极区中层夏季回波与偶发E层关系的初步研究

李海龙 吴 健 王茂琰

(1. 电子科技大学物理电子学院，四川 成都 610054； 2. 中国电波传播研究所，电波环境特性及模化技术国家重点实验室，北京102206)

1. 引 言

极区中层夏季回波(Polar Mesosphere Summer Echoes, PMSE)是发生在当地夏季极区中层顶附近的一种异常强大的雷达回波。1979年，Ecklund和Balsley[1]首次用MST雷达(中间层—平流层—对流层顶雷达)在Poker Flat，Alaska观察到这种现象之后，对PMSE的观测已经从最初的VHF(甚高频)频段逐渐扩展到MF(中频)、HF(高频)频段[2-3]至UHF(超高频)频段[4]。探测方式已经开始应用几部雷达对同一区域进行观测[5-6], 并利用电离层加热装置主动改变极区中层顶尘埃等离子体状态来研究PMSE[7]，另外利用火箭、激光雷达等实验装置开展实时的中层顶区域基本参数的综合测量[8]，奠定了研究PMSE的综合实验数据基础，得到了一定的理论和实验结果[9-10]。同时，不同实验手段同时测量数据的解释也向现有的理论发出了挑战[11]。

现在PMSE已经在VHF和UHF频段得到系统的研究，但是在较低的MF和HF频段PMSE现象观测依然比较少。HF频段的观测虽然具有一定的困难，但在南极Syowa站利用HF雷达已经观测到PMSE现象[11-12]。另外在MF/HF频段的探测设备是电离层测高仪，利用电离层测高仪与VHF雷达同时对共同区域的观测表明，电离层测高仪能探测到PMSE现象[13-15]。但现在利用MF和HF频段对PMSE的系统观测仍没有出现。我国在南极中山站配有电离层测高仪[17]，它与北极的EISCAT dynasonde(欧洲非相干散射科学联合会电离层数字测高仪)的工作原理基本一致，这为在南北极对PMSE长期系统研究提供了条件。

利用电离层测高仪分析南北半球的PMSE-Es现象来研究PMSE现象。通过对PMSE-Es层异常特征的分析，利用新的方法统计给出了从1999至2003年五年PMSE-Es出现率的季节变化，并与北极PMSE的统计结果进行对比，用来验证这种不规则的Es(偶发E层)现象PMSE-Es与PMSE存在一定的联系。

2. PMSE-Es的判定

Es层是一个电离增强的薄层，在极区主要出现在夜间。Es物理成因在高纬地区可能归因于电场的作用，或来自高能粒子的电离，在高度接近90 km，后者可能起得作用更大。从火箭探空的电子密度剖面和带电尘埃的剖面可知[8]，在一定高度，带电尘埃层的存在会使在它上方产生一个电子密度比较大的薄层，这个薄层可能产生一些与PMSE有关的Es现象。下面就分析当地夏季测高仪测量的频高图中的Es特点，进而确定PMSE-Es．

图1表示位于挪威北部Tromsφ(69°35′N, 19°14′E)的Dynsonde对电离层观测到的出现Es的频高图。图2表示位于南极中山站(69°22′S，76°22′E)的Dynsonde对电离层观测到的出现Es的频高图。图1和图2中横坐标均表示扫描频率，单位是MHz；纵坐标表示虚高，单位是km。图1是在国际时间2008-07-03 0000时电离层测高仪观测到的结果，Es接近90 km，对应于PMSE发生的区域，观测频率的范围为1～7 MHz，属于MF/HF频段。图2是在国际时间1997-12-13 1100UT时南极中山站电离层测高仪观测到的结果，Es接近90 km，对应于PMSE发生的区域为2～5 MHz范围。此处只关心中层顶区域，即100 km以下的情况。

图1 电离层测高仪在北极Tromsφ 站2008-07-03 0000UT时观测到的频高图

图2 电离层测高仪在南极中山站1997-12-13 1100UT时观测到的频高图

通过对比北极夏季和南极夏季当地的电离层频高图，发现在夏季Es经常降到100 km以下，PMSE发生的区域，而在冬季Es降到100 km以下的几率非常低，所以夏季降到100 km以下的Es或许与PMSE存在一些内在的联系。我们再结合南极中山站的观测结果研究这种不规则的Es现象，研究在南极中山站的PMSE-Es现象与PMSE的内在联系。根据文献[18]，研究PMSE-Es有两条判据，即：(1)Es的虚高小于等于90 km；(2)Es的虚高小于等于正常E层的虚高。第一个条件保证这样的Es发生在中层顶高度，第二个条件是为了排除正常E层对研究结果的影响。

3. PMSE-Es与PMSE出现率对比与讨论

在北极的长期观测中，文献[19]统计给出了1999-2003年五年的PMSE出现率的季节性变化。除2002年PMSE出现率大大减少之外，其它四年的PMSE出现率比2002年都大得多。在2002年PMSE出现的时间比其它时间晚，且它的出现率最大值刚刚超过80%，其它年份在稳定期大部分天数PMSE出现率都达到80%以上，这能反映当地夏季极区中层的一些情况。为了验证不规则Es研究的PMSE-Es与PMSE的关系，下面对利用新的统计方法对南极中山站PMSE-Es出现率的季节性变化进行统计分析，并与北极PMSE出现率的季节性变化进行对比。

对于PMSE-Es季节性变化出现率，取十天为一个点，在每天只要出现一次PMSE-Es这一天设为1，这样每十天给出一个PMSE-Es出现率，这样统计出的PMSE-Es出现率的季节特征如图3所示。图3中分别给出了1999年、2000年、2001年、2002年和2003年PMSE-Es出现率的季节性变化，其中横坐标表示每年10月、11月、12月、01月和02月五个月份，其中每十天为一个单位，纵坐标表示PMSE-Es出现率。

图3 1999至2003年PMSE-Es出现率在10、11、12、01和02五个月份的季节性变化。每个月被分为三个单位。横坐标表示1999至2003五年的五个月份(10、11、12、01和02)，纵坐标表示每年出现的PMSE-Es的几率

通过图3发现：在2002年，PMSE-Es开始出现的时间也比较晚，通过对10月份前十天的统计发现：2002年时它的出现率仅为10%，其它四年均接近或超过50%，与PMSE出现率统计结果一致，即PMSE和PMSE-Es在2002年出现的都比较晚；实际上在2002年10月中旬的出现率也是比较低的。另外，在2002年只有两个时间单元达到100%，两个达到90%，其它四年PMSE-Es都至少三个十天在100%以上，多个在90%以上，可见在1999-2003这五年里2002年是PMSE-Es出现率最低的一年。2002年的这一的特点与北极观测到的结果一致，都是这五年里出现几率最低的一年。为了更方便地对比，图4中分别给出1999-2003年统计在10、11、12、01和02五个月份出现PMSE-Es的总次数，横坐标表示年数，从1999至2003年，纵坐标表示统计每年从10月到2月五个月份出现PMSE-Es的总次数。此时可以明显地发现2002年PMSE-Es出现的次数最少，2000年PMSE-Es的出现率也是最高，比2002年多了二十多天。另外与北极PMSE结果对比发现：PMSE的出现率在2000年也是最高的，另外可以发现与其它四年的结果也是一致的。这也从另一个侧面表明，PMSE-Es与PMSE之间可能有密切的联系。

图4 统计在10、11、12、01和02五个月份的分别在1999-2003五年出现PMSE-Es的总次数。横坐标表示1999-2003年，纵坐标代表在出现PMSE-Es事件在各自五个月份的总次数

另外也发现PMSE-Es的出现率整体比PMSE的出现率要高，这和雷达观测的频段有密切关系，与在VHF和UHF频段观测到的PMSE出现几率相比，在MF和HF频段观测PMSE的几率要高，同时出现PMSE区域的高度范围都比VHF和UHF要宽，这可能是造成此处统计的PMSE-Es出现率比北极统计的PMSE出现率高的原因[16]。

影响PMSE和PMSE-Es出现率主要有两方面：一是中层顶大气温度，二是波驱动的大气环流情况(垂直方向和沿子午线方向的)。2002年PMSE和PMSE-Es出现的几率都比较低，这表明2002年与其它年份相比中层顶的大气温度比较高，大气环流比较弱。在2002年夜光云(NLC，Noctilucent Cloud)出现率比其它年份相比也明显的减少，这就提供了更充分和直接的理由说明在2002年极区当地夏季中层顶具有更高的温度[20]。可见PMSE和PMSE-Es均与全球的气候变化有关，利用电离层测高仪或许可见观测空间大气温度的变化。

4. 结 论

利用电离层测高仪观测PMSE-Es现象来研究南北半球PMSE现象。通过对PMSE-Es与PMSE对比发现了PMSE与PMSE-Es之间的联系。主要结论如下：

利用新的统计方法统计得到从1999至2003年五年的PMSE-Es出现率季节性变化，在与北极1999-2003年的PMSE出现率统计结果进行发现：2002年PMSE和PMSE-Es出现的几率都较小，结果趋于一致；另外四年得到的PMSE-Es也与北极统计结果非常类似，这也从另一侧面发现PMSE-Es现象与PMSE可能具有一定的内在联系，但这还需要其它相关参量确定它们之间的联系。如果它们之间关系被证实，我们就能利用全球分布很广的电离层测高仪设备长期观测PMSE，并监控全球温度变暖的环境问题。

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