Es层，即偶发E层(Sporadic E)，是指一般出现在距离地面90~120 km高度范围内的局部电离增强结构，垂直厚度约为0.5~5 km，水平覆盖范围可以达到几十至几百千米(周露荣和邹玉华，2012).前人利用风剪切理论对Es成因进行了解释，并且进行了发展和完善(Dungey，1959；Whitehead，1961；Axford，1963；Axford and Cunnold, 1966；Kato et al., 1972).由于剪切风场和地磁场的共同作用，离子会漂移并在风场节点处汇聚从而形成Es层.但是该理论并不能完全解释Es层中大量电离成分的来源(Yeh et al., 2014).Es存在的时间可以长达数小时，意味着通过汇聚并且形成Es的离子不是大气中的分子离子，而是具有更长寿命的金属离子(MacDougall et al., 2000；Haldoupis et al., 2007).观测结果表明：Es出现率呈现出明显的周日或者半日变化，同潮汐风场的半日与周日变化有着强烈的相关性(左小敏等，2006).Es结构的出现会导致穿过其中的无线电波信号发生扰动，影响通信质量.长期以来对于Es的研究主要基于一些地基遥感探测技术，比如垂直测高仪和VHF电离层相干散射雷达等(Li et al., 2013, 2014；宁百齐等，2013)，或者利用火箭搭载传感器进行实地探测(Earle et al., 2000)，之后发展出了天基探测技术(Farley, 1985；Whitehead, 1989；Mathews, 1998；Hocke et al., 2001).

无线电掩星(Radio Occultation)临边探测技术(Limb-sounding Technique)始于20世纪60年代，起初应用于探测火星，随后被应用于其他行星(Yunck et al., 2000).随着全球定位系统(Global Position System, GPS)的研制和建立，可以通过在低轨卫星(Low Earth Orbit, LEO)上装载GPS接收机，利用GPS-LEO无线电掩星技术对地球大气进行探测.1995年美国Microlab-1低轨卫星(GPS/MET)的研制和成功发射，首次验证了利用GPS掩星技术探测地球大气的可行性.之后许多国家也相继发射了掩星观测卫星，包括Orsted、Sunsat、SAC-C、CHAMP、GRACE和COSMIC等等.天基探测克服了地域的限制，具有空间覆盖率广、垂直分辨率高和可全天候观测等优点，并且避免了对流层造成的信号干扰(Arras et al., 2008).

中国台湾NSPO(National Space Organization)和美国UCAR(University Corporation for Atmospheric Research)合作研发的COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology Ionosphere and Climate)星座由2006年4月发射的6颗低轨卫星组成.LEO卫星初始轨道高度为512 km，经过约17个月的部署其最终轨道高度将达到800 km.COSMIC每天可以提供数千个掩星观测事件，其数据对全球天气预报模型有着重要的作用(Anthes et al., 2008).根据COSMIC的观测数据可以反演出大气电子密度分布剖面(Hajj et al., 2000；Hajj and Romans, 2016；胡雄等，2005；林剑等，2009；Hocke and Igarashi, 2002)以及大气温度、密度和气压等气象要素(胡雄等，2005；Kursinski et al., 1997).利用掩星数据计算S₄指数可以对电离层闪烁的强度以及时空分布进行分析和研究(黄智，2017).我们借鉴Wu等的做法(Wu et al., 2005)，处理了来自COSMIC的Atmphs数据文件.该文件的数据采样率为50 Hz，包含GPS和LEO的位置，GPS信号信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)以及掩星事件发生时间等信息.利用GPS信号信噪比数据的归一化标准差对中国内陆地区80~130 km高度范围内的Es进行统计分析，获得了Es发生率的空间分布特征.

搭载于LEO卫星上的接收机同时接收GPS发射的L1(1575.42 MHz)和L2(1227.60 MHz)载波信号(Spilker，1978).大气中水汽和电子密度等因素会使GPS电波信号传输过程中发生弯曲，从而导致附加的相位延迟.由弯曲角可以得到对流层和平流层大气折射率剖面(Kuo et al., 2004).但在50 km高度以上，空气和水汽对路径弯曲的影响一般比较小，电子密度的影响占主导地位(Wu et al., 2005).在本文所研究的高度范围内(80~130 km)，观测信号弯曲一般很小(< 0.01°)，GPS信号可视为沿直线传播(徐贤胜等，2010).因此本文中射线近地点高度以及地理位置均在以上假设中计算得到.

处理掩星数据的方法以及Es事件选取标准有很多.Wu等(2005)利用CHAMP观测的信噪比(SNR)和相位数据进行滤波以后将其扰动最大处同Es事件相对应.Chu等(2014)在筛选Es时对信号相位幅度以及载波相位延迟比设定了阈值，并且扰动幅度同归一化SNR的比值必须大于0.01才可算作Es事件.Dou等(2010)利用掩星探测技术提取了电子密度在70~150 km高度上存在明显扰动的数据，并利用最小二乘二次拟合得到其背景电子密度.当扰动电子密度与背景的比值超过一定门限时，将其视为Es事件.Yue等(2015)利用COSMIC掩星观测得到的幅度和相位数据计算S₄指数和相对TEC，选用0.3作为S₄指数阈值来选取Es事件，并且只考虑了E区范围内L1/2信号SNR数据和相位出现明显扰动以及TEC存在明显增强的事件.Arras等(Arras et al., 2008；Arras and Wickert, 2017)将COSMIC信噪比数据进行滤波以及归一化以后计算其标准差，并将标准差大于一定阈值的事件视作Es.

我们通过处理Atmphs文件中的SNR数据，计算其归一化标准差来反应某一高度范围内电子浓度的不规则结构变化.数据处理过程如下：(1)首先对SNR数据进行51点滑动平均得到背景趋势SNR0，再将SNR与SNR0相除得到其归一化扰动数据；(2)对归一化SNR数据进行滤波, 以减少噪声的影响；(3)计算归一化SNR的51点标准差SD.数据处理结果如图 1所示.51点取值参考了廖孙旻等(2016)、Wu等(2005)、Arras(Arras et al., 2008；Arras and Wickert, 2017)等的做法.加大滑动平均点数可以得到更平滑的SNR0曲线，但对数据趋势变化变得更加不敏感.随着滑动平均取点个数的增加，SNR0同SNR的总体变化趋势差异加大，从而会导致所得标准差的幅值产生偏差，影响判断.而取点太少又会使得平滑效果变差.因此为了尽量保持数据的总体趋势特征，并且参照他人经验，选取了51点作为滑动平均和标准差计算的窗口大小，在所研究高度上对应~2.5 km垂直高度，对应时间为1 s.

图 1

Fig. 1

图 1 2010年1月1日09:58UT被COSMIC第1号卫星观测到的单层Es事件对应的(a)原始信噪比，(b)归一化并进行滤波后的SNR，(c)归一化SNR的标准差，以及发生于2010年10月4日16:47UT的(d)多层Es事件 Fig. 1 A single layer structure detected by COSMIC LEO 1# at 09:58 UT on January 1, 2010. (a)Raw SNR. (b) Normalized and filtered SNR. (c) Standard deviation of normalized SNR. And (d) a multiple layer structure detected at 16:47 UT on October 4, 2010

图 1(a—c)展示了发生于2010年1月1日09:58UT，27.65°N，10.24°W，由LEO 1^#卫星与GPS 28^#卫星进行掩星观测得到的单层Es事件.图 1a为原始SNR数据，可以看到在距离地面90~95 km处SNR发生了快速且剧烈的起伏，图 1c的51点标准差在对应高度处也存在较大的扰动.这种扰动主要是由于卫星信号受到近地点附近电子浓度不规则结构的干扰所致.图 1d展示了发生于2010年10月4日16:47UT，27.8°N，10.3°W，由LEO 1^#卫星与GPS 16^#卫星进行掩星观测得到的多层Es事件.这种多层结构在掩星数据中普遍存在，但由于其所在高度较低，风剪切机制不再适用，因此在本文讨论部分对其作出了一种可能的解释.在本文所研究高度范围内我们把标准差峰值大于0.1的扰动事件当作Es事件(廖孙旻等，2016)，并将扰动峰值所在高度作为Es发生高度(h_Es)，统计偶发E层随高度的分布规律.由于我们只研究Es的发生率以及分布情况，因此不对Es的强度进行区分.对于中国内陆区域，我们将经纬度按照2.5°一格进行网格化，统计落在某一网格内的扰动事件数以及掩星探测次数，通过事件数与探测次数的比值来作为该网格内的Es发生率，对于探测次数较少的网格(< 20次)将被排除以减少偶然误差.基于COSMIC数据垂直分辨率高的特点，我们以0.1为阈值，将图 1c中竖线与标准差曲线相交的两个点高度之差作为表征Es层厚度大小的值，并进行相应的统计分析.由于Es是偶发的薄层结构，数据处理结果中可能存在厚度大于5 km以上的扰动，但本文只统计厚度在5 km及以下的扰动.根据事件发生时间将数据按季节春夏秋冬分为四个部分，考察其地域分布随着季节变化的规律.

本文采用CDAAC网站提供的2009年1月1日至2010年12月31日的COSMIC掩星数据进行统计分析.

我们将两年的数据按照季节划分为四个时间段，分别是春季(3月，4月，5月)、夏季(6月，7月，8月)、秋季(9月，10月，11月)、冬季(12月，1月，2月)，统计各自时间段内中国内陆地区的Es发生率，经纬度按照2.5°进行网格划分，统计结果如图 2所示.通过统计落在某一发生率范围内的网格数，得到如图 3所示直方图，并对其分布进行拟合.网格数可以作为某一发生率范围所覆盖地区面积大小，借此来分析其地区覆盖特征.

图 2

Fig. 2

图 2 Es发生率的季节分布 Fig. 2 The seasonal distribution of Es occurrence rate

图 3

Fig. 3

图 3 不同发生率对应其覆盖网格数的分布 Fig. 3 The distribution of the grids corresponding to the occurrence rate

图 2的各季节分布特征表明：春季中国发生率最大值为64%，发生率高于50%的区域约占19%.中国北部(纬度大于40°)Es的出现率较低，高发生率地区主要位于中国南部低纬近赤道位置，具有明显的南北地区分布不均匀特点，而且在云贵以及海南等地区出现了局部峰值.夏季Es发生率远高于其他季节，发生率最大值达到了80%，约90%的地区发生率高于50%，覆盖面较广，全国各地都处在Es发生率相对较高的水平.秋季最高发生率达到了69%，发生率高于50%地区约占23%，略高于春季，发生率在新疆和西藏等部分区域较低，而在云南以及中部地区相对较高，但全国总体上并未表现出明显的南北不均匀特性.冬季全国大部分地区Es水平较低，发生率最高达到了约60%，90%以上的地区发生率小于50%，西北、华北以及东北地区Es发生率显著低于中国南部(30°纬线以下).

图 2表明Es分布有明显的纬度变化特征.当冬季转变为春季时，可以看到Es发生率由中国南部向北延伸并且增大，高低发生率的纬度分界线由~30°N转移至~40°N.春季转变为夏季时，发生率分界线继续上移，中国大部分地区覆盖在较高发生率下.夏秋交替时，整体发生率下降，但并未出现发生率高低纬分界线，新疆、西藏以及东北等部分地区出现了发生率低谷区.由秋入冬，整体发生率继续减少，~30°N以上区域发生率大幅下降，南北不均匀特征重现.

利用指数函数F(x)=a×exp{-[(x-b)/c]²}对图 3分布进行拟合，x为发生率，F(x)为网格数，a，b，c为拟合系数.由图 3可以看出，春秋冬三季拟合函数的峰值均小于50%，春季发生率覆盖跨度较大，说明各地区发生率差异较大，结合图 2可以看出发生率从北至南呈阶梯状上升.秋季发生率较集中于45%附近.冬季峰值对应的发生率为最小，约为33%.而夏季峰值位置存在明显的向右偏移，整体上大于50%的区域占多数，并且出现了发生率大于70%的地区.Es主要成分为金属离子，其构成来源和流星消融有着密切的联系，Es发生率年变化同流星计数的年变化存在着一定的相关性(Dou et al., 2010；Haldoupis et al., 2007；Arras et al., 2009).Es夏季峰值可以通过流星夏季注入通量较其他时间更大来解释(Haldoupis et al., 2007).然而研究表明，注入量比流星雨更大的零星流星的通量峰值出现在秋季而不是夏季(Janches et al., 2006)，因此流星注入并不能完美解释这种季节变化.Chu等(2014)通过模型模拟了全球Fe⁺通量季节分布，同Es分布特征有很好的相关性.Chu的结论很好地说明了Es发生率夏季最大和冬季最小很可能是由于风剪切引起金属离子汇聚所导致.

Chu等利用COSMIC卫星数据对Es分布进行了全球范围的统计分析(Chu et al., 2014)，我们也得到了类似的结论，如图 4所示.可以看到全球范围的扰动分布随季节变化十分明显：夏季半球的中低纬度地区存在较多的分布以及较高的发生率；春秋两季相对较少，主要分布于赤道两侧，同太阳直射点随季节变化有着一定的相关性.这一现象的原因可能是由于夏季太阳辐射较强，电离层中更多的金属原子被电离，使得构成Es的源增加促进了Es的形成，因此夏季半球中纬地区发生率较其他纬度更高.而春秋两季太阳直射点位于赤道附近，由于该处磁力线近乎水平，即使电离率增加也难以形成离子汇聚，从而出现发生率在磁赤道较低而低纬地区相对较高的现象.廖孙旻等(2016)的研究也表明，中低纬地区Es不规则结构出现的季节变化表现出了夏季最频繁、秋季次之、春冬最弱的特点(廖孙旻等，2016).中国地区发生率的变化是全球变化的局部体现，与全球分布变化关系密切.

图 4

Fig. 4

图 4 全球范围80~130 km高度扰动季节分布特征 由上到下依次对应北半球的春夏秋冬. Fig. 4 Global seasonal distribution of disturbance at 80~130 km height The figures from top to bottom are in turn corresponding to the northern hemisphere′s spring, summer, autumn and winter.

由数据文件可以得到GPS以及LEO卫星的位置信息，在GPS信号沿直线传播的假设下可以求得射线近地点经纬度坐标以及高度.由于在我们所研究的高度范围内可能出现多个Es层结构，即标准差曲线可能出现多个大于0.1的峰，因此最终统计了包括所有单层结构(single layer structure)以及多层结构(multiple layer structure)的峰值所在高度.图 5为两年数据按照季节划分以后的Es发生高度(h_Es)统计分析.根据出现的Es层数进行颜色区分，最内层黑色直方图表示只有单个Es层事件的分布情况，向外黑白交替，依次代表Es层数小于等于2的所有事件叠加分布、小于等于3的所有事件叠加的分布情况，以此类推，最外为小于等于6层事件的分布.并且利用指数函数F(x)=a×exp{-[(x-b)/c]²}对其分布进行拟合，x为高度，F(x)为事件数，a，b，c为拟合系数，拟合曲线如图 5中所示.

图 5

Fig. 5

图 5 Es发生高度分布 Fig. 5 Height distribution of Es

从图 5中可以看出，春秋冬三季Es发生高度主要位于90~110 km范围内，一定程度上证实了风剪切理论的合理性.但在夏季整体的分布向低高度处偏移，100 km高度以下出现了较多的Es，而且大部分为多层结构.夏季Es出现事件最多，但单层Es事件数明显小于其他季节.

我们将图 1c中标准差曲线与标准差等于0.1的直线的截距作为表征Es垂直厚度的量.以往的文献中对于Es厚度的描述多为0.5~5 km(Wu et al., 2005)，由于COSMIC数据在垂直高度上采样率较高的优点(近地点每下降约50 m测一次数据)，因此我们在更小范围内(0.05~0.5 km)对其厚度大小分布进行了统计.小尺度的Es结构对电波会产生衍射效应，导致SNR/SNR0在观察平面上向更宽高度上扩展，引起信噪比标准差的减少.我们得到了总计5024个在该厚度范围内的Es，约占总数的20%，其分布见图 6a.由该图可知，小尺度Es垂直厚度分布峰值出现在150~200 m范围内.大尺度结构的SNR方差主要是由大气折射率扰动的垂直梯度决定的，而受截断长度影响较弱(Wu et al., 2005).为了量化SNR和相位测量对电离层波动的灵敏度，Wu等提出一种“观测滤波”效应，并定义为不同垂直或水平尺度的扰动的方差响应.通过计算，Wu等得到掩星SNR响应的特征尺度约为1.2 km，即垂直波长在1.2 km时所对应的SNR方差最大，且对于所选的截断长度(51点)并不敏感.图 6b中可以看出，在我们所统计的实际结果中，大结构Es厚度峰值出现于2.5~3 km范围内，而厚度在特征尺度1.2 km大小附近的扰动事件数却相对较少，表明垂直厚度为2.5~3 km范围内的不均匀体数量占优.

图 6

Fig. 6

图 6 两年内所有Es层垂直厚度在0.05~0.5 km(a)和0.05~5 km(b)范围内的分布 Fig. 6 Vertical thickness distribution of Es in the range of 0.05~0.5 km (a) and 0.05~5 km (b) within 2 years

本文中在近地点高度计算上近似认为射线弯曲角是0°，即直线传播.直线传播近似势必会带来一定的高度误差.根据Schreiner等(1999)对GPS/MET(轨道高度735 km)的误差计算，在本文研究高度范围内，弯曲的L1信号同直线传播近似得到的近地点高度之差，在太阳活动高峰期基本小于0.8 km，在太阳活动极小期基本小于0.4 km.我们随机选取了一次Es事件计算其弯曲角随高度变化，将弯曲角反演得到的近地点高度同直线近似下的近地点高度进行比较，发现在扰动最大区域弯曲角均小于0.02°，同直线近似得到的近地点高度差在800 m范围内.而在此区域以外弯曲角均小于0.01°，高度差均小于500 m.我们又随机选取了若干个Es事件分析，高度误差均在几百米不等.因此在本文所研究高度范围内，掩星射线可被视作直线.相对于电子密度大小本身，信噪比信号对于电子密度梯度更加敏感，因此除了直线近似带来的高度误差以外，SNR峰值高度同电子密度局部峰值不完全对应也会对反演高度产生影响.根据Arras和Wickert(2017)的说法，得到的Es层高度同电子密度峰值高度差别可能有几百米.

Zeng和Sokolovskiy(2010)对以高度为自变量的SNR(h)数据进行平滑，采用1 km和20 km平滑窗口分别得到A₁(h)和A₂(h)信号序列，采用A₁(h) < 0.95× A₂(h)的区间(h₁，h₂)作为Es厚度ΔH. Zeng等利用比值A₁(h)/A₂(h) < 0.95能够有效地研究他们文中介绍的U型结构的SNR对应的Es事件.与Zeng等的结果相比较，本文中采用标准差0.1作为阈值，所判定出的Es事件并不完全相同.针对U型结构的SNR对应的Es事件，与Zeng等的结果相比，本文估计的厚度偏大.本文中得到的大结构Es厚度峰值出现于2.5~3 km范围内，同Zeng等得到的结果1.5 km不相同，除去判断标准以及计算方法的不同外，选取数据的时间范围和地区分布也可能是原因之一.

图 5中夏季100 km高度以下多层事件增多可能是Es结构下行运动所致.在95 km高度以下由于垂直洛仑兹力减少并且金属离子复合率增大，东西风将无法造成等离子体汇聚(MacDougall，1974)，因此风剪切理论不再适用.大气内部重力波沿着近垂直地面向上的方向传播时，Es结构会随着波节点移动.如果波的能量向上传播，相速度朝下，风场节点的运动引起电离结构向下运动，最终导致在较低高度位置出现Es结构(Axford，1963；Chimonas and Axford, 1968).夏季由于总体Es发生率较高，而7—9月份北半球重力波在85 km高度以上活动较强(帅晶，2013)，并且在100 km以下高度处，离子的汇聚以及发散都需要花费较长时间，下行到该高度的Es层存在时间较长，可以达到几个小时(Haldoupis, 2012)，也就更容易被卫星探测到.重力波导致的Es下行可能是夏季100 km高度以下区域Es增多的原因之一.

我们对COSMIC系统2009年和2010年两年的数据进行处理后得到了13548个扰动数据，单峰以及多峰结构共计24405个，卫星探测总计30801次.通过计算发生率对中国内陆地区Es分布进行了统计分析，并且统计了Es层在垂直高度上的分布规律以及垂直厚度的分布特征.主要结果如下：

(1) 中国内陆地区Es发生率存在着明显的季节和纬度变化.中国30°N纬线以上区域Es发生率随季节变化最为明显，夏季最多，秋季次之，春冬两季最少.而我国东南部沿海以及云贵等低纬近赤道地区是Es高发区域，尤其是云南省西部常年均有相对较高的Es发生率.

(2) Es主要发生于90~110 km高度范围内.在夏季100 km以下区域内也统计得到了较多的事件，并且多为多层结构，可能是由于Es的下行运动所导致.利用COSMIC数据垂直分辨率高的特点，可以看到Es垂直厚度存在许多小结构(< 0.5 km), 其厚度分布峰值出现在150~200 m范围内.而大结构Es厚度峰值出现在2.5~3 km区间内.

本文利用无线电掩星探测技术分析中国内陆地区Es的空间分布以及季节分布.Es的出现对于通讯、定位以及导航等系统会产生一定程度的干扰，影响人们的正常生活与工作，因此研究其空间和时间分布以及形态学特征具有重要意义.

本文所用COSMIC的数据来源于http://www.cosmic.ucar.edu/网站.