基于全天空雷達的低緯電離層E區不均勻體空間結構觀測研究 |孫文杰/劉建飛等-GRL & JGR

電離層E區不均勻體是存在于地球近地空間（90-130km）的密度不均勻結構，會使經過其中的無線電波發生反射、折射或散射，引起信號抖動（閃爍），對通訊、導航、衛星定位等產生嚴重影響。對E區不均勻體進行探測，得到其發生規律、形態結構、漂移運動和演變過程等，對于認識近地空間的物質結構和物理過程有重要作用，并可優化電離層模型與電波傳播模型，進而應用于各類軍事和民用領域，具有重要的科學意義與應用價值。

在國內外研究中，E區不均勻體一般利用窄波束甚高頻（VHF）相干散射雷達探測得到，該雷達基于較大規模的天線陣列，將功率集中于較窄的波束范圍內，在垂直于磁力線的方位上進行探測，可得到E區不均勻體的后向散射回波。根據雷達回波的形態，E區不均勻體主要分為連續型和準周期型。基于窄波束VHF雷達空間干涉定位技術，以往的研究發現連續型E區不均勻體一般對應于雷達上空的潮汐Es層大片結構，而準周期型E區不均勻體一般對應于空間上相互分離的不均勻體散塊結構。然而，由于窄波束VHF雷達探測視場有限，僅能觀測到來自于固定方位的不均勻體回波，無法在大范圍內得到E區不均勻體的空間結構并追蹤其漂移運動和形態演變。

中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室孫文杰和劉建飛等，基于同樣工作于VHF波段的全天空雷達進行技術開發，發展了利用全天空雷達在大視場范圍內探測E區不均勻體的能力。圖1a所示彩色區域為位于海南樂東的MIOS（Meteor and ionospheric Irregularity multi-wavelength Observation System，流星不均勻體多波段觀測系統）全天空雷達探測E區場向不均勻體的視場，黑色虛線為窄波束VHF雷達多個波位的探測方向。由圖可見，相比于窄波束VHF雷達僅能在固定波位的較窄范圍內進行探測，全天空雷達可以在東西方向跨越500km左右的范圍內觀測到E區不均勻體。進一步，基于全天空雷達獨特的接收天線陣列（圖1b）進行干涉定位，可獲得E區不均勻體的空間位置。

圖1 （a）樂東MIOS全天空雷達觀測E區場向不均勻體的視場（彩色條帶）；（b）全天空雷達接收天線陣列

基于海南樂東的MIOS全天空雷達，孫文杰等人首次報道了E區不均勻體的大尺度波狀結構。如圖2所示，該結構在東西方向上跨越約250km，其水平波長為20-70km，在垂直和水平方向上的波動幅度分別約為5km和2km。該E區不均勻體大尺度波狀結構最終分裂為多個小尺度的E區不均勻體散塊后消失。分析認為，該波狀結構可能為介于連續型和準周期型E區不均勻體的中間暫態。結合風場、測高儀等探測手段的分析發現，這種大尺度E區不均勻體波狀結構可能是由重力波調制偶發E層（Es）產生。

圖2 樂東MIOS全天空雷達在不同時刻觀測到的E區不均勻體波狀結構（左）水平空間位置和（右）回波到達角

為進一步得到E區不均勻體在垂直方向上的空間結構，劉建飛和孫文杰等人繼而觀測研究發現，E區不均勻體在垂直方向上可表現為雙層結構，如圖3所示。在該事例中，E區不均勻體分別出現在約90km和110km的不同高度上，緯向覆蓋超過250km的范圍；兩層E區不均勻體均出現在垂直于磁力線的方位，為場向不均勻體；在水平方向上，兩層E區不均勻體可在同一水平位置的不同高度上同步體現為準周期型散塊結構（如圖3g-圖3h）或波狀結構（如圖3i）。結合全天空雷達和ICON衛星在不同高度的風場觀測（圖4），發現在雙層E區不均勻體出現的兩個高度范圍內，均存在適合Es層產生的風剪切結構。分析認為，在Es層提供的電子密度梯度下，該風剪切結構可進一步激發梯度漂移不穩定性，在兩個高度上分別形成E區不均勻體，在重力波的作用下，該雙層E區不均勻體可進一步被同步調制為波狀結構或準周期結構。

圖3 全天空雷達觀測的E區不均勻體雙層結構的（a）回波圖、所有時段不均勻體的（b）到達角和（c）空間位置，以及選取的三個典型時刻的（d-f）到達角和（g-i）空間位置

圖4 (a-b)全天空雷達觀測的80-100 km中性風場，（c）全天空雷達觀測視場和ICON衛星經過海南附近時的軌道與視場（灰色陰影區域），以及（d）ICON衛星觀測的90 km以上的中性風場。其中黑色箭頭指示了適合Es產生的風剪切節點位置

綜上，該研究發展了全天空雷達空間干涉探測電離層E區不均勻體的能力，重現了低緯E區不均勻體空間結構的復雜演化過程，捕獲了大尺度波狀結構等暫態特征，為重力波影響調制E區梯度漂移不穩定性產生空間周期出現的不均勻體提供了重要觀測證據。

研究成果發表于國際學術期刊GRL和JGR-Space Physics。成果受國家自然科學基金項目(42020104002)、中國科學院基礎研究領域青年團隊穩定支持項目(YSBR-018)、中國科學院國際合作項目(批準號:183311KYSB20200003)和子午工程聯合資助。MIOS系統的開發和維護分別得到國家自然科學基金(41727803)和中國科學院日地環境研究網絡(STERN)的支持。

1.劉建飛#，孫文杰#（共同一作），李國主*，陳云琳，解海永，胡連歡，李怡，趙秀寬，代國峰，寧百齊，劉立波. Wind Shear Driven Double Layer Structures of E‐Region Irregularities at Low Latitudes[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51 (10): e2023GL107307. DOI:10.1029/2023GL107307.

2.孫文杰，李國主*，韓辰瑩，胡連歡，李怡，解海永，趙秀寬，寧百齊，劉立波. Wavelike structures of E region irregularities observed by all-sky radar at low latitude[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2023, 128(10): e2023JA031831. DOI:10.1029/2023JA031831.

編輯：萬鵬