一种表征强Es不均匀体的指数

2021-11-26

电离层偶发E层（Sporadic E layer，简称Es层）,存在于地面上方90-130 km以内的空间区域，是在风剪切作用下形成的密度显著高于周边区域的金属离子层。由于风剪切结构受到多种物理机制的调制，因此Es层内常伴随有各种尺度的不均匀结构。在之前的研究中，孙文杰等（2018, 2020, 2021，JGR）开发了从GNSS TEC数据中提取Es扰动的方法，并基于统计研究得到了大尺度（大于1000 km）强Es的形态结构（多为西北-东南向延展的带状结构）、运动特性（以30-210m/s的速度向西南方向漂移）和主要的产生源区（20°-45°N/100°-125°E）。然而，在Es大尺度形态的内部，还伴有各种小尺度的精细不均匀结构，这些小尺度不均匀结构使得Es内部具有复杂的形态特征和物理特性。另一方面，基于GNSS观测数据定义的电离层指数多适用于F区不均匀体，如在赤道等离子体泡研究中常用的ROTI指数和幅度闪烁指数S4，由于其较低的时间分辨率（5分钟）或对Es较低的敏感度，不适用于表征具有精细小尺度结构的Es不均匀体。

在中科院地质与地球物理研究所实验技术创新基金支持下，空间环境探测实验室研发了一套可获得高时间分辨率TEC和闪烁指数的GNSS观测系统，并将该系统应用在电离层不均匀体和闪烁观测网（IONISE）的建设中。该观测系统在IONISE观测网中主要沿23°N和110°E架设，并在磁赤道区建有观测点（如图1所示）。他们在该研究中利用观测网1秒分辨率的TEC，提出了一种高时间分辨率（30秒）的Es指数HR-ROTI。图2所示为该Es指数与传统的电离层指数在强Es观测中的对比。由图2可见，强Es结构引起的TEC扰动多为几分钟左右的毛刺状突起，相比于其他指数，HR-ROTI能完美地捕捉和表征小尺度Es不均匀体扰动的形态，并能在毛刺状扰动连续出现时将其清晰分辨。

图1 本研究用到的仪器站点分布（MLat为磁dip latitude）

图2 强Es事件中的(a) 1秒分辨率TEC与S4指数，(b) 传统ROTI指数和本研究提出的Es指数（HR-ROTI）

利用该Es指数，孙文杰等综合多站点观测数据，对小尺度Es不均匀体结构的空间尺度和间隔进行了统计研究（图3）。统计结果显示，小尺度Es不均匀体结构的典型时间尺度和时间间隔分别约为2分钟和2-4.5分钟，根据以往研究中Es的典型漂移速度60m/s，得到小尺度Es不均匀结构的典型空间尺度和空间间隔（周期）分别约为7km和7-16km，而传统的电离层指数ROTI 由于较低的时间分辨率并不能得到Es结构内部小尺度不均匀体的空间信息。结合北京和三亚的测高仪观测结果，他们进一步研究了强Es不均匀体在不同纬度对GNSS信号闪烁的影响（图4）。结果表明，虽然Es层密度高，但由于其厚度小，因此引起信号幅度闪烁的概率较低；由于卫星信号在更高的纬度拥有更低的仰角，信号在Es层内经过的路径更长，因此在中纬（北京）和低纬（三亚）强Es引起幅度闪烁的概率分别为37%和12%。

图3 由Es指数（上）和ROTI（下）得到的Es不均匀结构的典型时间尺度（左）和不均匀结构之间的典型时间间隔（右）

图4 北京（上）和三亚（下）Es指数与foEs（左）和幅度闪烁指数S4（右）的统计关系

该研究首次利用高时间分辨率TEC提出了一种表征强Es不均匀体的指数，利用该指数分析得到了Es不均匀体内部小尺度结构的典型空间尺寸和空间间隔，研究结果不仅与以往的雷达（VHF雷达、InSAR雷达等）观测相吻合，还为KH不稳定性调制小尺度Es结构的理论研究提供了观测支撑。

研究成果发表于空间物理学国际学术期刊JGR: Space Physics（孙文杰，胡连欢，杨雨嫣，赵秀宽，杨思朋，解海永，李怡，刘立波，宁百齐，李国主*. Occurrence of regional strong Es irregularities and corresponding scintillations characterized using a high-temporal-resolution GNSS network [J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2021,126(11): e2021JA029460. DOI: 10.1029/2021JA029460）。成果受国家自然科学基金（No. 42020104002, 41727803, 42074190, 41904141）、中科院国际合作项目、中科院日地网和子午工程等联合资助。