关.

图 9

Fig. 9

图 9 2012年2月15日F2-lacuna期间中山站幅度闪烁指数 Fig. 9 The amplitude scintillation during F2-lacuna at Zhongshan station on December 15, 2012

图 10是2012年2月15日中山站F2-lacuna发生前DMSP F18卫星观测的沉降粒子能谱，图中两条实竖线之间的时间段(01∶54∶30—01∶55∶30)，卫星经过中山站上空，从其观测结果看出，无论是电子沉降，还是离子沉降，都处于较低的水平.由此可见，粒子沉降不是此次F2-lacuna事件发生的主导因素.

图 10

Fig. 10

图 10 DMSPF18卫星经过中山站上空(两条实垂线之间)观测的沉降粒子能谱 Fig. 10 Particle precipitation energy spectra over Zhongshan station (denoted by black solid rectangular) observed by DMSP F18 satellite

本文在前期研究的基础上，统计分析了F-lacuna在不同太阳风速度下的发生频率，进而对一次F2-lacuna观测实例的粒子沉降及电离层特性进行了分析.统计结果显示，F2-lacuna发生率随太阳风速度的增加而增大，其他两种F-lacuna没有表现出相关性.观测实例表明，F2-lacuna发生期间，电离层电子总含量TEC明显减小，但对应来自磁层的电子和离子沉降并不明显.

极区电离层强烈受到来自极光粒子沉降和磁层对流电场影响，一方面受到来自磁层的极光粒子沉降对中性大气电离引起的电子浓度变化，另一方面，磁层电场映射到极区电离层，引起等离子体的水平输运和F层电子浓度的重新分布(朱爱琴等，2008).Sylvain等(1978)研究了F-lacuna同电子密度和扩展F的关系，结论是：(1)F2-lacuna和Total lacuna 发生时f_oF2和f_oF1减小，F1-lacuna发生时f_oF1减小，f_oF2基本不受影响；(2)F-lacuna与扩展F两者相互独立，或者存在很小的负相关.并提出一种大尺度电子密度不规则体模型来解释F-lacuna的产生，认为由于电子沉降电离形成的大尺度不规则体使得返回测高仪的回波未能垂直传播，导致回波消失.中山站F2-lacuna发生时观测到减小的TEC，这同Sylvain的统计结果并不矛盾.DMSP F18卫星经过中山站上空的观测结果显示，F2-lacuna发生前电子沉降和离子沉降并不明显，因此，该模型并不适合解释中山站该F2-lacuna实例的发生.F2-lacuna发生期间的SuperDARN高频雷达回波增强，可能是电离层中的某种不稳定作用产生的中小尺度不规则体后向散射的结果.

电场对整个高纬电离层的电子密度以及离子成分有重要的作用(Banks et al.，1974).Schunk等(1975)模拟了电场对白天高纬电离层E层和F层电子密度的作用，大的垂直电场通过E_⊥×B，使得等离子体对流增强，焦耳加热明显，电子温度增大.由于摩擦加热，离子温度快速增加，促使化学反应O⁺+N²→NO⁺ + N的反应速率增大，导致O⁺同分子离子的复合率增加，F层电子密度减小.Zhang等(2003，2004)利用高纬一维自洽电离层模型，模拟了极区电离层对F-B(Farley-Buneman)不稳定性热效应的响应，当电场增大到75 mVm^-1时，E层电子密度增大，而F层电子密度减小.如中性大气同电子的相互作用类似，F-B不稳定性触发的等离子体波与电子相互作用使得电子温度升高，电子得到的能量通过碰撞等作用部分传给中性成分和离子(Robinson，1986)，粒子温度的升高，影响光化学反应速率，使得分子离子增加，原子离子(主要是O⁺)减小.

亚暴发生时，场向电流增强，极区电离层电流体系扰动触发F-B不稳定性，产生沿场向排列的小尺度不规则体，其热效应导致F2层密度减小，F2-lacuna出现，低电离层密度增加，F1层下降.