电离层D层一般指距离地面50~100 km高度的大气等离子体层，该层特征变化主要受到太阳活动以及宇宙射线的调制，同时受到中长周期大尺度天气、地质活动与瞬态闪电事件的扰动，是国内外中高层大气研究领域持续关注的热点之一.D层形态最重要的周期变化是受太阳辐射调制的昼夜变化，因此研究日出、日落阶段D层特征变化对于认识该层受太阳辐射的调制机制具有重要意义.

作为D层特征变化的重要组成部分，国内外有关学者对日出日落阶段D层特征变化已经开展了一些研究工作.汤明等(1993)提出了针对日出、日落过渡期低电离层的运动斜曲面反射模型计算低频天波场强幅度和相位变化，据此来解释低电离层在日出和日落阶段发生过渡期的实验现象.张东和和萧佐(2000)根据GPS信号相位变化给出了一次类似于日出和日落效应的日全食过程中TEC(电离层的积分电子总量)的变化曲线，当然D层电子对TEC贡献的显著性仍有待研究.D层由于电子浓度偏低限制了传统电离层探测手段的使用，长期以来主要使用人工低频无线电信号来探测D层，显然这一探测方法受制于人工信号源强度较弱、接收遥感信号信噪比较低的制约.Belikovich和Bakhmet′eva (2002)与Merola(2006)利用甚低频(VLF)无线电波作为辐射源获得了电离层D层在日出和日落阶段中幅度骤增和骤减的过渡特征.Chakrabarti等(2010)通过对比发生地震期间和非地震期间的电离层D层在日出和日落阶段反射VLF信号的差异性，推断地震期间所释放的能量与这种差异性是相关的.Choudhury等(2015)利用甚低频无线电信号研究了日出阶段电离层D层变化形态与地磁暴强度之间的相关关系.总之，受制于探测手段的限制，日出、日落期间电离层D层特征观测远远不足，积累更多的D层观测资料依然是当前学科研究的重点.

当前，国内外学者正在开展基于强烈闪电VLF/LF信号探测电离层D层新技术方法研究(Cummer et al., 1998; Smith et al., 2004; Han and Cummer, 2010a, 2010b; Lay and Shao, 2011；秦子龙等，2015).闪电产生的强烈VLF低频电磁波信号在电离层D层和地表组成的波导空腔里传播，其传播行为受电离层D层电子密度廓线的影响，借助于现代闪电站网观测技术对于闪电放电源的空间定位，可以实现D层特征的探测.Shao等(2013)提出了基于诊断雷暴反演电离层D层扰动的方法，用于研究对流层雷暴放电对电离层D层扰动.相比于利用长波导航电台等人工信号的方法，利用闪电低频辐射信号反演电离层D层特征有以下优点:(1)闪电发生的随机性使得观测站网能方便地对D层实现大面积的探测；(2)观测站网具有采集高信噪比的闪电信号和完整的D层反射波形记录能力，保证了获取D层的物理特性的可靠性；(3)闪电在低频-甚低频频段丰富的频率成分使得可以发展更为精确的D层特征反演方法.

国内利用闪电信号探测低电离层方法研究仍处于初步阶段，秦子龙等(2015)验证了利用自主搭建的江淮天电阵列记录到的地闪回击波形资料来监控D层日间波动的可行性.本文工作是该工作的进一步扩展，利用站网系统记录到的一类非常特殊的云内放电过程所产生强烈双极性窄脉冲时域波形及其电离层反射波特性来反演电离层D层特征，并初步报道了对一次日出和日落阶段D层特征演变的观测结果.

在自然雷暴放电过程中，双极性窄脉冲事件(NBE)是一种非常特殊的云内放电过程(Smith et al., 1999；祝宝友等，2007)，除了产生迄今所知最强的自然射频辐射，其产生的强烈双极性脉冲由于独特的孤立性而更容易被探测和识别.为了对这一独特闪电现象进行研究，2011年开始在国家自然科学基金项目资助下我们在江淮地区建设了一个局地闪电探测网.该站网最初由安徽黄山(HS，118°20′E，29°49′N)，合肥(HF，117°16′E，31°50′N)，金寨(JZ，115°55′E，31°15′N)，寿县(SX，116°38′E，32°27′N)，蒙城(MC，116°29′E，33°22′N)以及江苏南京(NJ，118°43′E，32°12′N)共6个观测子站组成，每个站点配备一台通过GPS时间同步(测时精度优于100 ns)的VLF/LF闪电信号采集系统(包括一个垂直电场通道和两个正交水平磁场通道, 通频带800 Hz~400 kHz)，实现雷暴闪电信号的高速(采集频率5 M/s)连续无缝采集，并具备通过多站到达时间差定位算法实现闪电脉冲事件的高精度二维定位.为了便于识别闪电双极性窄脉冲事件(NBE)，寿县站专门配备了一台VHF辐射包络接收机(通频带112.5~117.5 MHz), 用于接收伴随NBE的超强VHF辐射信号.有关该观测系统的详细情况参见秦子龙等(2015).

图 1给出了该站网系统记录的一次NBE电场波形，其产生的超强VHF辐射甚至被245 km之外的寿县站捕获到，红线为假设NBE发生源高度为10.5 km和等效D层反射高度为75 km时的理论反射延迟曲线.图中可以看出，该NBE放电产生了可以辨认的电离层反射脉冲对，而且该脉冲对相对双极性脉冲的时间延迟随发生距离的变化而变化(图中红色实线).当观测距离较近(小于200 km)时电离层反射波较弱，当观测距离200~500 km时电离层反射波较为显著适合程序自动识别.关于筛选海量数据记录中的NBE事件，本文根据NBE波形特征(初始峰宽度、上升时间、半宽、信噪比、脉冲持续时间)，首先获取特征集，然后利用支持向量机(SVM)的方法对NBE波形进行分类筛选，同时对筛选出来的NBE事件使用寿县站同步VHF信号进行对比验证进一步优化识别算法，最终实现NBE事件的计算机自动识别.关于基于NBE时域波形的电脑自动识别算法及其验证这里不做过多描述.

图 1

Fig. 1

图 1 一次多站记录到的NBE放电过程产生的VLF/LF辐射信号和VHF辐射信号以及直达波波峰与电离层反射波波峰时差与理论曲线对比 Fig. 1 Multi-station recorded NBE discharge process of VLF/LF radiation and VHF radiation signals and the time difference between the ground wave peak and its ionospheric reflection wave peak as a function of distance from observed sites

虽然D层电子密度廓线是连续变化的，但是对于频率相对集中的波包，低电离层可以看作是一个与主频率成分相互作用高度上的反射断面.根据D层反射天波来反推得到该假想断面的高度可以反映D层的特征变化.与近地面发生的地闪回击只有一个电离层反射波(秦子龙等，2015)明显不同，如图 2所示，云内NBE放电产生的双极性窄脉冲除了直达观测点之外(直达波，路径1)，还产生了一对分别经电离层直接反射(路径2)和地面-电离层依次反射(路径3)的反射波，该反射波相对直达波时间延迟取决于NBE源高度h、电离层反射高度H以及NBE源距离观测站点的水平距离(吴亭等，2012).令t_a是直达波1与经过电离层反射波2的时间差，t_b是直达波1与经过地面和电离层反射波3的时间差，根据几何关系可以得到：

图 2

Fig. 2

图 2 NBE的传播路径模型 Fig. 2 The propagation path model of NBE

(1)

(2)

其中r为经纬度坐标为(Lon, Lat)的传感器与经纬度坐标为(lon0, lat0)的NBE源之间的球面距离：

式中R为地球半径.因此，通过到达时间差定位算法对站网系统记录的多站NBE事件进行定位获得其经度Lon和纬度Lat，从记录的波形中提取出两个反射波相对于直达波的时间延迟t_a和t_b，利用(1)和(2)式结合非线性迭代算法即可计算出D层反射高度H和NBE源高度h.

该方法需要满足如下三个条件:(1)电离层两次反射波被探测到；(2)两次反射波可以被有效识别并准确计算相对直达波的时间延迟；(3)该NBE事件相对观测者的位置已知.江淮地区天电阵列内具备对站网覆盖范围内发生的NBE事件的空间定位能力，因此准确识别NBE反射波并计算相对于直达波峰的时间延迟是利用NBE波形反演电离层D层反射高度的关键.通过对本站网大量观测的NBE事件的分析获悉，当观测距离小于200 km时NBE反射波较弱难以被有效识别，当观测距离大于800 km时两个反射波相互缠绕也难以有效区分，只有当观测距离介于200~500 km时两个反射波可以被有效识别并准确计算相对直达波的时间延迟.

本文使用基于时域的波形相关算法来识别反射波并计算时间延迟:

(3)

式中相关系数r_w描述的是两个波形向量X, Y线性相关的程度，r_w的值越大，波形越接近.图 3给出了NBE反射波识别过程示意图.对于已经被识别为NBE事件的记录，选取一个既包含直达波又包含反射波的时间窗(大于300 μs)，然后利用上述的NBE波形的识别算法得到直达波的峰值点，再依次遍历直达波后不同波峰的峰值点，将得到的不同波峰的波形分别与直达波利用式(3)进行互相关，最终选取相关系数较大的两个峰值点对应的便是两个反射波.图 3中两个反射波相对直达波的时间延迟分别为92.4 μs和126.4 μs，则按照公式(1)和(2)计算的NBE源高度(h=10.5 km)以及电离层反射高度(H=75 km)，以此为输入条件并假定电离层水平均一，分别计算其他距离下的电离层反射波相对直达波时间延迟的理论曲线，如图 1所示各站采集到的实际两次反射波波峰所在位置与理论时间曲线具有良好的一致性，也表明本文中NBE事件的电离层反射波算法有很好的自洽性.

图 3

Fig. 3

图 3 反射波与直达波相关比较 Fig. 3 The comparison of the correlation between the ground wave and its ionospheric reflection wave

我们选取产生了较多NBE事件的两次气团雷暴过程的观测数据来反演电离层D层特性的时间演变.一次雷暴发生在北京时间2012年7月7日2时—16时，总共可以检索出516例可用于电离层D层等效反射高度反演的NBE事件，另外一次雷暴发生在北京时间7月4日8时—24时，总共可以检索出1550例NBE事件.图 4给出了两次雷暴中NBE事件的空间位置分布(NBE发生时间则用不同颜色表示)，距离合肥站从200 km到550 km不等，最适合反演电离层D层.两次雷暴中正极性NBE事件(1887例)高度主要分布在7~16 km，平均发生高度为9.9 km，负极性NBE事件(179例)高度主要分布在14~19 km，平均发生高度为16.0 km.这些结果与其他学者的报道结果一致(Smith et al., 1999；Zhu et al., 2010；Wu et al., 2011, 2012；吕凡超等，2013；Lü et al., 2013；Karunarathne et al., 2015; Zhang et al., 2016).由于本文着重利用NBE反演电离层反射高度，对于NBE放电高度结果不再展开.根据江淮流域六站匹配的站网定位误差模拟分析图(秦子龙等，2015)，此覆盖区域内NBE位置误差在6 km以内，通过(1)和(2)式计算得到NBE源发生高度(h)误差在0.5 km以内，D层等效反射高度(H)误差在1 km以内.

图 4

Fig. 4

图 4 NBE事件空间位置随时间变化图 (a) 7月7日5时—16时; (b)7月4日8时—24时. Fig. 4 Spatial locations of NBEs over time (a) 5 : 00—16 : 00 on July 7th; (b) 8 : 00—24 : 00 on July 4th.

图 5a和5b分别给出了利用雷暴0707和0704发生的NBE波形反演的电离层D层等效反射高度(H)的时间演变，其中蓝线为5 min平均曲线.由于雷暴0707发生时间涵盖日出，0704发生时间涵盖日落，这给我们提供一次观察日落和日出期间低电离层特征演变的机会，假定两次雷暴期间电离层D层状况稳定，则可以进一步把两日内分别反演的D层等效反射高度合成D层高度的日变化，结果示于图 5c.由图中可以看出，低电离层特征受太阳活动影响明显，两次雷暴的夜间电离层等效反射高度都在85 km以上，白天由于大气分子受太阳辐射电离，使得电子浓度急剧增加导致反射高度下降到70 km左右，这一结果与通过地闪回击波形反演的变化趋势一致(秦子龙等，2015).Smith等(2004)对1998—2001年间LASA系统观测到的Florida地区雷暴中的NBE反演得到当地D层对VLF/LF信号的反射高度，随太阳活动的变化趋势与本文结果一致.

图 5

Fig. 5

图 5 D层等效高度与太阳X射线辐射通量密度随时间变化 (a) 0707日；(b) 0704日；(c) 0707日和0704日D层等效高度的变化对比. Fig. 5 The variations of virtual reflection heights and solar X-ray flux density over time (a) July 7th; (b) July 4th; (c) The comparison of the virtual reflection heights between July 4th and July 7th.

本文同时观测到太阳耀斑爆发对日间电离层D层的影响.图中同时给出了美国国家大气海洋局运行的GOES-15卫星观测的大气上界X射线辐射通量密度随时间变化特征，红色实线为波长为0.1~0.8 nm的X射线辐射通量密度数据，红色虚线为0.05~0.4 nm的X射线辐射通量密度数据.对应于每次耀斑爆发(X射线通量密度急剧增加)期间反演的D层等效反射高度也出现了显著的涨落特征，X射线通量密度越强，电离层D层等效反射高度越低.这主要是由于当太阳耀斑爆发时，来自太阳辐射的X射线穿透上层大气进入D层区域引发中性大气分子电离产生大量的自由电子，进一步诱发该区域内的自由电子的附着和分离过程，最终导致局地的电子密度变化(Thomson et al., 2004, 2005；Nina et al., 2012)，这一结果也表明太阳活动在D层特性方面的决定性作用.

为了进一步研究日出和日落期间D层特征变化的差异，单独挑出日出和日落期间NBE数据较多时段的D层反射高度，示于图 6.D层高度的日出和日落时间与地面的日出和日落时间略有区别(Satori et al., 2007)，计算得到当天D层高度的日出时间为4时32分，日落时间为19时54分(王存良，2013).结合本文的数据选取当地时间4时40分为日出开始时间，日出结束时间为7时5分，日落开始时间为18时18分，日落结束时间为19时40分.从图 6中可以看出，日出阶段D层等效反射高度呈线性下降特征，而对应日落阶段D层等效反射高度呈线性的上升特征，其线性拟合斜率即D层反射高度随时间变化斜率对应日出期间称为‘D层形成速率’，对应日落期间称为‘D层消散速率’(Chakrabarti et al., 2010).本文数据计算得到日出阶段‘D层形成速率’为5.9 km/h，而对应日落阶段的‘D层消散速率’为8.6 km/h，即日出和日落阶段D层特征变化具有显著不对称性.Sátori等(2007)利用高分辨率的舒曼共振记录仪给出了D层白天和夜间的不对称变化特征.Bakhmet′eva等(2005)使用人工周期性不规则的无线电波(API)作为辐射源获得了电离层D层在日出和日落阶段的高度波动变化趋势与本文结果一致.

图 6

Fig. 6

图 6 日出日落阶段反演的电离层高度及拟合曲线 Fig. 6 The linear fitting curve of ionosphere height during the sunrise and sunset

事实上，电离层D层内电子、离子和中性粒子之间碰撞相当频繁，电子与离子和中性分子的附着(attachment)和脱离(detachment)作用主导了自由电子的浓度(Bates，1970；Kumar et al., 2016).在日出阶段，当使电子逸出的辐射到达D层相应高度促使大气气体电离生成大量的自由电子，负离子浓度与自由电子浓度比值变小，电子脱离的速率大于电子附着的速率，电子浓度会突然增大，电磁波反射高度则会随之降低.相反，日落期间，此时太阳辐射在相应的高度消失，电子附着的速率大于电子脱离的速率，电子浓度突然减少，电磁波反射高度则会随之升高.日出阶段的‘D层生成速率’与日落阶段的‘D层消散速率’的差异也表明，由太阳辐射电离中性大气的电子生成机制在D层自由电子收支中起决定性作用，这同样可以由太阳耀斑期间D层反射高度剧烈波动得到印证(见图 5).值得指出，日出阶段大气是不断加温的过程，而日落阶段大气是不断降温的过程，D层温度变化无疑也会影响电子的附着和离解过程，这些因素也可能影响日出和日落期间电离层D层形成速率和消散速率.总体上，日出阶段的D层形成速率小于日落阶段的D层消散速率，本文认为可能是由于辐射电离作用(脱离作用)需要的反应时间相对于附着作用要长，因此导致了日落的消散速率大于日出的生成速率.

本文D层等效反射高度是基于D层电子密度的镜面模型，然而实际上D层电子密度是逐步变化的，因此本文的D层反射高度只是一定程度上反映了D层电子密度的分布特征.D层电子密度的垂直分布(N_e(h_D))通常采用指数分布模型(Wait and Spies, 1964)：

其中，标高h′_D控制电子密度廓线的高度，β决定密度廓线变化的陡度.使用电磁波波跳传播理论和传播矩阵方法建立雷电脉冲波在如上所述电子密度廓线的电离层D层与地面形成的波导空腔中传播的计算模型，并与实际观测波形对比匹配可以反演决定电离层D层电子密度分布的最佳参数h′_D和β，从而反演D层电子密度随高度分布(Qin et al., 2017).图 7给出了这一模式对如图 1所示NBE事件的反演结果，其中黑色为观测得到的NBE波形，红色实线表示模式拟合得到的D层密度廓线参数h′_D=70.2 km，β=0.7/km时波形结果.可以看出当D层密度廓线参数h′_D=70.2 km，β=0.7/km时可以模拟出与观测相吻合的电离层反射波，但这一模式反演得到的标高h′_D与本文基于电离层密度分布的镜面模式反演的反射高度H=75 km是不一样的.图 7同时给出了采用D层电子密度连续变化模式对0704雷暴日NBE波形的反演结果，反演的电子密度廓线标高以红色表示，基于电离层密度镜面模式反演的D层虚拟反射高度以黑色表示，可以看出反演的标高参数与虚拟反射高度不尽相同却具有很好的变化一致性，因此都可以用来刻画D层电子密度分布.基于D层电子密度垂直连续变化的模式涉及繁重的计算，当前计算条件下并不适合实时运算，而基于电子密度镜面模式的D层反射高度则提供了一种快速反演D层特征探测方案.

图 7

Fig. 7

图 7 实际观测与模式拟合对比 (a)观测得到的NBE与模式拟合得到的波形对比；(b)反演得到的虚拟等效反射高度与模式拟合得到的实际高度对比. Fig. 7 The comparison between observations and model fits (a) The comparison between the observed NBE and the retrieved result of model; (b) The comparison between virtual reflection heights and the real reflection heights retrieved from the model.

本文介绍了一种基于自主建设的江淮地区天电阵列观测的NBE数据遥感电离层D层的方法，这一新方法也是当前正在尝试的利用分布式闪电站网系统记录的闪电VLF/LF电磁辐射探测电离层D层努力的一部分.闪电NBE事件由于其孤立出现特征以及强烈而又独特的双极性脉冲辐射波形特征，非常适合由电脑自动识别其波形特征以及电离层反射波形特征，有望实现D层特征的实时探测.基于该探测方法观测了一次雷暴日日出和一次雷暴日日落期间的D层反射高度的时间变化，结果显示日出期间D层反射高度随时间线性增加，其‘生成速率’为5.9 km/h，而日落阶段D层反射高度随时间线性递减对应的‘消散速率’为8.6 km/h，日出和日落期间D层特性变化具有显著的非对称性.这一结果表明，D层高度气层内自由电子与中性分子及离子之间的附着和脱离过程影响该层电子浓度，太阳辐射电离中性分子的自由电子生成过程在D层电子密度分布中占有重要地位，尤其太阳耀斑爆发期间强烈的电离辐射电离中性大气分子导致电子生成速率骤升，观测的D层反射高度出现骤降.日出与日落阶段，D层变化特征的不对称性表明，D层电子附着速度大于辐射导致的电子脱离速度.

下一步工作, 我们计划针对D层探测需求，开发可以实时探测D层特征演变的探测网络.这一探测网络将依托具备闪电VLF/LF电磁波波形记录能力的闪电观测站网，通过分析雷暴放电中发生的地闪回击事件和闪电NBE事件的VLF/LF电磁波及其电离层反射波，基于电脑自动匹配计算虚拟电离层反射高度，力争将江淮地区天电阵列发展成一个可以对电离层D层特征进行实时监控的工具网络.

感谢美国国家大气海洋局提供GOES-15卫星的太阳辐射探测数据，感谢南京信息工程大学、安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站在观测场地方面的大力帮助.非常感谢雷久侯老师和两位匿名审稿专家提出非常宝贵的意见.