海南地区扩展F的季节和长期变化研究

海南地区扩展 F的季节和长期变化研究

齐锋 李筱 张艳茹

中国电波传播研究所 山东 青岛 266107

摘 要 对2007年~2013年期间海南地区TYC-1测高仪观测到的扩展F资料按照频率、区域和混合扩散等三种类型进行了分析研究。结果表明：频率扩散主要活跃在每年的夏季。区域扩散主要活跃在太阳低年的春夏季和太阳中年、高年的春秋季。混合扩散在太阳低年、中年的夏季和高年的秋季更为活跃。随着太阳活动从低年到高年的变化，频率扩散的出现次数在低年缓慢下降，太阳活动中年频率扩散出现次数大幅提升后，到高年出现次数又大幅下降。区域扩散在太阳活动低年出现次数缓慢下降，随着太阳活动从低年到高年的变化，区域扩散的出现次数在缓慢上升。混合扩散在太阳活动低年出现次数在缓慢上升，随着太阳活动由低年到高年，混合扩散的出现次数随之下降。

关键词 海南地区；TYC-1观测仪；扩展F；季节变化；长期变化

引 言

扩展F是由F区中不规则结构导致的电离图上F层描迹扩展的现象，扩展F现象是夜晚电离层中多尺度的不规则结构的反映。Booker等人^[1]首先发现电离图上回波的散开现象，因此命名为“spread-F”（扩展F）。当出现扩展F现象时，由于电离层电子密度有不规则结构存在，会使传播于其中的无线电信号在相位和振幅等方面产生强烈的涨落。因此从电波传播角度需要对不规则结构的分布加以了解，无论在地空通信还是电离层物理上都有重要的意义。

人们对扩展F现象的了解在过去的40多年中有了一定的进展，目前，普遍认为赤道异常峰区附近的区域扩散与闪烁现象有关，而且频率扩散也与闪烁有关^[2]。对于赤道地区频率扩散的产生原因和季节变化规律的解释还存在很多困难。Aarons^[3]提出在磁赤道附近（±5°），底部正弦结构薄层与频率扩散紧密相关。有的时候这种结构会延伸到磁赤道±12°左右^[4]，因此海南地区频率扩散很可能与此结构相关，但依然缺少充分证据。另外，局部地区的背景中性风和电场等因素也可能激发F层底部的不稳定性，从而产生不规则体和频率扩散现象。然而这些诱因的观测资料依然比较少，其季节分布特征仍然不够清楚。Fejer^[5]以及Ossakow等人^[6]的评述性文章详细的介绍了赤道地区的研究结果。Abdu等^[7]给出了南美洲区域赤道扩展F出现率随日、季节和太阳周期等变化的统计特征。肖佐等^[8]从理论上指出了全球不规则体分布存在明显的区域特征。郭兵等^[9]对太阳活动高、低年东亚中、低纬地区扩展F特性比较研究。我国低（磁）纬度地区，尤其是海南地区，其位置位于磁赤道附近的北半球赤道异常峰区南侧，不规则体活动非常活跃。对该区域的已有研究多集中在电离层物理等方面^[10~12]，韩馥芳等^[13]对海口地区频率扩散的出现频率做过比较研究，王国军等^[14]对海南地区扩展F的季节变化研究。目前尚缺少对不同类型扩展F的定量化描述，因此对该区域的扩展F进行系统研究具有科学意义和应用价值。

本文将主要讨论海南地区三种类型扩展F的季节、长期变化特征，并给出统计分析结果，最后给出结论。

1 观测数据和分类

海南观测站（DIP lat. 9°N）安装了中国电波传播研究所研制生产的第四代（TYC-1型）全自动数字式电离层垂直探测仪（也称垂测仪），该设备是最新一代的数字测高仪，不仅能探测电离层的不规则结构和基本参数，还能够探测到电离层漂移，其探测数据具有很高的精度和可靠性。迄今为止，我们已利用该设备连续24小时不间断每15分钟一次对电离层进行探测，积累了大量的有关扩展F的观测资料。本文所用的数据为2007年到2013期间的探测数据。数据资料来源“中国电波传播研究所”。

按照《电离层解释与度量手册》建议的四种分类标准，即频率型、区域型、混合型和奇型^[15]，分析发现在海南地区很少观测到奇型扩散，因此本文主要从频率扩散、区域扩散和混合扩散三种类型进行统计分析。图1给出了电离图上能够看到的海南地区电离层扩展F的三种类型：频率型、区域型和混合型。

a b

C

图1 各类型扩展F

a-频率型；b-区域型；c-混合型

2. 结果

为了清楚的表示出不同类型扩展F的分布情况，对不同类型扩展F的整点出现次数进行累计，分析其发生规律。依据各类扩展F在各季节里所占比重划分为五种度量标准，即异常活跃≥45%，30%≤中等活跃＜45%，20%≤一般活跃＜30%，10%≤不够活跃＜20，平静状态＜10%，以此来说明不同类型扩展F在各季节的相对活跃程度。

2.1 扩展F的季节变化

（a）（2007）

（b）（2008）

（c）（2009）

（d）（2010）

（e）（2011）

（f）（2012）

（g）（2013）

图2 2007~2013年各类扩展F的季总出现次数的平均相对分布

海南地区处于低纬度地区，这里的季节与通常气候学意义上的分类稍有不同，即每年的3~4月为春季，5~8月为夏季，9~10月为秋季，11~12月和下一年的1~2月为冬季。这种分类既符合地方特点又保持了冬季的连续性。由于各季节里所含月数不同，因此采取了季节总出现次数的月平均法来反映季节差异。图3给出了三种类型扩展F在每年各季节总出现次数的月平均所占比重的相对分布情况。在2007年，从图2（a）中可以看出频率扩散在夏季最活跃达到了51%的异常活跃程度，秋冬次之，春季平静；区域扩散在夏季达到了61%的异常活跃程度，春冬次之，秋季平静；混合扩散夏季异常活跃达到了56%，秋季不够活跃，冬季一般活跃。2008年的情况如图2（b）所示，频率扩散与2007年类似，主要活跃在夏季达到了58%的异常活跃程度，秋冬次之，春季平静；区域扩散与2007年相比略有不同，主要活跃在春季达到了62%的异常活跃程度，夏季表现为一般活跃，冬季不够活跃；混合扩散依然达到了69%的异常活跃程度，其余季节占比比较小。2009年的情况如图2（c）所示夏季异常活跃占比58%，春季一般活跃占比28%，秋冬季节平静；区域扩散在春季达到30%的中等活跃，其他季节一般活跃，整体上看在各个季节分布比较均衡，混合扩散在夏季达到了76%的异常活跃程度，其他季节表现比较平静。2010年分布情况如图2（d）所示，频率扩散依然主要出现在夏季，占比58%表现异常活跃，秋季一般活跃，冬季不够活跃，春季表现平静；区域扩散在秋季异常活跃占比46%，春冬季节次之，夏季相对平静；混合扩散与2009年类似，主要活跃在夏季且达到了74%的异常活跃程度，春季不够活跃，秋冬季节比较平静。2011年分布情况如图2（e）所示，频率扩散主要出现在夏季达到了62%的异常活跃程度，春秋季节不够活跃，冬季表现平静；区域扩散在春季达到了45%的异常活跃程度，秋季占比29%一般活跃，夏冬季节不够活跃；混合扩散在夏季异常活跃达到58%的活跃程度，秋季中等活跃，春冬季节表现平静。2012年分布情况如图2（f）所示，频率扩展情况与2011年类似，主要活跃在夏季达到了49%的异常活跃程度，春秋季节较2011年略有提升达到了一般活跃；区域扩散在秋季达到了异常活跃程度占比46%，春季也很活跃达到了39%的中等活跃，夏季不够活跃；混合扩散同样在秋季表现为53%的异常活跃，夏季次之达到了40%的中等活跃程度，春冬季节比较平静。2013年分布情况如图2（g）所示，频率扩散主要在夏季中等活跃，春秋季节一般活跃，冬季不够活跃，整体上看频率扩散在各个季节分布相对均衡。区域扩散较2012年春季相比异常活跃达到了66%，秋季一般活跃，夏冬季节处于平静状态。混合扩散在秋季与2012年类似达到了55%的异常活跃状态，冬季比重略有回升达到了37%的中等活跃程度，春夏季处于平静状态。

总体来看，频率扩散主要活跃在每年的夏季。区域扩散主要活跃在太阳低年的春夏季和太阳中年、高年的春秋季。混合扩散在太阳低年、中年的夏季和高年的秋季更为活跃。

2. 2. 扩展F的长期变化

图3 2007~2013年各类型扩展F总出现次数的年际变化

对2007~2013年各类扩展F总出现次数的统计结果如图3所示，在2007年频率扩散最为活跃，总出现次数达369次；其次是区域扩散和混合扩散的活跃程度相当，分别是71次和107次。2008年频率扩散出现317次较2007年有所下降；区域扩散不够活跃，累计出现次数为20次；混合扩散活跃程度比2007年有所增强，累计时间达到了153次。2009年频率扩散次数较2008年略有下降，出现了306次；区域扩散依旧表现不够活跃仅出现15次；混合扩散出现次数持续增加达到了201次。2010年频率扩散出现次数较2009年有所下降，出现次数为235次；区域扩散有所回升达到71次；混合扩散与太阳低年活动次数有所不同，出现了下降情况，累计出现次数为127次。2011年频率扩散活动程度比2010年有所增强，达到了428次；区域扩散持续增强达到了126次；混合扩散活动程度持续下降到36次。2012频率扩散活动程度有所下降，共出现了304次；区域扩散活动程度持续增强，活动程度与频率扩散相当达到了269次；混合扩散不够活跃仅出现了13次。2013年太阳活动高年，频率扩散出现220次，出现次数较2012年有所下降；区域扩散出现次数略有提升，达到289次；混合扩散依然不够活跃仅出现26次。

从图4可以看出，太阳活动从低年到高年的变化，频率扩散活跃程度在低年缓慢下降，太阳活动中年频率扩散活动程度大幅提升后，到高年活动程度又大幅下降。区域扩散在太阳活动低年活动程度缓慢下降，随着太阳活动从低年到高年的变化，区域扩散的活动程度在缓慢上升。混合扩散在太阳活动低年活动程度在缓慢上升，随着太阳活动由低年到高年，混合扩散的活动程度随之下降。

3 结 论

对2007年至2013年的频率、区域、混合等三种类型扩展F的总出现次数的季节和长期变化进行了统计分析，发现频率扩散主要活跃在每年的夏季。区域扩散主要活跃在太阳低年的春夏季和太阳中年、高年的春秋季。混合扩散在太阳低年、中年的夏季和高年的秋季更为活跃。随着太阳活动从低年到高年的变化，频率扩散活跃程度在低年缓慢下降，太阳活动中年频率扩散活动程度大幅提升后，到高年活动程度又大幅下降。区域扩散在太阳活动低年活动程度缓慢下降，随着太阳活动从低年到高年的变化，区域扩散的活动程度在缓慢上升。混合扩散在太阳活动低年活动程度在缓慢上升，随着太阳活动由低年到高年，混合扩散的活动程度随之下降。

因为导致各种类型扩展F产生的物理因素存在着不同季节、年际等时间维度上的变化，所以其具体的出现时间变化规律也就不同。由于统计数据有限，仅能给出近7年的各类扩展F的年际变化统计规律，至于更长期的统计规律，还需更多的观测数据和理论分析来进行更深入的研究。

参考文献

1. H G Booker and H W Wells. Scattering of radio waves by the F region ionosphere[J]. Terr Magn,1938,43:249-256.

2. Huang , Chun-Min .F-Region irregularities that cause scintillations and Spread-F at low latitude [J].J. Geophys. Res , 1970 , 75:4833-4841

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5. Fejer B G,Kelly M C. Ionospheric irregularities. Rev Geophys,1980,18:401

6. Ossakow S L.Ionospheric irregularities.Rev Geophys,1979,17:521

7. M A Abdu,J A Sobral and I S Batista. Equatorial spread-F statistics in the American Iongitudes:Some problems relevant to ESF description in the IRI scheme[J]. Adv. SpaceRes,2000,25(1):113-124

8. 肖佐,张天华.扩展F全球分布特点的理论分析[J].科学通报,2001,46(7):597-599

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10. 沈长寿等.磁暴期内中低纬电离层扰动实例分析[J].电波科学学报,1998,13(1):69-73

11. 罗发根.海口电离层变化特征[J].电波科学学报,1995,10(4):90-93

作者简介

齐锋（1988—），男，工程师，研究方向为电波环境观测数据处理分析.

李筱（1988—），女，工程师，研究方向为电波环境观测数据处理分析.

张艳茹（1976—），女，河南人，研究方向为电波环境观测数据处理分析.