基于全天空雷达的低纬电离层E区不均匀体空间结构观测研究 |孙文杰/刘建飞等-GRL & JGR

电离层E区不均匀体是存在于地球近地空间（90-130km）的密度不均匀结构，会使经过其中的无线电波发生反射、折射或散射，引起信号抖动（闪烁），对通讯、导航、卫星定位等产生严重影响。对E区不均匀体进行探测，得到其发生规律、形态结构、漂移运动和演变过程等，对于认识近地空间的物质结构和物理过程有重要作用，并可优化电离层模型与电波传播模型，进而应用于各类军事和民用领域，具有重要的科学意义与应用价值。

在国内外研究中，E区不均匀体一般利用窄波束甚高频（VHF）相干散射雷达探测得到，该雷达基于较大规模的天线阵列，将功率集中于较窄的波束范围内，在垂直于磁力线的方位上进行探测，可得到E区不均匀体的后向散射回波。根据雷达回波的形态，E区不均匀体主要分为连续型和准周期型。基于窄波束VHF雷达空间干涉定位技术，以往的研究发现连续型E区不均匀体一般对应于雷达上空的潮汐Es层大片结构，而准周期型E区不均匀体一般对应于空间上相互分离的不均匀体散块结构。然而，由于窄波束VHF雷达探测视场有限，仅能观测到来自于固定方位的不均匀体回波，无法在大范围内得到E区不均匀体的空间结构并追踪其漂移运动和形态演变。

中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室孙文杰和刘建飞等，基于同样工作于VHF波段的全天空雷达进行技术开发，发展了利用全天空雷达在大视场范围内探测E区不均匀体的能力。图1a所示彩色区域为位于海南乐东的MIOS（Meteor and ionospheric Irregularity multi-wavelength Observation System，流星不均匀体多波段观测系统）全天空雷达探测E区场向不均匀体的视场，黑色虚线为窄波束VHF雷达多个波位的探测方向。由图可见，相比于窄波束VHF雷达仅能在固定波位的较窄范围内进行探测，全天空雷达可以在东西方向跨越500km左右的范围内观测到E区不均匀体。进一步，基于全天空雷达独特的接收天线阵列（图1b）进行干涉定位，可获得E区不均匀体的空间位置。

图1 （a）乐东MIOS全天空雷达观测E区场向不均匀体的视场（彩色条带）；（b）全天空雷达接收天线阵列

基于海南乐东的MIOS全天空雷达，孙文杰等人首次报道了E区不均匀体的大尺度波状结构。如图2所示，该结构在东西方向上跨越约250km，其水平波长为20-70km，在垂直和水平方向上的波动幅度分别约为5km和2km。该E区不均匀体大尺度波状结构最终分裂为多个小尺度的E区不均匀体散块后消失。分析认为，该波状结构可能为介于连续型和准周期型E区不均匀体的中间暂态。结合风场、测高仪等探测手段的分析发现，这种大尺度E区不均匀体波状结构可能是由重力波调制偶发E层（Es）产生。

图2 乐东MIOS全天空雷达在不同时刻观测到的E区不均匀体波状结构（左）水平空间位置和（右）回波到达角

为进一步得到E区不均匀体在垂直方向上的空间结构，刘建飞和孙文杰等人继而观测研究发现，E区不均匀体在垂直方向上可表现为双层结构，如图3所示。在该事例中，E区不均匀体分别出现在约90km和110km的不同高度上，纬向覆盖超过250km的范围；两层E区不均匀体均出现在垂直于磁力线的方位，为场向不均匀体；在水平方向上，两层E区不均匀体可在同一水平位置的不同高度上同步体现为准周期型散块结构（如图3g-图3h）或波状结构（如图3i）。结合全天空雷达和ICON卫星在不同高度的风场观测（图4），发现在双层E区不均匀体出现的两个高度范围内，均存在适合Es层产生的风剪切结构。分析认为，在Es层提供的电子密度梯度下，该风剪切结构可进一步激发梯度漂移不稳定性，在两个高度上分别形成E区不均匀体，在重力波的作用下，该双层E区不均匀体可进一步被同步调制为波状结构或准周期结构。

图3 全天空雷达观测的E区不均匀体双层结构的（a）回波图、所有时段不均匀体的（b）到达角和（c）空间位置，以及选取的三个典型时刻的（d-f）到达角和（g-i）空间位置

图4 (a-b)全天空雷达观测的80-100 km中性风场，（c）全天空雷达观测视场和ICON卫星经过海南附近时的轨道与视场（灰色阴影区域），以及（d）ICON卫星观测的90 km以上的中性风场。其中黑色箭头指示了适合Es产生的风剪切节点位置

综上，该研究发展了全天空雷达空间干涉探测电离层E区不均匀体的能力，重现了低纬E区不均匀体空间结构的复杂演化过程，捕获了大尺度波状结构等暂态特征，为重力波影响调制E区梯度漂移不稳定性产生空间周期出现的不均匀体提供了重要观测证据。

研究成果发表于国际学术期刊GRL和JGR-Space Physics。成果受国家自然科学基金项目(42020104002)、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目(YSBR-018)、中国科学院国际合作项目(批准号:183311KYSB20200003)和子午工程联合资助。MIOS系统的开发和维护分别得到国家自然科学基金(41727803)和中国科学院日地环境研究网络(STERN)的支持。

1.刘建飞#，孙文杰#（共同一作），李国主*，陈云琳，解海永，胡连欢，李怡，赵秀宽，代国峰，宁百齐，刘立波. Wind Shear Driven Double Layer Structures of E‐Region Irregularities at Low Latitudes[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51 (10): e2023GL107307. DOI:10.1029/2023GL107307.

2.孙文杰，李国主*，韩辰莹，胡连欢，李怡，解海永，赵秀宽，宁百齐，刘立波. Wavelike structures of E region irregularities observed by all-sky radar at low latitude[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2023, 128(10): e2023JA031831. DOI:10.1029/2023JA031831.

编辑：万鹏