武汉突发E 层的季节变化及其与中层风的关系*

朱品洁 滕陈轲敏 谷升阳 窦贤康 李国主 解海永

1(武汉大学电子信息学院 武汉 430072)

2(中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029)

0 引言

电离层突发E（Es）层是指出现在电离层E 层上由金属离子构成的局部电离增强结构，垂直厚度约为0.5～5 km，水平覆盖范围可达几十至几百千米。突发E 层是电离层E 层最显著的异常。

Es 层的分布具有昼夜变化、季节变化和太阳黑子周期变化的特征，并随地理经纬度而异。在低纬及赤道地区，Es 层出现于白天，季节差异不大；在中纬地区，Es 层白天出现率高于夜晚，夏季频发；在高纬地区及极区，Es 层大多在夜晚出现，且不受季节的影响。Smith[1]发现中低纬度远东区域的Es 层出现夏季异常现象，相比于同纬度的其他区域，该异常现象出现频率更高。Hocke 等[2]提出，在夏季半球的中低纬度地区观测到强Es 主要发生在90～110 km 的高度范围内。

对于中纬突发E 层的形成机制，Dungey[3]提出了风剪切理论，Whitehead[4]和Axford[5]进一步发展和完善了该理论：在电离层E 层区域高度的中性风场由高层大气的水平气压梯度力形成，由于存在地磁场，这些被风驱动的带电粒子受到洛仑兹力的影响，导致其在垂直方向上漂移，上层的离子漂移到较低高度，下层的离子漂移到较高高度，Es 层则由这些漂移运动的金属离子压缩形成。

从Es 形成的光化学角度看，分子离子（O2+和NO+）和金属离子（Fe+和Mg+）是讨论Es 层时必须考虑的两个主要元素。Niu 等[9]利用全天空流星雷达和数字测高仪联合观测数据研究发现，流星雨期间大量流星雨电离产生Es 层，流星雨后沉积的金属离子在风剪切作用下形成Es 层。Zhou 等[10]认为中纬度电离层突发E 层的发生随着地磁活动水平的增加而增加。Qiu 等[11]发现大气北向电场在一定程度上对Es 事件的发生有抑制作用，并对Es 层事件的发生高度有明显影响。此外，Liu 等[12]发现在中低纬度夜间电离层中，E 区和F 区之间存在电动力耦合，并提出了突发E（Es）层的观测证据。总之，地磁活动、天气、流星雨、太阴潮汐、地震等都有可能对Es 层产生影响，其影响机制仍需进一步研究和分析。

Es 层电波传播是指基于Es 层的超短波反射和散射传播。由于Es 层是电离层E 层上电离增强的结构，其电子密度很高，会影响无线电波的传播。高频信号在传播过程中由于不能穿透Es 层而被反射或散射，不能到达电离层F 层，因此阻碍了信号在电离层F 层上传播。而Es 层对超短波进行反射和散射，增大了传输距离，实现了信号远距离传输[13]。Zhang等[14]基于电离层Es 层的电子密度时空分布特点，建立高阶Es 反射模型。Chen 等[15]通过对中国夏季Es 层对短波通信的影响进行分析，构建了Es 传播模型。Wang 等[16]提出了一种基于决策树算法的自动识别Es 层回波的方法，以提高Es 层识别效率。

中国很多山区、河流、沙漠、戈壁滩等地区的通信受环境限制，在信息发达的时代，远程通信的需求更加迫切。而中国大部分地区处于北半球中纬度，Es 层发生率高，且Es 层强度也高，这意味着Es 层出现频繁且Es 层较厚，信号不易穿透，更利于超短波的传播。因此，基于Es 层电波传播的远程超短波通信将解决这一难题。但是Es 层具有突发性且其形成机制尚未明确，不能提供稳定的通信条件，因此对Es 层的变化特性、形成机制及其与中层风的关系的探讨对超短波通信具有深远的意义。

本文统计了2018 年武汉地区电离层Es 层的临界频率和虚高并研究其季节特征，利用指定动态大气通用气象扩展模型SD-WACCM-X 模拟出90～140 km高度的平均风场，分析Es 与背景风的关系。

1 数据与分析方法

1.1 Es 层数据处理

电离层数字测高仪是观测电离层的常规仪器。Es 层参数主要有临界频率f0Es、虚高h'Es等。临界频率f0Es为Es 层能够反射O 波的最大频率，与最大电子密度相对应，该参数可以代表Es 的强度。武汉站测高仪每15 min 进行观测，本文选取2018 年f0Es整点数据统计分析，其中每月f0Es的取值是该月内各地方时的中位数，即每月的f0Es是包含24 个数据的集合，一共12 个月。对Es 层的虚高h'Es和常规E 层的临界频率f0E也进行同样处理。

1.2 风场数据来源及处理

由中性风场驱动的离子垂直运动速度可以表示为

其中，U和V分别为中性风场纬向和经向分量，I为磁倾角，r为离子–中性成分碰撞频率与离子回旋频率之比。120 km 以下，r远大于1，所以该区域内w由式（1）中纬向风场决定，西向（东向）风场导致离子向下（向上）漂移；120 km 以上，离子回旋频率不变，而由于中性成分随高度呈指数衰减，碰撞频率迅速下降，导致r远小于1，该区域内w由经向风场决定，北向（南向）风场导致离子向下（向上）漂移[17]。

Es 层一般出现在90～130 km 高度，而流星雷达风场探测的高度在80～100 km，其无法探测到更高高度的风场。到目前为止，没有对100～140 km 风场进行连续探测的观测设备。而基于全大气层耦合模式的数据同化，能够提供中高层大气最接近真实状态的风场信息，有效弥补观测数据的不足。本文利用SD-WACCM-X 模型对90～140 km 高度的风场进行数值模拟，搭建WACCM-X 运行环境，对中高层大气真实状态进行模拟，提供90～140 km 高度的风场信息，探讨武汉中性风场与Es 形成机制的关系。

根据介质是气相还是液相，选择对应的介质，计算泄漏孔理论泄漏速率v，确定介质泄放的总质量m总，利用探测系统等级、隔离系统等级、泄漏速率减少系数factdi和最大泄漏持续时间tmax，n来确定实际泄漏速率vn和实际泄漏质量mn。计算公式如式(5)～式(11) 所示:

WACCM-X 是美国国家大气研究中心NCAR建立的一种综合性大气数值模式。WACCM-X 是整个大气层的模型，其延伸到热层约500～700 km 的高度，并包括电离层。WACCM-X 模式包含对流层、平流层、中间层、热层等，不仅包含大气中性成分，也包含大气电离成分。该模型使用NCAR 的通用地球系统模型CESM（The Community Earth System Model）作为通用数值，将高层大气模型HAO，中层大气模型ACOM 以及对流层模型CGD 结合在一起。WACCM-X 可用于模拟特定事件，方法是使用气象数据分析观测值来约束模型，在下边界使用指定的海面温度，并重建历史时期的光谱辐照度。Sassi等[18]将该模型配置称为指定的动态WACCM-X（SDWACCM-X）。

SD-WACCM-X 全球风场模型在80 km 以下采用了MERRA2 再分析数据进行约束，模型结果更加准确，可信度更高。纯粹的理论模型不能够很好地对中高层大气的实际状况进行模拟，而基于卫星观测数据同化，不仅保留了数值模式的多参数特性，而且使数值模拟结果更加贴近于真实大气状态。基于这些数据同化结果，进而计算出E 层高度的背景风场及其梯度，并提取E 层高度处风场的潮汐波动信息，深刻揭示Es 的形成机制。Sassi 等[18]对2009 年冬季的平流层突然变暖（SSW）期间基于SD-WACCM-X 提供的潮汐进行了详细讨论，发现对于迁移的周日潮（DW1），在100 km 附近显示出幅度的减小，这种行为与热带纬向平均涡度的变化有关。

SD-WACCM-X 模型水平分辨率为1.9°×2.5°（经度×纬度）。SD-WACCM-X 按气压分层，从海平面到高度最大平面共分为145 层。本文所研究的武汉2018 年90～140 km 区域约分为23 层，高度分辨率约1.5～4 km。SD-WACCM-X 模拟计算结果的时间分辨率为1 h，每日24 组数据，包含白天和晚上。

最小二乘法是提取中性大气风场中潮汐波动的有效方法，采用4 天窗口向前滑动1 天的谐波拟合方法，得到周日潮汐、半日潮汐的振幅。用于谐波分析的拟合函数为

其中，t为当地时间，y为风场数据，T为所研究的波动周期。本文T取24 h 和12 h。参数A和B用于计算潮汐波的波动幅度和相位，而C代表拟合窗口内背景风场的状态。通过最小二乘法拟合，确定系数A，B和C，其中潮汐波的波动幅度和相位计算公式为

通过改变观测高度，计算在不同高度的潮汐幅度值，探讨潮汐高度与Es 事件的相关性。通过改变周期T的值，对不同分量的潮汐波进行计算，来分析不同潮汐波分量对Es 的贡献。

2 分析结果

2018 年武汉Es 层临界频率（f0Es）的分布如图1所示。其中，每月f0Es的取值是该月内各地方时的中位数，即每月的f0Es是包含24 个数据的集合。图1(a)为f0Es随季节和地方时的变化，可以明显看出：f0Es的最大值出现在夏季中午，最高达7 MHz；其他季节除中午外，f0Es值也较低。图1(b)显示了武汉地区12:00 LT 时f0Es的季节变化，可以看出：夏季Es 强度明显高于其他季节，其中在6 月达到最大；春秋季f0Es较低，在冬季有一个次要增强现象。图1(c)显示了武汉6 月f0Es的日变化，可以看出：f0Es有明显的昼夜不对称性，f0Es在中午达到最大值，在日出前时段最小，在日落后出现次要增强现象。

图1 (a) 2018 年Es 层临界频率f0Es 随月份和地方时的变化，(b) 12:00 LT 时f0Es 随月份的变化，(c) 6 月f0Es 随地方时的变化Fig.1 (a) Variations of f0Es with month and LT,(b) variation of f0Es with month at 12:00 LT,(c) variation of f0Es with LT in June

Es层主要出现于90～130km高度上，武汉2018年Es层虚高的季节变化和日变化如图2 所示。从图2 中h'Es随月份和地方时的变化上看，h'Es均呈现双峰结构。从图2 (a) 12:00 LT 时h'Es的季节变化上看，武汉站点Es 虚高呈现双峰结构，极大值出现在春季和冬季，秋季Es 层出现高度明显低于其他季节。从图2 (b) 6 月日变化上看，武汉站点Es 虚高呈现双峰结构，极大值出现在日出时段，日落时段高度有小幅度的提升，白天以及午夜Es 层出现在较低高度。大部分Es 层出现在120 km 以下。

图2 2018 年Es 层虚高h'Es 随月份和地方时的变化Fig.2 Variations of h'Es with month and LT in 2018

3 讨论

3.1 Es 层与E 层状态的相关性

2018 年武汉地区电离层E 层临界频率（f0E）的季节变化和日变化如图3 所示。由图3(a)可以看出，武汉地区电离层E 层临界频率的日变化和季节变化相比于Es 层比较规律。由图3(b)可以看出，E 层临界频率的季节变化，夏季最高，春秋季次之，冬季最低。从图3(c)可以看出，E 层主要是日间现象，在06:00－19:00 LT 时间段内出现，其临界频率在中午12:00 LT前后最高，在早晨和傍晚较低。上述结果与Wang等[19]对海南地区2002－2007 年的电离层E 层临界频率的观测分析基本一致。

与电离层E 层的临界频率相比，Es 层临界频率的日变化和季节变化更复杂，且临界频率的值更高。对比图1 中武汉地区电离层Es 层和图3 中E 层临界频率的季节变化和日变化特征。在季节变化上，Es 层和E 层临界频率分布结构在夏季时最相似，二者的不同之处在于：f0E在冬季最低，而f0Es在春秋季最低，这可能是由于f0Es在冬季有一个小幅度增长的现象；相对于f0E，夏季的f0Es明显高出其他季节，最高频率为最低频率的2 倍，而f0E约为1.1 倍。在日变化上Es 层和E 层临界频率分布相似之处是：白天的变化趋势都是先增大，在12:00 LT 前后有最大值，然后再减小，在日出和日落时都较低；f0Es的变化趋势更为陡峭。Es 层与E 层最大的不同在于，E 层主要是日间现象，在06:00－18:00 LT 时间段内出现，而Es 层在夜晚也会出现，且在夜间21:00 LT 时，f0Es出现小幅度回升。此外，f0Es值明显高于f0E，Es 层是E 层中局部电离增强结构。

图3 (a) 2018 年E 层临界频率f0E 随月份和地方时的变化，(b) 12:00 LT 时f0E 随月份的变化，(c) 6 月f0E 随地方时的变化Fig.3 (a) Variations of f0E with month and local time in 2018,(b) variation of f0E with month at 12:00 LT,(c) variation of f0E with local time in June

3.2 Es 层与潮汐波的相关性

Es 出现在90～130 km 高度处，潮汐的影响不容忽视。通过分析风场中潮汐分量的季节变化，可以探究突发E 层季节变化与周日潮汐和半日潮汐的关系。

利用SD-WACCM-X 模型模拟出武汉2018 年90～140 km 高度处的风场，其时间分辨率为1 h，每日24 组数据。利用最小二乘法提取出纬向风场中的周日潮汐分量和半日潮汐分量的幅度，并进行月平均处理，如图4 所示。由图4 可以明显看出，纬向风场中的半日潮汐幅度远大于周日潮汐幅度，占主导地位。如图4(a)所示，纬向风场中的周日潮汐分量在冬季月份110 km 高度处达到极大值，约35 m·s–1。如图4(b)所示，纬向风场中的半日潮汐分量在夏季出现最大值，达60 m·s–1。

图4 2018 年纬向风场周日潮汐分量(a)和半日潮汐分量(b)随月份的变化Fig.4 Variation of zonal wind diurnal (a) and semidiurnal (b) tides with month in 2018

Zuo 等[20]统计得到Fort Monmouth（4 0.4°N，285.9°E）f0Es数据频谱分布，其24 h 和12 h 周期十分明显，分析后认为Es 层与大气潮汐风场相关。根据大量观测台站数据可知：低纬度地区Es 出现率的周日变化是单峰结构，风场周日潮汐分量占主导；中纬度地区Es 出现率的周日变化呈双峰结构，半日潮汐分量占主导。这些结论证实了潮汐风场对Es 的诱导作用。从图4 可以看出，纬向风场中半日潮汐占主导地位，图1 中f0Es日变化的双峰结构也证实了这一观点。Es 的强度出现双峰结构很大可能是半日潮汐分量引起的。从季节变化的角度来看：图1(a)中f0Es的日变化在夏季表现为明显的双峰结构，而冬季则表现为单峰结构；而图4 中夏季以半日潮汐分量占主导，冬季以周日潮汐分量为主。这些结论进一步佐证了半日潮汐分量诱导f0Es的半日变化，周日潮汐分量诱导f0Es的周日变化。

3.3 Es 层与背景风场的相关性

根据风剪切理论，由式(1)可知120 km 高度以下Es 的形成由纬向风决定。因此本文着重分析纬向风场。从SD-WACCM-X 模型模拟的2018 年90～140 km 高度处的纬向风场数据中选取12:00 LT 时的数据进行月平均，并计算对应风场的高度梯度。图5(a)为纬向风场随季节的变化，其中东向风为正，西向风为负。图5(b)为12:00 LT 时纬向风场的高度梯度随季节的变化。由图5(a)可以看出，在120 km下方出现较强的东向风，130 km 上方出现较强的西向风，这一现象满足风剪切理论，即西向（东向）风场导致离子向下（向上）漂移。由图5(b)可看出，在约120 km 高度夏季东向风强度最强，相应地在120 km形成的风剪切最强，在冬季也出现了较强的风剪切。结合图1 中约120 km 高度处形成的风剪切与Es 强度在季节变化上有相同的特征，可知Es 层的强度与纬向风场120 km 高度的风剪切有一定的相关性。

图5 2018 年12:00 LT 时(a)纬向风场和(b)垂直风剪切随月份的变化Fig.5 Variation of zonal wind (a) and the vertical shear (b) with month at 12:00 LT in 2018

4 结论

2018 年武汉地区电离层突发E 层的临界频率具有季节单峰特征，夏季最大；日变化上呈双峰结构，中午最大，日落后有一个次要增长。Es 层大多出现在100～110 km 高度处。

在季节变化上，电离层E 层的临界频率在冬季最低，而电离层突发E 层的临界频率在春秋季最低，这可能是由于电离层突发E 层的临界频率在冬季有一个小幅度增长的现象。在日变化上，电离层Es 层与E 层临界频率白天的变化趋势相同，不同之处在于E 层主要是日间现象，而Es 层在夜晚也会出现，且其在夜间出现小幅度回升。

电离层突发E 层临界频率的日变化在夏季表现为明显的双峰结构，而冬季则表现为单峰结构；纬向风场在夏季以半日潮汐分量为主，冬季以周日潮汐分量为主。这些发现进一步佐证了风场半日潮汐分量诱导f0Es的半日变化，周日潮汐分量诱导f0Es的周日变化。

在约120 km 高度处形成的风剪切在夏季最强，在冬季也出现了较强的风剪切，在春秋季较弱，与Es 强度随季节变化的特征相同，Es 层的强度与纬向风场120 km 高度处的风剪切有一定的相关性。

致谢Es 数据是中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外科学观测研究站观测得到，由国家地球系统科学数据中心–地球物理分中心提供。本论文的数值计算得到了武汉大学超级计算中心的计算支持和帮助。