重庆地区电离层Es的遮蔽特性研究_李筱.pdf

第 20 卷 第 2 期 装 备 环 境 工 程 2023 年 2 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 125 收稿日期：20210924；修订日期：20220331 Received：2021-09-24；Revised：2022-03-31 基金项目：中国电波传播研究所稳定支持科研经费资助项目（A132111W01）Fund：Stable-Support Scientific Project of China Research Institute of Radiowave Propagation(A132111W01)作者简介：李筱（1988），女。Biography：LI Xiao(1988-),Female.通讯作者：马丽（1988），女。Corresponding author：MA Li(1988-),Female.通讯作者：岳甫璐（1989），男，硕士。Corresponding author：YUE Fu-lu(1989-),Male,Master.引文格式：李筱,马丽,岳甫璐.重庆地区电离层 Es 的遮蔽特性研究J.装备环境工程,2023,20(2):125-131.LI Xiao,MA Li,YUE Fu-lu.Obscure Properties of Ionospheric Sporadic-E over ChongqingJ.Equipment Environmental Engineering,2023,20(2):125-131.重庆地区电离层 Es 的遮蔽特性研究 李筱1，马丽1，岳甫璐2（1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107；2.63770 部队，西安 710600）摘要：目的目的 研究获得重庆地区电离层 Es 的遮蔽特性，以及强 Es 对短波链路可用频率的影响，为相关无线电系统设计和使用提供依据。方法方法 对 20082018 年期间重庆站电离层观测数据进行统计分析，得到 Es 临界频率和遮蔽频率的变化规律。引入遮蔽因子，分析 Es 遮蔽因子随地方时、季节的变化特征。利用新乡昆明站短波链路试验数据，对强 Es 期间的链路可用频率变化情况进行验证。结果结果 重庆地区 Es 主要发生在夏季白天，峰值强度出现在 6 月份的上午，临界频率约为 8 MHz。遮蔽因子的峰值出现在 7 月份，最大值约为 0.8，且在日出前遮蔽效果较其他时刻显著。全遮蔽 Es 可发生在各地方时，平均发生率约为 10%，峰值位于上午，峰值发生率约为 21%。发生强 Es 遮蔽时，能够到达电离层 F 层并被反射的短波链路最低可用频率增加，特别是在白天。通过 Es 散射的链路最高可用频率显著增加，平均增加约 10 MHz。结论结论 重庆地区电离层 Es 的遮蔽程度主要随地方时和季节变化，随太阳活动的变化较小。Es 的遮蔽程度在夏季的上午达到最强，在春秋季较弱。强 Es 期间，依靠电离层 F 层反射传播的短波链路最低可用频率增加，导致可用频段变窄，同时利用电离层 Es 散射传播的链路最高可用频率也有增加。关键词：电离层；突发 E 层(Es)；垂测电离图；遮蔽；短波链路；最高可用频率 中图分类号：P352 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)02-0125-07 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2023.02.017 Obscure Properties of Ionospheric Sporadic-E over Chongqing LI Xiao1,MA Li1,YUE Fu-lu2(1.China Research Institute of Radiowave Propagation,Shandong Qingdao 266107,China;2.Unit 63770,PLA,Xian 710600,China)ABSTRACT:The work aims to obtain the obscure properties of ionospheric sporadic-E over Chongqing,and its effects on the usable frequency of high frequency links,and provide a basis for related design and operation process of radio systems.After a statistical study on ionosonding data of Chongqing station from 2008-2018,the variabilities of the critical and obscure frequen-环境试验与观测 126 装 备 环 境 工 程 2023 年 2 月 cies of sporadic-E were obtained.The obscure factor was adopted to analyze the change of sporadic-E obscure factor with local time and season.Experimental data from a short-wave radio propagation link,Xinxiang-Kunming,were used to validate the change of usable frequency of the link during strong sporadic-E.The result showed that the sporadic-E over Chongqing mainly occured in daytime of summer.The peak strength of foes appeared in the morning of June,with an average critical frequency of about 8 MHz.The obscure factor reached its peak value in July with a magnitude of about 0.8,which was more significant be-fore sunrise.The entire obscurity could happen at any local time,but occured more often before noon.The average occurrence rate of entire obscurity is about 10%,with a peak value of 21%.When strong sporadic-E occured,the lowest usable frequency of the short-wave link that propagated into the ionospheric F region and was reflected to the ground was raised especially in the daytime.On the other hand,the maximum usable frequency refracted by Es also increased,with the maximum magnitude of about 10 MHz.It is concluded that the obscure property of sporadic-E over Chongqing changes much with local time and sea-son,but little with solar activity.The obscure magnitude reaches its peak value in the morning in summer,but it is much weak in equinoxes.When strong sporadic-E occurs,the lowest usable frequency of short-wave links relying on the ionospheric F region is raised,which leads to a reduction of usable band.Meanwhile,the highest usable frequency of links transmitted by virtue of the sporadic-E scattering in ionosphere also increases to a certain extent.KEY WORDS:ionosphere;sporadic-E(Es);ionogram;obscure;short-wave link;maximum usable frequency 电离层突发 E 层（Es）是发生在地球大气层约90120 km 高度的电子浓度不均匀现象，其水平尺度为 50100 km，垂直尺度为 13 km，具有极高的电子密度，有时甚至达到常规 E 层电子密度的 100 倍，在垂测电离图（图 1）上一般表现为常规 E 层的附加描迹1-3。当电离层 Es 造成部分反射或全反射时，在垂测电离图上表现为对电离层 F 层回波的部分遮蔽和全遮蔽现象1，分别对应于 F 层描迹低频段缺失，以及 F 层描迹完全消失。由于 Es 发生区域内具有极大的电子密度梯度，能对短波至超短波的无线电波产生散射、部分反射、全反射等现象，从而对相关频段的通信、雷达等无线电系统造成影响4-7，导致系统信号难以正常通过电离层 F 层反射到期望地区，严重时甚至导致系统功能丧失。电离层 Es 对无线电波的部分遮蔽或全遮蔽现象是与其传播特性密切相关的。当发生部分遮蔽时，短波低频段的无线电信号在 E 层高度被反射，无法穿透 Es 到达电离层 F 层，从而导致其传播距离低于预期（只考虑 1 次反射），以至于正常利用 F 层反射传播的无线电系统最低可用频率增加，可用频段变窄。当发生全遮蔽时，无线电系统信号完全被 Es 层散射，以至于系统常规的选频业务无法实现。在研究电离层 Es 特征时，常用其临界频率 foEs或遮蔽频率 fbEs。由于对无线电波的反射机制的不同，foEs或 fbEs并不能代表 Es 的等离子体频率。20 世纪 60年代的火箭搭载试验表明8-9，fbEs比 Es 的峰值等离子体频率略小，foEs则高于后者。这表明利用 foEs或 fbEs研究几乎具有等价性。大量研究表明，电离层 Es 具有明显的日变化和季节变化特性，以及有显著的地域特征，其特征频率一般在白天和夏季具有极大值。文献3通过分析全球垂测电离图观测特征及 VHF 频段超视距传播现象，提出了电离层“远东异常”现象，即在远东中低纬地区，夏季电离层 Es 的出现率特别高，强度特别强，远远高于同纬度其他地区。后续研究证实了该现象，并发现我国重庆、兰州、广州等地区同样表现出超高的 Es 出现率10-13。分析认为，地磁场水平分量的地区异常是电离层 Es 出现率地区差异的重要原因。图 1 发生 Es 时的垂测电离图及相关参数 Fig.1 Schematic diagram of vertical ionogram and related parameters when sproradic-E occurs 由于对 Es 的内部结构及其演化特性认知不够，目前主要是基于试验数据统计结果给出其传播模型14-15，还很难界定 Es 散射和反射机制的相对重要性16-18。从现象学上讲，垂测电离图上的 Es 遮蔽特性能在一定程度上（至少在短波频段）反映其对无线电波的散射和反射效果。中国电