重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性研究

李筱，馬麗，岳甫璐

環(huán)境試驗(yàn)與觀測(cè)

重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性研究

李筱1，馬麗1，岳甫璐2

（1.中國(guó)電波傳播研究所, 山東 青島 266107；2.63770部隊(duì)，西安 710600）

研究獲得重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性，以及強(qiáng)Es對(duì)短波鏈路可用頻率的影響，為相關(guān)無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用提供依據(jù)。對(duì)2008—2018年期間重慶站電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到Es臨界頻率和遮蔽頻率的變化規(guī)律。引入遮蔽因子，分析Es遮蔽因子隨地方時(shí)、季節(jié)的變化特征。利用新鄉(xiāng)–昆明站短波鏈路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)強(qiáng)Es期間的鏈路可用頻率變化情況進(jìn)行驗(yàn)證。重慶地區(qū)Es主要發(fā)生在夏季白天，峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在6月份的上午，臨界頻率約為8 MHz。遮蔽因子的峰值出現(xiàn)在7月份，最大值約為0.8，且在日出前遮蔽效果較其他時(shí)刻顯著。全遮蔽Es可發(fā)生在各地方時(shí)，平均發(fā)生率約為10%，峰值位于上午，峰值發(fā)生率約為21%。發(fā)生強(qiáng)Es遮蔽時(shí)，能夠到達(dá)電離層F層并被反射的短波鏈路最低可用頻率增加，特別是在白天。通過(guò)Es散射的鏈路最高可用頻率顯著增加，平均增加約10 MHz。重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽程度主要隨地方時(shí)和季節(jié)變化，隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化較小。Es的遮蔽程度在夏季的上午達(dá)到最強(qiáng)，在春秋季較弱。強(qiáng)Es期間，依靠電離層F層反射傳播的短波鏈路最低可用頻率增加，導(dǎo)致可用頻段變窄，同時(shí)利用電離層Es散射傳播的鏈路最高可用頻率也有增加。

電離層；突發(fā)E層(Es)；垂測(cè)電離圖；遮蔽；短波鏈路；最高可用頻率

電離層突發(fā)E層（Es）是發(fā)生在地球大氣層約90～120 km高度的電子濃度不均勻現(xiàn)象，其水平尺度為50～100 km，垂直尺度為1～3 km，具有極高的電子密度，有時(shí)甚至達(dá)到常規(guī)E層電子密度的100倍，在垂測(cè)電離圖（圖1）上一般表現(xiàn)為常規(guī)E層的附加描跡[1-3]。當(dāng)電離層Es造成部分反射或全反射時(shí)，在垂測(cè)電離圖上表現(xiàn)為對(duì)電離層F層回波的部分遮蔽和全遮蔽現(xiàn)象[1]，分別對(duì)應(yīng)于F層描跡低頻段缺失，以及F層描跡完全消失。由于Es發(fā)生區(qū)域內(nèi)具有極大的電子密度梯度，能對(duì)短波至超短波的無(wú)線電波產(chǎn)生散射、部分反射、全反射等現(xiàn)象，從而對(duì)相關(guān)頻段的通信、雷達(dá)等無(wú)線電系統(tǒng)造成影響[4-7]，導(dǎo)致系統(tǒng)信號(hào)難以正常通過(guò)電離層F層反射到期望地區(qū)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)功能喪失。電離層Es對(duì)無(wú)線電波的部分遮蔽或全遮蔽現(xiàn)象是與其傳播特性密切相關(guān)的。當(dāng)發(fā)生部分遮蔽時(shí)，短波低頻段的無(wú)線電信號(hào)在E層高度被反射，無(wú)法穿透Es到達(dá)電離層F層，從而導(dǎo)致其傳播距離低于預(yù)期（只考慮1次反射），以至于正常利用F層反射傳播的無(wú)線電系統(tǒng)最低可用頻率增加，可用頻段變窄。當(dāng)發(fā)生全遮蔽時(shí)，無(wú)線電系統(tǒng)信號(hào)完全被Es層散射，以至于系統(tǒng)常規(guī)的選頻業(yè)務(wù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

在研究電離層Es特征時(shí)，常用其臨界頻率oEs或遮蔽頻率bEs。由于對(duì)無(wú)線電波的反射機(jī)制的不同，oEs或bEs并不能代表Es的等離子體頻率。20世紀(jì)60年代的火箭搭載試驗(yàn)表明[8-9]，bEs比Es的峰值等離子體頻率略小，oEs則高于后者。這表明利用oEs或bEs研究幾乎具有等價(jià)性。大量研究表明，電離層Es具有明顯的日變化和季節(jié)變化特性，以及有顯著的地域特征，其特征頻率一般在白天和夏季具有極大值。文獻(xiàn)[3]通過(guò)分析全球垂測(cè)電離圖觀測(cè)特征及VHF頻段超視距傳播現(xiàn)象，提出了電離層“遠(yuǎn)東異常”現(xiàn)象，即在遠(yuǎn)東中低緯地區(qū)，夏季電離層Es的出現(xiàn)率特別高，強(qiáng)度特別強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同緯度其他地區(qū)。后續(xù)研究證實(shí)了該現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)我國(guó)重慶、蘭州、廣州等地區(qū)同樣表現(xiàn)出超高的Es出現(xiàn)率[10-13]。分析認(rèn)為，地磁場(chǎng)水平分量的地區(qū)異常是電離層Es出現(xiàn)率地區(qū)差異的重要原因。

圖1 發(fā)生Es時(shí)的垂測(cè)電離圖及相關(guān)參數(shù)

由于對(duì)Es的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演化特性認(rèn)知不夠，目前主要是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出其傳播模型[14-15]，還很難界定Es散射和反射機(jī)制的相對(duì)重要性[16-18]。從現(xiàn)象學(xué)上講，垂測(cè)電離圖上的Es遮蔽特性能在一定程度上（至少在短波頻段）反映其對(duì)無(wú)線電波的散射和反射效果。中國(guó)電波傳播研究所在重慶長(zhǎng)期開展了電離層垂直探測(cè)試驗(yàn)，積累了大量歷史數(shù)據(jù)。本文利用該站的電離層垂測(cè)歷史數(shù)據(jù)，分析了重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性，并用短波傳輸試驗(yàn)鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)論能為相關(guān)無(wú)線電系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)電波傳播研究所在重慶部署了電離層垂測(cè)儀，在新鄉(xiāng)–昆明架設(shè)了短波無(wú)線傳輸試驗(yàn)鏈路，長(zhǎng)期開展觀測(cè)試驗(yàn)，目前已積累了大量數(shù)據(jù)。電離層垂測(cè)儀通過(guò)掃頻探測(cè)方式獲得1.5～30 MHz的垂測(cè)電離圖，對(duì)其進(jìn)行處理后，提取了oEs、bEs、oF2等特征參數(shù)，獲取頻次為每小時(shí)1組。短波無(wú)線傳播試驗(yàn)鏈路同樣通過(guò)掃頻方式，每小時(shí)獲得1組1.5～30 MHz的斜測(cè)電離圖，提取了F層最低和最高可用頻率LUF-F和MUF-F，E層最高可用頻率MUF-E。此外，考慮到電離層Es與太陽(yáng)活動(dòng)存在長(zhǎng)期相關(guān)性[12,19]，為了避免數(shù)據(jù)選取對(duì)結(jié)論的影響，本研究利用2008—2018年期間共11年的數(shù)據(jù)，基本覆蓋了1個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周。考慮到能對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)產(chǎn)生影響的Es都比較強(qiáng)，研究中略去了oEs（bEs）<1.5 MHz的數(shù)據(jù)。在驗(yàn)證電離層Es對(duì)短波傳輸鏈路可用頻率的影響時(shí)，選取了2016—2018年期間新鄉(xiāng)–昆明短波無(wú)線傳輸?shù)脑囼?yàn)鏈路數(shù)據(jù)。該鏈路中點(diǎn)與重慶站的位置較為接近，可作為重慶地區(qū)發(fā)生電離Es遮蔽時(shí)傳播效應(yīng)分析的參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 Es的發(fā)生規(guī)律

2008—2018年期間重慶站電離層Es的特征參數(shù)分布情況如圖2所示，其中空白表示沒(méi)有Es發(fā)生，或者Es很弱。從圖2中可以看出，重慶站附近電離層Es主要發(fā)生在夏季白天，并能延續(xù)到午夜前后，而在冬季夜間則很少發(fā)生。相對(duì)來(lái)講，太陽(yáng)活動(dòng)低年（如2009年）的Es略強(qiáng)，表現(xiàn)為oEs和bEs的值高于太陽(yáng)活動(dòng)高年（如2013年）。這些結(jié)果與前人對(duì)中緯度地區(qū)強(qiáng)Es發(fā)生概率及Es強(qiáng)度的研究結(jié)果[10-12,19]相吻合。2016年以來(lái)，隨著太陽(yáng)活動(dòng)的減弱（太陽(yáng)黑子數(shù)的12月滑動(dòng)均值不超過(guò)40），電離層Es在夜間的發(fā)生頻次和強(qiáng)度均比前幾年高。

圖2 重慶站電離層Es的特征參數(shù)分布

早期研究認(rèn)為，風(fēng)剪切是電離層Es形成的主要原因[20]。在大氣潮汐或重力波產(chǎn)生的緯向風(fēng)作用下，電離層中的離子在垂直風(fēng)的剪切作用下被壓縮到一個(gè)薄層中，從而形成電離層Es。然而，該理論不能解釋中低緯地區(qū)夏季Es的異常增強(qiáng)現(xiàn)象。近期研究認(rèn)為，平流層風(fēng)場(chǎng)[21]和行星波對(duì)中低緯電離層Es的形成及變化起關(guān)鍵作用[22-24]。行星波在夏季達(dá)到最強(qiáng)，它能引起電離層中同周期的擾動(dòng)，從而造成夏季Es的頻發(fā)，該理論也可用于解釋重慶站電離層Es的季節(jié)變化特性。另一方面，太陽(yáng)活動(dòng)低年，電離層電子密度整體上偏低，平流層風(fēng)場(chǎng)和行星波對(duì)電離層的影響相對(duì)變強(qiáng)，特別是在夜間，這可能是太陽(yáng)2016—2018年夜間電離層Es頻發(fā)的原因。文獻(xiàn)[24]指出，赤道地區(qū)平流層緯向風(fēng)場(chǎng)中存在準(zhǔn)兩年振蕩現(xiàn)象，這也是造成低緯電離層Es長(zhǎng)期變化的誘因。然而，本研究并未發(fā)現(xiàn)在重慶地區(qū)存在類似的現(xiàn)象，表明該地區(qū)已處于低緯向中緯過(guò)渡區(qū)域，電離層Es受赤道地區(qū)平流層大氣活動(dòng)的控制較弱。

2.2 Es的遮蔽性

考慮到電離層Es總體上隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化不大，主要表現(xiàn)出隨季節(jié)和地方時(shí)的變化特性。以下以不同月份和地方時(shí)的平均值為參考，研究電離層Es的遮蔽特性。

oEs、bEs和oF2的平均值由式（1）獲得。

根據(jù)文獻(xiàn)[25]，定義遮蔽因子為：

(,)用來(lái)表示電離層Es對(duì)F層的遮蔽性，當(dāng)全遮蔽時(shí)，令(,)=1。遮蔽因子反映了電離層Es對(duì)其上面分層的遮蔽效果，當(dāng)bEs<1.5 MHz或不存在Es時(shí)，(,)=0。

不同月份和地方時(shí)oEs和遮蔽因子的變化如圖3所示。從圖3中可以看出，用oEs表示的重慶地區(qū)電離層Es平均峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在夏季的白天，特別是6月份的地方時(shí)10點(diǎn)前后，最大值約為8 MHz。即使到了夜間，6月份前后的oEs仍顯著高于其他季節(jié)。到了春秋季和冬季，電離層Es的發(fā)生頻次和平均強(qiáng)度快速下降，特別是在冬季，oEs一般不超過(guò)3 MHz。這與文獻(xiàn)[25]中對(duì)拉薩、海口等地的分析結(jié)果類似。另一方面，遮蔽因子的最大值與之稍有不同，峰值出現(xiàn)在7月份，最大值約為0.8，而到了春秋季和冬季，遮蔽因子一般不超過(guò)0.4。如上所述，電離層Es在夏季達(dá)到極大值[22]，此時(shí)垂直風(fēng)剪切導(dǎo)致Es內(nèi)的電子密度具有更強(qiáng)的散射性。受熱層大氣環(huán)流導(dǎo)致的電離層F層夏季異常的影響，此時(shí)oF2處于全年中較低的值。由此，導(dǎo)致遮蔽因子在夏季更大些。到了春秋季和冬季，隨著電離層Es的變?nèi)酰诒我蜃右搽S之變小。在凌晨4點(diǎn)前后，遮蔽因子有1個(gè)次峰值，其在夏季可達(dá)0.5，在冬季甚至超過(guò)了0.6。與oF2數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，造成該現(xiàn)象的主要原因是oF2在此時(shí)達(dá)到每天的最低值，盡管oEs的值并不高，但也能造成遮蔽因子的增加。

對(duì)短波鏈路而言，若oEs遠(yuǎn)低于oF2，短波信號(hào)將主要通過(guò)電離層F層反射傳輸，這是短波無(wú)線電系統(tǒng)進(jìn)行頻率選擇時(shí)主要考慮的傳輸模式。當(dāng)oEs的遮蔽性較強(qiáng)時(shí)，短波低頻段的信號(hào)將被Es散射，而無(wú)法到達(dá)F層，使得F層傳輸?shù)淖畹涂捎妙l率增加，可用頻段變窄。當(dāng)遮蔽因子較大時(shí)，短波信號(hào)將有很大的可能性被電離層Es反射（或散射），導(dǎo)致其傳輸距離下降，這會(huì)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的使用造成不利影響。

圖3 foEs的平均值和遮蔽因子隨月份和地方時(shí)的變化

2.3 全遮蔽Es統(tǒng)計(jì)特性

當(dāng)發(fā)生全遮蔽Es時(shí)，高頻電波幾乎無(wú)法穿透Es到達(dá)其上的各層，使得系統(tǒng)原有的頻率選擇方法不可用。由于此時(shí)沒(méi)有F層電波傳播模式，在垂測(cè)電離圖上表現(xiàn)為F層反射描跡缺失。考慮到Es主要發(fā)生在夏季，秋冬季較少，本文主要以夏季（5—8月）為例，研究全遮蔽Es的分布特性。夏季全遮蔽Es的發(fā)生率及oEs平均值分布如圖4所示。可以看出，夏季全遮蔽Es可以發(fā)生在各個(gè)地方時(shí)，平均發(fā)生率約為10%，發(fā)生率峰值在8—10點(diǎn)之間，最大值約為21%。到了夜間，全遮蔽Es的發(fā)生率普遍低于10%，甚至在20點(diǎn)降至4%。與之對(duì)應(yīng)的是，oEs在整個(gè)白天幾乎能維持在較高值，其平均值約為11 MHz，而到了凌晨前后，oEs降至8 MHz以下。這表明，當(dāng)發(fā)生全遮蔽Es時(shí)，電離層能反射短波信號(hào)的最高頻率能穩(wěn)定在較高值，特別是在白天。即使到了夜間oEs下降時(shí)，全遮蔽Es也能比部分遮蔽甚至無(wú)Es時(shí)反射更高頻率的短波信號(hào)。此時(shí)，系統(tǒng)仍可利用Es層散射信號(hào)工作，但其傳輸距離將會(huì)變小。

2.4 強(qiáng)Es時(shí)的短波鏈路最高可用頻率

以往研究證實(shí)[4-5]，發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，會(huì)對(duì)短波信號(hào)造成部分遮蔽或全遮蔽，從而導(dǎo)致短波低頻段甚至全頻段信號(hào)的傳輸距離大幅下降。以電離層Es的反射高度為160 km，F(xiàn)層反射高度為300 km估計(jì)，對(duì)仰角為10°的信號(hào)，其被電離層Es和F層反射的距離分別為1 360、2 190 km，可見Es反射明顯抑制了短波信號(hào)的傳輸距離。此外，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，利用F層反射傳播的無(wú)線電系統(tǒng)最低可用頻率增加，使得可用頻段變窄。本文選取了2016—2018年期間夏季新鄉(xiāng)–昆明短波無(wú)線傳輸試驗(yàn)鏈路數(shù)據(jù)，分析發(fā)生強(qiáng)Es（oEs≥5 MHz）時(shí)F層短波最低可用頻率LUF-F相比弱Es（oEs<5 MHz）時(shí)，增量ΔLUF-F隨地方時(shí)的變化，如圖5a所示。可以看出，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，LUF-F的平均值整體上有所增加，增幅最大時(shí)刻在上午，約為2.6 MHz。相對(duì)來(lái)說(shuō)，LUF-F的增幅并不顯著。這表明，在重慶地區(qū)能穿透Es到達(dá)F層的短波鏈路信號(hào)仍然占多數(shù)，這與圖3中Es以部分遮蔽為主的結(jié)果吻合。

圖4 夏季全遮蔽Es的發(fā)生率及foEs平均值分布

另一方面，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，可以散射更寬頻段的信號(hào)。當(dāng)不考慮系統(tǒng)作用距離時(shí)，強(qiáng)Es和弱Es期間夏季新鄉(xiāng)–昆明短波鏈路E層和F層MUF平均值（MUF-Es和MUF-F）隨地方時(shí)的變化如圖5b、c所示。可以看出，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，該鏈路的MUF普遍較高，特別是在白天，其峰值約為28 MHz。該特征與圖4給出的oEs變化特性基本一致。當(dāng)沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，該鏈路的MUF平均值具有明顯的地方時(shí)變化特征，此時(shí)短波鏈路信號(hào)主要通過(guò)電離層F層反射。通過(guò)對(duì)比可以看出，發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，鏈路MUF明顯高于未發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，平均高約10 MHz。這表明，強(qiáng)Es期間，Es的散射可大幅提升短波鏈路的可用頻段。由此可見，在短波無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作選頻中，Es是不可忽略的環(huán)境因素，特別是在夏季。

圖5 新鄉(xiāng)–昆明鏈路短波可用頻率平均值變化曲線

3 結(jié)論

1）重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽程度主要隨地方時(shí)和季節(jié)變化，隨太陽(yáng)活動(dòng)變化較小。Es平均峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在6月份的上午，oEs最大值約為8 MHz。

2）Es的遮蔽程度在夏季的上午達(dá)到最強(qiáng)，在春秋季較弱。遮蔽因子的平均峰值出現(xiàn)在7月份，最大值約為0.8。在夏季，全遮蔽Es可發(fā)生在各地方時(shí)，平均發(fā)生率約為10%，峰值出現(xiàn)在上午，最大值約為21%。

3）強(qiáng)Es期間，利用F層反射傳播的無(wú)線電系統(tǒng)最低可用頻率增加，使得系統(tǒng)可用頻段變窄。以新鄉(xiāng)–昆明短波鏈路為例，發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)，該鏈路的LUF-F平均值最高增加約2.6 MHz。此時(shí)，利用Es散射的短波鏈路MUF大幅上升，比未發(fā)生強(qiáng)Es時(shí)平均高約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.

馬麗（1988—），女。

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

通訊作者：岳甫璐（1989—），男，碩士。

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

李筱, 馬麗, 岳甫璐.重慶地區(qū)電離層Es的遮蔽特性研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(2): 125-131.

P352

A

1672-9242(2023)02-0125-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.017

2021–09–24；

2022–03–31

中國(guó)電波傳播研究所穩(wěn)定支持科研經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（A132111W01）

Fund：Stable-Support Scientific Project of China Research Institute of Radiowave Propagation (A132111W01)

李筱（1988—），女。

LI Xiao, MA Li, YUE Fu-lu. Obscure Properties of Ionospheric Sporadic-E over Chongqing[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 125-131.

責(zé)任編輯：劉世忠