摘要：頻率在3～30kHz的甚低頻(VLF,VeryLowFrequency)波具有較小的傳播損耗和較高的趨膚深度,可以在地球-低電離層波導中實現長距離傳輸,廣泛應用於航海導航、對潛通訊等領域,且在電離層遙測方面具有十分重要的意義.基於武漢大學自主研發的VLF接收機在武漢接收的NWC(NorthWestCape)臺站訊號,本文透過分析2018年4月23日—2020年7月22日的觀測資料研究了日出期間NWC訊號的幅度響應及其特點和規律.結果表明NWC訊號日出期間的幅度響應主要包括兩種極小值結構:2個幅度極小值(SR1、SR2)的TypeI結構和3個幅度極小值(SR1、SR2、SR3)的TypeII結構.在以SR1出現時間為時間零點進行時序疊加分析後發現,TypeI結構比TypeII具有更強的規律性和穩定性.在TypeI結構下,SR2出現時間的波動範圍、平均值、標準差分別為43～65min、54.2min、4.4min,而在TypeII結構下,SR2和SR3出現時間的波動範圍分別為48～93min、80～120min,平均值分別為64.7min、96.4min,標準差分別為10.2min、11.7min.在27個月的觀測期內,3—7月份TypeI結構的出現機率100%,未出現TypeII結構,而在1—2月和8—12月TypeI結構出現的機率明顯下降,最低降至1月份的20.7%,而TypeII在1月、2月、11月的出現機率均高於70%.按春秋分交替變化(週期1和週期2)的統計結果,在週期1內TypeI和TypeII結構出現的機率分別為91.5%、8.5%,而在週期2內TypeI結構出現的機率降至41.9%,TypeII結構出現機率則升至58.1%,這表示觀測期間內TypeII結構主要出現在秋冬季,春夏季發生機率較低.
關鍵詞： NWC甚低頻訊號 TypeI結構 幅度響應 日出效應 頻率
甚低頻(VLF,VeryLowFrequency)波主要是指頻率在3～30kHz的電磁波,這類波的波長範圍為100～10km.甚低頻波主要來源於兩個方面:(1)自然界中一些自然現象輻射出的甚低頻波,比如閃電放電(Parrotetal.,2008)、地磁暴和亞暴(Zhimaetal.,2014;Goldenetal.,2009)等;(2)人工發射臺站發射的電磁波.甚低頻波具有傳播損耗小、傳播距離遠的特點,能夠在由地球表面(海水、陸地)和低電離層構成的地球-電離層波導中實現長距離傳播,同時甚低頻波對海水、地表有著相對較高的趨膚深度,所以它被廣泛用於航海導航、對潛通訊等領域.除此之外,甚低頻波還能產生明顯的波粒相互作用效應(Nietal.,2008,2013,2019;Huaetal.,2020;Maetal.,2020);在經過電離層的反射後,甚低頻波的幅度和相位會在一定程度上發生變化,透過對接收訊號的解調便可以獲得與電離層相關的引數,所以,甚低頻訊號也被廣泛用於研究那些對電離層產生擾動的自然現象,比如太陽耀斑(KumarandKumar,2018;Šulietćal.,2016)、地震(YamaguchiandHayakawa,2015)、日食(Mauryaetal.,2014;Chakrabartietal.,2018)等.可見,研究甚低頻訊號對研究不同自然現象下電離層的變化情況具有十分重要的意義.
日出是一種十分常見的自然現象,夜晚到白天的轉變並非瞬間完成,而是存在一個特殊的過渡區域,在該區域內電離層的特殊變化會對甚低頻訊號的幅度和相位產生特定影響,使其呈現出一定的規律性和特點.前人對日出期間甚低頻訊號在幅度上的變化和特點已經展開了一定的研究.Crombie(1964)研究了NPM(19.8kHz)、NBA(18.0kHz)甚低頻訊號在地球-電離層波導中沿兩條不同長路徑(5400km與9099km)傳播的情況,結果表明,在日出期間,當晨線經過傳播路徑時,甚低頻訊號的幅度會出現極小值點,這是因為日出期間電離層高度發生了變化,電離層中存在的不連續性區域導致不同階的模發生干涉,從而產生幅度極小值;在此基礎上他提出了電離層假設模型:在過渡區域,白天側只存在一階模,而夜晚側同時存在一階模、二階模,並且晨線在傳播路徑上的移動會使接收訊號的幅度產生週期性的變化.Walker(1965)同時利用固定站和移動站接收NBA(18kHz)的訊號,實驗結果進一步驗證了Crombie所提模型的有效性.Ries(1967)在西-東傳播方向上研究了NBA(18kHz,24kHz)、NSS(21.4kHz)的訊號特點,他認為透過波導模理論可以解釋訊號幅度減小的現象:這是由於一階模和轉換產生的二階模發生干涉所致,且頻率越低二階模轉換效應越弱,日出效應的影響也相應減弱.Lynn(1967)發現NLK(18.6kHz)甚低頻訊號在沿著跨越赤道的長路徑(13.42Mm)傳播時,幅度曲線上會出現極小值點,並且它們的出現具有一定的季節依賴性,比如南半球冬季的衰減深度明顯高於夏季,這種季節的依賴性與晨昏線和傳播路徑之間的夾角有所關聯.Pappert和Snyder(1972)提出了4階模假設,但是研究結果表明,晨線夜晚側的3階模、4階模在轉換成白天側的1階模時只具有較弱的轉換效果,這在側面證明了Crombie的2階模型的合理性.Muraoka(1982)在8.04Mm的傳播距離上接收NLK的甚低頻訊號,在分析1974—1977年的資料後他發現在日出期間訊號幅度出現週期性的極小值;他認為在長路徑傳播時,由於高階模具有更大的衰減,所以在晨昏線與傳播路徑相交時,白天側只存在一階模,而夜晚側一階模與二階模共存,且白天側過渡到夜晚側時一階模主要轉換成一階模與二階模,不同階的模之間發生的干涉效應產生幅度極小值.Yoshida等(2008)利用波跳理論方法研究了甚低頻波在小於2000km的路徑上傳播的情況,他們的分析結果表明晨線與傳播路徑相交時出現極小值的原因是地波和天波之間發生了干涉,在此基礎上他們還探究了電離層高度變化和極小值出現時間的關係.Samanes和Raulin(2011)以南美VLF網路(SAVNET)為發射站,分析了4年內在兩條西-東向平行長路徑上的接收資料,發現了日出期間甚低頻訊號的幅度變化,並利用Crombie提出的模轉換和干涉模型對這一現象加以解釋.Clilverd等(2017)以NAA(17.8kHz/24.0kHz)為發射站、南極洲哈雷站為接收站,利用1971—2016年的資料研究了17.8kHz、24.0kHz的甚低頻訊號傳播的特點,同時藉助LWPC(Long-WavelengthPropagationCapability)模型模擬了NAA發射訊號的幅度隨距離的變化曲線,研究結果表明,當訊號的幅度曲線突然靠近傳播路徑時幅度曲線上便會產生相應的極小值點,而且極小值點出現的位置隨著頻率的不同有所差異.Korsakov等(2020)分析了2009—2017年在雅庫茨克接收的新西伯利亞發射的甚低頻訊號,他們指出甚低頻接收訊號出現的幅度極小值呈現日變化,這是由於日出期間太陽光線以不同角度照射電離層,導致電離層電離程度有所不同,由此產生的地球-電離層波導變化使甚低頻波發生干涉;另外,電離層D層的電子濃度分佈具有季節不對稱性,這會導致甚低頻訊號的幅度變化呈現出一定的季節性.除此之外,還有大批學者研究了日出期間甚低頻訊號沿不同路徑傳播時的規律和特點並給出了一定的解釋和說明(Thompsonetal.,1963;SteeleandCrombie,1967;Wait,1968;Samanesetal.,2015;ChandandKumar,2016,2017).在甚低頻訊號長距離傳播時的日出效應方面,前人已經積累了一定的資料與分析結果,但為了更深入的理解日出期間甚低頻訊號的響應和機理,還需要積累更多的資料和分析結果.
前人在研究甚低頻在日出期間的響應時大多以東-西、西-東走向的傳播路徑為主,而採用地理南-北走向的研究相對較少.本文利用武漢大學自主研發的甚低頻接收機,在以澳大利亞西北角的NWC(NorthWestCape)為發射站,武漢為接收站的南-北傳播路徑上,收集和積累了2018年4月23日—2020年7月22日期間的觀測資料.基於該觀測資料分析了日出期間NWC訊號出現幅度極小值的現象和特點,並根據幅度極小值的個數不同將極小值結構分為兩種典型型別;採用時序疊加的方法對特定時間段內的幅度響應展開分析,並探討了極小值出現時間的波動情況;接著,本文對幅度極小值的分佈特點,及其與發射站和接收站日出曲線的關係展開分析,驗證了兩者之間存在的關聯性;最後,本文分別以月份、春秋分交替週期為時間基準對全年極小值的出現進行機率統計分析,得到了兩種極小值結構在出現時間上的一些規律和特點.
1、儀器與資料
武漢大學自主研發的數字甚低頻接收機可以用於人工臺站、自然界輻射的ELF/VLF無線電磁波訊號的監測(Chenetal.,2016,2017).該接收機的硬體部分主要包括接收天線、低噪模擬前端和數字接收機三部分,其中接收天線由南北、東西方向兩路正交的等腰直角三角形磁環天線構成,該接收機能以250kHz的取樣率連續接收頻率範圍在1～50kHz的電磁波訊號.利用該接收機,武漢大學已經在武漢、隨州、樂山、漠河等多箇中低緯度地區完成布站,並基於接收資料開展了一系列的分析和研究(易娟等,2019;陳隆等,2020;Zhouetal.,2020;Yietal.,2020),其可行性與可靠性已經透過實驗分析結果得到充分驗證.
本文采用位於武漢(30.54°N,114.37°E)的甚低頻接收機接收來自NWC(21.82°S,114.12°E)的甚低頻臺站訊號,NWC發射站和武漢接收站位置及傳播路徑示意圖如圖1所示,圖中黑色菱形表示NWC發射站、黑色圓圈表示武漢接收站、灰色線條表示由NWC到武漢的傳播路徑,長度約為6.0Mm.NWC發射站恰好位於武漢接收站的地理正南方向,傳播方向角(傳播路徑與正北方向夾角)可近似為0°,根據天線相關理論可知,在此傳播路徑上,南北方向的磁環天線所接收的訊號質量明顯高於東西方向的天線,為此,儘管本文使用的甚低頻接收機可以同時接收到南北、東西兩個方向的NWC臺站訊號,但是考慮到訊號強度和質量問題,本文在後續的工作中,選取和處理的資料均來自於南北方向的磁環天線.
本文使用了2018年4月23日—2020年7月22日期間的觀測資料,在進行極小值判讀處理之前,本文先對原始資料進行預處理,將資料時間解析度降至1min,處理流程簡述如下:(1)一個時長1s的標準取樣資料檔案大小為977KB,資料檔案大小在977KB以下的檔案均可視為無效檔案,將其全部剔除;(2)利用程式從(1)所得的有效資料檔案中提取出每分鐘的第一個資料檔案,並從該檔案中抽取出第1秒的資料,在對這1秒的資料進行解調、平均處理後得到相應的訊號幅度值,然後以這1秒的幅度平均值表示一分鐘的幅度值,如此可得到時間解析度為1min的幅度資料;(3)基於第(2)步處理得到的幅度資料,透過程式自動繪製每天的幅度曲線,核驗幅度曲線結果,進一步剔除訊號質量較差的資料和無效資料,最終得到可用於極小值判斷的有效資料.完成上述資料的預處理後,採用滑動平均、10點比較求最小的方式判斷和獲取資料中可能的極小值點,並記錄各個極小值出現的時間資訊.透過對資料處理結果的驗證,絕大多數判斷結果滿足後續分析處理的要求;此外,為進一步減小其他因素對極小值分析結果的影響,本文利用人工判讀和矯正的方式對一些偏差較大的和異常的極小值點進行矯正和剔除,從而得到極小值判斷的最終結果.
圖1NWC發射站和武漢接收站位置及訊號傳播路徑示意圖
2、日出效應的觀測與分析
2.1日出期間甚低頻訊號的響應
電離層的狀態在白天和夜晚存在較大差異,白天時段可分為D層、E層、F1層、F2層,但是到了夜晚,電離層D層消失,E層高度抬升,F1層、F2層合併(劉選謀,1987),電離層狀態的變化會導致甚低頻訊號的幅度響應出現明顯不同.圖2a給出了2019年3月2日NWC甚低頻訊號幅度響應的典型TypeI結構.透過24小時內幅度的變化曲線可以看出,在夜間時間段00∶00—09∶00、16∶00—24∶00甚低頻訊號幅度波動較大,這是因為電離層在夜間會呈現出一種多變化狀態(阿爾別爾特,1981),導致甚低頻訊號在不同狀態下的電離層發生反射;而在白天時間段09∶00—16∶00甚低頻訊號的幅度波動較小,基本保持在同一水平,這是因為白天時間段內的電離層狀態相對穩定,甚低頻訊號發生反射時的電離層狀態基本相似.另外,從該圖中可以明顯看出,在06∶00—09∶00、16∶00—18∶00時間段,即黑夜-白天、白天-黑夜的過渡階段,訊號幅度出現了非常大的波動,並且出現了明顯的極小值點,如圖中虛線矩形框所示,在該區域內幅度曲線出現了2個極小值點,該時間段內甚低頻訊號的幅度響應正是本文研究的重點.圖2b中給出了2019年12月26日的NWC甚低頻訊號幅度響應的典型TypeII結構,在該圖中也可以明顯觀察到與圖2a極為相似的現象,但是在大概14∶00的位置,幅度響應曲線出現了突然的上升和下降,這可能是電離層受到突然擾動所致.此外,在圖2b中的虛線矩形框區域內出現了3個極小值點,這區別於圖2a中的兩個極小值結構.根據日出期間甚低頻訊號幅度響應曲線中出現的極小值數目的不同,本文將極小值結構簡單劃分為兩種不同的結構型別:2極小值結構(TypeI)與3極小值結構(TypeII),圖2中用箭頭標示出了第一個極小值(SR1)、第二個極小值(SR2)、第三個極小值(SR3)出現的位置.顯見,圖2a中SR1的幅度衰減深度明顯高於SR2的衰減,而圖2b中SR1的衰減深度最大,SR2次之,SR3最小.極小值衰減深度不同是因為長距離傳播路徑時,當晨線與傳播路徑相交時,白天側只存在低階模,夜晚側則存在高階模,訊號在傳播時不同階的模之間發生干涉而產生極小值;另外,甚低頻訊號從白天側向夜晚側傳播時在過渡區域會發生模轉換,模轉換系數會隨晨線在傳播路徑上的位置改變而變化,並且高階模在傳播過程中比低階模具有更大的衰減速度,這些因素的變化都會影響著極值的衰減深度(Walker,1965;Lynn,1967).
為進一步研究TypeI、TypeII兩種不同極值結構的特點,本文采用時序疊加的方式對資料進行處理.處理時首先將SR1出現的時間設定為時間零點,然後對2018年4月23日—2020年7月22日特定時間段的資料進行疊加.圖3a給出了2018年—2020年5月23日—7月11日的資料時序疊加結果,圖中的黑色虛線表示SR1出現的時間,即時間零點,透過該圖可以明顯看出,該時間段內出現了典型的TypeI極值結構,且由SR1到SR2時間段內的幅度分佈整體趨勢較為一致,這意味著在3年觀測期內該時間段內的訊號幅度隨時間變化趨勢基本相同且穩定地出現TypeI極值結構.值得注意的是,在SR2出現之後,訊號的幅度值分佈出現了明顯的分層(兩層),這可能是因為在不同的年份,同一時期電離層的狀態並不完全一致,這種差異性會導致在不同年份的相同時間段內接收到的甚低頻訊號強度有所差異.圖3b給出了與圖3a同一時間內各年份的幅度平均值,藍色點線、紅色點線、綠色點線、黑色點線分別對應2018年、2019年、2020年、2018—2020年的幅度平均值結果,可見,前3條曲線與黑色曲線保持較為一致的走勢,這進一步表明TypeI結構在該時間段內較為穩定.另外,2019年、2020年的幅度平均結果較為相近,而2018年的幅度平均值明顯更大,且在SR2出現之後其幅度平均值與2019年、2020年幅度平均值的差值先不斷增大,最後基本保持在一個相對穩定的值,這也可以明顯地觀察到前文提及的分層現象.透過幅度平均結果曲線發現,SR2出現時間的波動較小,其詳細統計引數詳見表1中的第2行,SR2出現時間的波動範圍為43～65min,平均值為54.2min、標準差為4.4min,可見其波動性較小,穩定性較強.
圖2日出期間兩種典型訊號響應結構事例．
(a)2019年3月2日的TypeI結構；（b)2019年12月26日的TypeII結構
圖32018年4月23日—2020年7月22日時間段的時序疊加分析結果.
(a)2018年—2020年5月23日—7月11日的時序疊加;(b)2018年、2019年、2020年、2018—2020年的平均結果;(c)2018年—2019年11月16日—12月26日的時序疊加;(d)2018年、2019年、2018—2019年的平均結果
圖3c給出了2018—2019年11月16日—12月26日幅度資料的時序疊加結果,黑色虛線表示時間零點的位置,該時間段內出現了典型的TypeII結構,相比於圖3a中出現的TypeI結構,該圖中TypeII結構的波動明顯更大,在SR1出現之後,SR2、SR3出現時間的分佈離散化程度更大.圖3d給出了該時間段內不同年份的幅度平均結果,藍色點線、紅色點線、黑色點線分別對應2018年、2019年、2018—2019年的結果,透過該圖可以看出,在SR1出現後3條曲線的走勢保持著較高的一致性.圖3(a、b)中TypeI結構在SR2出現之後幅度曲線表現為明顯的快速單調上升,但是圖3(c、d)中在SR2出現後又出現了第三個極小值SR3,在SR3出現後幅度曲線才開始快速上升.表1第3—4行分別給出了TypeII結構下SR2、SR3出現時間的統計結果,它們的時間波動範圍分別為48～93min、80～120min,平均值分別為64.7min、96.4min,標準差分別為10.2min、11.7min,顯見,該結構下SR2出現時間的波動和離散化程度明顯比SR3小一些,但是依然比TypeI結構下SR2的波動性更大,這表明TypeI結構的穩定性要明顯強於TypeII結構.
表1TypeI與TypeII下幅度極小值出現時間的統計
2.2極小值的統計分佈
前文已對單天的幅度響應、特定時間段內的極值結構特點進行了分析,接著本文將分析2018年4月23日—2020年7月22日整個觀測期間內的幅度資料,每日觀測時間段設定為日出期間,即當地時間4點—8點半.圖4給出了日出期間NWC的幅度分佈圖,其中紅色曲線、黑色曲線分別表示武漢站、NWC的日出時間曲線,不同顏色代表不同的幅度值,深藍色表示可能存在的極小值點,白色間隙表示該處無有效資料,可能是NWC發射機關機、武漢接收機關機或其他原因導致無資料或資料異常,相關處理在前文的資料預處理部分已作說明.另外,在該圖的上方(8點—8點半附近)存在一些深色的線條,這表明這些點的幅度值持續低於該時間段的正常水平,導致此類現象的原因可能是NWC發射機停發等;在該圖的下方(4點—5點半附近)也存在很多明顯的深藍色線條,這些點幅度值較低的原因在於它們基本都位於夜間時間段,電離層高度相對較高且穩定性更差,訊號的幅度值波動較大且始終低於白天的水平,當然也不排除其他因素的影響.整體上看,在武漢站、NWC的日出時間曲線附近出現的極小值點分佈呈現出了一定的規律性,它們的分佈在大部分時間都與日出曲線有著較為一致的變化趨勢.仔細觀察不難發現,圖中下方的極小值主要分佈在日出時間較早的日出曲線兩側,而上方極小值主要分佈在兩站日出時間較晚的日出曲線下方,並且與日出曲線存在明顯的時間差,表明這些極小值並不是恰好出現在發射站、接收站的正上方,它們出現在傳播路徑上與兩站相距一定距離的某點.另外,在秋分附近極小值的分佈與其他時間點的分佈明顯不同,該處極小值的出現存在更大的時間跨度,在2019年秋分點(圖中黑色虛線橢圓區域所示)表現的尤為明顯.在秋分—冬至前的一段時間內極小值的分佈一直都與武漢日出曲線有著較為相近的走勢,但是在冬至前後一段時間出現較大波動,極小值的分佈由日出曲線以內擴充套件到了日出曲線以外,並且2018年、2019年均觀察到此類現象,如圖中兩個黑色虛線矩形區域所示.
圖4日出期間NWC訊號的幅度分佈
利用有效極值點資料繪製如圖5所示的日出期間極小值時間分佈曲線,圖中紅色曲線、黑色曲線分別表示武漢、NWC的日出曲線,藍色、綠色、洋紅色標記分別表示SR1、SR2、SR3出現的時間點,該圖可以表現出圖4中表現不明顯、甚至沒有表現出的一些特點.顯見,SR1出現時間主要分佈在日出時間較早的那段曲線附近,在春分—秋分期間分佈的規律性最強、一致性最好,3年的觀測結果均表現出了這一特點;而在秋分附近、秋分—春分期間,SR1出現時間離散程度有變大趨勢.整個觀測期間,SR2出現時間的分佈並不具有完全一致的規律性,當SR2位於日出時間較晚曲線以內時,其分佈和變化趨勢與日出曲線基本一致,並且與日出曲線存在明顯的時間差,這在上文中已經提及,這是因為干涉距離取決於發生干涉的模在波導中傳播時的波長(Crombie,1964;Lynn,1967),極小值出現在大圓傳播路徑上符合干涉距離要求的點,而這些點可能並非恰好位於發射站或接收站;當SR2位於日出時間以外時,尤其是在秋分點附近,SR2出現時間的分佈明顯異於其他位置,它的分佈不再與日出曲線保持一致,並且與SR1出現時間之間的時間差變得更大,如圖5中虛線圓圈標示區域,這一特點在圖4中有所表現,但是並不明顯.本文選擇了地理正南北方向的傳播路徑,所以在春分和秋分時刻,晨線與傳播路徑完全平行,並且隨著地球的自轉它們會在春分與秋分完全重合,這時晨線經過整個傳播路徑所需要的時間也將達到一年中的最小值,產生的干涉效應持續時間非常短.當晨線與傳播路徑存在夾角時,隨著兩者夾角的增大,它們之間的偏離程度不斷增大,晨線透過整個傳播路徑的時間不斷增加,在夏至和冬至時兩者的夾角將達到最大,此時晨線透過整個傳播路徑的耗時、干涉效應持續時間也將達到最大.另外,發射站與接收站在春秋分會同時經歷黑夜或白天,再加上晨昏線實際上並非是一條沒有寬度的線,而是具有一定寬度的區域,在該區域上方的電離層與白天和黑夜相比除了存在高度上的差異之外,可能還存在一些更為複雜的變化,所以當甚低頻訊號透過該區域上方的電離層後可能會產生一些異於其他位置和時刻的變化.繼續觀察圖5可以發現,SR3出現時間主要在冬至前後,並且其分佈與武漢日出時間的變化趨勢相似,但是在秋分之前,即黑色圓圈區域之前的時間也有SR3出現,並且連續兩年在相似的位置均觀測到了這一現象.值得注意的是,儘管在夏至和冬至時晨線與傳播路徑的夾角相同,但是SR3在夏至時並未出現,這表示SR3的出現還與不同季節下電離層的真實狀態有關,比如在日出期間過渡區域上方電離層不連續區域的真實長度,該長度及其與傳播路徑之間的夾角會影響到不同階的模之間的轉換程度,進而對訊號傳播過程中各階模的佔比產生影響(Lynn,1967),這可能會對SR3的出現產生影響.另外,分析SR2與SR1的出現時間差可以發現,當SR2出現在日出曲線以內時,該時間差與接收站、發射站兩者中日出時間較晚的日出曲線具有十分相似的趨勢,主要表現為:春分—夏至持續增大,夏至達到最大,夏至—秋分又開始減小,在秋分前的一段時間達到最小;接著,從秋分後的一段時間開始增大,冬至點達到最大,冬至—春分又開始減小,在春分前的一段時間達到最小.但是在春分點、秋分點附近,該時間差與其他位置的時間差存在明顯不同,分佈上變得更加離散、波動和跳躍程度更大,並且在3年觀測期內均觀測到了這些特點和規律.
圖5日出期間幅度極小值點分佈
2.3TypeI與TypeII機率統計
上一節對甚低頻訊號出現的幅度極小值分佈進行了定性分析,接下來對該現象進行定量分析.圖6a給出了3年觀測期間內,按月份對SR1、SR2、SR3出現次數進行統計的結果,分別以紅色、綠色、黃色柱形表示.透過統計結果可以看出,3—7月份只出現了TypeI極值結構,完全沒有出現TypeII結構;而在其他月份,TypeII結構以不同次數出現,其統計具體資訊詳見表2所示.有一點值得注意,由於發射機或接收機開關機狀態等不同因素的影響,本文所用資料存在一定的缺失,所以在計算極值出現的機率時並不是以每個月真實的天數為計算基準,而是以真實資料的場數(天數)為標準,其值與SR1出現的次數相等,比如,在3年觀測期內,一月份的真實天數共有93天,但是我們的有效資料場數只有58天(SR1出現的次數),所以,在計算各個極小值或兩種極值結構出現機率時均以58天為基準,這樣比以93天為基準更能體現出事件出現的客觀真實性.透過表2中的結果明顯看出,TypeI極值結構在3—7月份出現的機率為100%,此時TypeII出現的機率為0,而在1—2月、8—12月,TypeI結構出現的機率出現明顯下降,最小時降至1月份的20.7%;TypeII結構在這些月份的出現機率顯著增加,由3—7月份的0上升至1月份的79.3%,且在1月、2月、11月份的TypeII出現機率均超過70%.
前文已提及,春分、夏至、秋分、冬至的交替變化可能會在一定程度上影響極小值的分佈,為了進一步研究極小值分佈和季節的關係,本文按照春分—秋分(週期1)、秋分—春分(週期2)對整個觀測期內SR1、SR2、SR3出現的次數進行統計,分別以紅色、綠色、黃色柱形表示,如圖6b所示.透過該結果可以看出,TypeII在週期2內出現的次數明顯高於週期1,統計結果見表2最後兩列,計算極小值出現機率時依然以SR1出現的次數為基準,週期1和週期2分別對應376次、289次.透過表2最後兩列可以看出,在週期1內,TypeI出現的機率為91.5%,遠遠高於TypeII出現的機率8.5%,這意味著該期間幅度響應的極值結構以TypeI為主;在週期2內,TypeI出現的機率降至41.9%,而TypeII出現的機率則增大至58.1%,此時極值結構以TypeII為主,這在一定程度上可以看出TypeII結構主要發生在秋冬季,出現在夏春季的機率較低.
圖6極小值出現次數的統計結果.
(a)1—12月份極小值統計結果;(b)週期1、週期2內極小值統計結果
表2TypeI和TypeII結構出現次數和機率統計
3、結果與討論
本文分析了2018年4月23日—2020年7月22日期間利用武漢大學自主研發的VLF接收機接收的NWC甚低頻訊號,首先對資料進行了相應的預處理,接著透過解調、平均等處理得到相應的幅度資料,並利用程式判讀為主、人工矯正為輔的方式得到每日幅度極小值出現的時間.根據每日出現極小值個數的不同,將極小值結構分為兩種不同的型別,極小值個數為2個、3個的結構分別稱為TypeI、TypeII,分析兩種結構後發現,SR1、SR2、SR3的幅度衰減程度依次減弱.接著,本文基於時序疊加分析的方法,以SR1出現時間為時間零點,對特定時間段內的資料進行時序疊加,分析了SR2、SR3出現時間的相關引數;接著分析了極小值出現時間與武漢站、NWC兩站日出時間曲線的關聯性;最後分析了不同極小值結構在不同月份(1—12月)、不同週期(週期1、週期2)出現的次數和機率,主要得到以下結論:
(1)在TypeI結構下,SR2出現時間的波動範圍為43～65min,平均值與標準差分別為54.2min、4.4min;在TypeII結構下,SR2出現時間的波動範圍、平均值、標準差分別為48～93min、64.7min、10.2min,SR3對應的引數分別為80～120min、96.4min、11.7min,這說明TypeI結構的規律性和穩定性要明顯強於TypeII結構的.
(2)SR1出現時間的分佈與兩站中日出時間較早的那段曲線吻合較好;當SR2出現在日出時間曲線以內時,它與兩站中日出時間較晚的日出曲線吻合較好,SR2與SR1的時間差與該段曲線有著相似的變化趨勢;當SR2出現在日出時間曲線以外時,其分佈特點異於其他點,SR2與SR1的時間差明顯增大;SR3主要出現在冬至附近.
(3)在觀測期間內,按月份(1—12月)對SR1、SR2、SR3出現的次數進行了統計,並以SR1出現次數為基準,計算了SR2、SR3在每個月出現的機率,結果表明,在本文觀測期內,3—7月份TypeI結構出現的機率為100%,而TypeII在這幾個月份出現的機率為0;在1—2月、8—12月,TypeI出現機率顯著減小,最小值為1月份的20.7%,同時TypeII出現機率明顯增加,最高為1月份的79.3%,並且在11月、1月、2月三個月份,TypeII出現的機率均超過70%.
(4)按照週期1、週期2對SR2、SR3出現次數和機率進行統計,根據統計結果發現,TypeI在週期1出現的機率為91.5%,遠遠高於TypeII出現的機率8.5%;在週期2內TypeI出現的機率降低至41.9%,TypeII出現的機率上升至58.1%,這表明,TypeII主要出現在秋冬季,在春夏季發生的機率較低.
研究甚低頻訊號在地球-電離層波導中傳播的日出效應時,前人研究時採用的主要是東-西、西-東傳播路徑(Crombie,1964;Walker,1965;Ries,1967;Samanesetal.,2015;ChandandKumar,2017),採用偏南北向傳播路徑的研究相對較少(Lynn,1967;Clilverdetal.,2017),而採用與經線平行的傳播路徑的研究則更少(Clilverdetal.,1999,2017),他們的研究結果均表明極小值出現時間與日出時間變化趨勢的一致性.本文研究結果也表明在觀測期內,極小值的出現時間(尤其是SR1、SR2)整體上與武漢站、NWC的日出時間吻合性較好,這與前人研究得出訊號幅度極小值出現時間與日出時間一致的研究結論相符.但是,由於本文所使用的訊號傳播路徑與經線基本完全平行,傳播方向角近似為0°,當晨線與傳播路徑完全重合時出現了一些特殊現象(秋分時的極小值),導致該現象的傳播機理還需要在下一步工作中進行探討.此外,本文在定性分析的基礎上還以月份、季節為變數對幅度極小值進行了定量分析,量化結果在一定程度上說明了極小值出現與月份和季節的相關性,這有助於加深對日出效應的認識和理解.
值得注意的是,本文在進行極小值點的判斷時,採用的是程式判讀為主、人工矯正為輔的方式,一些主觀因素的存在可能會對結果產生一定的影響,在以後的工作中還需要對該程式進行不斷完善,儘可能減少人為干涉因素.此外,本文研究的傳播路徑是武漢-NWC的完全地理南北走向,目前對此類路徑的研究相對較少,因為南北方向上電離層的變化本身較為複雜,再加上真實的晨線並不是一條簡單的、不計寬度的線,而是一個具有一定寬度的條帶,所以當晨線在春分、秋分與傳播路徑完全重合時可能會產生一些較為特殊的現象和規律,這些問題還需要在後續的工作和研究中進行深入探索.另外,本文所得結論中極小值分佈整體趨勢與日出時間曲線的一致性結論具有全球普適性;但由於晨線過渡區上方電離層不連續區域的長度、傳播路徑,以及兩者夾角等引數均可能會影響幅度極小值的出現和結構,而不同地域的電離層狀態又存在不同程度的差異性,所以本文中關於極小值出現的機率統計和定量分析結論具有一定地域特性.
