《Atmosphere》：Spectral Characteristics of VLF Transmitter Amplitude Variations During Sunrise Under Solar Minimum Conditions
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研究人员针对太阳极小期（2008–2010年）期间，沿长距离西-东传播路径的日出过渡阶段，甚低频（VLF）信号振幅变化的谱特征开展了研究。VLF无线电波在地球-电离波导（EIWG）内传播时，对低电离层条件变化具有高度敏感性，这种敏感性体现在接收站记录的发射机信
研究人员针对太阳极小期（2008–2010年）期间，沿长距离西-东传播路径的日出过渡阶段，甚低频（VLF）信号振幅变化的谱特征开展了研究。VLF无线电波在地球-电离波导（EIWG）内传播时，对低电离层条件变化具有高度敏感性，这种敏感性体现在接收站记录的发射机信号振幅变化中。在太阳终止线（ST）经过期间，电离层电导率的快速变化会改变传播条件，并产生与模态干涉（modal interference）和模态转换（mode conversion）过程相关的特征性VLF振幅极小值。
本研究利用秘鲁地区记录的NPM-PIU和NPM-PLO传播路径信号数据，对以振幅极小值为中心的一小时时间间隔进行分析。研究人员采用完全集合经验模态分解与自适应噪声（CEEMDAN）方法结合连续小波变换（Continuous Wavelet Transform, CWT）进行分析。研究揭示了具有2至6分钟主导周期的复发性类波波动（Wave-like Fluctuations, WFs），这些波动的振幅在振幅极小值前后±15分钟内系统性增强。这些波动在后期极小值阶段（T3–T5）区分得更为清晰，并在至日期间出现频率增强。结果表明，日出过渡期间波导的演化模态结构可能提高了VLF信号对小扰动的敏感性，从而能够探测到弱的短周期电离层扰动。
该论文发表于国际学术期刊《Atmosphere》。研究背景源于VLF无线电波在地球-电离层波导（EIWG）中传播时对低电离层条件变化的高度敏感性。日间VLF传播尤为稳定，振幅和相位特征清晰，这一特性已被广泛用于研究低电离层对太阳瞬变事件的响应。然而，夜间传播条件通常更具变异性，与有效反射高度变化相关。在日出和日落过渡期间，太阳终止线穿越传播路径时，VLF振幅曲线通常表现出一系列显著的周期性极小值，这些极小值被解释为EIWG中模态干涉和模态转换氰换过程的体现。长距离西-东传播路径上，太阳终止线的经过时间跨度延长，为解析与终止线经过相关的振荡提供了有利条件。此外，这些路径呈现出明确的模态干涉图样，其显著的振幅极小值可作为频谱分解的良好时间标记。
研究人员旨在探究太阳极小期条件下，沿长距离西-东传播路径日出过渡期间VLF振幅变率的谱特征，以振幅极小值作为分析参考点，识别嵌入在大幅度终止线相关变化中的短周期振荡分量。研究得出以下主要结论：第一，在振幅极小值附近，特别是后期极小值T3至T5处，存在主导周期为2至6分钟的复发性类波波动，其振幅在±15分钟窗内系统性增强；第二，这些波动在至日期间出现更为频繁，呈现季节性调制；第三，演化中的波导模态结构提高了VLF信号对小扰动的敏感性，使得弱短周期电离层扰动得以被探测。该研究的重要意义在于，揭示了日出振幅极小值可作为"自然观测窗口"，为探测低电离层弱短周期扰动提供了有效的方法论途径。
本研究样本来源于南美洲VLF观测网（South America VLF Network, SAVNET）在2008年至2010年太阳极小期期间记录的数据。分析对象为NPM发射机（位于美国夏威夷州卢阿卢阿莱，21.4 kHz）与秘鲁境内Punta Lobos（PLO）和Piura（PIU）接收站之间的传播路径，路径长度分别约为9.64 Mm和8.94 Mm。两条路径均位于低纬度区域且部分重叠，可在可比较的地物理与地磁条件下进行近同步观测。
研究采用的关键技术方法包括：（1）完全集合经验模态分解与自适应噪声（CEEMDAN），用于将非平稳VLF振幅信号自适应分解为一系列本征模态函数（Intrinsic Mode Functions, IMFs），分离不同时间尺度的变率成分，克服传统经验模态分解（EMD）中的模态混叠问题；（2）连续小波变换（CWT），用于获取非平稳时间序列的时频表示，捕捉振荡特征的时间演化，其中应用了尺度依赖偏差校正，并以95%置信水平对红噪声背景谱进行统计显著性检验，同时采用影响锥（Cone of Influence, COI）识别边缘效应；（3）以一小时时间段 centered on 振幅极小值作为分析窗口，聚焦后期极小值T3至T5进行系统光谱分析。
研究结果部分如下：
关于数据库特征与极小值识别：NPM-PLO路径大多识别出五个振幅极小值（T1–T5），而NPM-PIU路径观察到四个。为便于直接比较，NPM-PIU路径的极小值标记为T2–T5，对应于NPM-PLO路径中的后期极小值。研究表明，早期极小值（T1–T2）通常较不明显且一致性较差，而后期极小值（T3–T5）更为清晰明确且可重复性高。这一观察与Ries以及Samanes等的前期研究结果一致，表明EIWG内的模态干涉结构随太阳终止线沿传播路径推进而逐渐变得更加明确。
关于CEEMDAN分解结果：对VLF振幅信号进行CEEMDAN分解后，通常获得七个IMF，偶尔识别出第八个。低阶IMF（IMF1–IMF5）主导周期短于约2分钟，主要反映高频变率，可能与仪器效应或传播相关噪声有关。IMF6则表现出准周期振荡特征周期在约2至6分钟之间，与先前报道的日出期间低电离层短周期类波大气扰动一致。因此，分析聚焦于捕捉该时间尺度的IMF6（或存在时的IMF7）。高阶IMF7复现了与最小振幅轮廓相关的大尺度振幅调制。
关于类波波动的光谱特征与时间分布：IMF6在振幅极小值附近表现出显著的类波波动。这些波动虽在整个一小时窗口内存在，但其振幅在极小值前后约±15分钟内系统性增强，与周围区间形成鲜明对比。主导周期范围为2至4分钟，2009年11月9日峰值约为2.4–2.6分钟，2010年1月27日峰值约为3.1–3.4分钟。对于2008–2010年间分析的大多数日期，所选IMF的主导周期落在2至6分钟的短周期范围内。这些振荡在不同日期和传播路径的相同IMF分量中被一致识别，表明其代表信号的稳定特征而非分解方法引入的伪影。
关于类波波动的月发生特征：对于两条传播路径及极小值T3、T4和T5，在大多数月份的多个日期均检测到主导周期为2至6分钟的类波波动。这些周期与先前VLF振幅测量中与太阳终止线经过相关的报道一致。周期短于约5分钟的通常与声截止频率以下的声波相关，而较长周期则接近重力波的Brunt–V?is?l?极限，表明观测到的类波波动可能包含声波和短周期重力波模式的共同贡献。波动主要集中于极小值附近，橙色和绿色柱的高度对应表明了这一点。季节性变化明显，至日期间活动增强，T4和T5处更为显著，而T3全年分布较广且均匀。
关于主导周期的发生分布：波动发生分布显示，大多数类波波动集中在2–4分钟范围，在较短周期（2–3分钟）处出现频率最高。随着周期增加，发生频率降低，但5至6分钟的波动在相当数量的案例中仍可观察到。两条传播路径的这一行为相似性支持了观测特征的稳健性，反映了日出过渡期间电离层变率的内在属性。
关于类波波动的物理机制与波导敏感性：日出振幅极小值被广泛解释为EIWG中由电离层电导率和有效反射高度快速变化驱动的模态干涉和转换过程的体现。从夜间向日间条件过渡期间，高阶模式贡献的增加产生更强的非平稳性和相位、振幅变异性。在此条件下，波导中演化的模态结构可能提高接收VLF信号对低电离层有效反射高度小扰动的敏感性。后期极小值似乎提供了最有利条件来解析短周期变率，可能因为在这些阶段模态干涉图样发展得更为完整且可重复。
讨论部分总结如下：
本研究结果表明，短周期类波波动是日出过渡的复发性特征而非孤立事件，其优先定位于后期振幅极小值附近，反映了在太阳终止线经过期间强烈演化的模态干涉条件下增强的波导敏感性。这些发现表明，与日出相关的模态干涉图样提供了有利的观测条件，使得弱短周期电离层扰动在亚电离层VLF观测中更容易被探测到。在此背景下，以振幅极小值为中心的时间间隔为隔离短周期大气扰动提供了有效途径，特别是在此类信号原本难以解析的条件下。
研究结论翻译如下：
本研究调查了太阳极小期条件下沿长距离西-东传播路径日出过渡期间VLF振幅的光谱特征。分析了SAVNET提供的2008–2010年期间NPM-PIU和NPM-PLO路径的窄带VLF观测数据。分析聚焦于以日出振幅极小值为中心的时间区间，这些极小值对应于太阳终止线沿传播路径经过的特征阶段，为短周期变率的表征提供了一致的时间框架。通过应用CEEMDAN分解结合小波分析，分离并表征了嵌入在太阳终止线过渡相关大尺度振幅变化中的短周期振荡分量。
分析揭示了振幅极小值附近，特别是后期极小值T3–T5处，存在主导周期为2至6分钟的复发性类波波动，此时EIWG的模态干涉结构发展得更为清晰明确。在这些条件下，波导的演化模态结构可能提高接收VLF信号对有效反射高度小扰动的敏感性。观测到的周期性与先前报道的短周期大气波扰动一致，包括影响日出期间太阳终止线过渡的低电离层的声波和重力波模式。然而，其物理起源不能归因于单一源机制；因此，未来工作应侧重于将VLF观测与地面和卫星互补测量相结合，以进一步约束和验证这些发现。
结果表明，短周期类波波动是日出过渡的复发性特征而非孤立事件。其优先定位于后期极小值处，突出了演化中的模态干涉结构在提高VLF信号对小扰动敏感性方面的作用。在这些条件下，模态干涉极小值可以起到自然观测窗口的作用，使得低电离层中的弱短周期扰动在VLF振幅测量中变得可探测。
最后，对类波波动月发生率的统计分析显示，这些波动在全年多个日期被探测到，并表现出季节性调制，在至日期间发生增强。这种行为表明，背景大气和电离层条件的季节变化可能影响大气波扰动的产生及其在亚电离层VLF测量中的可探测性。
