電離層E區(qū)不均勻體是存在于地球近地空間（90-130 km）的密度不均勻結(jié)構(gòu)，會(huì)使經(jīng)過(guò)其中的無(wú)線電波發(fā)生反射、折射或散射，引起信號(hào)抖動(dòng)（閃爍），對(duì)通訊、導(dǎo)航、衛(wèi)星定位等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)E區(qū)不均勻體進(jìn)行探測(cè)，得到其發(fā)生規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)、漂移運(yùn)動(dòng)和演變過(guò)程等，對(duì)于認(rèn)識(shí)近地空間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理過(guò)程有重要作用，并可優(yōu)化電離層模型與電波傳播模型，進(jìn)而應(yīng)用于各類軍事和民用領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。
在國(guó)內(nèi)外研究中，E區(qū)不均勻體一般利用窄波束甚高頻（VHF）相干散射雷達(dá)探測(cè)得到，該雷達(dá)基于較大規(guī)模的天線陣列，將功率集中于較窄的波束范圍內(nèi)，在垂直于磁力線的方位上進(jìn)行探測(cè)，得到E區(qū)不均勻體的后向散射回波。根據(jù)雷達(dá)回波的形態(tài)，E區(qū)不均勻體主要分為連續(xù)型和準(zhǔn)周期型，基于窄波束VHF雷達(dá)空間干涉定位技術(shù)，以往的研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)型E區(qū)不均勻體一般對(duì)應(yīng)于雷達(dá)上空的潮汐Es層大片結(jié)構(gòu)，而準(zhǔn)周期型E區(qū)不均勻體一般對(duì)應(yīng)于空間上相互分離的不均勻體散塊結(jié)構(gòu)。然而，由于窄波束VHF雷達(dá)探測(cè)視場(chǎng)有限，僅能觀測(cè)到來(lái)自于固定方位的不均勻體回波，無(wú)法在大范圍內(nèi)得到E區(qū)不均勻體的空間結(jié)構(gòu)并追蹤其漂移運(yùn)動(dòng)和形態(tài)演變。
因此，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所空間環(huán)境探測(cè)實(shí)驗(yàn)室孫文杰和劉建飛等，基于同樣工作于VHF波段的全天空雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，發(fā)展了利用全天空雷達(dá)在大視場(chǎng)范圍內(nèi)探測(cè)E區(qū)不均勻體的能力。圖1a所示彩色區(qū)域?yàn)槲挥诤Ｄ蠘?lè)東的MIOS（Meteor and ionospheric Irregularity multi-wavelength Observation System，流星不均勻體多波段觀測(cè)系統(tǒng)）全天空雷達(dá)探測(cè)E區(qū)場(chǎng)向不均勻體的視場(chǎng)，黑色虛線為窄波束VHF雷達(dá)多個(gè)波位的探測(cè)方向。由圖可見(jiàn)，相比于窄波束VHF雷達(dá)僅能在固定波位的較窄范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，全天空雷達(dá)可以在東西方向跨越500 km左右的范圍內(nèi)觀測(cè)到E區(qū)不均勻體。進(jìn)一步，基于全天空雷達(dá)獨(dú)特的接收天線陣列（圖1b）進(jìn)行干涉定位，可獲得E區(qū)不均勻體的空間位置。
圖1.（a）樂(lè)東MIOS全天空雷達(dá)觀測(cè)E區(qū)場(chǎng)向不均勻體的視場(chǎng)（彩色條帶），（b）全天空雷達(dá)接收天線陣列。
基于海南樂(lè)東的MIOS全天空雷達(dá)，孫文杰等人首次報(bào)道了E區(qū)不均勻體的大尺度波狀結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該結(jié)構(gòu)在東西方向上跨越約250 km，其水平波長(zhǎng)為20-70 km，在垂直和水平方向上的波動(dòng)幅度分別約為5 km和2 km。該E區(qū)不均勻體大尺度波狀結(jié)構(gòu)最終分裂為多個(gè)小尺度的E區(qū)不均勻體散塊后消失。分析認(rèn)為，該波狀結(jié)構(gòu)可能為介于連續(xù)型和準(zhǔn)周期型E區(qū)不均勻體的中間暫態(tài)。結(jié)合風(fēng)場(chǎng)、測(cè)高儀等探測(cè)手段的分析發(fā)現(xiàn)，這種大尺度E區(qū)不均勻體波狀結(jié)構(gòu)可能是由重力波調(diào)制偶發(fā)E層（Es）產(chǎn)生。
圖2. 樂(lè)東MIOS全天空雷達(dá)在不同時(shí)刻觀測(cè)到的E區(qū)不均勻體波狀結(jié)構(gòu)（左）水平空間位置和（右）回波到達(dá)角。
為得到E區(qū)不均勻體的三維空間結(jié)構(gòu)，劉建飛和孫文杰等人進(jìn)一步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，E區(qū)不均勻體在垂直方向上可表現(xiàn)為雙層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在該事例中，E區(qū)不均勻體分別出現(xiàn)在約90 km和110 km的不同高度上，緯向覆蓋超過(guò)250 km的范圍；兩層E區(qū)不均勻體均出現(xiàn)在垂直于磁力線的方位，為場(chǎng)向不均勻體；在水平方向上，兩層E區(qū)不均勻體可在同一水平位置的不同高度上同步體現(xiàn)為準(zhǔn)周期型散塊結(jié)構(gòu)（如圖3g-h）或波狀結(jié)構(gòu)（如圖3i）。結(jié)合全天空雷達(dá)和ICON衛(wèi)星在不同高度的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)（圖4），發(fā)現(xiàn)在雙層E區(qū)不均勻體出現(xiàn)的兩個(gè)高度范圍內(nèi)，均存在適合Es層產(chǎn)生的風(fēng)剪切結(jié)構(gòu)。分析認(rèn)為，在Es層提供的電子密度梯度下，該風(fēng)剪切結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步激發(fā)梯度漂移不穩(wěn)定性，在兩個(gè)高度上分別形成E區(qū)不均勻體，進(jìn)一步在重力波的作用下，該雙層E區(qū)不均勻體可被同步調(diào)制為波狀結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)。
圖3. 全天空雷達(dá)觀測(cè)的E區(qū)不均勻體雙層結(jié)構(gòu)的（a）回波圖、所有時(shí)段不均勻體的（a）到達(dá)角和（c）空間位置，以及選取的三個(gè)典型時(shí)刻的（d-f）到達(dá)角和（g-i）空間位置。
圖4. (a-b)全天空雷達(dá)觀測(cè)的80-100 km中性風(fēng)場(chǎng)，（c）全天空雷達(dá)觀測(cè)視場(chǎng)和ICON衛(wèi)星經(jīng)過(guò)海南附近時(shí)的軌道與視場(chǎng)（灰色陰影區(qū)域），以及（d）ICON衛(wèi)星觀測(cè)的90 km以上的中性風(fēng)場(chǎng)。其中黑色箭頭指示了適合Es產(chǎn)生的風(fēng)剪切節(jié)點(diǎn)位置。
綜上，該研究發(fā)展了全天空雷達(dá)空間干涉探測(cè)電離層E區(qū)不均勻體的能力，重現(xiàn)了低緯E區(qū)不均勻體空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜演化過(guò)程，捕獲了大尺度波狀結(jié)構(gòu)等暫態(tài)特征，為重力波影響調(diào)制E區(qū)梯度漂移不穩(wěn)定性產(chǎn)生空間周期出現(xiàn)的不均勻體提供了重要觀測(cè)證據(jù)。
相關(guān)研究成果發(fā)表在空間物理學(xué)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters和JGR-Space Physics。成果受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42020104002)、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定支持項(xiàng)目(YSBR-018)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):183311KYSB20200003)和子午工程聯(lián)合資助。MIOS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)分別得到國(guó)家自然科學(xué)基金(41727803)和中國(guó)科學(xué)院日地環(huán)境研究網(wǎng)絡(luò)(STERN)的支持。
1.劉建飛#，孫文杰#（共同一作），李國(guó)主*，陳云琳，解海永，胡連歡，李怡，趙秀寬，代國(guó)峰，寧百齊，劉立波. Wind Shear Driven Double Layer Structures of E‐Region Irregularities at Low Latitudes[J].?Geophysical Research Letters, 2024, 51 (10): e2023GL107307. DOI:10.1029/2023GL107307.
2.孫文杰，李國(guó)主*，韓辰瑩，胡連歡，李怡，解海永，趙秀寬，寧百齊，劉立波. Wavelike structures of E region irregularities observed by all-sky radar at low latitude[J].?Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2023, 128(10): e2023JA031831. DOI:10.1029/2023JA031831.