李海龍 吳 健 王茂琰
(1. 電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院,四川 成都 610054; 2. 中國電波傳播研究所,電波環(huán)境特性及模化技術(shù)國家重點實驗室,北京102206)
極區(qū)中層夏季回波(Polar Mesosphere Summer Echoes, PMSE)是發(fā)生在當?shù)叵募緲O區(qū)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(xiàn)象之后,對PMSE的觀測已經(jīng)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(jīng)開始應(yīng)用幾部雷達對同一區(qū)域進行觀測[5-6], 并利用電離層加熱裝置主動改變極區(qū)中層頂塵埃等離子體狀態(tài)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(qū)域基本參數(shù)的綜合測量[8],奠定了研究PMSE的綜合實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ),得到了一定的理論和實驗結(jié)果[9-10]。同時,不同實驗手段同時測量數(shù)據(jù)的解釋也向現(xiàn)有的理論發(fā)出了挑戰(zhàn)[11]。
現(xiàn)在PMSE已經(jīng)在VHF和UHF頻段得到系統(tǒng)的研究,但是在較低的MF和HF頻段PMSE現(xiàn)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(jīng)觀測到PMSE現(xiàn)象[11-12]。另外在MF/HF頻段的探測設(shè)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(qū)域的觀測表明,電離層測高儀能探測到PMSE現(xiàn)象[13-15]。但現(xiàn)在利用MF和HF頻段對PMSE的系統(tǒng)觀測仍沒有出現(xiàn)。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(xué)聯(lián)合會電離層數(shù)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(tǒng)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(xiàn)象來研究PMSE現(xiàn)象。通過對PMSE-Es層異常特征的分析,利用新的方法統(tǒng)計給出了從1999至2003年五年P(guān)MSE-Es出現(xiàn)率的季節(jié)變化,并與北極PMSE的統(tǒng)計結(jié)果進行對比,用來驗證這種不規(guī)則的Es(偶發(fā)E層)現(xiàn)象PMSE-Es與PMSE存在一定的聯(lián)系。
Es層是一個電離增強的薄層,在極區(qū)主要出現(xiàn)在夜間。Es物理成因在高緯地區(qū)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(chǎn)生一個電子密度比較大的薄層,這個薄層可能產(chǎn)生一些與PMSE有關(guān)的Es現(xiàn)象。下面就分析當?shù)叵募緶y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(xiàn)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(xiàn)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(jié)果,Es接近90 km,對應(yīng)于PMSE發(fā)生的區(qū)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(jié)果,Es接近90 km,對應(yīng)于PMSE發(fā)生的區(qū)域為2~5 MHz范圍。此處只關(guān)心中層頂區(qū)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?shù)氐碾婋x層頻高圖,發(fā)現(xiàn)在夏季Es經(jīng)常降到100 km以下,PMSE發(fā)生的區(qū)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(nèi)在的聯(lián)系。我們再結(jié)合南極中山站的觀測結(jié)果研究這種不規(guī)則的Es現(xiàn)象,研究在南極中山站的PMSE-Es現(xiàn)象與PMSE的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)文獻[18],研究PMSE-Es有兩條判據(jù),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(fā)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(jié)果的影響。
在北極的長期觀測中,文獻[19]統(tǒng)計給出了1999-2003年五年的PMSE出現(xiàn)率的季節(jié)性變化。除2002年P(guān)MSE出現(xiàn)率大大減少之外,其它四年的PMSE出現(xiàn)率比2002年都大得多。在2002年P(guān)MSE出現(xiàn)的時間比其它時間晚,且它的出現(xiàn)率最大值剛剛超過80%,其它年份在穩(wěn)定期大部分天數(shù)PMSE出現(xiàn)率都達到80%以上,這能反映當?shù)叵募緲O區(qū)中層的一些情況。為了驗證不規(guī)則Es研究的PMSE-Es與PMSE的關(guān)系,下面對利用新的統(tǒng)計方法對南極中山站PMSE-Es出現(xiàn)率的季節(jié)性變化進行統(tǒng)計分析,并與北極PMSE出現(xiàn)率的季節(jié)性變化進行對比。
對于PMSE-Es季節(jié)性變化出現(xiàn)率,取十天為一個點,在每天只要出現(xiàn)一次PMSE-Es這一天設(shè)為1,這樣每十天給出一個PMSE-Es出現(xiàn)率,這樣統(tǒng)計出的PMSE-Es出現(xiàn)率的季節(jié)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P(guān)MSE-Es出現(xiàn)率的季節(jié)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(xiàn)率。
圖3 1999至2003年P(guān)MSE-Es出現(xiàn)率在10、11、12、01和02五個月份的季節(jié)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(xiàn)的PMSE-Es的幾率
通過圖3發(fā)現(xiàn):在2002年,PMSE-Es開始出現(xiàn)的時間也比較晚,通過對10月份前十天的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):2002年時它的出現(xiàn)率僅為10%,其它四年均接近或超過50%,與PMSE出現(xiàn)率統(tǒng)計結(jié)果一致,即PMSE和PMSE-Es在2002年出現(xiàn)的都比較晚;實際上在2002年10月中旬的出現(xiàn)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P(guān)MSE-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(xiàn)率最低的一年。2002年的這一的特點與北極觀測到的結(jié)果一致,都是這五年里出現(xiàn)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(tǒng)計在10、11、12、01和02五個月份出現(xiàn)PMSE-Es的總次數(shù),橫坐標表示年數(shù),從1999至2003年,縱坐標表示統(tǒng)計每年從10月到2月五個月份出現(xiàn)PMSE-Es的總次數(shù)。此時可以明顯地發(fā)現(xiàn)2002年P(guān)MSE-Es出現(xiàn)的次數(shù)最少,2000年P(guān)MSE-Es的出現(xiàn)率也是最高,比2002年多了二十多天。另外與北極PMSE結(jié)果對比發(fā)現(xiàn):PMSE的出現(xiàn)率在2000年也是最高的,另外可以發(fā)現(xiàn)與其它四年的結(jié)果也是一致的。這也從另一個側(cè)面表明,PMSE-Es與PMSE之間可能有密切的聯(lián)系。
圖4 統(tǒng)計在10、11、12、01和02五個月份的分別在1999-2003五年出現(xiàn)PMSE-Es的總次數(shù)。橫坐標表示1999-2003年,縱坐標代表在出現(xiàn)PMSE-Es事件在各自五個月份的總次數(shù)
另外也發(fā)現(xiàn)PMSE-Es的出現(xiàn)率整體比PMSE的出現(xiàn)率要高,這和雷達觀測的頻段有密切關(guān)系,與在VHF和UHF頻段觀測到的PMSE出現(xiàn)幾率相比,在MF和HF頻段觀測PMSE的幾率要高,同時出現(xiàn)PMSE區(qū)域的高度范圍都比VHF和UHF要寬,這可能是造成此處統(tǒng)計的PMSE-Es出現(xiàn)率比北極統(tǒng)計的PMSE出現(xiàn)率高的原因[16]。
影響PMSE和PMSE-Es出現(xiàn)率主要有兩方面:一是中層頂大氣溫度,二是波驅(qū)動的大氣環(huán)流情況(垂直方向和沿子午線方向的)。2002年P(guān)MSE和PMSE-Es出現(xiàn)的幾率都比較低,這表明2002年與其它年份相比中層頂?shù)拇髿鉁囟缺容^高,大氣環(huán)流比較弱。在2002年夜光云(NLC,Noctilucent Cloud)出現(xiàn)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(qū)當?shù)叵募局袑禹斁哂懈叩臏囟萚20]。可見PMSE和PMSE-Es均與全球的氣候變化有關(guān),利用電離層測高儀或許可見觀測空間大氣溫度的變化。
利用電離層測高儀觀測PMSE-Es現(xiàn)象來研究南北半球PMSE現(xiàn)象。通過對PMSE-Es與PMSE對比發(fā)現(xiàn)了PMSE與PMSE-Es之間的聯(lián)系。主要結(jié)論如下:
利用新的統(tǒng)計方法統(tǒng)計得到從1999至2003年五年的PMSE-Es出現(xiàn)率季節(jié)性變化,在與北極1999-2003年的PMSE出現(xiàn)率統(tǒng)計結(jié)果進行發(fā)現(xiàn):2002年P(guān)MSE和PMSE-Es出現(xiàn)的幾率都較小,結(jié)果趨于一致;另外四年得到的PMSE-Es也與北極統(tǒng)計結(jié)果非常類似,這也從另一側(cè)面發(fā)現(xiàn)PMSE-Es現(xiàn)象與PMSE可能具有一定的內(nèi)在聯(lián)系,但這還需要其它相關(guān)參量確定它們之間的聯(lián)系。如果它們之間關(guān)系被證實,我們就能利用全球分布很廣的電離層測高儀設(shè)備長期觀測PMSE,并監(jiān)控全球溫度變暖的環(huán)境問題。
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