杜鵬 車海琴 滿莉

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

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東亞地區(qū)夏季Es的分布特性

杜鵬 車海琴 滿莉

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

東亞地區(qū)是全球Es出現(xiàn)的峰值區(qū)域.以往關(guān)于東亞異常的研究和討論具有一定的局限性,或者由于缺乏中國(guó)區(qū)域的資料而論據(jù)不足,或者缺乏中國(guó)、日本Es中心的詳細(xì)對(duì)比.文中利用中國(guó)及周邊地區(qū)23個(gè)垂測(cè)站二十余年的Es數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值分析,給出東亞地區(qū)夏季Es出現(xiàn)率的空間分布等值線,并深入分析東亞異常中心區(qū)域的時(shí)間變化特征.研究表明,中國(guó)重慶、廣州或者日本山川、國(guó)分寺、秋田是夏季Es的高發(fā)區(qū)域,東亞異常中心始終位于其中某個(gè)地區(qū),具體位置隨著統(tǒng)計(jì)指標(biāo)改變;高發(fā)區(qū)域內(nèi)的Es強(qiáng)度呈現(xiàn)出年變化和日變化,中國(guó)高發(fā)區(qū)域Es強(qiáng)度的晝夜差別比日本高發(fā)區(qū)域更為顯著,但后者具有更為復(fù)雜的年變化和晝夜變化特征,這對(duì)揭示中緯Es形成原因具有一定的意義.

突發(fā)E層(Es);東亞異常;出現(xiàn)率;高發(fā)區(qū)域

DOI 10.13443/j.cjrs.2016032801

引 言

突發(fā)E層(Sporadic E,ES)是電離層內(nèi)較常見的一種隨機(jī)異?，F(xiàn)象,能夠顯著改變無線電波的傳輸路徑,對(duì)短波通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)偵測(cè)等業(yè)務(wù)造成影響.根據(jù)火箭[1-3]、非相干散射雷達(dá)[4-5]、中高層大氣雷達(dá)和激光雷達(dá)[6-7]等觀察結(jié)果:Es是電離增強(qiáng)的不均勻薄層,具有極高的電子密度和梯度,一般位于90～120 km高度范圍內(nèi),呈現(xiàn)出層狀、片狀或塊狀空間結(jié)構(gòu),水平尺度可達(dá)幾十甚至上百千米,但垂直方向厚度約1～3 km.

Es一直是電離層研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn),人們利用多種探測(cè)手段對(duì)Es形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究,并對(duì)其形成機(jī)制給出一定的理論解釋.通過全球電離層垂測(cè)站記錄的統(tǒng)計(jì)分析,Smith[8]早在1957年基于國(guó)際地球物理年(International Geophysical Year,IGY)期間的Es觀測(cè)數(shù)據(jù),就發(fā)現(xiàn)了電離層?xùn)|亞異常和夏季異常,但迄今為止這些特性還不能完全得到解釋.Whitehea[9-10]發(fā)展并完善了風(fēng)剪切作用壓縮金屬離子形成中緯Es的理論,并指出Es與地磁活動(dòng)、流星雨缺乏關(guān)聯(lián),雖然后者是Es層金屬離子的主要來源.激光雷達(dá)觀測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了突發(fā)金屬原子層(如突發(fā)納層和鉀層)與Es之間存在一定聯(lián)系.Mathews[11]試圖結(jié)合風(fēng)剪切、外部電場(chǎng)和潮汐風(fēng)系統(tǒng)來解釋中緯Es,并指出對(duì)流電場(chǎng)和等離子體不穩(wěn)定性分別在極區(qū)Es和赤道Es形成過程中起主導(dǎo)作用.在突發(fā)E層散射(SESCAT)試驗(yàn)中,Voiculescu和Haldoupis等人[12]首先發(fā)現(xiàn)行星波對(duì)甚高頻(Very High Frequency,VHF)雷達(dá)后向散射回波和中緯Es出現(xiàn)率的作用.Pancheva和Haldoupis等人[13-14]給出了行星波與Es相關(guān)性的直接證據(jù),并進(jìn)一步通過分析中間層和低熱層(Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT)風(fēng)場(chǎng)的潮汐和半日潮汐幅度擾動(dòng)的周期,得出行星波通過調(diào)制潮汐間接影響Es的觀點(diǎn).Zuo and Wan[15]通過研究武漢地區(qū)Es出現(xiàn)率的準(zhǔn)6日、12小時(shí)和24小時(shí)擾動(dòng)與行星波之間的相關(guān)性,為行星波通過調(diào)制潮汐間接作用于Es的觀點(diǎn)提供了新證據(jù).Kagan和Kelley通過激光雷達(dá)測(cè)量首次利用光學(xué)方法獲得可視化中緯Es二維水平結(jié)構(gòu)[16-17],并具體討論了生成Es不均勻體的不穩(wěn)定性機(jī)制[18].

Es地域形態(tài)統(tǒng)計(jì)特征很早就引起了學(xué)者的關(guān)注.北半球中緯地區(qū)是Es高發(fā)區(qū),國(guó)際研究早已給出東亞異常的定論,即東亞中低緯地區(qū)夏季Es的出現(xiàn)率特別高,Es強(qiáng)度也特別強(qiáng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全球其它同緯度地區(qū).遺憾的是,歷史上Smith得出這一結(jié)論時(shí),全球垂測(cè)站數(shù)量較少,尤其缺乏中國(guó)地區(qū)Es觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持.隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,利用衛(wèi)星信標(biāo)探測(cè)Es空間分布的方法逐漸成熟,如2005年Wu和Ao等人[19]利用GPS-CHAMP(CHAMP 衛(wèi)星)任務(wù)期間對(duì)Es進(jìn)行掩星探測(cè),給出全球范圍內(nèi)的Es形態(tài)分布以及時(shí)變特征,指出Es對(duì)磁傾角有明顯的依賴性,其研究成果有效地豐富了全球Es形態(tài)特征．具體的,在北半球磁緯度為30°至60°處夏季(6-8月)中緯度Es出現(xiàn)最為頻繁,除了東經(jīng)90°至130°較大范圍(即東亞異常區(qū)域)外,在磁緯度為30°至60°、東經(jīng)175°至185°附近,以及南半球夏季(10-12月)磁緯度-55°至-35°、東經(jīng)115°至125°附近和磁緯-60°至-55°,東經(jīng)175°至185°附近也存在著Es出現(xiàn)率非常高的區(qū)域．

衛(wèi)星信標(biāo)探測(cè)技術(shù)在一度程度上拓展了Es研究手段,但也有自身缺陷,例如缺少全天候探測(cè)能力,探測(cè)點(diǎn)分布不均.相比較而言,全球范圍的電離層垂測(cè)站數(shù)量越來越多,全時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累時(shí)間越來越長(zhǎng).雖然Es截止頻率(foEs)與垂測(cè)設(shè)備的靈敏度有關(guān),但Smith根據(jù)垂測(cè)數(shù)據(jù)分析給出結(jié)論后,又通過VHF斜向探測(cè)資料加以驗(yàn)證.因此,利用電離層垂測(cè)數(shù)據(jù)開展Es形態(tài)學(xué)研究仍然具有正確性和明顯優(yōu)勢(shì),如Pietrella和Bianchi[20]利用32年觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)羅馬Es出現(xiàn)率進(jìn)行了研究,指出四季中日出前和日出后Es出現(xiàn)率較低,夏季白天的Es出現(xiàn)率最大.

我國(guó)位于東亞異常區(qū)域,對(duì)Es形態(tài)學(xué)研究而言是需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域.1990年李玉輝[21]利用國(guó)內(nèi)1964-1968年9個(gè)電離層垂測(cè)站的歷史數(shù)據(jù),首次給出我國(guó)夏季(5-8月)foEs>7 MHz的Es出現(xiàn)率分布,對(duì)國(guó)際無線電咨詢委員(International Radio Consultative Committee,CCIR)報(bào)告中全球Es出現(xiàn)率分布進(jìn)行了修正.隨后,李鈞[22]對(duì)東亞異常中心提出了異議,認(rèn)為其中心位于我國(guó)的蘭州和重慶,而非日本東南部.譚輝[23]對(duì)重慶和蘭州foEs>5 MHz的Es出現(xiàn)率進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比,認(rèn)為兩地Es顯著的差異性除了緯度差別外還與蘭州位于地磁Sq電流焦點(diǎn)有關(guān).左小敏[24]利用武漢測(cè)量數(shù)據(jù)探討了中緯Es出現(xiàn)率與潮汐和行星波之間的關(guān)系,趙海生和許正文等人[25]利用中國(guó)和日本觀測(cè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)對(duì)Es的強(qiáng)度特性和空時(shí)分布特點(diǎn)進(jìn)行了探討,獲得了十分有意義的結(jié)果.

盡管如此,上述相關(guān)研究或者只針對(duì)中國(guó)地區(qū)的數(shù)據(jù),或者只關(guān)注中國(guó)臺(tái)站與日本臺(tái)站數(shù)據(jù)的對(duì)比,并未涵蓋完整的中國(guó)周邊地區(qū).本文利用東亞地區(qū)多個(gè)臺(tái)站二十余年的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得東亞地區(qū)夏季Es出現(xiàn)率等值分布圖,并對(duì)東亞異常中心位置及中心區(qū)域的Es時(shí)間變化特性進(jìn)行深入探討,所述結(jié)果有效地完善了東亞尤其中國(guó)地區(qū)的Es出現(xiàn)率的分布特性,對(duì)揭示中緯Es的形成機(jī)制也有一定的積極意義.

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)資料及分析方法

利用測(cè)高儀從地面垂直向電離層發(fā)射無線電信號(hào)是最傳統(tǒng)、使用最廣泛的電離層探測(cè)方法,目前全世界已建成兩百多個(gè)電離層觀測(cè)站,并實(shí)現(xiàn)大部分觀測(cè)數(shù)據(jù)(以1 h為間隔)的國(guó)際交換.經(jīng)過多年發(fā)展,我國(guó)境內(nèi)已形成了布局合理的電離層垂直探測(cè)網(wǎng).以往觀測(cè)站主要分布在中東部,西部地區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)較少,雖然近年來加大了西部觀測(cè)站點(diǎn)建設(shè),但這些臺(tái)站積累的數(shù)據(jù)仍然有限.為保證Es統(tǒng)計(jì)樣本的豐富度,這里仍選用國(guó)內(nèi)歷史數(shù)據(jù)最豐富的臺(tái)站,并從美國(guó)地球物理中心公開網(wǎng)站下載我國(guó)周邊國(guó)家地區(qū)主要觀測(cè)站的Es數(shù)據(jù).利用這些數(shù)據(jù)作為中國(guó)觀測(cè)數(shù)據(jù)的外圍邊界,提高空間插值分析的精度和可信度,由此獲得東亞地區(qū)Es出現(xiàn)率的空間分布.

考慮樣本的時(shí)間重合度,選擇1968-1988年夏季(5-8月份)烏魯木齊、滿洲里、長(zhǎng)春、北京、蘭州、重慶、武漢、廣州、?？凇⒗_、秋田、國(guó)分寺、沖繩、稚內(nèi)、山川、阿拉木圖、卡拉干達(dá)、新卡扎林斯克、阿什哈巴德、伊爾庫(kù)茨克、新西伯利亞、斯維爾德洛夫斯克、托木斯克共23個(gè)臺(tái)站的foEs數(shù)據(jù).各臺(tái)站位置如表1所示.

表1 1968-1988年夏季Es觀測(cè)臺(tái)站及其位置

描述Es的最重要參量為foEs,衡量Es強(qiáng)度的重要標(biāo)準(zhǔn)是一段時(shí)間內(nèi)Es的出現(xiàn)率和中值.在Es空間形態(tài)學(xué)統(tǒng)計(jì)中,慣常作法[8,20-21]是考察一段時(shí)間內(nèi)foEs大于某一特定頻率fT的出現(xiàn)率(即大于fT的有效數(shù)據(jù)除以總統(tǒng)計(jì)樣本,一般選取fT為5、7 MHz),記為P(foEs>fT)．

文中取P(foEs>5 MHz)和P(foEs>7 MHz)作為Es出現(xiàn)率的統(tǒng)計(jì)指標(biāo),采用克里金插值方法[26-27]對(duì)東亞地區(qū)的foEs數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得Es出現(xiàn)率的空間分布圖,然后詳細(xì)分析高發(fā)區(qū)域內(nèi)Es強(qiáng)度時(shí)間變化特性.

2 東亞地區(qū)Es出現(xiàn)率的空間分布

電離層Es存在顯著的晝夜日變化,這里分別考察1968-1988年夏季全天、白天(07:00-18:00)和夜晚(19:00-06:00)的Es出現(xiàn)率的空間分布特征,圖1～圖3給出東亞地區(qū)相應(yīng)時(shí)段的空間等值線分布圖.

從圖1～圖3可以看出,日本境內(nèi)的山川、國(guó)分寺和秋田以及我國(guó)西南的重慶均為夏季Es高發(fā)地區(qū),Es出現(xiàn)率明顯高于東亞其它相鄰緯度地區(qū).這幾個(gè)臺(tái)站均位于磁緯34°至55°、東經(jīng)100°至140°范圍內(nèi),與Wu和Ao等人[19]利用掩星觀測(cè)的結(jié)果相吻合．在不同時(shí)段下(全天、白天和夜晚),東亞異常區(qū)域的中心會(huì)發(fā)生偏移,夏季白天的Es出現(xiàn)率明顯高于夜間．其中,P(foEs>5 MHz)的白天最大值為58.7%,出現(xiàn)在重慶,夜間最大值為27.9%,出現(xiàn)在國(guó)分寺;P(foEs>7 MHz)的白天最大值為26.4%,出現(xiàn)在山川,夜間最大值為11.6%,出現(xiàn)在秋田.

(a) 全天P(foEs>5 MHz) (b) 全天P(foEs>7 MHz)圖1 1968-1988年5-8月,東亞全天Es出現(xiàn)率分布

(a) 白天P(foEs>5 MHz) (b) 白天P(foEs>7 MHz)圖2 1968-1988年5-8月,東亞白天Es出現(xiàn)率分布

(a) 夜晚P(foEs>5 MHz) (b) 夜晚P(foEs>7 MHz)圖3 1968-1988年5-8月,東亞夜晚Es出現(xiàn)率分布

表2 歷年夏季東亞異常區(qū)域中心位置及其Es出現(xiàn)率

表2給出每年夏季全天統(tǒng)計(jì)條件下,東亞異常中心及相應(yīng)的Es出現(xiàn)率.對(duì)于全天結(jié)果而言,考慮foEs>5 MHz的Es出現(xiàn)率時(shí),21年間東亞異常中心2/3的年份出現(xiàn)在日本境內(nèi),其中國(guó)分寺7次、山川4次、秋田3次,1/3的年份出現(xiàn)在中國(guó)境內(nèi),其中重慶5次、廣州2次;考慮foEs>7 MHz的Es出現(xiàn)率時(shí),東亞異常中心位于日本境內(nèi)的概率高達(dá)80%,其中山川最為頻繁共出現(xiàn)10次.

如果考慮電離層Es的日夜變化,具體統(tǒng)計(jì)值可能略有變化,這里不再贅述.

3 東亞異常中心Es強(qiáng)度的時(shí)間變化

由表2可知,東亞異常中心出現(xiàn)在我國(guó)重慶、廣州或者日本山川、國(guó)分寺、秋田一帶.為進(jìn)一步研究東亞Es高發(fā)地區(qū)的Es變化規(guī)律,并便于中、日相鄰緯度臺(tái)站數(shù)據(jù)的對(duì)比,圖4給出有關(guān)臺(tái)站夏季月中值的日變化平均曲線.就月份而言,夏季Es最強(qiáng)出現(xiàn)在6月,其次是7月,5月和8月的Es稍弱.就一天中不同時(shí)段而言,09:00-15:00期間Es強(qiáng)度較高,最大值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)10:00-11:00左右;22:00-06:00期間Es強(qiáng)度較弱,最小值出現(xiàn)在日出前(當(dāng)?shù)貢r(shí)05:00附近).

不同臺(tái)站的Es強(qiáng)度的具體日變化略有不同,相對(duì)日本山川、國(guó)分寺、秋田站而言,中國(guó)重慶、廣州站Es強(qiáng)度的晝夜變化較大,差異性也更為顯著,但日本三站的Es日變化更為復(fù)雜.具體的,在Es較強(qiáng)的09:00-15:00期間,處于相鄰緯度的重慶和山川的foEs中值非常接近,強(qiáng)于國(guó)分寺、秋田和廣州;在Es較弱的22:00-06:00期間,重慶和廣州的foEs中值低于日本的山川和國(guó)分寺;在17:00-21:00期間,重慶和廣州的Es強(qiáng)度隨時(shí)間一直減弱,但日本山川、國(guó)分寺、秋田的Es強(qiáng)度會(huì)先上升后下降,在某一時(shí)間出現(xiàn)較為明顯的亞峰,呈現(xiàn)出一定的準(zhǔn)半日變化特性.

這里以緯度相鄰的重慶和山川為例,對(duì)比分析Es強(qiáng)度的日變化和半日變化特性．為了避免Es突發(fā)性引起的數(shù)據(jù)缺失,選取1968年7月和1977年6月的foEs小時(shí)測(cè)量序列,分別作傅里葉變化和Morlet連續(xù)小波變換[14,24]．限于篇幅,這里只給出1968年7月的頻譜圖和時(shí)間-周期圖,如圖5所示．可以看到,重慶和山川的日變化(24小時(shí)周期)分量最顯著,重慶站的半日變化(12小時(shí)周期)分量要稍弱于山川站．1977年6月份所述兩站的半日變化振幅較大,相對(duì)日變化來說較為明顯;高發(fā)地區(qū)其它臺(tái)站夏季月份foEs時(shí)間序列的頻譜也有類似特征,不再展開討論.

(a) 5月份 (b) 6月份

(a) 7月份 (d) 8月份圖4 Es高發(fā)地區(qū)foEs月中值的日變化

(a) 頻譜圖(重慶) (b) 時(shí)間周期圖(重慶)

(c) 頻譜圖(山川) (d) 時(shí)間周期圖(山川)圖5 1968年7月重慶和山川foEs頻譜和時(shí)間-周期圖

為詳細(xì)討論東亞異常中心Es強(qiáng)度的逐年變化特性,圖6給出1968-1988年夏季,重慶、山川、蘭州、國(guó)分寺、廣州和秋田6個(gè)臺(tái)站夏季foEs中值的時(shí)-年變化特性.其中,重慶與山川、蘭州與國(guó)分寺的緯度接近,除蘭州站缺乏1973年夏季數(shù)據(jù)外,其余臺(tái)站在此期間的數(shù)據(jù)都是完整的．

在前面第2節(jié)中提到,東亞地區(qū)夏季白天(07:00-18:00)的Es出現(xiàn)率明顯高于夜間(19:00-06:00)時(shí)段．從圖6中東亞Es高發(fā)區(qū)域foEs中值的時(shí)-年變化特性圖中還可以看到,不同時(shí)段的Es出現(xiàn)率也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn),表3給出1968-1988年夏季白天和夜間不同時(shí)段Es高發(fā)地區(qū)P(foEs>5 MHz)的出現(xiàn)率．其中上午時(shí)段為08:00-12:00,下午時(shí)段為13:00-17:00,午前時(shí)段為10:00-12:00,午后時(shí)段為13:00-15:00,19:00-次日00:00為日落后至子夜時(shí)段即前半夜,01:00-05:00為子夜至日出前時(shí)段即后半夜．

就各臺(tái)站自身而言,午前時(shí)段的Es出現(xiàn)率稍高于午后時(shí)段,前半夜的Es出現(xiàn)率明顯高于后半夜．如表3和圖6所示,就不同臺(tái)站對(duì)比而言,重慶和廣州午后時(shí)段的Es強(qiáng)度要略高于日本三站,但日本三站前半夜時(shí)段的Es強(qiáng)度高于中國(guó)三站,這進(jìn)一步體現(xiàn)了重慶、廣州地區(qū)Es強(qiáng)度顯著的晝夜差異性．

表3 夏季Es高發(fā)區(qū)不同時(shí)段P(foEs>5 MHz)出現(xiàn)率(%)

從圖6還可以看到,就Es強(qiáng)度整體最強(qiáng)并且緯度相鄰的重慶和山川來說,1968-1975年09:00-15:00期間重慶foEs中值大大高于山川,1976-1988年期間剛好相反.與各臺(tái)站自身相比,1975年之前中國(guó)重慶、廣州地區(qū)白天時(shí)段的foEs中值要顯著高于1975年之后的結(jié)果,這一時(shí)期日本山川、國(guó)分寺、秋田地區(qū)白天的foEs中值要低于后期的結(jié)果.

值得注意的是,電離層變化受到太陽(yáng)活動(dòng)的控制,上述期間的歷史foEs觀測(cè)數(shù)據(jù)完整、采樣間隔保持不變,1975年之前重慶和廣州foEs中值顯著高于1975年之后的結(jié)果很可能與太陽(yáng)活動(dòng)周期有密切關(guān)系．在太陽(yáng)活動(dòng)準(zhǔn)11年周期、Hale周期(準(zhǔn)22年)以及Gleissberg周期等共同作用下,第19周出現(xiàn)罕見的太陽(yáng)活動(dòng)(1957年為19周太陽(yáng)活動(dòng)高年,太陽(yáng)黑子數(shù)達(dá)到有記錄以來的歷史峰值),這在一定程度上影響著foEs的長(zhǎng)期變化趨勢(shì),這與文獻(xiàn)[25]中重慶和廣州站foEs月中值出現(xiàn)長(zhǎng)期下降趨勢(shì)吻合．考察Es高發(fā)地區(qū)1968-1988年foEs24小時(shí)統(tǒng)計(jì)中值和全天foEs>5 MHz出現(xiàn)率的全年變化,可以看到中日六站的Es強(qiáng)度均呈現(xiàn)出與太陽(yáng)活動(dòng)一致的準(zhǔn)11年周期．對(duì)Es強(qiáng)度的太陽(yáng)周期變化和長(zhǎng)期趨勢(shì)變化將在今后深入探討．

圖6 Es高發(fā)地區(qū)夏季foEs統(tǒng)計(jì)中值的時(shí)-年變化

4 結(jié)論和討論

利用中國(guó)及周邊地區(qū)23個(gè)觀測(cè)臺(tái)站21年5-8月的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù),研究了東亞地區(qū)夏季Es出現(xiàn)率的空間分布,分析了東亞異常中心區(qū)域Es的時(shí)間分布,可以得出如下結(jié)論:

1) 東亞地區(qū)作為夏季Es的高發(fā)區(qū)域,Es出現(xiàn)率分布在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)出復(fù)雜的不均勻特性,其峰值區(qū)域位于磁緯34°至55°、東經(jīng)100°至140°范圍內(nèi),可能出現(xiàn)在我國(guó)重慶、廣州或者日本山川、國(guó)分寺、秋田中的某個(gè)地區(qū),具體的出現(xiàn)位置和出現(xiàn)率峰值與測(cè)量年份、統(tǒng)計(jì)時(shí)段和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有關(guān),其中位于磁緯度45°至50°之間的山川、重慶和國(guó)分寺是Es峰值出現(xiàn)最為頻繁的地區(qū)．

若改變某個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù),Es出現(xiàn)率值會(huì)相應(yīng)改變,峰值位置也可能會(huì)在上述地區(qū)中變化.如1968-1988年夏季foEs>5 MHz的全天最大出現(xiàn)率為39.9%,出現(xiàn)在國(guó)分寺,白天最大出現(xiàn)率為58.7%,出現(xiàn)在重慶;foEs>7 MHz的全天和白天最大出現(xiàn)率分別為18.9%和26.4%,均出現(xiàn)在山川．以每年全天24小時(shí)foEs>5 MHz的出現(xiàn)率作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)時(shí),東亞異常中心有1/3的年份出現(xiàn)在中國(guó)境內(nèi),其中重慶出現(xiàn)5次;2/3的年份出現(xiàn)在日本境內(nèi),其中國(guó)分寺和山川共出現(xiàn)11次．以全天24小時(shí)foEs>7 MHz的出現(xiàn)率作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)時(shí),東亞異常中心位于日本境內(nèi)的概率高達(dá)80%,僅山川就出現(xiàn)10次．

2) 東亞Es高發(fā)地區(qū)夏季Es強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的晝夜日變化特性和一定的半日變化特征．

其中,夜間Es強(qiáng)度顯著低于白天,白天09:00-15:00為Es較強(qiáng)時(shí)段,夜間22:00-06:00為Es較弱時(shí)段,其中午前時(shí)段(10:00-12:00)的Es出現(xiàn)率稍高于午后時(shí)段(13:00-15:00),前半夜的Es出現(xiàn)率高于后半夜．

中國(guó)高發(fā)地區(qū)(重慶、廣州)夏季Es日變化比日本高發(fā)地區(qū)(山川、國(guó)分寺和秋田)顯著,但日本高發(fā)地區(qū)的夏季Es半日變化特征相對(duì)來說更為明顯．

3) 中、日高發(fā)地區(qū)夏季Es強(qiáng)度具有不同的逐年變化.1975年前Es強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)段,重慶Es中值遠(yuǎn)高于同時(shí)期日本臺(tái)站以及1975年后重慶的觀測(cè)結(jié)果;1975年以后這一差距縮小,甚至在某些年份，重慶、廣州Es中值低于該時(shí)段日本臺(tái)站的觀測(cè)結(jié)果.

這里給出的Es出現(xiàn)概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果體現(xiàn)了Es空間分布形態(tài)的豐富多樣性,不僅在一定程度上完善了東亞尤其中國(guó)地區(qū)的Es出現(xiàn)率的分布特性,也有助于理解中緯Es的形成機(jī)制．目前,風(fēng)剪切作用壓縮金屬離子形成中緯Es的物理機(jī)制已經(jīng)被大多數(shù)學(xué)者所接受,該理論預(yù)測(cè)壓縮機(jī)制在地磁場(chǎng)水平分量較大的地方起作用．對(duì)foEs>5 MHz全天出現(xiàn)概率與國(guó)際地磁參考場(chǎng)(International Geomagnetic Reference Field,IGRF)模型給出的地磁場(chǎng)水平分量作相關(guān)分析,可以發(fā)現(xiàn)所述21年夏季期間二者間的相關(guān)系數(shù)在0.66～0.88之間,具有較明顯的正相關(guān)性．

日變化和半日變化是Es準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)的一種表現(xiàn)形式,也是Es研究的熱點(diǎn)之一.引言中已經(jīng)指出,已經(jīng)有大量研究通過單個(gè)不同地區(qū)Es和同期風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的比較,分析Es數(shù)據(jù)中的12小時(shí)和24小時(shí)潮汐分量,給出大氣潮汐風(fēng)場(chǎng)引起Es半日變化和日變化的證據(jù)．通過多個(gè)地區(qū)的GPS掩星觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)夏季中緯度Es確實(shí)具有較強(qiáng)的日變化和半日變化特性.本文初步給出了夏季Es高發(fā)地區(qū)不同臺(tái)站Es的日變化和半日變化差異性,可以對(duì)Es形成原因的研究提供某些支持.此外,了解東亞Es地區(qū)的Es長(zhǎng)周期性變化特征有利于建立Es與其控制及影響因素之間的關(guān)聯(lián),這將是今后進(jìn)一步研究的重點(diǎn).

致謝:感謝中國(guó)電波傳播研究所、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所以及美國(guó)地球物理中心提供電離層Es觀測(cè)數(shù)據(jù).

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杜鵬 (1975-),男,山東人,1997年畢業(yè)于桂林電子工業(yè)學(xué)院無線電工程系,2015年結(jié)業(yè)于西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院工程碩士班,現(xiàn)為中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師.主要從事電離層的觀測(cè)與研究,數(shù)據(jù)信號(hào)的測(cè)試、分析處理和數(shù)據(jù)庫(kù)建立等工作.

車海琴 (1982-),女,湖北人,2005年畢業(yè)于南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院,2008年畢業(yè)于中國(guó)電波傳播研究所無線電物理專業(yè),現(xiàn)為中國(guó)電波傳播研究所工程師.主要從事電離層物理、等離子體技術(shù)等工作.

滿莉 (1984-),女,山東人,2005年畢業(yè)于大連交通大學(xué),2010年畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,現(xiàn)為中國(guó)電波傳播研究所工程師.主要從事電離層數(shù)據(jù)的分析與研究,數(shù)據(jù)庫(kù)建立等工作.

Distribution characteristics of the summertime sporadic E in East Asia

DU Peng CHE Haiqin MAN Li

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The occurrence of global sporadic E reaches its peak in East Asia, known as the East Asia Anomaly.The relevant investigations and discussions are previously limited by either observational data unavailable in China or short of detailed comparisons of results in the popular areas of China with that in Japan, both of which are central areas of global Es occurrence probabilities.Based on spatial interpolation of Es data in more than twenty years from twenty-three vertical sounding stations in China and the surrounding countries,the results are drawn in the contour lines of spatial distribution of summer Es occurrence in East Asia, following a thorough analysis on characteristics of time variations in the center of the East Asia abnormal region.It is shown that Chongqing and Guangzhou in China together with Yamagawa, Kokubunji and Akita in Japan have remarkable Es occurrence all the time in summer, some of which is the potential peak of the East Asia abnormal region.The peak’s specific location varies with different statistical index.The Es intensities in the abnormal region center are characterized with annual and diurnal variations, which are more complicated in the popular areas of Japan than in that of China, while the diurnal differences of the Es strength are more profound in the latter region, which may be of great significance to understand the cause of mid-latitude Es.

sporadic E layer (Es);the East Asia Anomaly;occurrence probability;popular area

杜鵬, 車海琴, 滿莉.東亞地區(qū)夏季Es的分布特性[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(5):969-977.

10.13443/j.cjrs.2016032801

DU P, CHE H Q, MAN L.Distribution characteristics of the summertime sporadic E in East Asia [J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):969-977.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjrs.2016032801

2016-03-28

電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金

P352

A

1005-0388(2016)05-0969-09

聯(lián)系人：滿莉 E-mail：manlionly@qq.com