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es|JGR：中国区域大尺度强Es结构观测研究

雷达仪器电离层es孙文杰

孙文杰等-JGR：中国区域大尺度强Es结构观测研究
电离层偶发E层（Sporadic E layer ， 简称Es层） ， 存在于地面上方90-130km以内的空间区域 ， 其层内电子密度高 ， 会使经过它的无线电波产生反射、散射或折射 ， 实现远距离高频或甚高频通信 ， 强的Es结构常伴随有各种尺度的电离层E区不规则体 ， 可引起无线电信号闪烁、卫星信号失锁、测距误差等 ， 进而对通信、导航和雷达探测等产生严重影响 。 因此 ， 对Es的时空演变特性研究具有重要的现实意义 ， 是电离层研究的热点之一 。 以往的研究表明 ， 东亚地区是Es的高发地区 。 利用传统探测仪器如电离层测高仪、VHF雷达等 ， 以往的研究得到了Es在雷达探测视场内的形态特征和不同地区的统计发生规律 ， 但限于这些仪器有限的站点分布 ， 无法在较大的空间范围内对Es进行高时空分辨率的观测研究 ， 得到大尺度Es的空间形态、运动特性和演变过程等 。
因此 ， 中科院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室自2017年起着手在南中国及周边地区建立具有多种探测仪器的电离层不规则体和闪烁观测网（IONISE ， http://ionise.geophys.ac.cn/） ， 致力于南中国及周边多种尺度多种类型的电离层扰动和不规则结构的探测研究 。 截至目前 ， 该网络主要包含三条分别沿着北纬40°、北纬23°和东经110°架设的GNSS TEC/闪烁观测链、多基站PDI测高仪观测阵和低纬双基站VHF雷达 ， 以及多种补充仪器和多个补充站点（图1） 。
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图1 IONISE观测网站点和仪器分布
利用IONISE观测网的综合观测数据 ， 空间环境探测实验室开发了从GNSS TEC数据中提取强Es扰动并映射到二维地图从而获得其形态结构和运动特性的方法 。 利用多种观测仪器对典型事例的联合探测发现 ， 强Es结构可在中国中纬地区产生 ， 漂移数千公里到达低纬地区（图2） ， 在经过三亚的VHF雷达探测视场时 ， 会在雷达的视距-时间-强度（RTI）图像中形成独特的V形后向散射回波（图3） ， 回波左翼（右翼）对应负（正）的多普勒速度 。 这种回波不同于雷达以往常规探测到的E区连续性回波或准周期回波 ， 而是由于Es结构的漂移、Es层内陡峭的电子密度梯度以及雷达的宽波束及旁瓣探测等多重原因综合所致 。
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图2 从TEC数据提取得到强Es形态结构和运动特性的典型事例 。 (a) 测高仪观测到的Es临界频率；(b) 强Es在TEC中引起的扰动及扰动的提取；(c) 将Es扰动映射在二维地图得到的Es形态结构及漂移
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图3 强Es结构经过VHF雷达时产生的V形回波 。 (a) 回波信噪比；(b) 回波多普勒速度；(c) 回波谱宽
【es|JGR：中国区域大尺度强Es结构观测研究】结合国内其他观测网的数据 ， 他们对中国地区的大尺度强Es结构进行了统计探测研究 。 研究发现 ， 中国地区的大尺度强Es结构常为带状形态 ， 多沿着西北-东南方向或东-西方向延展 ， 延展尺度可达1000-3000 km 。 这种大尺度带状强Es结构多形成于20°-45°N/100°-125°E区域上空 ， 并以30-210m/s的速度向西南方向漂移（图4） 。 结合以往的文献对低层大气波动及重力波源区的研究进行分析后推测 ， 在中国地区观测到的大尺度强Es结构可能是在重力波调制的潮汐风剪切作用下形成 ， 而调制产生大尺度强Es结构的重力波的源区可能与青藏高原独特的地势产生的低层大气对流有密切关系 。
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图4 中国地区大尺度强Es结构统计结果 。 (a) 发生季节和地方时统计规律；(b) 延展方向和尺度统计规律；(c) 漂移特性统计规律；(d) 大尺度强Es结构初始产生源区
该研究得到了大尺度强Es结构在中国地区的形态特征、运动规律及产生源区 ， 并暗示低层大气的活动可能对电离层不规则结构和扰动的产生具有一定的调制作用 ， 对进一步解释Es在其它地区的观测结果具有一定的启示作用 。
研究成果发表于空间物理学领域的国际权威学术期刊JGR: Space Physics 。
孙文杰 ， 赵秀宽 ， 胡连欢 ， 杨思朋 ， 解海永 ， 常首民 ， 宁百齐 ， 李建勇 ， 刘立波 ， 李国主*, Morphological characteristics of thousand-kilometer-scale Esstructures over China[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics,2021,126(2), e2020JA028712. DOI: 10.1029/2020JA028712 。 该成果受国家自然科学基金（No. 42020104002, 41727803, 41904141, 42074190） ， 中科院日地网和子午工程联合资助 。
孙文杰 ， 吴宝元 ， 武志 ， 胡连欢 ， 赵秀宽 ， 郑建昌 ， 解海永 ， 杨思朋 ， 宁百齐 ， 李国主* . IONISE: an ionospheric observational network for irregularityand scintillation in East and Southeast Asia[J]. Journal of GeophysicalResearch: Space Physics, 2020,125(8), e2020JA028055. DOI: 10.1029/2020JA028055 。 该成果受国家自然科学基金（No. 41727803, 41422404, 41574149） ， 中科院日地网和子午工程联合资助 。
孙文杰* ， 宁百齐 ， 胡连欢 ， 乐新安 ， 赵秀宽 ， 蓝加平 ， 朱正平 ， 黄照国 ， 武志. The evolution of complex Es observed by multi instruments overlow-latitude China[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2020,125(8),e2019JA027656. DOI: 10.1029/2019JA027656 。 该成果受中科院先导A（XDA17010206） ， 国家自然科学基金（No.41574149, 41427901）和子午工程联合资助 。
校对：张腾飞


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