PMSE规律性及形成机制相关理论综述

李学良 陈惠敏 石雁祥

(1．伊犁师范学院电子与信息工程学院新疆伊宁835000; 2．昌吉学院物理系新疆昌吉831100)

PMSE规律性及形成机制相关理论综述

李学良1陈惠敏2石雁祥1

(1．伊犁师范学院电子与信息工程学院新疆伊宁835000; 2．昌吉学院物理系新疆昌吉831100)

介绍了PMSE相关现象及其研究的重要意义。阐述了PMSE的一些变化规律、极区中层大气环境及分层结构。评述了PMSE形成机制相关理论存在的一些问题，提出了研究PMSE的新途径。

PMSE;极区中层环境;分层结构

1 引言

极区中层夏季回波(简称PMSE)的研究是地球物理领域的热点问题，它对研究地球气候变化有着重大意义。PMSE是发生在夏季极区中层的一种异常强烈的雷达回波现象。1981年，Ecklun和Balsley (1981)首次利用VHF(频率为50MHz)雷达在Poker Flat，Alaska(65．13oN，147．46oW)地区海拔80－90km处观测到了强的回波现象［1］。最强的雷达回波常出现在86km附近，信噪比的最大值可达30dB，PMSE出现的同时常常伴随着可以用肉眼观测到的夜光云现象［2］(简称NLC)。此后，人们对PMSE进行了大量的研究，雷达观测频率由最初的VHF扩展到HF、MF频段。研究手段也从单一的雷达观测到火箭探测、卫星探测。发展到今天，人们利用电离层加热装置研究PMSE区域的性质。研究发现，PMSE产生与其所处的环境有着密切的联系，随着能源的消耗及温室效应的日趋严重，极区中层大气的温度开始降低，平均每十年降低5K。本文在介绍PMSE规律性的同时，对PMSE形成机制的相关理论，以及产生PMSE的极区中层大气环境和分层结构进行了综述。

2 PMSE的规律性

大量实验观测表明，PMSE呈现出一些规律性的变化［3］:这些规律性表现在频谱依赖性、季节性变化、地理纬度变化、相干性频谱特征、方位敏感性、日变化及半日变化。

2．1频谱依赖性

PMSE观测研究发现，雷达回波与入射雷达波频率有显著的关联性。表1给出了从甚高频(VHF)到超高频(UHF)不同频率的雷达对PMSE观测得到的体散射指数［4］。体散射指数是指单位体积内的后向散射截面，体散射指数越高，表明体散射截面愈大。由表1可以看出，除了1988年Kelley和Ulwick观测结果外，随着雷达信号频率的增大，体散射指数在量级上呈递减趋势。Elcklun和Rotter的观测表明，当频率增加一个数量级时，体散射系数减小6个数量级。另外，1994年，J．Bremr用53．5MHz、224MHz和2．78MHz三种不同频率雷达对PMSE的观测也证实了频谱依赖性［5］。李海龙等人进行了理论分析给出了体散射系数与雷达频率的关系［6］

η是体散射指数，ƒ是雷达频率。可以看出雷达的体散射指数与频率的4．5次方成反比。由于雷达观测位置、时间以及系统本身的参数等都会对雷达回波产生影响，上式与表1的在大体上吻合很好，但略有偏差。

表1 不同频率雷达对PMSE的观测

2．2季节性变化

大量的研究表明，PMSE具有明显的季节性变化。图1是Bremer等人连续三年在挪威北部Andoya岛(69．3oN，16．0oE)用53MHz的ALWIN雷达观测PMSE出现率的情况。

图1 1999年－2001年PMSE出现率与季节变化的关系

由图1可知，1999年－2001年期间，北半球的PMSE是从五月底和六月初开始出现，到六月中下旬出现率约90%，到八月下旬逐渐消失，具有很明显的季节性变化。人们用不同频段的雷达在相同的地理位置所做的观测均证实这一规律［7］。

2．3地理纬度变化

除了在北纬65－69度观测到强烈雷达回波的PMSE现象之外，在北半球，北纬78度至北纬52度均发现有强烈的雷达回波现象，此现象称中层夏季回波(简称MSE)。大量的观测表明，从高纬度到低纬度PMSE出现率按梯度递减。假设七月份在Andens Noways观测PMSE出现率为100%，北纬78度出现率几乎达到100%，到北纬75度减小到50%，到北纬54度出现率只有10%－20%。人们猜测这种变化可能与夏季极区中层的大气环境、力学结构有关。需要说明的是，PMSE的发生率在南北半球也存在着差异。观测数据统计表明，南半球的PMSE出现频率远小于北半球。人们猜测，这可能与南北半球大气层热力学结构不同有关。但由于缺乏南半球的相关数据，对于南北半球出现率不对称问题目前仍有很多疑问。

2．4相干性频谱特征

多普勒展宽谱是研究PMSE内在产生机制的一种重要手段。通过多普勒展宽谱可以研究PMSE与非相干散射之间的关系，从而确定PMSE产生的物理机理是否与电子浓度不规则性有关。图2是电离层的非相干散射信号频谱和PMSE的相干散射信号频谱，它是由工作频率为224MHz的EISCAT VHF雷达测量得到的，迄今为止，这一数据是PMSE谱宽最精确的测量数据。

图2 电离层的非相干散射信号频谱和PMSE的相干散射信号频谱

两种频谱对比说明，非相干散射和PMSE是两个完全不同的物理过程。在83．8km处电离层的非相干散射(电子的不规则运动引起)谱宽约100Hz，而在PMSE发生时，相应电离层等离子体的相干散射回波谱展宽最宽的部分只有10Hz左右，远比没有PMSE发生时电离层等离子体的非相干散射功率谱的宽度小。无论是在甚高频(VHF)波段还是在超高频波段(UHF)观测PMSE，频谱宽度都比非相干频谱宽度窄很多。这表明，在PMSE层的散射体随机运动小，是一种较稳定的状态，暗示了PMSE不是由电子湍流散射引起的，可能是层结构反射导致的。等人把PMSE频谱形态与非相干雷达散射的洛伦兹谱进行了对比研究，发现它们之间的频谱形态也存在很大差异，PMSE的频谱形态像几个狭窄的频谱叠加而成，而非相干散射的洛伦兹谱像是大的钉形谱与弱的背景谱的叠加［8］。他们认为PMSE产生可能是雷达波束内部(垂直方向和水平方向1－2km)多个小的局部散射结构叠加的结果。上述都说明了PMSE不可能是电子的不规则运动引起的，暗示PMSE与该处的结构不均匀性有一定关系。

2．5日变化及半日变化

PMSE出现率每天在各个时刻也不相同，呈现一定日变化性。图3是用ErangeMST雷达在670N，210E观测的PMSE出现率。一般PMSE的强度从0:00UT的30%开始递增，到6:00—7:00UT时达到70%，在12:00—13:00UT时达到最大值，然后递减，在18:00－19:00快速递减到20%。在19:00—22: 00UT明显出现一个最小值，这两个最值在PMSE发生期间相对稳定。(其中UT为国际时，国际时UT与当地时LT的关系为LT=UT+1h．)。次最大值一般发生在凌晨，但时间不稳定。

除了日变化，PMSE还有明显的半日变化。由图4可以更清晰的看出日变化及半日变化。对PMSE日变化的解释是:由于潮汐运动，引起了极区中层温度的降低，在不同海拔高度形成了冰晶颗粒，从而暗示可以用尘埃等离子体来解释PMSE现象。威用雷达和火箭联合观测PMSE，也发现极区中层电子浓度、尘埃粒子浓度随高度变化呈分层结构，即使存在中性风扰动，极区中层电子密度依然有分层现象。

5 结束语

极区中层是自然状态下的一种分子浓度远大于其它带电粒子浓度的弱电离尘埃等离子体，其电子浓度、尘埃冰晶粒子浓度随高度的变化呈分层结构，这为我们研究PMSE成因提供了新的方法和途径。极区中层分层结构的产生机制以及分层结构中各带电粒子的浓度对PMSE的影响是有待解决的问题。

对PMSE的研究除了可以为探索全球气候变化提供一个观测的窗口，自然灾害之前极区中层电子密度的突变也为人们预测自然灾害的发生提供了另一个可实施的方案。

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(责任编辑:代琴)

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1671－6469(2012)02－0086－07

2012－03－17

昌吉学院科学研究基金资助项目(09YJ011);新疆维吾尔自治区教育厅教研基金资助项目(新教高［2010］15号);新疆维吾尔自治区教育厅教研基金立项资助项目(新较高［2011］31号)。

李学良(1986－)，男，伊犁师范学院电子与信息工程学院，研究方向:极区中层夏季回波。