2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;
4. 中国电波传播研究所, 青岛 266107
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
4. China Research Institute of Radio Wave Propagation, Qingdao 266107, China
扩展F是电离层不规则结构的一种重要现象,当扩展F发生时会严重影响无线电通讯、卫星导航和雷达定位等,所以电离层扩展F特性的研究一直备受关注.Booker和Wells(1938)首次提出夜间赤道F区存在扩散回波,命名为赤道“Spread-F”(赤道扩展F).之后,通过不同的观测手段,如地基测高仪(Rastogi, 1977),非相干和相干性散射性雷达(Kelley and McClure, 1981; Mathews et al., 2001)、GPS-TEC映射图(Valladares et al., 2004)、在轨卫星和火箭探测(Basu and Basu, 1981, 1985)以及光学气辉观测(Weber et al., 1978)等,对扩展F特性进行了大量的研究,发现扩展F发生率具有明显的时空变化特性.
低纬地区在太阳活动高、低年,扩展F发生率特性存在明显不同:Kotadia(1959)研究太阳活动上升年(1954—1957年)Ahmedabad站(23°02′N, 72°38′E; 磁纬13.6°N)数据,发现扩展F活动最大出现在太阳活动低年的夏季和高年的两分季;韩馥芬和黄昌理(1988)与罗发根(1995)分别对海口站(110.3°E, 20.0°N; 磁纬8.5°N)高、低年扩展F发生率随地方时和季节变化进行统计,结果表明太阳活动高年扩展F峰值出现在两分季的子夜前,低年峰值出现在夏季子夜及子夜后;Chandra等(2003)同样采用Ahmedabad站的观测数据(1983—1985年),研究表明频率扩展F在太阳活动低年的夏季频繁发生,区域扩展F在高年的两分季和冬季发生率最大;黄为权等(2009)比较两低纬站(Djibouti: 11.5°N, 42.8°E; Ouagadougou: 12.4°N, 358.5°E)高(1980)、低(1975) 年扩展F观测值与IRI-2007预测值,其中观测值给出两台站高年扩展F发生率集中在分季和冬季的子夜前,低年集中在夏季子夜后;Wang等(2010)对海南地区太阳活动下降阶段(2002-03—2008-02) 四种类型(频率型,区域型,混合型和强混合型)的扩展F进行比较,展示了各类扩展F的发生率、持续时间、所出现的地方时等在高、低年的不同;Li等(2011)利用不同经度区测高仪和GPS-TEC观测,研究了2000—2009年夏季不同经度区赤道扩展F(Equatorial Spread-F, ESF)在太阳活动高、低年的特性,在东南亚地区夏季扩展F与太阳活动反相关,太阳活动低年扩展F发生率高且主要出现在子夜及子夜后;Abdu(2012)结果表明在太阳活动极大年,赤道扩展F主要发生在日落后到子夜前,而在太阳活动极小年,则主要发生在子夜后;Zhu等(2015)分析了第24太阳活动周极大年(2012—2013年)期间,我国三亚地区(18°N, 109°E; 13°N dip latitude)扩展F的地方时和季节特性,以及扩展F与初始扰动源的统计关系.
中纬地区扩展F在太阳活动高、低年的发生特性也有明显差异:Igarashi和Kato(1993)对日本中纬地区的五个台站数据(1969—1989年)分析,结果表明太阳活动高年扩展F发生率峰值在子夜附近,低年在02:00LT(Local Time)附近,且低年峰值远大于高年;Bhaneja等(2009)进行了一个太阳周内(1996—2006年)中纬地区(37.95°N, 284.53°E; 磁倾角67.5°N)频率和区域扩展F特性随季节和太阳活动周变化研究,结果表明区域、频率扩展F发生率都在太阳活动低年(2005)显著增加,而高年(2002)出现极小值;Huang等(2011)利用长春和乌鲁木齐两站数据(1992—2001年)研究扩展F,发现在低年两站发生率的值明显高于高年,且长春站发生率总是大于乌鲁木齐站.
中、低纬扩展F发生特性也有所不同:Singleton(1968)研究太阳活动下降年(1958—1964年)高、中、低纬多个台站的频率扩展F形态特性,其中在太阳活动减小时低纬扩展F高发生率区可以向更高纬度扩展;Su等(2006)利用ROCSAT卫星对太阳活动中到高年(1999—2004年)数据研究赤道和中纬地区的密度分布,发现赤道不规则体峰值出现在子夜前,中纬地区峰值的发生在子夜后;Xu等(2010)统计分析了中国三个台站1978—1997年扩展F的发生特性:低纬海口站(20.0°N, 110.3°E)低年峰值发生在夏季子夜后,高年峰值出现在两分季日落后,而中纬重庆(29.5°N, 106.4°E)和兰州(36.1°N, 103.9°E)站,扩展F主要发生在子夜后.此外,关于中纬或低纬地区太阳活动高年或低年的扩展F特性研究还有很多(Lambert, 1988; 王国军等, 2006; Chu et al., 2011; Pezzopane et al., 2013).
综上所述,已有的研究主要集中在一定太阳活动条件下某一区域(中纬、低纬、高纬)的扩展F特性方面,虽然也有一些比较研究,但是,综合考虑太阳活动高、低年,进行中、低纬地区扩展F发生率随时间和空间的变化特性的比较研究并不多.本文通过分析低纬海南站和中纬长春与乌鲁木齐站的测高仪数据,分别对东亚中、低纬地区太阳活动高、低年的扩展F发生特性进行统计分析,以此获得扩展F发生特性随太阳活动、经纬度、季节、地方时的变化,并对中、低纬地区太阳活动高、低年扩展F的发生特性进行比较研究;接下来是本文所选用数据的详细介绍;文章第三部分是关于太阳活动高、低年中、低纬地区扩展F特性的详细分析与比较研究结果;对分析结果的讨论和总结安排在第四和第五部分.
2 数据及处理方法 2.1 数据来源及处理方法在本文研究中,不区分扩展F类型且统计数据包含了磁静日和磁扰日,磁扰日对统计结果的影响在讨论部分会提到.低纬海南站扩展F数据来自于DPS-4电离层数字测高仪(Reinisch, 1997),该测高仪安装于2002年初,数据记录间隔为15 min,若某一时刻记录到扩展F且与其相邻的下一时刻也有扩展F的发生,则认为这两个扩展F为一个扩展F事件,其持续时间为15 min,以此类推.中纬长春和乌鲁木齐站数据来自电离层观测数字数据库,在该库给出的电离层F2区临频小时值中,凡标有“F”和“Q”字样的记为扩展F在该小时发生一次,并作为发生率随地方时的统计依据.为了便于与长春和乌鲁木齐站作比较,海南站选取持续时间大于等于一小时的扩展F事件,然后在选取的事件中以临频小时为基础,作为发生率随地方时的统计依据.
通常情况下,太阳活动高年或低年并不仅仅是指某一年,为了准确地反映太阳活动高、低年对电离层扩展F发生率的影响,我们以太阳射电流量F10.7(单位:sfu, 1 sfu=10-22W·m-2·Hz-1)的年平均值作参考,选取年平均F10.7值在峰顶或峰谷的年份作为太阳活动高或低年的选取依据,即本文中的太阳活动高、低年指的是峰、谷年.文中F10.7数据来自于美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)的OMNIWeb上的公开数据(ftp://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/low_res_omni/).由于所得数据的局限性,在太阳活动高、低年选取中,所选的高、低年时间段并不完全相同,但是,年平均的F10.7非常接近.在图 1中,太阳活动高年的选取:低纬海南站为2002年(年平均F10.7为179.4),中纬站为2000、2001和2002年(年平均F10.7为:180.0, 181.1, 179.4);太阳活动低年的选取:海南站为2007,2008和2009年(年平均F10.7为:73.1, 69.0和70.5);中纬站为1995,1996和1997年(年平均F10.7为:77.2, 72.1, 80.9).
本文中对于某月某地方时扩展F发生率定义(Xu et al., 2010)为:
(1) |
其中,m和h分别代表观测月份和地方时,r表示观测的某月某地方时扩展F的发生率,i=“1 or 3”表示对于太阳活动高年海南站i=“1”,其他情况下i=“3”,发生率值代表的是所选高或低年的平均,Ai表示所选高或低年中第i年该月该地方时扩展F出现次数,Bi表示高或低年中第i年该月该地方时的观测次数.另外,在季节的分类中,选取11, 12, 1, 2月为冬季;3, 4月为春季;5, 6, 7, 8月为夏季,9, 10月为秋季.
2.2 地方时选取由于三台站所在的经度不同,如表 1所示,所以地方时存在差异.根据经度时区划分海南地方时LT=UT+7 h; 长春LT=UT+8 h; 乌鲁木齐LT=UT+6 h.
海南站:
2002年总观测天数290天:1月份缺失31天, 10月份缺失15天, 11月份缺失16天, 其他月份共缺14天.
2007年总观测天数342天:7月缺6天, 11月缺8天, 其他月份缺9天.
2008年总观测天数339天:即3月缺17天, 其他月份共缺10天.
2009年总观测天数309天:即2月份缺15天, 11月份缺8天, 12月份缺31天.
乌鲁木齐站:
1995年缺6, 7, 8, 9月份.
1997年缺1, 2, 10, 11月份.
3 统计结果对选取的数据进行了细致的分析研究,结果表明在不同的太阳活动条件下,扩展F的发生率存在不同的空间(经、纬度)和时间(地方时、季节)变化特性.为了清楚准确的反映其随地方时及季节的变化,我们选取了三维网格强度投影的方式,再加上粗略的等值线描绘,该方式不仅可以反映扩展F发生率特性的变化趋势,而且其随地方时及季节的变化更是精准的被揭示.详细结果如下.
3.1 太阳活动高年中、低纬扩展F特性比较图 2给出太阳活动高年中、低纬地区扩展F发生率随地方时及季节变化.图中横坐标表示地方时,纵坐标表示月份.为了更加清楚的体现其季节特性,我们按照上述季节划分把冬季月份(11, 12, 1, 2月)集中放在一起.图中每个小网格中的颜色代表对应的地方时处该月份扩展F的发生率的大小,图中的白色等值线给出了发生率变化的整体趋势.在图 3和图 4、图 5中,横、纵坐标轴含义类似.
总体而言,图 2清楚可见在太阳活动高年,低纬海南站扩展F发生率最大值明显高于两个中纬台站,而中纬长春站则高于乌鲁木齐站.其季节变化趋势:低纬海南站集中在春、秋分季节,而两个中纬站则集中在冬、夏季节.扩展F较容易发生的地方时海南站主要集中在子夜前,而中纬站则偏向子夜后.
从细节结构上,在太阳活动高年中、低纬台站的差异将更为突出.低纬海南站扩展F发生率主要集中在2—4月和7—9月,但集中在2—4月份的扩展F发生率有两个月份表现突出,一个出现在2月另一个出现在4月(图 2a),这两个月份中发生率最大值非常接近分别为73.9%和76.7%,都出现在地方时22:00LT;集中在7—9月份的扩展F发生率只存在一个峰值,大小为50.0%,出现在9月份地方时22:00LT.低纬海南站扩展F发生率比较集中的两个时间段基本上是春、秋分季节,这与相关的研究结果是一致的(Zhu et al., 2015).鉴于春、秋分季节扩展F发生率最大值的差别较大,即分季异常(Liu et al., 2010; Ren et al., 2011; Chen et al., 2012; Sun et al., 2016),这里把4月份即春分季节笼统地称为扩展F发生率的主峰,而9月份即秋分季节则称为次峰.在下面的分析中我们将采用这样的说法,把扩展F发生比较集中的时间段发生率较高的称之为主峰,其次则为次峰.中纬长春站扩展F发生率主峰位于夏季8月份峰值为21.5%,次峰出现冬季1月份峰值为9.7%,均出现在地方时02:00LT(图 2b);乌鲁木齐站扩展F发生率的分布略显凌乱,但有两个明显的峰,一峰出现在冬季1月,另一峰出现在夏季8月份,峰值均为11.8%,但前者出现在地方时02:00LT附近,后者在00:00—01:00LT附近(图 2c),乌鲁木齐台站扩展F发生率在太阳活动高年也表现出两个最大值且出现在不同的月份,虽然两个值同样高,但出现的地方时略有不同.
3.2 太阳活动低年中、低纬扩展F特性比较图 3所示为太阳活动低年中、低纬地区扩展F发生率随地方时及季节变化.总体而言,在太阳活动低年,低纬海南站扩展F发生率最大值很明显也高于两个中纬台站.而且,无论是低纬还是中纬台站都表现出来明显的双峰结构,这两个峰基本上都出现在夏、冬季节;低纬海南站扩展F较突出的出现在子夜前后,而中纬台站则主要出现在子夜及子夜后.
太阳活动低年扩展F具体的细节特征为:海南站扩展F主要集中发生在5—8月的夏季,但在冬季(12—1月)存在另一个扩展F发生率较小凸出结构,依据上述说明,我们把集中在夏季的扩展F发生率结构称为主峰结构,冬季的称为次峰结构.网格投影强度图中清晰可见在主峰结构中有两个月份扩展F发生率表现较为突出,一个出现在5月份,另一个出现在7月份,且这两个月的发生率最大值均出现在地方时子夜00:00LT,其值分别为78.5%和74.7%,所以夏季主峰峰值出现在5月份;次峰较为集中的区域出现在冬季1月份,其发生率峰值为35.6%,出现在地方时子夜后02:00LT(图 3a).已有研究主要表明太阳活动低年低纬扩展F主要出现在夏季且只有一个月份最为突出,即只有一个峰值,并且冬季的发生率比较凌乱并没有较为突出的部分(Kotadia, 1959; 韩馥芬和黄昌理,1988;罗发根,1995;Chandra et al., 2003; Xu et al., 2010; Abdu, 2012),而我们的结果表明,扩展F更容易发生在夏季(即主峰结构)但冬季也存在一个较为明显的峰值结构(即次峰结构).这样更为细致地揭示了扩展F发生率的季节及地方时特征.相比而言,中纬地区扩展F发生率就表现出较为明显的主、次双峰结构.中纬长春站主峰出现在冬季1月份02:00LT,峰值为44.1%,次峰在夏季7月,峰值为30.1%,出现在01:00LT附近(图 3b).虽然,中纬乌鲁木齐站扩展F主、次峰分布略显凌乱,但还可以看出其主峰出现在夏季的7月,峰值为38.7%,出现地方时为02:00LT,次峰出现在11月,峰值为26.7%,出现的地方时为04:00LT(图 3c).在太阳活动低年,低纬站主峰值很明显大于中纬站主峰值,并且两个中纬站中长春站的主、次峰值分别大于乌鲁木齐主、次峰值.
3.3 太阳活动高、低年低纬扩展F特性比较图 2a和3a分别表示低纬海南站太阳活动高、低年扩展F发生率随地方时和季节变化.就低纬台站而言,太阳活动高、低年扩展F发生率特性都具有明显的主、次峰结构,高、低年主峰峰值比较接近(分别为76.7%和78.5%),高年次峰峰值(50.0%)很明显大于低年次峰峰值(35.6%),然而主、次峰出现的季节和地方时有所不同.大体来讲,高年双峰主要位于两分季的子夜前,低年主要出现在夏季子夜附近,与已有研究结果一致(Kotadia, 1959; 韩馥芬和黄昌理,1988;罗发根,1995;Chandra et al., 2003; Xu et al., 2010; Abdu, 2012; Zhu et al., 2015).与已有研究相比,扩展F发生率随地方时及季节变化的精细结构存在更突出的特点:在太阳活动高年,集中在2—4月份的扩展F发生率虽然主峰出现在春分4月份,但在2月份的发生率表现的也很突出;与其相似的是在太阳活动低年,除了夏季的主峰出现在5月外,在夏季的7月份发生率同样表现的较为明显,而且在冬季1月份存在另一较为明显的次峰.总之,在太阳活动低年低纬海南站在扩展F发生率趋势上主要多发于夏季.
3.4 太阳活动高、低年中纬扩展F特性比较从前面的分析中我们能够发现在太阳活动高、低年两个中纬台站扩展F发生率存在相似之处,也存在明显的不同,这里为了进一步比较两个中纬台站的异同,更为突出两站在不同太阳活动条件下扩展F发生率特性的精细结构,在统一的比较标尺下重新给出了太阳活动高、低年中纬两站扩展F发生率随地方时和季节的变化特性,如图 4所示,其中图 4a和4b表示太阳活动高年长春和乌鲁木齐站扩展F特性,图 4c和4d表示低年长春和乌鲁木齐扩展F特性.
首先,从图 4中可以看出,太阳活动低年中纬两站扩展F发生率明显高于高年(图 4a与4c;图 4b与4d);在同等太阳活动条件下,长春站扩展F发生率峰值大于乌鲁木齐站(图 4a与4b;图 4c与4d).其次,扩展F发生率随地方时变化方面,在太阳活动高、低年中纬两站发生率峰值都主要出现在子夜及子夜后.另外,扩展F发生率随季节变化,中纬两站在太阳活动高、低年都表现为双峰结构,且峰值都出现在冬、夏两季,但在峰的精细结构方面却有所不同:太阳活动高年长春站扩展F发生率双峰有明显主、次之分(图 4a),主峰出现在夏季8月次峰出现在冬季1月,而乌鲁木齐站双峰也出现在夏季8月和冬季1月,但无明显主、次之分(图 4b);在低年,两台站双峰存在主、次结构,但主、次峰出现的季节明显不同,长春站主峰出现在冬季1月次峰在夏季7月,乌鲁木齐站主峰出现在夏季7月,而次峰在冬季11月.
4 讨论理论上,中、低纬地区扩展F的产生机制是不同的(Ossakow and Chaturvedi, 1978; Zalesak et al., 1982; Xiao and Zhang, 2001; Huba et al., 2009).对于赤道以及低纬方面,扩展F的发展一般认为与广义Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定机制(Dungey, 1956; Zalesak et al., 1982; Sultan, 1996; Martinis et al., 2005)有关,这种不稳定机制可以使低密度扰动向上延伸至F层顶部形成大尺度等离子体密度耗空结构,并在多级不稳定性过程作用下产生不同尺度的不规则体,从而出现扩展F等现象.中纬地区扩展F产生机制方面提法比较多,Perkins不稳定过程多被提及(Perkins, 1973; Kelley et al., 2003; Makela and Otsuka, 2012),通常情况下,中纬地区扩展F的产生机制更为复杂,且需要种子因素的触发等(Xiao et al., 2009; 肖赛冠等,2012).
影响中、低纬地区扩展F发生的因素有很多,包括太阳活动、地磁活动、背景等离子体密度,中性风,电场等(Perkins, 1973; Zalesak et al., 1982; Sultan, 1996; Martinis et al., 2005; Makela and Otsuka, 2012).有不少研究按不同的分类研究扩展F的特性,包括按区域、频率等的划分(罗智贤等,2010; Wang et al., 2010; Li et al., 2011; Zhu et al., 2015),以及按分季、夏季划分(Huang and Yeh, 1970)等.本文研究不区分扩展F类型,着重于研究不同的太阳活动条件(高、低年)对扩展F的影响,暂不考虑其他因素的效应.所以本文统计数据既包含了磁静日也包含了磁扰日,而地磁活动能抑制或触发中、低纬扩展F的发生(Li et al., 2009;Zhang et al., 2012; 胡连欢等,2013).低纬海南站,在太阳活动高年扩展F主要集中在两分季的子夜前,虽然本文没有区分扩展F类型,但由Zhu等(2015)的结果,其两分季的扩展F类型主要是区域型扩展F(Range Spread F, RSF),罗智贤等(2010)给出高年磁暴对RSF有抑制作用,所以对于低纬海南站,地磁活动可能会抑制高年子夜前扩展F的发生(Fejer et al., 1999; 罗智贤等,2010).一般认为,在磁扰日子夜后扩展F受电离层发电机扰动电场(Disturbance Dynamo Electric Fields, DDEFs)影响(Martinis et al., 2005;Li et al., 2010),其方向在子夜主要为东向,在太阳活动低年,夜间向下的漂移很小(Fejer et al., 1999;Abdu, 2001; Li et al., 2010),在这种情况下垂直漂移很容易被东向DDEF反转,产生向上的速度,触发低纬子夜后扩展F的发生(Martinis et al., 2005).中纬地区扩展F对地磁活动的依赖很弱(Su et al., 2006).
低纬海南站扩展F发生率峰值在高年出现时刻(22:00LT)早于低年(00:00LT)2 h左右(图 2a和3a).这种差异主要与垂直漂移速度增强出现的时间有关.太阳活动高年,垂直漂移速度增强主要出现在日落附近,也就是日落反转增强(Pre-reversal Enhancement in the Zonal Electric Field or in Vertical Drift, PRE)(Li et al., 2007;Zhu et al., 2015),而在太阳活动低年,垂直漂移速度增强出现时间靠近午夜(Li et al., 2011).E×B漂移增强RT不稳定性,E增强出现的时间晚,相应的RT不稳定性发展产生扩展F的时间也晚.另外,高年发生率峰值早于低年的另一个可能原因是,高、低年扩展F的类型有所不同:在太阳活动高年区域扩展F在分季占主要(Zhu et al., 2015),在太阳活动低年混合扩展F在夏季占主要(Wang et al., 2010),由于扩展F的类型不同,则产生该类型的机制也有所不同(Wang et al., 2010; Zhu et al., 2015),可能就造成了高年发生率峰值出现时刻早于低年.
低纬及近磁赤道地区的地磁场结构更有利于不规则结构的产生,大量的观测研究(包括本文)也证明了低纬地区较之中纬更容易发生扩展F现象.我国的海南地区关于扩展F的研究也比较集中.已有的研究表明:扩展F在太阳活动不同条件下的发展趋势基本是一致的,但具体细节特征存在明显的差异,尤其体现在季节特性上.韩馥芬和黄昌理(1988)、罗发根(1995)和Xu等(2010)的研究表明:扩展F发生率,高年存在双峰结构主要位于两分季的子夜前,低年主要出现在夏季子夜附近.但韩馥芬和黄昌理(1988)的结果表明太阳活动高年两分季的双峰峰值大小近似,都为70%~80%,无主、次结构,而且太阳活动高、低年的峰值相差不大,均处于70%~80%;罗发根(1995)和Xu等(2010)的结果显示太阳活动高年春季的峰值要小于秋季的峰值,且都明显小于太阳活动低年的峰值;另外,Zhu等(2015)的结果也展示出太阳活动高年2012和2013年海南三亚地区扩展F发生率都在两分季出现最大,且2012年两分季发生率峰值接近,2013年春季峰值要略大于秋季.而本文的研究表明海南站在太阳活动高年存在两个峰值,分别集中在春、秋分季节,这与上述报道是一致的;但春分季节的峰值明显高于秋分季节(分别为76.7%和50.0%)(图 2a),这既不同于韩馥芬和黄昌理(1988)和Zhu等(2015)的研究也不同于罗发根(1995)和Xu等(2010)的结论.在太阳活动高、低年海南台站扩展F的峰值分别为76.7%和78.5%(图 2a和3a),这与韩馥芬和黄昌理(1988)的结果一致,而与罗发根(1995)和Xu等(2010)的结论不同.在太阳活动低年,韩馥芬和黄昌理(1988)、罗发根(1995)和Xu等(2010)的结果都表明扩展F发生率只存在一个峰出现在夏季的子夜附近及子夜后,而本文研究表明海南地区扩展F发生率虽然主要集中在夏季(主峰)但在冬季也出现一个次峰.考虑到大家选取数据年份的不同,有些是单独一年的数据有些是多年的数据平均(其中,韩馥芬和黄昌理(1988)选取的高年是1959、1969、1980、1981,低年是1964、1965、1974、1975、1976;罗发根(1995)选取高年1959、1969、1979、1980、1981,低年1974、1975、1976;Xu等(2010)选取1990年为高年,1997为低年),我们尝试把海南站2002和2003年的结果进行平均来考察太阳活动高年的情况,如图 5所示,平均结果中高年的主峰峰值发生了明显的变化,此时高年峰值很明显小于低年峰值(如图 3a和图 5所示),这个趋势与罗发根(1995)和Xu等(2010)的研究相一致.所以,对于所统计结果出现的细节特征的不同不能排除与选取的高、低年年份不同,及单独一年或平均结果之间的关联.另一方面需要注意的是韩馥芬和黄昌理(1988)的统计结果主要是对频率型扩展F而言的.除了高、低年所选年份不同外,本文低纬海南地区高年和低年扩展F发生率表现的季节差异可以从以下几个方面考虑.
电离层分季异常现象可能是由中性风,热层的组成成分及密度,电场等的分季差异造成的,其具体异常可表现在电离层等离子体密度、等离子体垂直漂移、不规则体发生率等方面(Liu et al., 2010; Ren et al., 2011; Chen et al., 2012; Sun et al., 2016).低纬海南地区,太阳活动高年春季扩展F发生率大于秋季,其原因如下:Ren等(2011)研究1999—2004年ROCSAT-1卫星等离子体垂直漂移速度数据,结果显示在海南经度区(约110°E),春季的PRE峰值大于秋季;Chen等(2012)统计研究了电离层电离F2层峰值密度(Ionospheric F2 layer peak density, NmF2)和JPL TEC map (Jet Propulsion Laboratory Total Electron Content)数据,结果显示NmF2增长率的分季异常在日落后低纬地区最为显著,春季的TEC增长率在所有地方时都大于秋季,尤其在台北地区(25.0°N, 121.5°E; 地磁纬度14.2°N)日落后春季的NmF2和TEC都大于秋季;Zhu等(2015)统计结果显示,三亚地区在太阳活动高年(2012—2013年)两分季中,当RSF和卫星迹(Satellite Traces, STs)同时发生时,春季日落后抬升的电离F2层峰值高度(Ionospheric F2 layer peak height, hmF2)要高于秋季.总之,海南地区日落后春季的F层密度高于秋季(Chen et al., 2012)更容易在F层底部形成密度梯度,又由于春季的PRE和hmF2大于秋季(Ren et al., 2011; Zhu et al., 2015),都有利于R-T不稳定的增长,使得春季的扩展F发生率大于秋季.
南、北半球赤道向风和来自白天的东向风在子夜附近地理赤道上空汇聚,导致中性密度极大和子夜温度极大(Midnight Temperature Maximum, MTM)(Sastri et al., 1994; Niranjan et al., 2003; Yokoyama et al., 2011).当MTM出现后,由于压力膨胀会使赤道向风减弱,甚至反转成极向风(Sastri et al., 1994; Yokoyama et al., 2011).在太阳活动低年亚洲经度区,夏季的MTM出现时间(22:00—00:00LT)早于冬季(02:00—03:00LT)且其强度高于冬季(Niranjan et al., 2003; Yokoyama et al., 2011).夏季子夜前赤道附近较强的MTM的出现,会致使极向风产生,其结果使得低纬(如海南地区)F层高度降低(Sastri et al., 1994; Niranjan et al., 2003),减弱低纬地区R-T增长率,使子夜前的扩展F发生率降低;在子夜后MTM消失,赤道向中性风的重新汇聚(Yokoyama et al., 2011)以及延迟的背景等离子体垂直漂移增强(Li et al., 2011),有利于子夜后扩展F的出现.在冬季,子夜后(02:00—03:00LT)赤道附近出现的MTM可能会抑制子夜后扩展F的发生,但本文结果显示在太阳活动低年,低纬海南站冬季发生率主要集中在02:00—03:00LT附近,说明还存在一些其他因素,如重力波等(Abdu, 2012)在影响着冬季扩展F发生率的特性.总之,在太阳活动低年,虽然有一部分扩展F起始于日落后并延伸至子夜后,但大部分扩展F起始于子夜附近及子夜后(Li et al., 2011),其原因在夏季(尤其是亚洲经度区)可以用MTM解释,在冬季可能由多种因素控制.另外,在太阳活动低年,一部分中尺度电离层行进式扰动(Medium Scale Traveling Ionospheric Disturbances, MSTIDs)可能从中纬传播到赤道异常区(Equatorial Ionization Anomaly, EIA)或低纬(Candido et al., 2011; Chu et al., 2011; Abdu, 2012),负责低纬地区子夜后的不规则体发生.
中纬地区不规则体的来源主要有两种方式(Li et al., 2009):一种是赤道不规则体沿磁力线传播到中纬地区(Huang et al., 2007);另一种是在中纬地区局部产生的(Perkins, 1973).然而,仅由Perkins引起的线性不稳定增长率很弱,Cosgrove和Tsunoda(2003)提出突发E层(Sporadic E Layers, Es)的不稳定性通过E和F层的电动力学耦合过程也可以产生F层不规则结构,且其产生速率要高于Perkins不稳定性.在合适的条件下,Perkins和Es层不稳定性的耦合能够加强中纬地区电离层不规则体的增长率.另一方面,为了加强Perkins增长率,Huang和Kelley(1996)提出重力波(Gravity Wave, GW)耦合过程,在此过程中会产生副产品MSTIDs.Es和MSTIDs都在太阳活动低年更容易观测到(Bowman, 1985; Abdu, 2012),所以太阳活动低年中纬地区扩展F可能主要由GW-Perkins不稳定共振和Es-Perkins不稳定耦合控制(Li et al., 2009),使得低年扩展F发生率要高于高年,由此可以解释中纬长春和乌鲁木齐站低年发生率峰值大于高年.另外,在太阳活动高或低年,中纬长春和乌鲁木齐站扩展F发生率的季节差异与经度/季节变化有关(Aarons, 1993;Kil and Heelis, 1998;Li et al., 2007).对于几乎处于同一地磁纬度的中纬两站,其长春站的扩展F发生率大于乌鲁木齐站,对此,Huang等(2011)用两站地形地貌不同(长春站接近海岸线,乌鲁木齐站位于欧亚大陆中心)可能产生声重波(Acoustic Gravity Waves, AGWs)的源条件不同以至于影响扩展F发生特性来解释.另外,低纬站在高、低年的扩展F发生率峰值都大于中纬站,有研究表明与“磁倾角效应”(谢红和肖佐,1993;Xiao and Zhang, 2001)有关.
5 结论扩展F现象会严重影响无线电通讯,卫星导航和雷达定位等,为了减少不必要的损失,对扩展F的持续研究是必要的.本文通过分析太阳活动高、低年低纬海南站和中纬长春与乌鲁木齐站的测高仪数据,对我国三个台站扩展F不规则结构时间和空间变化特性,进行了初步统计分析.初步结果显示:
(1) 从太阳活动高年来看,低纬海南站扩展F发生率存在主、次双峰结构,主峰主要出现在春分4月份峰值为76.7%,不过2月份的发生率表现的也很突出,次峰主要出现在秋分季9月,其峰值为50.0%,均出现在地方时22:00LT;中纬长春站主峰位于夏季8月份其值为21.5%,而次峰出现在冬季1月份,峰值为9.7%,主、次峰的地方时都出现在02:00LT;中纬乌鲁木齐站两峰无主、次之分,一峰出现在冬季1月02:00LT,另一峰出现在夏8月00:00—01:00LT附近,峰值均为11.8%.低纬海南站峰值很明显大于两中纬站,而对两个中纬站则是长春站峰值大于乌鲁木齐站.
(2) 在太阳活动低年,虽然中、低纬站扩展F发生率都呈主、次峰结构,且主、次峰所出现的季节都在冬、夏两季,但具体峰的精细结构明显的不同:海南站主峰峰值出现在夏季5月份子夜附近,峰值为78.5%,但在夏季7月份发生率也很突出,次峰在冬季1月份02:00LT,值为35.6%;中纬长春站主峰出现在冬季1月份02:00LT,值为44.1%,次峰在夏季7月01:00LT附近值为30.1%;中纬乌鲁木齐站主峰主要在夏季7月02:00LT,峰值为38.7%,次峰出现在冬季11月04:00LT附近,值为26.7%.低纬站主峰值明显大于中纬站主峰值;两个中纬站中长春站的主、次峰值分别大于乌鲁木齐主、次峰值;另外,除低纬站主峰峰值出现在子夜附近外,其他峰值都主要出现在子夜后.
(3) 低纬海南站,太阳活动高、低年扩展F发生率特性都具有明显的主、次峰结构,且高、低年主峰值比较接近,而且主峰出现的季节均有两个月份的扩展F发生率表现突出,高年次峰峰值很明显大于低年次峰峰值,然而主、次峰出现的季节和地方时有所不同.
(4) 就中纬两站在太阳活动高低年方面:中纬两站扩展F发生率低年峰值很明显都大于高年峰值;在太阳活动情况一样的条件下,长春站扩展F发生率峰值大于乌鲁木齐站.中纬站峰值在太阳活动高、低年都主要出现在冬、夏两季的子夜后,但具体的精细结构方面却有所不同,可能与两台站的地形地貌不同产生AGWs的源条件不同以及经度不同有关.
致谢本项成果使用国家重大科技基础设施子午工程数据(海南站测高仪数据)、中国电波传播研究所提供的长春和乌鲁木齐的测高仪数据、NASA的OMNIWeb上的F10.7数据,在此一并致谢.
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