極區中層夏季回波與偶發E層關系的初步研究

李海龍 吳 健 王茂琰

(1. 電子科技大學物理電子學院，四川 成都 610054； 2. 中國電波傳播研究所，電波環境特性及?；夹g國家重點實驗室，北京102206)

1. 引 言

極區中層夏季回波(Polar Mesosphere Summer Echoes, PMSE)是發生在當地夏季極區中層頂附近的一種異常強大的雷達回波。1979年，Ecklund和Balsley[1]首次用MST雷達(中間層—平流層—對流層頂雷達)在Poker Flat，Alaska觀察到這種現象之后，對PMSE的觀測已經從最初的VHF(甚高頻)頻段逐漸擴展到MF(中頻)、HF(高頻)頻段[2-3]至UHF(超高頻)頻段[4]。探測方式已經開始應用幾部雷達對同一區域進行觀測[5-6], 并利用電離層加熱裝置主動改變極區中層頂塵埃等離子體狀態來研究PMSE[7]，另外利用火箭、激光雷達等實驗裝置開展實時的中層頂區域基本參數的綜合測量[8]，奠定了研究PMSE的綜合實驗數據基礎，得到了一定的理論和實驗結果[9-10]。同時，不同實驗手段同時測量數據的解釋也向現有的理論發出了挑戰[11]。

現在PMSE已經在VHF和UHF頻段得到系統的研究，但是在較低的MF和HF頻段PMSE現象觀測依然比較少。HF頻段的觀測雖然具有一定的困難，但在南極Syowa站利用HF雷達已經觀測到PMSE現象[11-12]。另外在MF/HF頻段的探測設備是電離層測高儀，利用電離層測高儀與VHF雷達同時對共同區域的觀測表明，電離層測高儀能探測到PMSE現象[13-15]。但現在利用MF和HF頻段對PMSE的系統觀測仍沒有出現。我國在南極中山站配有電離層測高儀[17]，它與北極的EISCAT dynasonde(歐洲非相干散射科學聯合會電離層數字測高儀)的工作原理基本一致，這為在南北極對PMSE長期系統研究提供了條件。

利用電離層測高儀分析南北半球的PMSE-Es現象來研究PMSE現象。通過對PMSE-Es層異常特征的分析，利用新的方法統計給出了從1999至2003年五年PMSE-Es出現率的季節變化，并與北極PMSE的統計結果進行對比，用來驗證這種不規則的Es(偶發E層)現象PMSE-Es與PMSE存在一定的聯系。

2. PMSE-Es的判定

Es層是一個電離增強的薄層，在極區主要出現在夜間。Es物理成因在高緯地區可能歸因于電場的作用，或來自高能粒子的電離，在高度接近90 km，后者可能起得作用更大。從火箭探空的電子密度剖面和帶電塵埃的剖面可知[8]，在一定高度，帶電塵埃層的存在會使在它上方產生一個電子密度比較大的薄層，這個薄層可能產生一些與PMSE有關的Es現象。下面就分析當地夏季測高儀測量的頻高圖中的Es特點，進而確定PMSE-Es．

圖1表示位于挪威北部Tromsφ(69°35′N, 19°14′E)的Dynsonde對電離層觀測到的出現Es的頻高圖。圖2表示位于南極中山站(69°22′S，76°22′E)的Dynsonde對電離層觀測到的出現Es的頻高圖。圖1和圖2中橫坐標均表示掃描頻率，單位是MHz；縱坐標表示虛高，單位是km。圖1是在國際時間2008-07-03 0000時電離層測高儀觀測到的結果，Es接近90 km，對應于PMSE發生的區域，觀測頻率的范圍為1～7 MHz，屬于MF/HF頻段。圖2是在國際時間1997-12-13 1100UT時南極中山站電離層測高儀觀測到的結果，Es接近90 km，對應于PMSE發生的區域為2～5 MHz范圍。此處只關心中層頂區域，即100 km以下的情況。

圖1 電離層測高儀在北極Tromsφ 站2008-07-03 0000UT時觀測到的頻高圖

圖2 電離層測高儀在南極中山站1997-12-13 1100UT時觀測到的頻高圖

通過對比北極夏季和南極夏季當地的電離層頻高圖，發現在夏季Es經常降到100 km以下，PMSE發生的區域，而在冬季Es降到100 km以下的幾率非常低，所以夏季降到100 km以下的Es或許與PMSE存在一些內在的聯系。我們再結合南極中山站的觀測結果研究這種不規則的Es現象，研究在南極中山站的PMSE-Es現象與PMSE的內在聯系。根據文獻[18]，研究PMSE-Es有兩條判據，即：(1)Es的虛高小于等于90 km；(2)Es的虛高小于等于正常E層的虛高。第一個條件保證這樣的Es發生在中層頂高度，第二個條件是為了排除正常E層對研究結果的影響。

3. PMSE-Es與PMSE出現率對比與討論

在北極的長期觀測中，文獻[19]統計給出了1999-2003年五年的PMSE出現率的季節性變化。除2002年PMSE出現率大大減少之外，其它四年的PMSE出現率比2002年都大得多。在2002年PMSE出現的時間比其它時間晚，且它的出現率最大值剛剛超過80%，其它年份在穩定期大部分天數PMSE出現率都達到80%以上，這能反映當地夏季極區中層的一些情況。為了驗證不規則Es研究的PMSE-Es與PMSE的關系，下面對利用新的統計方法對南極中山站PMSE-Es出現率的季節性變化進行統計分析，并與北極PMSE出現率的季節性變化進行對比。

對于PMSE-Es季節性變化出現率，取十天為一個點，在每天只要出現一次PMSE-Es這一天設為1，這樣每十天給出一個PMSE-Es出現率，這樣統計出的PMSE-Es出現率的季節特征如圖3所示。圖3中分別給出了1999年、2000年、2001年、2002年和2003年PMSE-Es出現率的季節性變化，其中橫坐標表示每年10月、11月、12月、01月和02月五個月份，其中每十天為一個單位，縱坐標表示PMSE-Es出現率。

圖3 1999至2003年PMSE-Es出現率在10、11、12、01和02五個月份的季節性變化。每個月被分為三個單位。橫坐標表示1999至2003五年的五個月份(10、11、12、01和02)，縱坐標表示每年出現的PMSE-Es的幾率

通過圖3發現：在2002年，PMSE-Es開始出現的時間也比較晚，通過對10月份前十天的統計發現：2002年時它的出現率僅為10%，其它四年均接近或超過50%，與PMSE出現率統計結果一致，即PMSE和PMSE-Es在2002年出現的都比較晚；實際上在2002年10月中旬的出現率也是比較低的。另外，在2002年只有兩個時間單元達到100%，兩個達到90%，其它四年PMSE-Es都至少三個十天在100%以上，多個在90%以上，可見在1999-2003這五年里2002年是PMSE-Es出現率最低的一年。2002年的這一的特點與北極觀測到的結果一致，都是這五年里出現幾率最低的一年。為了更方便地對比，圖4中分別給出1999-2003年統計在10、11、12、01和02五個月份出現PMSE-Es的總次數，橫坐標表示年數，從1999至2003年，縱坐標表示統計每年從10月到2月五個月份出現PMSE-Es的總次數。此時可以明顯地發現2002年PMSE-Es出現的次數最少，2000年PMSE-Es的出現率也是最高，比2002年多了二十多天。另外與北極PMSE結果對比發現：PMSE的出現率在2000年也是最高的，另外可以發現與其它四年的結果也是一致的。這也從另一個側面表明，PMSE-Es與PMSE之間可能有密切的聯系。

圖4 統計在10、11、12、01和02五個月份的分別在1999-2003五年出現PMSE-Es的總次數。橫坐標表示1999-2003年，縱坐標代表在出現PMSE-Es事件在各自五個月份的總次數

另外也發現PMSE-Es的出現率整體比PMSE的出現率要高，這和雷達觀測的頻段有密切關系，與在VHF和UHF頻段觀測到的PMSE出現幾率相比，在MF和HF頻段觀測PMSE的幾率要高，同時出現PMSE區域的高度范圍都比VHF和UHF要寬，這可能是造成此處統計的PMSE-Es出現率比北極統計的PMSE出現率高的原因[16]。

影響PMSE和PMSE-Es出現率主要有兩方面：一是中層頂大氣溫度，二是波驅動的大氣環流情況(垂直方向和沿子午線方向的)。2002年PMSE和PMSE-Es出現的幾率都比較低，這表明2002年與其它年份相比中層頂的大氣溫度比較高，大氣環流比較弱。在2002年夜光云(NLC，Noctilucent Cloud)出現率比其它年份相比也明顯的減少，這就提供了更充分和直接的理由說明在2002年極區當地夏季中層頂具有更高的溫度[20]?？梢奝MSE和PMSE-Es均與全球的氣候變化有關，利用電離層測高儀或許可見觀測空間大氣溫度的變化。

4. 結 論

利用電離層測高儀觀測PMSE-Es現象來研究南北半球PMSE現象。通過對PMSE-Es與PMSE對比發現了PMSE與PMSE-Es之間的聯系。主要結論如下：

利用新的統計方法統計得到從1999至2003年五年的PMSE-Es出現率季節性變化，在與北極1999-2003年的PMSE出現率統計結果進行發現：2002年PMSE和PMSE-Es出現的幾率都較小，結果趨于一致；另外四年得到的PMSE-Es也與北極統計結果非常類似，這也從另一側面發現PMSE-Es現象與PMSE可能具有一定的內在聯系，但這還需要其它相關參量確定它們之間的聯系。如果它們之間關系被證實，我們就能利用全球分布很廣的電離層測高儀設備長期觀測PMSE，并監控全球溫度變暖的環境問題。

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