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EPP

地球与行星物理

ISSN  2096-3955

CN  10-1502/P

李海龙等:基于Tromsø测高仪PMSE-Es出现率特性研究

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基于Tromsø测高仪PMSE-Es出现率特性研究

李海龙,葛淑灿,蒙林等

电子科技大学电子科学与工程学院

自1979年首次观测到极区中层夏季回波PMSE(PMSE, Polar mesosphere summer echoes)以来,科学家们在MF/HF到UHF频段开展了长期的PMSE观测实验,取得一系列重要成果,但仍有许多未解之谜。一些不规则Es层出现区域与PMSE部分重叠,且现象与PMSE类似,被称之为类PMSE或PMSE-Es。EISCAT VHF 雷达观测到的PMSE与电离层测高仪观测到的PMSE-Es分别如图1和2所示。那么PMSE-Es的特性是否与PMSE特性有密切关联?在最近的一期EPP期刊上,来自电子科技大学的李海龙等人对PMSE-Es与PMSE的特性进行对比,研究PMSE-Es出现率与PMSE存在的密切关系。


图1. 2007年7月12日9:00-10:00 UT EISCAT VHF雷达观测到的PMSE


图2. 2007年7月12日9:45 UT电离层测高仪观测到的PMSE-Es

基于挪威Tromsø站的电离层测高仪2003-2014年的数据研究了PMSE-Es特性。在给出了PMSE-Es的判定标准后,计算了PMSE-Es的出现率,发现PMSE-Es的出现率具有日变化(图3)和季节变化(图4)。从图3可以看出,PMSE-Es出现率具有明显的日变化特征,即除2011年外,其余年份PMSE-Es出现率峰值均为12-15 UT,极小值为17-22 UT。其次,在2008年、2012年、2013年和2014年,PMSE-Es出现率有两个峰值,次峰值均出现在清晨的4-8 UT。除2011年外,其余年份中傍晚的极小值均为当年PMSE-Es出现率的最小值。2011年PMSE-Es出现率在7-23 UT处呈现峰值,在1-4 UT处PMSE-Es的出现率较低,存在极小值,最小值低至0.02%。

图4是以电离层测高仪每5天的数据作为一个数据分析单元(图中PMSE-Es出现率为5天测量数据的平均值),得到的2003-2014年PMSE-Es出现率的季节性变化规律。由于一年中除5-8月以外,其它月份的PMSE-Es出现率非常低,因此图4中的数据采用的是每年5-8月这四个月的观测数据。从图4中可以看出,除2012年外,其余年份PMSE-Es的出现率通常自四月底或五月初开始逐渐上升,在七月份达到峰值,八月份开始逐渐下降。


图3. 2003-2014年PMSE-Es出现率的日变化


图4. 2003-2014年PMSE-Es出现率的季节变化

图5对比了52 MHz Esrange MST雷达(ESRAD)观测到的PMSE与Tromsø站观测到的PMSE-Es年变化特性。


图5. 2003-2012年PMSE出现率与PMSE-Es平均出现率对比

PMSE-Es与PMSE出现率差异及其可能原因为:

日变化: PMSE和PMSE-Es出现率峰值的出现时间基本一致。但PMSE-Es出现率的极小值比PMSE出现率的极小值早1-2小时出现,且PMSE出现率远大于PMSE-Es的出现率。

季节变化:在北半球,PMSE通常在5月份的最后10天开始出现,其出现率在6月初快速增加,并保持较高水平,在七月份达到稳定的90%左右,在8月底逐渐减少直到消失。尽管PMSE-Es出现率的季节性变化特性与PMSE非常相似,但仍存在些许差异。作者发现PMSE-Es在整个5-8月内都会出现,且其在夏季中开始出现的日期比PMSE早。造成这种差异可能原因为:首先,PMSE-Es的判定主要依赖于测高仪电离图的扫描轨迹和虚高,因此不可避免地会出现小的偏差。其次,本文中使用的PMSE-Es数据来自频高图,其时间分辨率远低于VHF雷达,后者可以以更高的时间分辨率连续观测PMSE。此外,PMSE-Es还会受到电离层环境的影响,例如高能粒子沉降等现象。再者,电离层具有色散介质特性,在不同工作频率测量结果也有所不同。

年变化:通过相关系数计算,得到PMSE-Es出现率与PMSE出现率之间的相关系数R=0.71,这表明2003-2012年间的PMSE-Es年平均出现率与PMSE年平均出现率之间存在较强正相关关系。

本文利用2003-2014年电离层测高仪得到的电离图观测数据开展了PMSE-Es出现率特性的研究,并对PMSE出现率与PMSE-Es出现率的日变化、季节性变化和年变化特性做了对比分析。该研究为PMSE物理机制研究提供了新的研究思路和方法。

论文链接:http://doi.org/10.26464/epp2021017

Citation: Li, H. L., Ge, S. C., Meng, L., Wang, M. Y., Rauf, A. and Ullah, S. (2021). Exploring the occurrence rate of PMSE-Es by Digisonde at Tromsø. Earth Planet. Phys., 5(2), 187–195.

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