陳亞楠， 徐繼生

武漢大學電子信息學院， 武漢 430072

?

頂部電離層離子密度經度結構的特征及其隨季節、太陽活動和傾角的變化

陳亞楠， 徐繼生*

武漢大學電子信息學院， 武漢 430072

本文利用DMSP衛星測量數據和傅里葉分解和重構方法，研究了地磁平靜期頂部電離層總離子密度(Ni)經度結構的多重波數特征及波數4的年變化、逐年變化、地方時差異和隨傾角的變化.傅里葉分解和重構的結果表明，頂部電離層平均Ni的經度結構中同時含有以波數1至波數4為主的多重分量，不同波數分量的幅度和相位各不相同.對波數4分量的分析表明，波數4的幅度在春秋季最強，北半球夏季高于冬季；隨太陽活動水平增強，波數4分量的幅度增高，至太陽活動高年幅度達到最高，此后隨太陽活動水平降低而減小，與F10.7呈正相關；春秋季和北半球夏季波數4分量在傍晚最強，晚上和上午次之，黎明最弱，從09 LT到21 LT，波數4的相位依次滯后，暗示向東移動.分析還發現，日落期間波數4幅度依賴傾角，春秋季隨傾角的變化呈雙峰結構，兩個極大出現在傾角±18°附近，暗示赤道等離子體噴泉效應對頂部電離層經度結構的控制作用.

頂部電離層； 離子密度； 經度變化； 多重波數； 傅里葉分解

1 引言

最近人們注意到，電離層與中低層大氣的耦合導致電離層參量在經度方向出現顯著的波狀結構，即電離層參量隨經度變化呈現峰谷相間的圖樣.較早，基于IMAGE-FUV觀測結果的分析，Sagawa等(2005)發現，正比于F層電子密度平方根的135.6 nm氣暉發射強度在4個彼此相隔約90°的經度上增強，即經度波數4圖樣.隨后，一系列研究證實電離層經度波數4的存在(Henderson et al.,2005; England et al.,2006;Immel et al.,2006; Wan et al.,2008).Sagawa 等人(2005)提出，源于較低大氣的非遷移潮汐可能是電離層F區波數4的激發因素.一般認為，非遷移潮汐在電離層E區生成經度調制的東向電場，它沿磁力線映射到F層，引起赤道異常區電離層的波數4圖樣(Immel et al.,2006；Hagan et al.,2007；Kil et al.,2007).

頂部電離層連接等離子體層，是電離層的重要組成部分.在電離層底部，光化學過程起主要的控制作用，在F2層峰高度上下，光化學過程和輸運過程共同起控制作用，在頂部電離層，輸運過程起主要的控制作用.此外，不同于底部電離層，頂部電離層對太陽活動性的依賴更顯著，太陽活動低年Ni比太陽活動高年小很多(Liu et al.,2007a,2007b; Liu et al., 2011).因此，電離層的屬性明顯地隨高度變化.近年來，有許多作者研究了頂部電離層密度、溫度和漂移速度等參量的經度變化(Su et al., 1996; Venkatraman and Heelis, 1999; Hartman and Heelis, 2007; Ren et al.,2008, 2009; Huang et al., 2010;Kakinami et al., 2011).Hartman和Heelis(2007)利用DMSP-F15太陽活動高年上午的觀測數據，研究了傾角赤道區頂部電離層離子垂直漂移的經度變化，發現波數4分量在整年都存在,春秋分最強.Ren等(2008)分析了DMSP-F13衛星采集的離子密度和電子溫度數據，發現日落期間赤道區頂部電離層離子密度和電子溫度經度結構的變化顯著依賴季節，兩分季顯示波數4圖樣，北半球夏季呈現3峰結構，北半球冬季呈現2峰結構.Huang等(2010)分析DMSP-F13和F17的離子密度和漂移速度數據，指出赤道電離層離子密度的經度變化顯示與離子東向漂移速度同相關聯，與離子向上漂移速度反相關聯.Kil等(2008)利用ROCSAT-1、TIMED-GUVI和DMSP-F13和F15等多顆衛星的觀測數據，研究頂部電離層的波結構，結果表明，波結構在午前出現，下午進一步增強，在黃昏開始減小，延伸范圍可達840 km以上.Kakinami等(2011)研究了日間頂部電離層電子密度和溫度的經度結構并做了譜分析，結果表明，電子密度的經度結構可以在任何太陽活動水平下出現，密度和溫度兩者的波數3在12月最強，波數4在9月最強.Bankov等(2009)分析了DMSP-F13和F15以及DEMETER衛星的觀測數據，結果表明，在衛星覆蓋的所有地方時，波數4是氧離子密度中幾乎常規的特征，存在于黃昏直至午夜前，氫離子和氧離子具有相同的經度結構.Lin等人(2007)的研究表明，波數4具有明顯的周日變化，下午(1200—1600LT)最為顯著.Wan等(2010)發現波數4的振幅隨著太陽活動的減弱而增大.利用TOPEX/海神高度計長期測量的總電子含量(TEC)數據，Scherliess等(2008)發現白天生成的波數4圖樣有明顯的季節變化，但很大程度上不依賴太陽活動水平.穆文峰等(2011)發現WN-3, WN-4的變化分別與DE2, DE3中緯向風分量的變化一致, 而與其子午風分量沒有明顯的聯系.一般認為，波數4是出現在磁赤道和低緯度區的現象，波數4隨磁緯或傾角的變化研究很少.

Forbes等(2008)提出，依年和一年中的時間，多種潮汐波模的組合可能生成電離層經度變化中的波-1、波-2、波-3、波-4、波-5和波-6分量.England等人(2009)發現了電離層F區存在強的波-3圖樣.一般情況下，電離層參量的經度變化經常是多種波數和周期成分的疊加，圖像復雜.已有些作者采用了傅里葉濾波和譜分析技術(Wan et al.,2010; Kakinami et al.,2011)，從復雜的經度變化中分離出特定波數的分量.

本文利用1995—2005年DMSP-F13和2000—2005年F15衛星的離子密度測量數據和傅里葉分解與重構方法，定量地分析了頂部電離層電離密度經度結構中多重波數分量的特征.在此基礎上，分析波數4的年變化、逐年變化、地方時差異和隨傾角的變化.本文的研究對頂部電離層建模有一定的參考價值.

2 數據與處理方法

本文的工作使用了DMSP-F13衛星1995—2005年以及DMSP-15衛星2000—2005年采集的數據.DMSP是美國國防氣象衛星計劃(Defense Meteorological Satellites Program)的縮寫.DMSP衛星在近太陽同步軌道上飛行，軌道傾角約96°，軌道高度約840 km，軌道周期約101 min，每天由南向北(升軌)和由北向南(降軌)分別在固定的地方時(F13約為18 LT和06 LT，F15約為21 LT和09 LT)經過赤道面.

DMSP衛星攜帶一種專用的離子、電子和閃爍傳感器(Special Sensor-Ions, Electrons and Scintillation，SSIES)載荷，用于監測頂部電離層熱等離子體的行為屬性.離子總密度用星載朗繆爾探針測量.數據具有4 s的時間分辨率，由美國德克薩斯大學達拉斯校區因特網(http:∥cindispace.Utdallas.edu/DMSP/)下載.

本文僅分析地磁平靜期頂部電離層Ni經度變化的特征，為此，在所有數據中，我們剔除了磁擾動期(Kp>3)采集的數據.軌道高度上每個數據點對應的地理位置用地理經度和傾角表征，傾角利用當前的國際地磁參考場(IGRF)模型計算得到.為了考察赤道區和中低緯度區Ni的經度變化特征，我們選用所有經度上傾角從-60°至60°(相當于傾角磁緯約±40°)的數據.與Ren等人(2008)的做法類似，數據用以下方式進行網格化處理以得到每個網格中心的平均離子密度：網格的中心傾角和中心經度間隔分別為5°和10°，南北向網格寬4°，東西向寬30°.計算每個網格內所有的或每年的有效Ni數據的算術平均，代表該網格上Ni.需要指出，本文所用網格尺度得到的Ni均值，可能平滑小尺度的經度結構，使其幅度變小，也可減弱電離層不規則體產生的影響.不過，大尺度的經度結構能基本真實地重現.此外，本文用了11年的DMSP-F13和6年DMSP-F15的數據，不同年份Ni值散布范圍很大，取同一季節多年數據的平均，只能得到Ni經度變化的平均圖像，無法看到它隨太陽活動周期變化的細節.

本文用兩種方式考察Ni均值的經度變化對季節的依賴.首先，把1年分成3個季節，每個季節4個月，分別代表春秋季(3月、4月、9月和10月)，北半球夏季(5至8月)和北半球冬季(1月、2月、11月和12月).第二種方式是按每年12個月把數據分成12組.

3 結果

3.1 Ni經度變化與傅里葉重構

利用第2節介紹的方法處理了1995—2005年共11年DMSP-F13衛星的總離子密度觀測數據，得到每個網格點上Ni的均值.圖1給出日落期間(約18 LT) 3個季節頂部電離層平均Ni隨經度和傾角變化的等值線圖.

圖1 黃昏時刻3個季節平靜期頂部電離層平均Ni隨經度和傾角變化的等值線上圖：春秋季；中圖：北半球夏季；下圖：北半球冬季.圖中點線表示傾角赤道上偏角隨經度的變化.Fig.1 Contours of the variation of average Ni with longitude and dip in the topside ionosphere at three seasons at the dusk during geomagnetic quiet period >The top figure is for the spring and autumn; the middle figure is for the northern summer; the bottom figure is for the northern winter.

從圖1可以看到，在傾角-60°至60°(傾角磁緯約±40°)的區域，日落期間頂部電離層Ni隨經度變化呈現有規律的起伏，在傾角赤道附近，Ni的值達到極大，隨經度的變化也最為顯著.在3個季節，這種經度變化的特征各不相同.在傾角赤道及其鄰近區域，春秋季Ni隨經度變化呈現4個極大，分別位于10°E、110°E、200°E和280°E附近；北半球夏季Ni隨經度變化呈現3個極大，分別位于10°E、110°E、和220°E附近；北半球冬季Ni隨經度變化呈現2個極大，分別位于110°E和330°E附近.由圖還可看到，在東半球的大部分區域，不同季節Ni的經度結構變化不大，110°E附近的極大在3個季節都存在；而在西半球，不同季節Ni的經度結構有很大差別.在傾角赤道和低緯區，春秋季在200°E和270°E附近出現兩個極大，在北半球夏季，這兩個極大合并為220°E附近的一個極大，而在北半球冬季，夏季出現極大的220°E附近出現極小.

圖1中偏角隨經度的變化(點線)顯示，在東半球，磁偏角接近于零，變化很小，而在西半球，磁偏角變化很大，從較大的正值變為較大的負值.西半球磁偏角由正到負的變化可能引起冬夏Ni的經度結構的差異.此前，Ren等(2008)分析傾角赤道上空頂部電離層的經度變化，發現西半球夏季和冬季Ni的經度變化顯示明顯反相關，他們認為偏角隨經度的變化和子午風的季節變化將改變傾角赤道上場列等離子體輸運速度，進而影響Ni的經度分布.不過，只要進出傾角赤道的場列等離子體數通量不變，場列等離子體輸運速度大小的變化并不能直接影響Ni的經度分布.對給定的磁通量管，沿場流進傾角赤道區的離子體數通量超過流出傾角赤道區的離子體數通量，將導致Ni增高，反之將導致Ni降低.可以推測，西半球夏季和冬季Ni的經度變化趨勢相反，可能與冬夏季沿磁通量管流進和流出傾角赤道的等離子體數通量不同有關.

如圖1所示，在所有季節，Ni隨經度的變化都不是由單一波數構成，而是多種波數成分的疊加.假定Ni隨經度的變化可以分解為具有不同波數的諧波，那么，對每個固定的傾角Ii，可以用N階傅里葉級數重構Ni.傅里葉重構表達式為

式中Ni(φj,Ii)是傾角為Ii、經度為φj處Ni的傅里葉重構值，a0是零階傅里葉系數，代表經度平均的Ni，xj=reφj，an和kn分別是第n階諧波的幅度和波數，Φn是第n階諧波的初相位.ancos(knxj+Φn(Ii))代表第n階諧波分量.

圖2是黃昏時刻(18 LT)3個季節測量的Ni均值與6階傅里葉重構的Ni隨經度變化的比較.由圖2可見，對給定的傾角，傅里葉重構曲線(圖中的實線)與實測的Ni均值隨經度的變化(圖中的符號‘+’)幾乎完全重合.這表明頂部電離層平均Ni的經度變化確實含有多重波數的諧波，可以用波數0至波數6的傅里葉諧波相當精確地重構.在各階系數中，a0最大，表明Ni經度變化中經度平均Ni是主要成分.在傾角赤道上，春秋季、北半球夏季和冬季，a0分別為20.5×1010m-3、9.7×1010m-3和16.6×1010m-3.實際上，5階和6階諧波分量的幅度遠小于1至4階分量.高階傅里葉系數很小也可能與本文采用的網格尺度有關，它平滑小尺度的經度結構，使其幅度變小.

圖3是日落期間3個季節傾角赤道上空頂部電離層Ni經度變化中的波數1至波數4分量.圖中各階諧波由測量數據的傅里葉分解得到，縱坐標表示波數1至波數4的幅度.

如圖3所示，波數1和波數2分量在冬季最強，幅度分別達到2.4×1010m-3和2.8×1010m-3，與經度平均值相比，相對幅度分別約為14%和17%，夏季幅度為1.6×1010m-3，相對幅度約為16%，春秋季最弱，幅度為1.1×1010m-3，相對幅度約為5%；波數1和波數2分量夏季和冬季接近反向，春秋季相位介于夏季和冬季之間.波數3分量在春秋季、夏季和冬季幅度分別為1.0×1010m-3、1.6×1010m-3和1.1×1010m-3，相對幅度分別約為5%、16%和7%，夏季最大；波數3的相位夏季滯后于冬季，春秋季滯后于夏季.在春秋季和夏季，波數4分量的幅度分別為1.4×1010m-3和1.1×1010m-3，相對幅度分別約為7%和11%，由于北半球夏季經度平均的Ni不及春秋季的一半，夏季相對變幅比春秋季高；冬季幅度非常弱，僅為0.3×1010m-3，春秋季和夏季波數4分量基本同相.此外，波數1、波數2和波數4分量在夏季和冬季接近反向，而波數3在3個季節相位差很小.

圖2 測量的Ni與6階傅里葉重構的Ni隨經度的變化比較中右3列分別代表春秋季、北半球夏季和冬季，上中下3行分別代表北半球、傾角赤道和南半球.圖中記號‘+’表示實測值，實線是傅里葉重構值.Fig.2 The comparison of longitudinal variations of observed Ni and the Fourier reconstructed Ni The columns from left to right represent spring and autumn, northern summer and northern winter, the rows from top to bottom represent the northern hemisphere, the dip equator and southern hemisphere. The symbols of ‘+’ represent observations and the solid lines represent Fourier construction value.

圖3 春秋季(實線)、北半球夏季(點線)和冬季(虛線)日落期間傾角赤道上空頂部電離層Ni波數1(a)、波數2(b)、波數3(c)和波數4(d)分量Fig.3 The Ni′s components of WN-1(a), WN-2(b), WN-3(c) and WN-4(d) in the dip equator at dusk, represented by solid line (spring and autumn), dot line (northern summer), dash line (northern winter)

Ren等(2008)曾研究了日落赤道頂部電離層中的離子總密度和電子溫度的經度變化，發現離子總密度和電子溫度的經度變化顯著依賴季節，在兩分季呈現波數4經度結構，在北半球夏季呈現3峰結構，在北半球冬季呈現2峰結構.圖3證實了Ren等(2008)的結果并進一步得到，在每個季節都存在波數1至波數4分量，春秋季和夏季波數4較強，冬季波數4很弱.此外還注意到，波數1、波數2和波數4在夏季和冬季接近反向，而波數3在3個季節相位差很小.一般認為，非遷移潮汐在電離層E區生成經度調制的東向電場，它沿磁力線映射到F層，引起赤道異常區電離層的經度變化(Immel et al.,2006；Hagan et al.,2007；Kil et al.,2007).另一方面，子午風和緯圈風的經度變化以及偏角隨經度的變化，將調制電離層的經度變化.經度結構的上述復雜的變化可能是這些因素共同作用的結果.

圖3表明，Ni的經度變化是包括波數1至波數4在內的多重波數分量的疊加.下面，我們將主要分析波數4的變化特征.

3.2 赤道區波數4的年變化和逐年變化

我們按每年12個月把1995年至2005年DMSP-F13的數據分成12組，用第2節介紹的方法得到平均Ni隨經度的變化.然后通過傅里葉分解得到波數4分量.圖4是18 LT傾角赤道和低緯區Ni的波數4幅度隨月份的變化.

圖4 日落期間傾角赤道和低緯區頂部電離層Ni波數4幅度隨月份的變化Fig.4 The month-to-month variation of Ni′s WN-4 in the dip equator and low latitudes at dusk in the topside ionosphere

如圖4所示，在日落地方時，Ni波數4分量隨月份的變化在全年有兩個極大，第一個極大出現在北半球春分前后的3月，第二個極大出現在北半球秋分前后的9月.傾角赤道上，在2月份波數4分量達到了全年最低值，9月份達到最高值.在北半球傾角30°，冬季(12月)波數4分量達到了全年最低值，在南半球傾角-30°，當地冬季(6月份)波數4分量達到了全年最低值.總體上看，南北半球低緯區Ni波數4分量的年變化特征與傾角赤道類似，即春秋季最強，冬季最弱，夏季居中，與非遷移潮汐的季節變化類似(Wan et al.,2010).此前，一些作者研究了波數4分量的季節變化.Hartman 和Heelis(2007)研究得到，太陽活動高年上午傾角赤道區頂部電離層離子垂直漂移的經度變化中，波數4分量在整年都存在，兩分月份最強.Wan等(2008)發現波數4在北半球的夏季和早秋很強, 而在冬季相當弱.Kakinami等(2011)研究得到波數4在9月最強.圖4顯示的特征與前人的研究結果基本一致.

圖5是日落期間傾角赤道上空3個季節和不分季節的頂部電離層Ni波數4分量幅度的逐年變化及其與F10.7指數的逐年變化比較.圖5用DMSP-F13在日落地方時的觀測數據分析得到.

如圖5所示，分季節與不分季節的情況大致相同，Ni經度變化中的波數4分量的幅度都隨太陽活動水平增強而增高，至太陽活動高年幅度達到最高，隨后隨太陽活動水平降低而減小.波數4分量幅度的逐年變化與年平均F10.7的變化趨勢基本一致.計算得到，全年以及春秋季、北半球夏季和冬季波數4分量的幅度與F10.7的相關系數分別為0.96,0.99,0.99和0.85，呈顯著正相關.實際上，日落期間在整個低緯區(傾角±30°之間)，頂部電離層Ni經度變化中的波數4幅度的逐年變化圖像與圖5類似.Wan等(2010)分析了2003—2008年的全球TEC數據，發現波數4的振幅隨著太陽活動減弱而增大.圖5表明，赤道和低緯頂部電離層Ni經度變化中的波數4幅度對太陽活動水平的依賴似乎與從TEC數據中分離出的波數4幅度對太陽活動水平的依賴不同.

3.3 赤道區波數4隨地方時的變化

DMSP-F13衛星在約18 LT和06 LT飛過赤道面，DMSP-F15衛星在約21 LT和09 LT飛過赤道面.我們用第2節介紹的方法，對4個地方時，分別得到平均Ni隨經度的變化，并通過傅里葉分解得到平均Ni的經度變化中的波數4分量.圖6給出3個季節傾角赤道區頂部電離層平均Ni的經度變化中波數4幅度隨地方時的變化.

如圖6所示，春秋季和北半球夏季，波數4的幅度在黃昏(18 LT)最大，日落后(21 LT)和上午(09 LT)次之，黎明(06 LT)最弱.Kil等(2008)利用多顆衛星的觀測數據，研究頂部電離層等離子體密度和垂直E×B漂移的波結構，結果表明波結構在午前出現，下午進一步增強，在黃昏開始減弱.圖6給出的春秋季和北半球夏季波數4的幅度在4個地方時的變化特征與Kil等(2008)的結果相符.冬季波數4在黎明(06 LT)最弱，從上午至夜間，波數4幅度逐漸增大，直至21 LT，仍未看到波數4幅度的減弱.這個特征與春秋季和北半球夏季不同.

圖5 傾角赤道上空頂部電離層Ni波數4分量幅度的逐年變化(a)和全年平均與分季節平均F10.7指數的逐年變化(b)圖中●代表整年，符號+代表春秋季，★代表夏季，▲代表冬季.Fig.5 Year-to-year variations of the WM-4 amplitude of the topside ionospheric Ni at dip equator (a) and F10.7 (b)The symbols ●, +，★ and ▲ represent whole year, spring autumn, northern summer and northern winter, respectively.

圖6 日落期間傾角赤道上空頂部電離層Ni的經度結構中波數4隨地方時的變化Fig.6 WN-4 variation with local time in the dip equator at dusk in the topside ionosphere

圖7給出春秋季、北半球夏季和冬季從上午到晚上的3個地方時波數4的相位變化.如圖7所示，在春秋季和北半球夏季，從上午09 LT經黃昏18 LT到黃昏后21 LT，波數4的相位依次滯后，暗示頂部電離層Ni的經度變化中波數4向東移動.在北半球冬季，白天，從上午09 LT到黃昏18 LT相位滯后，表明向東移動，日落后，18 LT到21 LT，相位超前，表明向西移動.此前，Wan等(2008)分析TEC中的波數4時，發現波數4圖樣向東移動.Ren等(2009)也發現，白天大多數月份，垂直E×B漂移中的波數4主要向東移動.圖7中春秋季和夏季給出的圖樣與Wan等(2008)和Ren等(2009)得到的結果一致，不過，冬季白天和日落后顯示不同的移動方向，需要進一步驗證.

圖7 春秋季、北半球夏季和冬季3個地方時波數4的相位變化Fig.7 WN-4 variation in phase in three seasons and three local times

3.4 波數4幅度隨傾角的變化

分析表明，頂部電離層Ni的經度變化中波數4分量的幅度顯著依賴傾角.圖8給出日落期間春秋季、北半球夏季和冬季頂部電離層Ni波數4幅度隨傾角的變化.

圖8 日落期間春秋季(a)、北半球夏季(b)和冬季(c)頂部電離層Ni波數4幅度隨傾角的變化Fig.8 The variation of WN-4 amplitudes with dip at dusk during spring and autumn (a), northern summer (b) and northern winter (c)

從圖8可以看到，日落時期的波數4分量對傾角依賴的特征具有明顯的季節差異.在春秋季，波數4分量隨傾角變化呈現雙峰結構，在傾角±18°(傾角磁緯約±9°)附近，南北半球的波數4幅度達到極大.南半球的峰略高于北半球的峰，幅值分別為2.2×1010m-3和1.9×1010m-3.在傾角赤道附近形成了一個谷區，幅值最低為1.4×1010m-3.在兩個峰以外的區域，隨傾角的增高，波數4分量的幅度先迅速減小，然后穩定在很低的水平.在夏季，波數4幅度隨傾角的變化呈現平頂樣單峰結構，較高的值所在的范圍從傾角約-10°到20°(傾角磁緯約-5°到10°)，在此區間內，波數4幅度保持平穩的較高值，在這個區間之外，隨傾角的增高，波數4分量的幅度先迅速減小，然后穩定在很低的水平.在北半球冬季，波數4幅度隨傾角變化的主要特征是南北半球顯著不對稱.在南半球傾角-26°(傾角磁緯約-14°)附近出現一個單峰，幅值為0.9×1010m-3，在南半球傾角-8°附近，波數4幅度非常小，接近于0，再往北，一直保持較低的值.春秋季Ni波數4幅度隨傾角的變化在形態上與電離赤道異常非常類似，暗示引起電離赤道異常的赤道等離子體噴泉效應可能是春秋季Ni波數4幅度隨傾角變化的一種控制因素.

4 結論

本文基于DMSP-F13衛星1995—2005年以及DMSP-15衛星2000—2005年采集的數據，利用傅里葉分解與重構方法，定量地分析了頂部電離層電離密度經度結構中多重波數分量的特征.在此基礎上，分析了Ni波數4分量的年變化、逐年變化、地方時差異以及對傾角的依賴.主要結果如下：

(1)頂部電離層Ni的經度結構中同時存在顯著的波數1至波數4分量，它們的幅度和相位各不相同.

(2)傾角赤道區波數4分量在北半球秋季最強，北半球春季次之，北半球夏季高于冬季，表現出與非遷移潮汐類似的季節變化.

(3)波數4分量的幅度隨太陽活動水平增強(降低)而增高(減小)，與年平均F10.7指數的變化趨勢基本一致.

(4)春秋季和北半球夏季波數4分量在傍晚最強，晚上和上午次之，黎明最弱，北半球冬季日落后最強.

(5)日落期間Ni波數4分量的強度依賴傾角，春秋季隨傾角的變化呈雙峰結構，與電離赤道異常形態類似，北半球夏季呈平頂樣結構，北半球冬季南北半球顯著不對稱.

本文主要分析了頂部電離層電離密度經度結構中多重波數分量的形態學特征.對引起頂部電離層電離密度經度結構中多重波數分量復雜變化的物理機制，還有待于進一步的研究.

Bankov L, Heelis R, Parrot M, et al. 2009. WN4 effect on longitudinal distribution of different ion species in the topside ionosphere at low latitudes by means of DEMETER, DMSP-F13 and DMSP-F15 data.Ann.Geophys., 27(7): 2893-2902.

England S L, Immel T J, Sagawa E, et al. 2006. Effect of atmospheric tides on the morphology of the quiet time, postsunset equatorial ionospheric anomaly.J.Geophys.Res., 111, A10S19, doi: 10.1029/2006JA011795.

England S L, Zhang X L, Immel T J, et al. 2009. The effect of non-migrating tides on the morphology of the equatorial ionospheric anomaly: seasonal variability.Earth,PlanetsandSpace, 61(4): 493-503.

Forbes J M, Zhang X, Palo S, et al. 2008. Tidal variability in the ionospheric dynamo region.J.Geophys.Res., 113, A02310, doi: 10.1029/2007JA012737.

Hagan M E, Maute A, Roble R G, et al. 2007. Connections between deep tropical clouds and the Earth′s ionosphere.Geophys.Res.Lett., 34(20), doi: 10.1029/2007GL030142

Hartman W A, Heelis R A. 2007. Longitudinal variations in the equatorial vertical drift in the topside ionosphere.J.Geophys.Res., 112, A03305, doi: 10.1029/2006JA011773.

Henderson S B, Swenson C M, Christensen A B, et al. 2005. Morphology of the equatorial anomaly and equatorial plasma bubbles using image subspace analysis of GUVI data.J.Geophys.Res., 110, A11306, doi: 10.1029/2005JA011080.Huang C S, Rich F J, de La Beaujardiere O, et al. 2010. Longitudinal and seasonal variations of the equatorial ionospheric ion density and eastward drift velocity in the dusk sector.J.Geophys.Res., 115, A02305, doi: 10.1029/2009JA014503.Immel T J, Sagawa E, England S L, et al. 2006. Control of equatorial ionospheric morphology by atmospheric tides.Geophys.Res.Lett., 33, L15108, doi: 10.1029/2006GL026161.Kakinami Y, Lin C H, Liu J Y, et al. 2011. Daytime longitudinal structures of electron density and temperature in the topside ionosphere observed by the Hinotori and DEMETER satellites.J.Geophys.Res., 116, A05316, doi: 10.1029/2010JA015632.Kil H, Oh S J, Kelley M C, et al. 2007. Longitudinal structure of the vertical E×B drift and ion density seen from ROCSAT-1.Geophys.Res.Lett., 34(L14110), doi: 10.1029/2007GL030018.Kil H, Talaat E R, Oh S J, et al. 2008. Wave structures of the plasma density and vertical E(B drift in low-latitude F region.J.Geophys.Res., 113, A09312, doi: 10.1029/2008JA013106.Lin C H, Hsiao C C, Liu J Y, et al. 2007. Longitudinal structure of the equatorial ionosphere: time evolution of the four-peaked EIA structure.J.Geophys.Res., 112, A12305, doi: 10.1029/2007JA012455.

Liu L B, Wan W X, Yue X A, et al. 2007a. The dependence of plasma density in the topside ionosphere on the solar activity level.Ann.Geophys., 25(6): 1337-1343.

Liu L B, Zhao B Q, Wan W X, et al. 2007b. Yearly variations of global plasma densities in the topside ionosphere at middle and low latitudes.J.Geophys.Res., 112, A07303, doi: 10.1029/2007JA012283.

Liu L B, Wan W X, Chen Y D, et al. 2011. Solar activity effects of the ionosphere: A brief review.ChineseScienceBulletin, 56(12): 1202-1211, doi: 10.1007/s11434-010-4226-9.

Mu W F, Wan W X, Ren Z P, et al. 2010. Correlation between the ionospheric longitudinal harmonic components and the upper atmospheric tides.ChineseScienceBulletin, 55(35): 4037-4045, doi: 10.1007/s11434-010-4205-1.

Ren Z P, Wan W X, Liu L B, et al. 2008. Longitudinal variations of electron temperature and total ion density in the sunset equatorial topside ionosphere.Geophys.Res.Lett., 35, L05108, doi: 10.1029/2007GL032998.Ren Z P, Wan W X, Liu L B, et al. 2009. Intra-annual variation of wavenumber-4 structure of verticalE×Bdrifts in the equatorial ionosphere seen from ROCSAT-1.J.Geophys.Res., 114, A05308, doi: 10.1029/2009JA014060.

Sagawa E, Immel T J, Frey H U, et al. 2005. Longitudinal structure of the equatorial anomaly in the nighttime ionosphere observed by IMAGE/FUV.J.Geophys.Res., 110, A11302, doi: 10.1029/2004JA010848.

Scherliess L, Thompson D C, Schunk R W, et al. 2008. Longitudinal variability of low latitude total electron content: Tidal influences.J.Geophys.Res., 113, A01311, doi: 10.1029/2007JA012480.

Su Y Z, Oyama K I, Bailey G J, et al. 1996. Longitudinal variations of the topside ionosphere at low latitudes: Satellite measurements and mathematical modelings.J.Geophys.Res., 101(A8): 17191-17205, doi: 10.1029/96JA01315.Venkatraman S, Heelis R. 1999. Longitudinal and seasonal variations in nighttime plasma temperatures in the equatorial topside ionosphere during solar maximum.J.Geophys.Res., 104(A2): 2603-2611, doi: 29/1998JA900109.

Wan W X, Liu L B, Pi X, et al. 2008. Wavenumber-4 patterns of the total electron content over the low latitude ionosphere.Geophys.Res.Lett., 35, L12104, doi: 10.1029/2008GL033755.Wan W X, Xiong J, Ren Z P, et al. 2010. Correlation between the ionospheric WN4 signature and the upper atmospheric DE3 tide.J.Geophys.Res., 115, A11303, doi: 10.1029/2010JA015527.

附中文參考文獻

穆文峰, 萬衛星, 任志鵬等. 2011. 電離層經度變化波數譜成分與高層大氣潮汐模的相關性. 科學通報, 56(1): 35-43.

(本文編輯 何燕)

王琛， 周晨， 趙正予等. 2015. 大功率電波加熱電離層中熱自聚焦不穩定性的理論研究和數值模擬.地球物理學報，58(6):1853-1868,doi:10.6038/cjg20150602.

Longitudinal structure of plasma density and its variations with season,solar activity and dip in the topside ionosphere

CHEN Ya-Nan， XU Ji-Sheng*

CollegeofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China

Recent satellite-based observations have revealed the existence of the ionospheric wave number-4 (WN-4) longitudinal structure. It has been known that this structure has relationship with the diurnal non-migrating tides from the lower atmosphere, which modulates the eastward electric field in the E region, and the modulated electric field map into the F region along with the magnetic field line, where it can cause the WN-4 structure. Many studies show that the WN-4 structure also exists in the topside ionosphere in several ionosphere parameters. In this paper, using the data measured by the DMSP F13 and F15 satellites and the method of Fourier decomposition and reconstruction, we investigate longitudinal varieties of the ion total density (Ni) in the equatorial and mid-low latitudinal topside ionosphere at four local times. Our objective is to extract the harmonic-wave components with different wave numbers from the complex longitudinal varieties of the Ni to comprehend which harmonic-wave components there are in longitudinal varieties of Ni. Besides, we examine the dependence of the amplitude of the WN-4 component on the month, year, local time and dip.To investigate the annual variation, the data from DMSP were separated by two manners. In the first manner, the data were separated into three 4-month long seasonal bins: Spring-Autumn (March, April, September and October), the northern summer (May to August) and the northern winter (January, February, November, December). According to the second manner, the data were separated into twelve a-month-long bins. In order to confine our attention to quiet conditions, the observations taken during periods of high magnetic activity marked byKp>3 were removed from the data set. Then, to get the longitudinal structure of Ni in the region with different dips, the data were binned for every 10 degrees in longitude into 36 geographical longitude bins and for every 5 degrees in dip. The bins were all 30 degrees wide in the zone and 4 degrees wide in the meridian. Finally, for each bin the mean values of Ni were calculated. The method of Fourier harmonic-wave decomposition was used to extract the harmonic-waves with the different wave numbers from the complex longitudinal variations of Ni, and the method of Fourier reconstruction was used to fit the measured data.By using the DMSP data and Fourier analysis, we quantitatively investigated the multiple wave number′s features in the longitudinal variety of the topside ionospheric Ni. The results show that the longitudinal variety of the topside ionospheric Ni reconstructed by Fourier series with 0-order to 6-order harmonic waves is very consistent with the longitudinal variety from the measured data. Further, we analyzed the WN-4′s annual variation, year-to-year variation, the distinction in different local times and the variation with dips. Main results include: (1) The Ni′s longitudinal variety contains the WN-0 and the WN-1 to WN-4 mainly in the topside ionosphere, which have different amplitudes and phases. (2) The WN-4 in the dip equator is most intense in spring and autumn, very weak in winter which is similar to the annual variation of non-migrating tides. (3) The WN-4 is more intense when the level of solar activity is higher and the former is weaker when the latter is lower. (4) The WN-4 in spring and autumn and the northern summer is most intense at the dusk, weaker after the sunset and the morning, and the weakest at the dawn, while it is the most intense in winter after sunset relative to other local times. (5) The WN-4 during the dusk has strong dependence on the dip: the double peak pattern occurs in spring and autumn, the flat top pattern appears in the northern summer and the obvious asymmetry pattern is present between two hemispheres in northern winter.This study provides a new view of the longitudinal variety of the topside ionospheric Ni. It is found that the harmonic-wave components with the different wave numbers simultaneously exist in the longitudinal variety of the topside ionospheric Ni. The year-to-year variation of the amplitude of the WN-4 reveals the notable positive correlation with the year-to-year variation ofF10.7index. The results are valuable for understanding the feature of the longitudinal variety of the topside ionosphere and its modeling.

Topside-ionosphere; Plasma density; Longitudinal variation; Multiple wave number; Fourier decomposition

10.6038/cjg20150601.

國家自然科學基金項目(41274160)資助.

陳亞楠，男，1989年生，碩士研究生，2012年畢業于中國地質大學(武漢)，主要從事電離層研究.E-mail:hydra1989@qq.com

*通訊作者 徐繼生，男，教授，主要從事電離層和電波傳播研究.E-mail:jsxu@whu.edu.cn

10.6038/cjg20150601

P353

2014-12-31，2015-03-05收修定稿

陳亞楠，徐繼生. 2015. 頂部電離層離子密度經度結構的特征及其隨季節、太陽活動和傾角的變化.地球物理學報，58(6):1843-1852,

Chen Y N, Xu J S. 2015. Longitudinal structure of plasma density and its variations with season, solar activity and dip in the topside ionosphere.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):1843-1852,doi:10.6038/cjg20150601.