子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果.pdf

郝永强，代国峰，张东和，肖佐.2024.子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果.地球与行星物理论评（中英文），55（1）：53-65.doi：10.19975/j.dqyxx.2023-001.HaoYQ,DaiGF,ZhangDH,XiaoZ.2024.Preliminaryresultsoftheionospherichigh-frequencyDopplershiftmonitorforthePhaseIIofChineseMeridianProject.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,55(1):53-65(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2023-001.子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果郝永强1，代国峰2，张东和2*，肖佐21中山大学大气科学学院行星环境与宜居性研究实验室，珠海5190822北京大学地球与空间科学学院，北京100871摘要：子午工程二期计划在漠河、北京、武汉、深圳四地分别建设由一个发射站和三个接收站构成的电离层高频多普勒监测台阵.本文介绍了为此研制的电离层高频多普勒监测仪的进展和试观测期间取得的一些观测结果.通过与电离层测高仪进行交叉对比，设备的性能和探测能力得到了验证.目前该设备已部署 7 个站点进行试观测，本文报告了该设备探测到的太阳耀斑导致的电离层扰动、电离层行进式扰动、大尺度电场导致的多站同时扰动等多种现象.未来子午工程二期建成后，该设备将具备我国上空北至漠河、南至广东的电离层扰动监测能力，并与其它探测手段融合发挥空间天气综合监测网络的最大效能.关键词：电离层高频多普勒频移；电离层扰动；子午工程doi：10.19975/j.dqyxx.2023-001中图分类号：P352文献标识码：APreliminary results of the ionospheric high-frequency Doppler shiftmonitor for the Phase II of Chinese Meridian ProjectHaoYongqiang1,DaiGuofeng2,ZhangDonghe2*,XiaoZuo21PlanetaryEnvironmentalandAstrobiologicalResearchLaboratory(PEARL),SchoolofAtmosphericSciences,SunYat-senUniversity,Zhuhai519082,China2SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,ChinaAbstract:ThePhaseIIofChineseMeridianProjectplanstoconstructionosphericDopplersoundingarraysaroundMohe,Beijing,Wuhan,andShenzhen.Eacharrayconsistsofonetransmitterstationandthreestationsequippedwiththeionospherichigh-frequencyDopplershiftmonitor,whichisdescribedinthispaperintermsofsystemdesignandpreliminaryresultsfromitspilotoperation.Bycomparisonwithacollocatedionosonde,theper-formancecapabilityofthesounderisvalidated.Atpresent,thesoundershavebeeninstalledatsevenstationsandhavebeenrunningcontinuouslyforabout1year.Thispaperpresentsobservationsofvariousionosphericdisturbancescausedbysolarflareeruptions,travellingionospheredisturbances,andprobablelarge-scaleelectricfieldvariations.Onceestablished,thechainofsounderarrayswillcontinuouslymonitorionosphericdisturbancesovereasternChinaandcontributetothesophisticatedspaceenvironmentmonitoringnetworkoftheChineseMeridianProject.Keywords:ionospherichigh-frequencyDopplershift;ionosphericdisturbances;ChineseMeridianProject收稿日期：20230108；录用日期：20230213基金项目：子午工程；国家自然科学基金资助项目（42074192，41574144）SupportedbytheChineseMeridianProjectandtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNos.42074192,41574144)第一作者：郝永强（1979-），男，教授，主要从事电离层物理和电离层探测研究.E-mail：*通信作者：张东和（1964-），男，教授，主要从事电离层物理和电离层探测研究.E-mail：第55卷第1期地球与行星物理论评（中英文）Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,20240引言电离层高频多普勒探测始于 20 世纪五六十年代，传统上主要利用持续、稳定的短波标准频率信号开展观测（Ogawa,1958;WattsandDavies,1960），原理是基于无线电波在电离层中反射面的高度变化会导致接收到电波频率发生偏移，测量该频移量可以计算电离层反射面垂直运动的多普勒速度，也就能获知电离层中发生的扰动.国内从 1980 年代开始，主要由原中国科学院武汉物理研究所和北京大学分别研制了第一代电离层多普勒探测设备，对我国中部地区电离层扰动和不规则体、电离层对耀斑的响应、台风导致的电离层扰动和扩展 F 现象等问题开展了大量的研究（李钧,1983;李利斌等,1987;宁百齐和李钧,1996;万卫星等,1995,1996;Wanetal.,1998;肖 赛 冠 等,2006a,2006b,2012;Xiao et al.,2009,2012;肖佐等,1987,2002;Xiaoetal.,2007;张东和等,1999）.在国家重大科技基础设施“东半球空间环境地基综合监测子午链子午工程（一期）”的支持下，2010 年新一代电离层高频多普勒监测仪部署在北京的 3 个台站和深圳的 1 个台站（胡晓彦等,2021;Wang,2010）.基于其能灵敏捕捉电离层变化的特点，其观测数据继续支撑开展了地震和海啸引发的电离层扰动、磁暴产生的大尺度扰动、电离层中的甚低频波动等研究（Haoetal.,2006,2012;Liuetal.,2019;Ouyangetal.,2016;Wangetal.,2021;ZhaoandHao,2015）.在此期间，国际上的新一代电离层高频多普勒探测能力也迅速发展，在法国、捷克、日本、南非、阿根廷及我国台湾地区均建立了地区性的监测站网，多采用 3 站组成一个台阵的方式，以加强探测电离层扰动传播速度的能力（Fargesetal.,2003;LatovikaandChum,2017;Liuetal.,2016）.子午工程二期于 2019 年开工，项目计划在漠河、北京、武汉、深圳四个地区各建设一组电离层高频多普勒监测台阵，每个监测台阵由一个发射站和三个接收站构成（Liuetal.,2021;Wangetal.,2020）.发射站在 4.5MHz 附近的频点上发射连续波，无线电波经电离层反射后，由接收站完成信号的接收、处理和数据产品的生成.在过去三年里，为子午工程二期研制的新型电离层高频多普勒监测仪已完成设计制造和出厂测试等环节，并已在多站完成部署，开展了试观测.本文将介绍该设备试观测期间取得的一些结果，以验证设备的探测能力及性能指标的达成情况.1电离层高频多普勒频移探测原理及系统设计对于在电离层中传播的高频无线电波，设电波发射后经过时间 t 被反射回地面，则此时回波信号的相位为（龙咸灵和侯杰昌，1979）：=0twSdS(1)0其中为电波角频率，为电波在电离层介质中的波长，S 为电波传播路径.电波的频率则可表示为：f=12ddt=f0fcddtwSdS(2)c=1KNf2K 80.6P=rSdS其中 为真空中的光速，为电波传播路径上的相折射指数，N 为电子密度，（采用国际单位制）.式中右侧第二项即为接收到的电波频率相对于发射时的偏移，令，称为相路径（刘选谋等，1985）.可见频率偏移来自于相路径的时变，其中包含了 的变化和 S 的变化：f=fcdPdt(3)Pv在多普勒效应中，多普勒频移通常可对应于探测对象的多普勒速度.类似地，如果把相路径 的变化等效于一种电离层反射面在垂直方向上的多普勒速度，则多普勒频移反映了该速度的大小.当在地面垂直发射和接收电波时：v=12dPdt=12cff(4)传统电离层多普勒探测设备通常通过改造短波电台来实现，并广泛使用短波授时台广播的标准频率信号.对于 10MHz 标准频率的信号，电离层多普勒频移通常在 1Hz 量级，由上式可知对应反射面多普勒速度约为 15m/s.如要达到 0.1Hz 的分辨率，则要求接收系统的参考频率的精度和稳定度要高于 108.随着电子技术的发展，后来的探测设备采用紧凑的短波接收模块，并由 GPS 驯服的恒温晶振提供高精度和高稳定度的参考频率信号，在简化系统架构的同时保证了数据的质量.近年来，软件无线电技术（SoftwareDefinedRadio,SDR）则提供了更加灵活和经济的解决方案，进一步简化了54地球与行星物理论评（中英文）2024年设备的硬件设计和实现.在电离层探测领域，基于软件无线电架构的探测设备已经进行了一些成功的试验（陈彦龙和张援农，2015；宁百齐和林晨，2002），表明该技术具有设计周期短、部署成本低、二次开发灵活等优势.子午工程二期增设了发射站，在 4.5MHz 附近的频率发射连续波信号，在接收站的电离层高频多普勒监测仪接收该信号并测量其多普勒频移，频移测量范围为2Hz，频率分辨率 0.1Hz.为达到该设计指标，要求设备频率准确度为1010，频率稳定度为 100s：51010.新一代设备采用模块化设计，如图 1 所示，以通用的软件无线电平台作为射频接收前端，降低前端设计的复杂度和开发成本，通过计算机端软件编程实现对数字信号的移频、降采样、滤波等处理，并通过数据的后处理最终得到接收信号的多普勒频移.在接收新的自主发射信号的同时，具有兼顾接收传统常用的 5MHz、10MHz 短波授时标准频率信号的能力.射频前端USB 3.0USB 3.0前端放大、选频、模数转换计算机移频、滤波、存储数据GPS 驯服频率源图1电离层高频多普勒监测仪系统框图Fig.1Systemdiagramofthehigh-frequencyDopplershiftmonitor目前该设备已部署在表 1 所列的子午工程二期站点并开展试观测.在试观测阶段，主要通过两种工作模式对设备进行验证：一是接收临近的发射站的信号；二是接收来自陕西蒲城的国家授时中心的 5MHz 和 10MHz 标准频率信号，此时各站接收的信号的电离层反射点可近似认为位于发射站和接收站之间的中点，其地理位置如图 2 所示.表1进行设备试观测的电离层高频多普勒监测站点经纬度Table1LocationsoftheDopplersoundingstations台站名临时代码地理经度/（）地理纬度/（）海淀北大站BDT116.3139.99昌平北大站BCT116.1940.25密云溪翁庄站MDT116.8640.45随州站SUZ113.3231.57崇阳站CHY114.1329.51武昌武大站WHU114.3530.54深圳南山站SZT113.9722.602观测数据验证及初步结果 2.1 与电离层测高仪数据对比验证为验证设备观测数据的准确性，与电离层测高仪的观测进行了交叉对比.为此，在珠海设立发射站发射 4.997MHz 连续波，在深圳南山站（SZT）接收该信号.两地直线距离约 50km，可近似认为信号垂直向上发射并被电离层反射，从而可以与位于珠海的电离层测高仪的观测进行对比.图 3 显示了两种设备在 2022 年 12 月 25 日的一段观测数据.为方便对比，将多普勒频移按公式（4）转换为电离层等效反射面的垂直多普勒速度，如图 3b 中的蓝点所示，可见在 11:00UT 之后等效反射面发生明显的抬升，而 11:45UT 之后，反射面转为具有向下的运动速度.同时，图 3a 中显示了这段时间测高仪观测的不同电离层虚高处的回波强度，可见在多普勒频移发生变化的这段时间里，电离层整体发生了显著的抬升和下降.图中黑色的点是 5MHz 频率信号反射处的虚高（经过插值和平滑），计算其时间变化率（dh/dt）即为垂直运动的速度，可以与 4.997MHz 信号的多普勒观测进行比较，如图 3b 所示.两种观测手段均探测到了电离层的垂直运动，验证了高频多普勒探测数据的真实性，也可以看到高频多普勒探测具有较高的时间分辨率和频率/速度分辨率的优势.但两种技术探测到的电离层变化幅度和形态也有所差异，可能与两种技术不同的探测原理有关.第55卷第1期郝永强，等：子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果55 2.2 对太阳耀斑的电离层响应观测在太阳耀斑期间，太阳 X 射线和极紫外辐射的通量大幅增加，导致电离层的电离度和结构快速变化.图 4 展示了一次发生在 2022 年 10 月 11 日的 M3.9 级耀斑，在北京和武汉周边各站观测到 10MHz 授时信号频率发生同时的突然变化.此处显示反射点(北京)北京蒲城武汉反射点(武汉)(b)(a)3745N3730N3715N11245E11315E11300EMDTBCTBDT10 km(c)3330N3230N3200N11100N11200EWHUCHYSUZ50 km105E20N11130E11230N3300N110E115ESZT地理经度地理纬度120E125E25N30N35N40N45N图2（a）国家授时中心蒲城发射站与各高频多普勒接收站及电离层反射点的地理位置.放大图显示了（b）北京和（c）武汉各站接收信号的电离层反射点的位置关系Fig.2(a)LocationsoftheNationalTimeServiceCenter(NTSC)Puchengtransmitter,thereceivers,andthereflectionpoints.Enlargedmapsshowingthegeometryofthereflectionpointsforthereceiversaround(b)Beijingand(c)Wuhan08:002008:3009:0009:3010:0010:3011:002022 年 12 月 25 日世界时dh/dt/(ms1)多普勒速度/(ms1)信号强度/dBh/km11:3012:0012:3013:0013:3014:0002040608010020020406080100200250300350400450SZT 高频多普勒监测仪(a)(b)珠海电离层测高仪50403020100图3电离层多普勒频移监测与电离层测高仪观测对比Fig.3ComparisonbetweentheionosphericDopplersoundingandionosondeobservations56地球与行星物理论评（中英文）2024年正的频移，表示电离层等效反射面高度下降.图 4f中显示了风云 2H 卫星观测的太阳 X 射线通量及其时间变化率，可见此次耀斑持续时间并不长，并且多普勒频移的峰值与通量变化率的峰值有很好的对应关系.在耀斑发生时，电离层各高度处电子密度都有显著的增加，但对于此处所用的远距离 10MHz 信号来说，电离层反射点在峰值高度以下，所以频移的变化主要由低高度电离层的电子密度变化导致，根据多普勒频移观测可以估算这部分总电子含量的变化（张东和等，1999）.0.500.51.01.5BDT-10 MHz0.500.51.01.5BCT-10 MHz0.500.51.01.5MDT-10 MHz0.500.51.01.5WHU-10 MHz0.500.51.01.5SUZ-10 MHz0.10.20.30.400.020.04(a)(b)(c)(d)(e)(f)X 射线流量/(104Wm2)多普勒频移/Hz00.0208:2008:25X 射线流量 F流量时间变化率 dF/dt08:3008:3508:4008:4508:5008:5509:002022 年 10 月 11 日世界时图42022 年 10 月 11 日的 M3.9 级耀斑事件.（a-e）北京及武汉附近各站电离层多普勒频移观测；（f）FY-2H 卫星观测的太阳 X 射线辐射流量及其时间变化率Fig.4TheM3.9solarflareeventon11October2022.(a-e)DopplerfrequencyshiftobservedbythereceiversaroundBeijingandWuhan;(f)SolarX-rayfluxrecordedbytheFY-2Hsatelliteanditsrateofchange图 5 显示了 2022 年 4 月 21 日的一次 M9.7 级耀斑事件.GOES-16 卫星观测的太阳 X 射线通量从 01:54UT 开始上升，信号迅速发生正的频移，幅度超过 0.5Hz.之后很快信号中断，导致多普勒频移无法测量，在 02:05UT 之后北京和武汉的台站重新接收到信号，同时多普勒频移逐渐从0.5Hz 恢复到零附近.这次耀斑强度较大，持续时间也较长.信号中断是由于耀斑导致电离层的吸收显著增强，衰减了电波信号的强度.这一点从设备记录的信号强度可以看到，如图 6 所示，耀斑期间信号强度迅速下降 3050dB，导致信号中断；在密云溪翁庄站（MDT）信号强度恢复较快，而在较低纬度的深圳南山站（SZT）信号强度则恢复地非常缓慢，表明耀斑增强的电离层吸收在不同纬度的衰减速度不同.2.3 行进式电离层扰动观测行进式电离层扰动（TravellingIonospheredis-第55卷第1期郝永强，等：子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果57turbance,TID）是另一种高频多普勒观测中常见也是重点关注的现象.图 7 显示了 2022 年 8 月 24 日北京附近的三个台站 BDT、BCT 和 MDT 的一段观测数据，可见周期约为 20min 的两个波包的扰动.三站观测到的扰动互相之间存在时延，即有明显的相位差别，BDT 的相位最早，接着是 MDT,BCT 最晚，这表明扰动是以有限的速度在电离层中传播.(xi,yi)根据三个台站接收信号的反射点位置（图 2）及扰动的时延，由以下方法反演扰动传播的速度.假设是水平传播的大尺度扰动，如果任两个反射点之间的距离远小于扰动的波长，那么在这两个反射点之间的波场可近似为平面波.已知三对或更多的反射点的相对位置及其观测到扰动的时间ti差，就可由最小二乘法拟合扰动传播的相速度（ChumandPodolsk,2018）：J=Ni=1(tixivxpyivyp)2(5)vxpvyp当 J 最小时拟合出扰动在东西和南北方向上的表观相速度和，即可得到等相位面运动的方向，及垂直于它的相速度大小：vg=vxpvypv2xp+v2yp(6)对于图 7 所示三个台站的多普勒频移时间序列，选取 11:5012:25 时段的数据，使用交叉相关分析得到 BDT 和 BCT、BDT 和 MDT、BCT 和 MDT之间的时间延迟分别为 80s、20s 和60s.利用上0.500.51.01.5MDT-10 MHz0.500.51.01.5WHU-10 MHz0.500.51.01.5CHY-10 MHz0.500.51.01.5SZT-10 MHz00.201:3001:3501:4001:4501:5001:5502:0002:0502:1002:1502:2002:2502:300.40.60.81.0GOES XRS-B(a)(b)(c)(d)(e)X 射线流量/(104Wm2)多普勒频移/Hz2022 年 4 月 21 日世界时图52022 年 4 月 21 日的 M9.7 级耀斑事件.（a-d）北京、武汉、深圳附近各站电离层多普勒频移观测.（e）GOES-16 卫星观测的太阳 0.10.8nmX 射线通量Fig.5TheM9.7solarflareeventon22April2022.(a-d)DopplerfrequencyshiftobservedbythereceiversaroundBeijing,Wuhan,andShenzhen;(e)SolarX-rayfluxrecordedbytheGOES-16satellite58地球与行星物理论评（中英文）2024年v述拟合方法得到结果如图 8，可知 TID 的传播速度=178m/s，方位角为47，即从东南向西北方向传播.2.4 多站时间同步的电离层扰动现象观测与行进式扰动不同的是，观测中还发现一种时间上完全同步的扰动，即在各站观测到的扰动不存在延时.图 9 所示为一次这种扰动的例子，在 2022年 2 月 1 日 22:20UT（北京时间 2 月 2 日日出前），多个台站观测到多普勒频移先突然上升后缓慢下降，至 22:25UT 负的频移达到最大，之后缓慢恢复到之前的状态.利用上一节提到的交叉相关性分析来寻找各台站之间的时延，确认了扰动没有明显的时间延迟.观测中也可以看到日出时电离层00.201:3001:3501:4001:4501:5001:5502:0002:0502:1002:1502:2002:2502:300.40.60.81.0X 射线流量/(104Wm2)信号强度/dB2022 年 4 月 21 日世界时GOES XRS-BSZT-10 MHzCHY-10 MHzWHU-10 MHzMDT-10 MHz(a)(b)(c)(d)(e)9080706090807060508060401008060图6同图 5，（a-d）显示各站接收到的信号强度Fig.6SimilartoFig.5,butshowing(a-d)thesignalpowerrecordedbythereceiversaroundBeijing,Wuhan,andShenzhen11:4011:4511:5011:5512:0012:0512:1012:1512:2012:2512:300.40.200.20.4BDTBCTMDT多普勒频移/Hz2022 年 8 月 24 日世界时图72022 年 8 月 24 日北京附近三站观测到的一次行进式电离层扰动Fig.7TravellingionosphericdisturbancesobservedbythreestationsaroundBeijingon24August2022第55卷第1期郝永强，等：子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果59变化导致的显著的多普勒频移（图中未显示），约发生在 23:30UT（北京时间 7:30），所以可以推断上述扰动事件发生在日出之前一小时左右.图 10 给出了 2022 年 4 月 27 日一次类似的扰动事件.这次事件开始于 22:50UT，而这一天的日出时间约为 22:00UT（北京时间 6 点），所以，与上一个事件不同，该事件发生于日出之后.3讨论子午工程二期将于漠河、北京、武汉、深圳四地分别建设一发三收的电离层高频多普勒监测台阵，目前在其中多站已开展设备试观测和观测数据验证.深圳南山站接收珠海发射的信号，在近垂直反射的情况下，与珠海的电离层测高仪的观测进行了vxg/(ms1)vyg/(ms1)log10 J25010050050100150200250200200 m/s178 m/s,47100 m/s1501005005010000.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0图82022 年 8 月 24 日电离层 TID 扰动的传播速度反演结果Fig.8Calculatedvelocityforthetravellingionosphericdistur-bancesobservedon24August2022多普勒频移/Hz2022 年 2 月 1 日世界时0.500.51.01.5BDT-05 MHz0.500.51.01.5BCT-05 MHz0.500.51.01.5MDT-05 MHz0.500.51.01.5WHU-05 MHz0.500.51.01.5SUZ-05 MHz22:1022:1522:2022:2522:3022:3522:4022:4522:500.500.51.01.5SZT-05 MHz图92022 年 2 月 1 日多台站观测到的时间同步的多普勒频移变化Fig.9Concurrentvariationsofthefrequencyshiftobservedatmultiplestationson1stFebruary202260地球与行星物理论评（中英文）2024年对比.由信号的多普勒频移计算的电离层等效多普勒速度，基本吻合测高仪观测到的虚高的时间变化，验证了设备的探测能力.两种手段观测的扰动发生时间和形态也有些许差异，可根据其探测原理的不同略加分析.电离层测高仪由脉冲信号的发射和接收的时间差来计算反射点虚高：h=12ct=cwSdSvg(7)vgvg=cP=wSdS为电波在电离层介质中的群速度.在不考虑外磁场的简化情形下，其中 为（2）式中的相折射指数（赵九章，2014）.令，称为群路径，则测高仪探测的虚高随时间的变化，或等效的电离层垂直运动速度为：v=dhdt=12dPdt(8)1=1 1比较（8）式和（4）式，可知测高仪探测的等效垂直速度为群路径的时间变化率，而多普勒频移探测得到的等效垂直速度为相路径的时间变化率，而群路径和相路径分别是群折射指数 和相折射指数 沿电波路径 S 的积分.这一积分包括低层中性大气的部分（），也包括电离层中的部分（），与电波的频率、路径上电子密度分布都有关系.当反射高度及电子密度分布发生变化时，对群路径和相路径的改变是有所不同的，所以，在图 3 所示的电离层发生扰动时，两种方法都能探测到这种变化，但计算得到的电离层等效运动速度则不完全相同.两个耀斑事件的观测表明高频多普勒频移可以探测 M 级以上的耀斑导致的电离层变化，但有时增强的电离层吸收也会导致信号强度大幅下降而使多普勒频移/Hz2022 年 4 月 27 日世界时0.500.51.01.5BDT-10 MHz0.500.51.01.5BCT-10 MHz0.500.51.01.5MDT-10 MHz0.500.51.01.5WHU-10 MHz0.500.51.01.5CHY-10 MHz0.500.51.01.5SUZ-10 MHz22:3022:4022:5023:0023:1023:2023:300.500.51.01.5SZT-10 MHz图102022 年 4 月 27 日多台站观测到的时间同步的电离层扰动Fig.10Concurrentvariationsofthefrequencyshiftobservedatmultiplestationson27April2022第55卷第1期郝永强，等：子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果61观测中断.正午前后电离层吸收本就较强，而且耀斑产生的额外光电离效应也显著依赖于太阳天顶角（Leetal.,2013;Zhangetal.,2002,2011;ZhangandXiao,2005），所以这种情况更易在正午前后发生.近来也发现有时耀斑导致的电离层总电子含量的增加与太阳天顶角没有直接关系，这时电离层中的输运过程及电动力学状态的变化可能有重要的贡献（Leetal.,2019;Zhangetal.,2017），电离层高频多普勒探测对于电离层动态变化的敏感性可能对这些问题的研究会有所帮助.在图 4 的耀斑事件中，X 射线辐射通量增长率最大时多普勒频移最大，而当辐射通量最大时多普勒频移已经回至 0 附近，这表明辐射通量最大时复合损失已与光电离生成达到平衡.类似地，在对两次 M7.9 和 X1.6 级耀斑的电离层多普勒频移观测研究也发现了同样的现象，并且相比于 X 射线流量，多普勒频移与极紫外辐射通量对应得更好（Chumetal.,2018）.图 6 显示了耀斑导致的电离层吸收的恢复时间与纬度有关，它们之间的关系有待进一步研究.利用三站构成的台阵来监测电离层扰动的传播方向是子午工程二期中电离层高频多普勒探测的重要科学目标.图 7 和图 8 给出了对一次 TID 的观测和传播速度的计算结果.该扰动周期约为 20min，由东南向西北传播，速度约为 178m/s，由此估计波长约为 214km，属于中尺度 TID.早期对我国中部地区的扰动统计发现以东北向和东南向两个传播方向为主（万卫星等,1995,1996;Wanetal.,1998），与青藏高原地形及邻近地区低涡天气事件激发的重力波有关.后来全球范围内的统计认为，北半球白天的中尺度 TID 方向倾向于从西北向东南方向传播，而夜间的中尺度 TID 倾向于从东北向西南方向传播（Dingetal.,2011;Yadavetal.,2021）.但也有研究注意到西北向传播的中间层重力波及中尺度 TID，因为这类扰动发生在较低的高度上，主要由气辉和高频雷达等探测手段所观测到（Bhatetal.,2021a,2021b;Kotakeetal.,2007;Oinatsetal.,2016）.与这些观测一致的是图 7 中的事件发生在夏季的日落前后（如,Kotakeetal.,2007;Zalizovskietal.,2021），可能与日夜交界面处激发的大气重力波以及热层风的方向决定的滤波效应有关.在我国区域内已分布着十几个气辉成像仪观测站，并取得了丰富研究成果（Sunetal.,2016,2019;Xuetal.,2015,2021），未来建成后的高频多普勒监测网与气辉成像仪监测网可以为联合观测研究提供更多的机会.观测中还发现一种各站同时发生扰动的现象，包括北京、武汉、深圳三地的所有观测站，所对应的电离层反射点相距近 1000km.在这么大的空间尺度上同时发生的扰动，比较常见的就是太阳耀斑的效应，但本文中报告的两个时间都发生在日出前后，且太阳辐射通量并没有发生像耀斑爆发时那样的显著变化.初步分析发现，扰动发生时伴随着地磁场的对称扰动分量（SYM-H）的变化：在 2 月1 日的事件发生时，SYM-H 突然增大 20nT 左右，而在 4 月 27 日的事件时，SYM-H 有一个迅速的负脉冲变化，时间尺度约为 10min，幅度也超过 20nT.如此看来，这两个事件可能与行星际条件的迅速变化并由此导致的穿透电场有关，在以往基于电离层高频多普勒观测的研究中，也曾发现过类似的由快速电场变化导致的电离层扰动（如,Kikuchietal.,2021;Pilipenkoetal.,2013）.巧合的是本文报告的两个事件都发生在日出前后，是否与此时的电离层背景状态有关，以及与其它日出时大尺度电场变化的研究（如,Aggsonetal.,1995;Chenetal.,2021）是否存在关联，还是有待回答的问题.4结论本文介绍了子午工程二期电离层高频多普勒监测仪试观测阶段的一些结果.首先与电离层测高仪观测的对比证明两种探测方式能够同时捕捉同一个扰动，验证了高频多普勒监测仪的探测能力.但两种方法区别于分别测量电波的群时延和相位延迟，这导致对同一个扰动的观测存在些许差异.进一步对太阳耀斑事件的观测，证明了多站设备之间的一致性，并能够观测 M 级以上耀斑导致的电离层扰动.利用三站构成的局地观测台阵，计算了 TID 传播速度和方向，能够实现监测电离层中传播的扰动的设计目标.同时，这种以大气波动速度传播的扰动，在观测数据中也能够与多站观测到的时间同步扰动区分开来，后者可能与日出前后大尺度的电离层电场扰动有关.在子午工程二期建成后，与电离层测高仪、气辉成像仪、多型雷达等构成综合监测网，电离层高频多普勒监测仪有望在空间天气监测研究中更充分地发挥其作用.致谢感谢中山大学钟嘉豪及武汉大学杨国斌提供本文所用62地球与行星物理论评（中英文）2024年电离层测高仪的数据及处理程序.FY-2H 卫星太阳 X 射线流量数据来自国家卫星气象中心，GOES-16 卫星的 X 射线流量数据来自https:/www.ngdc.noaa.gov/stp/satellite/goes-r.html.感谢中国科学院网信专项“空间科学大数据智能管理与分析挖掘关键技术及应用”提供的数据分析挖掘工具.感谢国家科技资源共享服务平台国家空间科学数据中心（https:/）提供数据资源支持.ReferencesAggsonTL,HerreroFA,JohnsonJA,etal.1995.Satelliteobserva-tionsofzonalelectricfieldsnearsunriseintheequatorialiono-sphereJ.JournalofAtmosphericandTerrestrialPhysics,57(1):19-24.Bhat A H,Ganaie B A,Ramkumar T K,et al.2021a.Northwardpropagation of medium scale traveling ionospheric disturbancesover Srinagar,J and K IndiaJ.Advances in Space 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