重庆地区电离层Es的遮蔽特性研究

2023-03-08李筱马丽岳甫璐

装备环境工程 2023年2期

关键词：重庆地区电离层短波

李筱，马丽，岳甫璐

环境试验与观测

重庆地区电离层Es的遮蔽特性研究

李筱1，马丽1，岳甫璐2

（1.中国电波传播研究所, 山东青岛 266107；2.63770部队，西安 710600）

研究获得重庆地区电离层Es的遮蔽特性，以及强Es对短波链路可用频率的影响，为相关无线电系统设计和使用提供依据。对2008—2018年期间重庆站电离层观测数据进行统计分析，得到Es临界频率和遮蔽频率的变化规律。引入遮蔽因子，分析Es遮蔽因子随地方时、季节的变化特征。利用新乡–昆明站短波链路试验数据，对强Es期间的链路可用频率变化情况进行验证。重庆地区Es主要发生在夏季白天，峰值强度出现在6月份的上午，临界频率约为8 MHz。遮蔽因子的峰值出现在7月份，最大值约为0.8，且在日出前遮蔽效果较其他时刻显著。全遮蔽Es可发生在各地方时，平均发生率约为10%，峰值位于上午，峰值发生率约为21%。发生强Es遮蔽时，能够到达电离层F层并被反射的短波链路最低可用频率增加，特别是在白天。通过Es散射的链路最高可用频率显著增加，平均增加约10 MHz。重庆地区电离层Es的遮蔽程度主要随地方时和季节变化，随太阳活动的变化较小。Es的遮蔽程度在夏季的上午达到最强，在春秋季较弱。强Es期间，依靠电离层F层反射传播的短波链路最低可用频率增加，导致可用频段变窄，同时利用电离层Es散射传播的链路最高可用频率也有增加。

电离层；突发E层(Es)；垂测电离图；遮蔽；短波链路；最高可用频率

电离层突发E层（Es）是发生在地球大气层约90～120 km高度的电子浓度不均匀现象，其水平尺度为50～100 km，垂直尺度为1～3 km，具有极高的电子密度，有时甚至达到常规E层电子密度的100倍，在垂测电离图（图1）上一般表现为常规E层的附加描迹[1-3]。当电离层Es造成部分反射或全反射时，在垂测电离图上表现为对电离层F层回波的部分遮蔽和全遮蔽现象[1]，分别对应于F层描迹低频段缺失，以及F层描迹完全消失。由于Es发生区域内具有极大的电子密度梯度，能对短波至超短波的无线电波产生散射、部分反射、全反射等现象，从而对相关频段的通信、雷达等无线电系统造成影响[4-7]，导致系统信号难以正常通过电离层F层反射到期望地区，严重时甚至导致系统功能丧失。电离层Es对无线电波的部分遮蔽或全遮蔽现象是与其传播特性密切相关的。当发生部分遮蔽时，短波低频段的无线电信号在E层高度被反射，无法穿透Es到达电离层F层，从而导致其传播距离低于预期（只考虑1次反射），以至于正常利用F层反射传播的无线电系统最低可用频率增加，可用频段变窄。当发生全遮蔽时，无线电系统信号完全被Es层散射，以至于系统常规的选频业务无法实现。

在研究电离层Es特征时，常用其临界频率oEs或遮蔽频率bEs。由于对无线电波的反射机制的不同，oEs或bEs并不能代表Es的等离子体频率。20世纪60年代的火箭搭载试验表明[8-9]，bEs比Es的峰值等离子体频率略小，oEs则高于后者。这表明利用oEs或bEs研究几乎具有等价性。大量研究表明，电离层Es具有明显的日变化和季节变化特性，以及有显著的地域特征，其特征频率一般在白天和夏季具有极大值。文献[3]通过分析全球垂测电离图观测特征及VHF频段超视距传播现象，提出了电离层“远东异常”现象，即在远东中低纬地区，夏季电离层Es的出现率特别高，强度特别强，远远高于同纬度其他地区。后续研究证实了该现象，并发现我国重庆、兰州、广州等地区同样表现出超高的Es出现率[10-13]。分析认为，地磁场水平分量的地区异常是电离层Es出现率地区差异的重要原因。

图1 发生Es时的垂测电离图及相关参数

由于对Es的内部结构及其演化特性认知不够，目前主要是基于试验数据统计结果给出其传播模型[14-15]，还很难界定Es散射和反射机制的相对重要性[16-18]。从现象学上讲，垂测电离图上的Es遮蔽特性能在一定程度上（至少在短波频段）反映其对无线电波的散射和反射效果。中国电波传播研究所在重庆长期开展了电离层垂直探测试验，积累了大量历史数据。本文利用该站的电离层垂测历史数据，分析了重庆地区电离层Es的遮蔽特性，并用短波传输试验链路数据进行了验证，其结论能为相关无线电系统的环境适应性设计和验证提供理论依据。

1 数据来源

中国电波传播研究所在重庆部署了电离层垂测仪，在新乡–昆明架设了短波无线传输试验链路，长期开展观测试验，目前已积累了大量数据。电离层垂测仪通过扫频探测方式获得1.5～30 MHz的垂测电离图，对其进行处理后，提取了oEs、bEs、oF2等特征参数，获取频次为每小时1组。短波无线传播试验链路同样通过扫频方式，每小时获得1组1.5～30 MHz的斜测电离图，提取了F层最低和最高可用频率LUF-F和MUF-F，E层最高可用频率MUF-E。此外，考虑到电离层Es与太阳活动存在长期相关性[12,19]，为了避免数据选取对结论的影响，本研究利用2008—2018年期间共11年的数据，基本覆盖了1个太阳活动周。考虑到能对无线电系统产生影响的Es都比较强，研究中略去了oEs（bEs）<1.5 MHz的数据。在验证电离层Es对短波传输链路可用频率的影响时，选取了2016—2018年期间新乡–昆明短波无线传输的试验链路数据。该链路中点与重庆站的位置较为接近，可作为重庆地区发生电离Es遮蔽时传播效应分析的参考。

2 结果与分析

2.1 Es的发生规律

2008—2018年期间重庆站电离层Es的特征参数分布情况如图2所示，其中空白表示没有Es发生，或者Es很弱。从图2中可以看出，重庆站附近电离层Es主要发生在夏季白天，并能延续到午夜前后，而在冬季夜间则很少发生。相对来讲，太阳活动低年（如2009年）的Es略强，表现为oEs和bEs的值高于太阳活动高年（如2013年）。这些结果与前人对中纬度地区强Es发生概率及Es强度的研究结果[10-12,19]相吻合。2016年以来，随着太阳活动的减弱（太阳黑子数的12月滑动均值不超过40），电离层Es在夜间的发生频次和强度均比前几年高。

图2 重庆站电离层Es的特征参数分布

早期研究认为，风剪切是电离层Es形成的主要原因[20]。在大气潮汐或重力波产生的纬向风作用下，电离层中的离子在垂直风的剪切作用下被压缩到一个薄层中，从而形成电离层Es。然而，该理论不能解释中低纬地区夏季Es的异常增强现象。近期研究认为，平流层风场[21]和行星波对中低纬电离层Es的形成及变化起关键作用[22-24]。行星波在夏季达到最强，它能引起电离层中同周期的扰动，从而造成夏季Es的频发，该理论也可用于解释重庆站电离层Es的季节变化特性。另一方面，太阳活动低年，电离层电子密度整体上偏低，平流层风场和行星波对电离层的影响相对变强，特别是在夜间，这可能是太阳2016—2018年夜间电离层Es频发的原因。文献[24]指出，赤道地区平流层纬向风场中存在准两年振荡现象，这也是造成低纬电离层Es长期变化的诱因。然而，本研究并未发现在重庆地区存在类似的现象，表明该地区已处于低纬向中纬过渡区域，电离层Es受赤道地区平流层大气活动的控制较弱。

2.2 Es的遮蔽性

考虑到电离层Es总体上随太阳活动的变化不大，主要表现出随季节和地方时的变化特性。以下以不同月份和地方时的平均值为参考，研究电离层Es的遮蔽特性。

oEs、bEs和oF2的平均值由式（1）获得。

根据文献[25]，定义遮蔽因子为：

(,)用来表示电离层Es对F层的遮蔽性，当全遮蔽时，令(,)=1。遮蔽因子反映了电离层Es对其上面分层的遮蔽效果，当bEs<1.5 MHz或不存在Es时，(,)=0。

不同月份和地方时oEs和遮蔽因子的变化如图3所示。从图3中可以看出，用oEs表示的重庆地区电离层Es平均峰值强度出现在夏季的白天，特别是6月份的地方时10点前后，最大值约为8 MHz。即使到了夜间，6月份前后的oEs仍显著高于其他季节。到了春秋季和冬季，电离层Es的发生频次和平均强度快速下降，特别是在冬季，oEs一般不超过3 MHz。这与文献[25]中对拉萨、海口等地的分析结果类似。另一方面，遮蔽因子的最大值与之稍有不同，峰值出现在7月份，最大值约为0.8，而到了春秋季和冬季，遮蔽因子一般不超过0.4。如上所述，电离层Es在夏季达到极大值[22]，此时垂直风剪切导致Es内的电子密度具有更强的散射性。受热层大气环流导致的电离层F层夏季异常的影响，此时oF2处于全年中较低的值。由此，导致遮蔽因子在夏季更大些。到了春秋季和冬季，随着电离层Es的变弱，遮蔽因子也随之变小。在凌晨4点前后，遮蔽因子有1个次峰值，其在夏季可达0.5，在冬季甚至超过了0.6。与oF2数据对比发现，造成该现象的主要原因是oF2在此时达到每天的最低值，尽管oEs的值并不高，但也能造成遮蔽因子的增加。

对短波链路而言，若oEs远低于oF2，短波信号将主要通过电离层F层反射传输，这是短波无线电系统进行频率选择时主要考虑的传输模式。当oEs的遮蔽性较强时，短波低频段的信号将被Es散射，而无法到达F层，使得F层传输的最低可用频率增加，可用频段变窄。当遮蔽因子较大时，短波信号将有很大的可能性被电离层Es反射（或散射），导致其传输距离下降，这会对相关系统的使用造成不利影响。

图3 foEs的平均值和遮蔽因子随月份和地方时的变化

2.3 全遮蔽Es统计特性

当发生全遮蔽Es时，高频电波几乎无法穿透Es到达其上的各层，使得系统原有的频率选择方法不可用。由于此时没有F层电波传播模式，在垂测电离图上表现为F层反射描迹缺失。考虑到Es主要发生在夏季，秋冬季较少，本文主要以夏季（5—8月）为例，研究全遮蔽Es的分布特性。夏季全遮蔽Es的发生率及oEs平均值分布如图4所示。可以看出，夏季全遮蔽Es可以发生在各个地方时，平均发生率约为10%，发生率峰值在8—10点之间，最大值约为21%。到了夜间，全遮蔽Es的发生率普遍低于10%，甚至在20点降至4%。与之对应的是，oEs在整个白天几乎能维持在较高值，其平均值约为11 MHz，而到了凌晨前后，oEs降至8 MHz以下。这表明，当发生全遮蔽Es时，电离层能反射短波信号的最高频率能稳定在较高值，特别是在白天。即使到了夜间oEs下降时，全遮蔽Es也能比部分遮蔽甚至无Es时反射更高频率的短波信号。此时，系统仍可利用Es层散射信号工作，但其传输距离将会变小。

2.4 强Es时的短波链路最高可用频率

以往研究证实[4-5]，发生强Es时，会对短波信号造成部分遮蔽或全遮蔽，从而导致短波低频段甚至全频段信号的传输距离大幅下降。以电离层Es的反射高度为160 km，F层反射高度为300 km估计，对仰角为10°的信号，其被电离层Es和F层反射的距离分别为1 360、2 190 km，可见Es反射明显抑制了短波信号的传输距离。此外，当发生强Es时，利用F层反射传播的无线电系统最低可用频率增加，使得可用频段变窄。本文选取了2016—2018年期间夏季新乡–昆明短波无线传输试验链路数据，分析发生强Es（oEs≥5 MHz）时F层短波最低可用频率LUF-F相比弱Es（oEs<5 MHz）时，增量ΔLUF-F随地方时的变化，如图5a所示。可以看出，当发生强Es时，LUF-F的平均值整体上有所增加，增幅最大时刻在上午，约为2.6 MHz。相对来说，LUF-F的增幅并不显著。这表明，在重庆地区能穿透Es到达F层的短波链路信号仍然占多数，这与图3中Es以部分遮蔽为主的结果吻合。

图4 夏季全遮蔽Es的发生率及foEs平均值分布

另一方面，当发生强Es时，可以散射更宽频段的信号。当不考虑系统作用距离时，强Es和弱Es期间夏季新乡–昆明短波链路E层和F层MUF平均值（MUF-Es和MUF-F）随地方时的变化如图5b、c所示。可以看出，当发生强Es时，该链路的MUF普遍较高，特别是在白天，其峰值约为28 MHz。该特征与图4给出的oEs变化特性基本一致。当没有发生强Es时，该链路的MUF平均值具有明显的地方时变化特征，此时短波链路信号主要通过电离层F层反射。通过对比可以看出，发生强Es时，链路MUF明显高于未发生强Es时，平均高约10 MHz。这表明，强Es期间，Es的散射可大幅提升短波链路的可用频段。由此可见，在短波无线电系统设计和工作选频中，Es是不可忽略的环境因素，特别是在夏季。

图5 新乡–昆明链路短波可用频率平均值变化曲线

3 结论

1）重庆地区电离层Es的遮蔽程度主要随地方时和季节变化，随太阳活动变化较小。Es平均峰值强度出现在6月份的上午，oEs最大值约为8 MHz。

2）Es的遮蔽程度在夏季的上午达到最强，在春秋季较弱。遮蔽因子的平均峰值出现在7月份，最大值约为0.8。在夏季，全遮蔽Es可发生在各地方时，平均发生率约为10%，峰值出现在上午，最大值约为21%。

3）强Es期间，利用F层反射传播的无线电系统最低可用频率增加，使得系统可用频段变窄。以新乡–昆明短波链路为例，发生强Es时，该链路的LUF-F平均值最高增加约2.6 MHz。此时，利用Es散射的短波链路MUF大幅上升，比未发生强Es时平均高约10 MHz。

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Obscure Properties of Ionospheric Sporadic-E over Chongqing

LI Xiao1, MA Li1, YUE Fu-lu2

(1. China Research Institute of Radiowave Propagation, Shandong Qingdao 266107, China;2. Unit 63770, PLA, Xi'an 710600, China)

The work aims to obtain the obscure properties of ionospheric sporadic-E over Chongqing, and its effects on the usable frequency of high frequency links, and provide a basis for related design and operation process of radio systems. After a statistical study on ionosonding data of Chongqing station from 2008-2018, the variabilities of the critical and obscure frequencies of sporadic-E were obtained. The obscure factor was adopted to analyze the change of sporadic-E obscure factor with local time and season. Experimental data from a short-wave radio propagation link, Xinxiang-Kunming, were used to validate the change of usable frequency of the link during strong sporadic-E. The result showed that the sporadic-E over Chongqing mainly occured in daytime of summer. The peak strength of foes appeared in the morning of June, with an average critical frequency of about 8 MHz. The obscure factor reached its peak value in July with a magnitude of about 0.8, which was more significant before sunrise. The entire obscurity could happen at any local time, but occured more often before noon. The average occurrence rate of entire obscurity is about 10%, with a peak value of 21%. When strong sporadic-E occured, the lowest usable frequency of the short-wave link that propagated into the ionospheric F region and was reflected to the ground was raised especially in the daytime. On the other hand, the maximum usable frequency refracted by Es also increased, with the maximum magnitude of about 10 MHz. It is concluded that the obscure property of sporadic-E over Chongqing changes much with local time and season, but little with solar activity. The obscure magnitude reaches its peak value in the morning in summer, but it is much weak in equinoxes. When strong sporadic-E occurs, the lowest usable frequency of short-wave links relying on the ionospheric F region is raised, which leads to a reduction of usable band. Meanwhile, the highest usable frequency of links transmitted by virtue of the sporadic-E scattering in ionosphere also increases to a certain extent.

ionosphere; sporadic-E (Es); ionogram; obscure; short-wave link; maximum usable frequency

2021-09-24；

2022-03-31

LI Xiao (1988-), Female.

马丽（1988—），女。

Corresponding author：MA Li (1988-), Female.

通讯作者：岳甫璐（1989—），男，硕士。

Corresponding author：YUE Fu-lu (1989-), Male, Master.

李筱, 马丽, 岳甫璐.重庆地区电离层Es的遮蔽特性研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(2): 125-131.

P352

1672-9242(2023)02-0125-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.017