基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率.pdf
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1、(https:/creativecommons.org)/licenses/by/4.0/)The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License2023,43(4):609-617.D0I:10.13.04.2022-0028Occurrence Rate Based on theoftheJiamusi Radar and Hokkaido East Radar(in Chinese).ChineseournalotnaceocienceWANGWei,ZHAIiaojiao,WANG Chi
2、,DENG Xiang,LAN Ailan,YAN Jingye.Comparison of Characteristics of F-region Irregularities Scattering0254-6124/2023/43(4)-0609-09Chin.J.SpaceSci.空间科学学报基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率*王玮 1.2张夜夜1,2王赤 1,2邓翔1蓝爱兰1阎敬业11(中国科学院国家空间科学中心空间天气国家重点实验室北京1 0 0 1 9 0)2(中国科学院大学北京100049)摘要利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据,对2 0 1 8
3、 年3月至2 0 1 9 年1 1 月期间两部雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征进行了对比分析。比较了在地磁平静期(Kp3)的不规则体回波发生率变化特征,分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45-6 4MLAT范围内普遍存在,其中55一6 4MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45一54MLAT的地区,除了春秋分季外,地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。关键词中纬度电离层F层,电离层不规则体,地磁活动,回波发生率中图分类号P352Comparison of Cha
4、racteristics of F-regionIrregularities Scattering Occurrence Rate Based onthe Observation of the Jiamusi Radar andHokkaido East RadarWANG Weil.2ZHANG Jiaojiaol.2WANG Chil,2DENG XiangLAN AilanYAN Jingye11(State Key Laboratory of Space Weather,National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,
5、Beijing 100190)2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049)*国家自然科学基金项目(41 7 31 0 7 0,42 1 7 42 1 0),中国科学院前沿科学重点研究计划项目(QYZDJ-SSW-JSC028)和中国科学院空间科学战略性先导科技专项项目(XDA15052500)共同资助2022-06-17收到原稿,2 0 2 2-0 8-1 5收到修定稿E-mail:6102023,43(4)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报AbstractDistribution of the ionosphe
6、ric irregularities scattering occurrence rate was investigated us-ing data from March 2018 to November 2019,which were observed by the SuperDARN Jiamusi andHokkaido East radars.The irregularities scattering occurrence rate have been statistically compared inthe geomagnetic quiet period(Kp 3),obtaine
7、d the vari-ation characteristics of the irregularities scattering occurrence rate depending on magnetic latitude andMLT,and analyzed the characteristics of the occurrence rate enhancement phenomenon in the dusk sideand dawn side.The enhancement of the dusk side occurrence rate was widespread in the
8、range of45-64 MLAT,and the occurrence rate in the subauroral region was significantly enhanced during themagnetic disturbed period.The enhancement of the dawn side occurrence rate is mainly distributed inareas below 55 MLAT,and the enhancement of the geomagnetic disturbance has a weak effect on it e
9、x-cept in equinox.The dayside occurrence rate in middle magnetic latitude is less affected by geomagneticdisturbance.Key wordsMid-latitude ionospheric F region,Ionospheric irregularities,Geomagnetic activity,Scattering occurrence rate0引言电离层不规则体指的是电离层中不均匀的块状电离结构,在电离层中普遍存在,对无线电波的传播存在显著影响。电离层通过磁力线与磁层、热
10、层连接,在不同高度的大气层间传输物质与能量,研究电离层不规则体有利于推进热层-电离层-磁层耦合系统中的物理过程的研究。而电离层不规则体的产生机制非常复杂,与电子密度、电场、风场、背景地磁场、重力波、太阳活动等多种因素有关。当这些宏观物理参数偏离平衡状态后,产生的等离子体不稳定性是产生电离层不规则体的主要机制。当高频相干散射雷达发射的电磁波信号与分米尺度的场向不规则体(Field-AlignedIrregularity,FAI)相遇时,如果信号传播方向与不规则体结构垂直,则雷达接收机可以接收到不规则体的散射信号。从高频相干散射雷达的回波信号中可以得到扫描方向上观测目标的多普勒速度、多普勒谱宽和信
11、噪比。高频相干散射雷达的回波信号既与电离层不规则体有关,又与高频信号传播条件有关。因此,回波发生率,也就是电离层不规则体回波信号数占雷达总回波信号数中的百分比,低于真实的电离层不规则体发生率,反映了其数值范围的最小值边界。这一参数可以提供研究电离层不规则体的分布特征与产生机制的重要信息4,5国际超级双极光雷达网(SuperDualAuroralRadar Network,SuperDARN)是一个由位于南北半球中高纬地区的30 余台高频相干散射雷达组成的国际合作研究组织-。Ruohoniemi 等利用 Super-DARNGoose Bay雷达平静期的数据进行统计研究,发现在冬季附近,昏侧亚极
12、光区存在特殊的回波现象(Dusk Event,DUSE)。该现象通常发生在天顶角95附近,纬度低于极光椭圆卵的赤道向。Ruohonie-mi和Greenwaldl7利用5.5年Goose Bay雷达的观测数据对回波发生率进行了统计分析,发现其存在季节变化特征,并受到太阳活动周期的影响。Milan等8 利用Iceland-East雷达和Finland雷达组的数据进行研究,发现电离层不规则体在冬季多发生在日侧极尖区,在夏季多发生在夜侧极光椭圆卵范围内。Parkinson等9 利用Tasmania雷达的观测数据对南半球亚极光区电离层不规则体回波的分布特征进行统计研究,发现该区域的雷达回波发生率存在季
13、节变化和地磁依赖。回波信号的季节变化相对较弱,主要体现在夜间出现较强回波发生率的时间不同,夏季较强回波发生率的持续时间最短,且不存在昏侧较高纬度的发生率增强区域。观测中,发生率峰值总是出现在磁地方时的午夜附近,且随着地磁扰动的增强而增强。Hosokawa等1 0 利用6 台北半球SuperDARN雷达数据的统计研究发现昏侧回波事件的分布区域611玮等:基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率位于中纬槽附近。另外,该项研究同时也发现在晨侧同样存在回波增强事件。文章提出了数种理论来解释这一现象,并认为电场和等离子体密度梯度的共同作用是最有可能的机制。利用SuperDARNRanki
14、nInlet和Inuvik雷达以及加拿大雷索雷特湾(ResoluteBay,RB)先进数字电离层探空仪的联合观测,Koustov等评估了电离层F层的电子密度峰值和电场强度对加拿大雷索雷特湾先进数字电离层探测仪回波探测的影响,认为雷达信号到反射体路径上的传播条件对观测存在影响。这些雷达数据也显示出电离层的回波发生具有日变化和季节变化特征。早期的研究主要利用高纬雷达数据对电离层不规则体的分布特征与产生机制进行研究,随着近年来中纬SuperDARN雷达的建立,对于中纬区域电离层不规则体的研究也进一步开展。Hosokawa 等1 2 利用HokkaidoEast(HOK)雷达2 0 0 7 年4月的观
15、测数据对雷达回波发生率的分布进行了统计分析。该雷达相对此前建立的其他北半球中纬SuperDARN雷达的磁纬度更低。结果表明,DUSE发生区域与中纬槽的向阳边界处的电子密度梯度密切相关。目前,对于回波增强现象的研究受限于雷达纬度位置,研究尚不完善,同时对于中纬区域的回波发生率分布情况的认识尚不充分。本文使用中国首部自主研发的高频相干散射雷达佳木斯雷达(Jiamusi,JME)和日本北海道东雷达(HokkaidoEast,H O K)2018年3月至2 0 1 9 年1 1 月的观测数据,对中纬度地区电离层F层回波发生率的变化情况进行分析和对比研究。1雷达与数据1.1JME雷达与HOK雷达建立Su
16、perDARN雷达网最初的目的是观测两极地区的等离子体对流,因此所有早期的Super-DARN雷达都位于高纬地区。其中在“十五”能力建设和子午工程空间天气监测项目的支持下,中国在南极地区架设的唯一的一部高频雷达-中山站(Zhongshan,Z H O)雷达于2 0 1 0 年4月建成并投人使用,主要观测极区电离层对流。该雷达的建立为高纬电离层不规则体的研究提供了新的数据1 4.1 3。然而,在磁暴和亚暴期间,由于极光卵向赤道方向的扩张通常可以达到中纬度地区,高纬度的雷达无法观测到完整的对流过程。此后中纬SuperDARN雷达逐步建立,使得SuperDARN雷达网可以观测到磁暴和亚暴活动期间的中
17、纬等离子体对流过程。Su-perDARN北半球雷达的视野分布如图1 所示,其中用较粗的黑色线条标明的区域为JME雷达和HOK雷达视野。本文研究主要使用的是JME和HOK两部雷达的数据。JME雷达是在国家高技术研究发展计划支持下,由中国科学院国家空间科学中心自主研发的首部高频相干散射雷达。JME雷达于2 0 2 0 年6 月加人SuperDARN雷达网组织,截至目前为该网络最新的一台雷达。该雷达主要用于观测中国中纬度至极区的电离层不规则体。JME雷达视野覆盖了此前Su-perDARN雷达网络缺失的部分中纬度区域,改善了电离层对流模式的观测1 4。其遵循SuperDARN雷达的基本设计原则,与此前
18、建立的中山站雷达相比,JME雷达在硬件设计中采用了基于现场可编程门阵列的数字波束形成(Digital BeamForming,DBF)技术,使得波束方向控制比以前的时间延迟控制更加灵活1 5JME雷达位于地理坐标46.8 N,1 30.5E,对应于地磁坐标41.8 N,1 55.1 W。雷达的法向方向为地理坐标系下的北偏东44。雷达共有2 4个扫描波束,每个波束之间间隔3.2 5。传统的SuperDARN雷达有三种操作模式,分别为普通模式,特殊模式和自由操作模式,其中普通模式下雷达网络中的所有雷达以统一的扫描周期,按照0 波束至2 3波束的方向逐步进行扫描;特殊模式下所有雷达同样保持统一扫描模
19、式,但是不同波束的扫描周期存在差异;自由操作模式下各雷达可以单独设置扫描方式。本次研究中使用的数据为普通模式下的观测数据。该模式下雷达在每个波束方向上收到回波信号需要7 s,一个完整的扫描过程需要2 min。每个波束在雷达普通模式下的距离分辨率为45km1距离门),共有7 5个距离门。雷达主要的观测参数为扫描波束视线方向上的不规则体漂移速度、信噪比以及多普勒谱宽。HOK雷达位于地理坐标43.53N,1 43.6 1 E,对应于地磁坐标37.3N,1 44.9 W,于2 0 0 6 年1 2 月建成并投人使用。在普通模式下,HOK雷达沿1 6 个方向发射高频信号,每个波束之间的方位角夹角为612
20、2023,43(4)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报Northern hemisphereHOKHigh-latitudeJMEHKWMid-latitudePolar capADWADKSRHANKODLYRINVCLYPGRSTOPYKRKNSASCVWCVEKAPGBRFHWFHEWALBKS-45-30-1501535Altitude Adjusted Corrected Geomagnetic(AACGM)coordinates/()图1北半球SuperDARN雷达视野(粗黑线标出部分为JME雷达和HOK雷达视场)Fig.1Field of view of SuperDA
21、RN radars in the northern hemisphere(The areas marked byblack solid lines are field of view of Radar JME and HOK)3.25,法向方向为地理坐标系下的北偏东30,距离分辨率与JME雷达相同,均为45km。H O K 雷达与JME雷达相距约1 0 0 0 km。1.2数据与处理方法使用的雷达数据来源于SuperDARN雷达网中国国家空间科学数据中心镜像站,其数据的时间分辨率为1 min,距离分辨率为45km。3h 的Kp指数可以用来表示地磁活动水平,数据来源于京都世界地磁数据中心*。由于
22、雷达的回波信号中组成成分复杂,在研究过程中进行进一步的数据筛选是有必要的。在雷达收到的回波信号中存在两种常见的类型,即地面/海面回波和电离层回波,其中电离层回波信号中又分为E层回波与F层回波。对雷达数据进行处理时,首先需要剔除地面回波与海面回波信号。这些回波信号的特点是视线速度较慢,多普勒谱宽较低,信噪比较https:/ 0,(1)p3dB.(2)可以认为此信号为地面或者海面回波1 0,1 6,式中为观测中的多普勒速度,W为多普勒谱宽,p为信噪比,在SuperDARN软件的当前版本中,多普勒速度最大值Umax被设置为30 ms,多普勒谱宽最大值Wmax被设置为 9 0 ms。研究主要关注电离层
23、F层的不规则体信号,因此需要将雷达回波中来自E层的数据筛除。一般认为,当回波信号距离雷达6 0 0 km以上时,可以被认为是来自电离层F层的回波信号。本文在进行数据处理时选择距离雷达1 5距离门以上的回波,也就是回波距离大于6 7 5km的信号。在统计过程中采用AACGM(Altitude Adjusted Corrected Geomagne-土613玮等:基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率tic)坐标系,将雷达所有波束的数据划分到各个单元格内进行计算,每个单元格为1 2 min1MLAT。然后计算每个单元格内的电离层F层回波总数NF以及雷达总回波数No,用以下公式计算
24、可得到如下雷达回波发生率:NFR=100%.N2统计结果与分析2.1雷达回波发生率的分布特征对JME雷达和HOK雷达2 0 1 8 年3月至2019年1 1 月在夏季、春秋分季和冬季(夏季为5,6,7,8月;春秋分季为3,4,9,1 0 月;冬季为1,2,1 1,12月)的雷达回波发生率在地磁扰动期(Kp3)与地磁平静期(Kp3)的分布进行统计分析,结果如图2 和图3所示。图中坐标系为AACGM坐标,其Geomagnetic(a)Geomagnetic(b)quiet timedisturbedtimeKp312:0012:0065432118:0006:008707060505000:00
25、MLT00:00MLTEquinox12:0012:0065432118:0006:0080707080505000:00MLT00:00 MLTWinter12:0012:0065432118:0006:0080505000:00MLT00:00 MLT图22018年3月至2 0 1 9 年1 1 月不同季节JME雷达在地磁平静期和扰动期的回波发生率分布Fig.22Distribution of scattering occurrence rate ofthe JME radar in three seasons during geomagneticquiet time and distur
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