2004年11月強磁暴期間中國地區電離層TEC擾動特性分析

馮健　鄧忠新　甄衛民　吳振森

(1.西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710071;2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

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2004年11月強磁暴期間中國地區電離層TEC擾動特性分析

馮健1鄧忠新2甄衛民2吳振森1

(1.西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710071;2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

摘要利用28個全球定位系統(Global Positioning System,GPS)觀測站獲取的電離層總電子含量(Total Electron Content, TEC)測量數據,分析了2004年11月一次強磁暴期間的中國中低緯地區電離層TEC暴擾動特性,結果表明:電離層TEC以正相暴擾動響應為主,中緯地區的暴變擾動要強于低緯,以北緯35°附近擾動最為強烈;暴時電離層空間相關性變強,電離層相關距離由寧靜日的約5 500 km提升到暴變日的約8 000 km;在8日的主暴擾動期間,發現伴有自東北向西南的電離層TEC暴擾動傳播,自東向西的經向傳播速度約為120 m/s,要高于緯向傳播. 初步探討表明,向赤道中性風、日側東向急劇穿透電場以及噴泉效應等可能是導致此次電離層TEC正相暴在北緯35°附近擾動最為強烈的關鍵因素,也進一步揭示了電離層與太陽風、磁層之間以及電離層不同緯度區之間有著復雜的耦合過程.

關鍵詞電離層;總電子含量;電離層暴;地磁暴

DOI10.13443/j.cjors.2015020501

Ionospheric TEC disturbances over China during the intense magnetic storm of November, 2004

FENG Jian1DENG Zhongxin2ZHEN Weimin2WU Zhensen1

(1.SchoolofPhysicsandOptoelectronicengineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

AbstractIonospheric total electron content(TEC) disturbance characteristics are obtained during a strong geomagnetic storm in November 2004 based on the TEC data from 28 GPS observation stations in China. It is shown that the responses of the ionospheric TEC are mainly positive phase disturbances with the most intensity in the vicinity of latitude 35°N. It is found that the spatial correlation of TEC becomes stronger on disturbed days than on quiet days, and the correlative distance increases from 5 500 km on November 2nd to 8 000 on November 8th. During the main phase of the storm on the 8th, an accompanied TEC disturbance spread from northeast to southwest, with a meridian velocity about 120m/s, much higher than that of the zonal speed. Preliminary study has shown that the neutral wind, the dayside eastward penetrating electric field and the fountain effect may be the key factors to cause this positive disturbance with the most intensity in the vicinity of latitude 35°N. It is also revealed the complex coupling processes among the ionosphere, the solar wind and the magnetosphere, and also among the different latitude zones of the ionosphere.

Keywords ionosphere; total electron content(TEC); ionospheric storm; geomagnetic storm

引言

電離層總電子含量(Total Electron Content, TEC)的時空變化對地空無線電通信、衛星導航定位、雷達等無線電信息系統電波信號傳播有著重要影響[1-4],特別是對于穿越電離層的電波信號,電離層引起的傳播效應直接正比于TEC的數值. 因此,TEC是表征電離層電波傳播特性的最重要的環境參數之一[5].

隨著無線電衛星信標應用技術發展, 特別是全球定位系統(Global Positioning System,GPS)等的廣泛應用,利用相干雙頻衛星信標信號可以獲取星地路徑上電離層TEC值. 相較于電離層測高儀等傳統探測技術而言,GPS TEC測量具有全球覆蓋、數據連續、時空分辨率和測量精度高、運行方便等顯著優勢,使得TEC已成為開展電離層及其擾動的特性和預報等電離層天氣研究的有力工具[6-11]. Jakowski 等人提出了基于TEC參數發展一種新型電離層活動指數來服務于空間天氣系統[12]. 電離層暴是最重要的空間天氣現象之一, 它具有劇烈的擾動幅度和較長的持續時間. Michael曾對TEC在電離層暴研究方面的進展和前景進行了綜述,建議加強電離層TEC暴擾動的形態特性、產生機理及預報方法等研究[13-14]. 鄧忠新等人基于中國地區電離層TEC觀測數據, 分析了電離層TEC擾動變化特性, 并提出了電離層TEC暴事件的判定依據[15].

太陽爆發所輻射的巨大能量使得地球空間磁場產生劇烈擾動現象(即磁暴), 伴隨強磁暴的發生,電離層中將出現強烈的暴變事件,因此電離層暴與強磁暴活動有著緊密的相關性. Mangalathayil等人研究了2003年10月大磁暴事件期間中低緯電離層的經度響應特性[16]. 夏淳亮等人基于GPS觀測數據討論了大磁暴期間東亞地區中低緯電離層TEC的響應特性[17]. 徐繼生等人分析了2004年11月強磁暴期間武漢地區電離層TEC的響應變化[18]. Balan等人探討了中低緯地區電離層正相暴產生的物理機制[19]. Erickson等人也曾針對2004年11月強磁暴事件中北美扇區電離層和熱層響應的動力學機制進行了探討[20].

本文利用GPS觀測網獲取電離層TEC測量數據,分析研究了2004年11月一次強磁暴期間的中國地區電離層TEC暴擾動的變化特征,并初步探討了其可能的擾動產生機理.

1數據和分析方法

地面GPS雙頻接收機在每一時間歷元能接收到多顆衛星信號,原始觀測數據采樣時間為30 s. 為了減少低仰角帶來的電離層TEC測量誤差,本文所用觀測數據限定仰角大于45°. 電離層TEC數據獲取主要過程如下:首先,采用載波相位方法計算出每一時間歷元各星地路徑上的電離層斜向TEC(sTEC);然后,依據電離層薄殼模型,取電離層電子密度質心高度為400 km,將sTEC轉換為星下點電離層垂直TEC(vTEC);最后,將每15 min時間間隔內的所有時間歷元星下點電離層vTEC,采用高斯方法擬合出GPS觀測站上空每15 min的電離層vTEC.

采用電離層vTEC的相對變化(dTEC)和絕對變化(ΔTEC)來描述電離層TEC擾動特征,其表達式為:

(1)

式中: TECobs(t)為t時刻的電離層vTEC的觀測值； TECmed(t)為該月去除磁暴期間觀測數據后的對應時刻月中值.

對中國及周邊地區28個GPS觀測站的測量數據按上述方法進行處理,獲得了各站15 min時間間隔的電離層vTEC、ΔTEC和dTEC數據.在做區域電離層TEC變化分析時,采用Kriging插值方法來獲取各網格點(1°×1°)的相應電離層TEC值[11, 21-23]. 表1給出了各GPS觀測站的地理位置分布情況.

表1　中國及周邊地區GPS觀測站位置分布

2分析結果

2.1暴時電離層TEC擾動響應

2004年11月7-11日發生了一次雙主相強磁暴事件,Dst指數在8日07:00UT和9日10:00UT左右分別達到極小值-373 nT和-289 nT,見圖1(a). 圖1(b)給出了磁暴期間沿115°E經度線上不同緯度電離層vTEC隨時間的發展變化. 可以看出,電離層vTEC仍呈現出周日變化一般特征,在北京時間午后(BJT=UT+8h)為極大,最大電離層vTEC值達到了90 TECu(1 TECu=1016m-2). 圖1(c)和(d)分別給出了沿115°E經度線上和沿37°N緯度線上的電離層ΔTEC的發展變化,總體上表現為正相擾動響應. 8日電離層ΔTEC出現了兩個增強峰,前一個位于06:00 UT前,后一個處于11:00 UT前后,最大增強約為50 TECu, 且電離層ΔTEC增強在中國東部地區持續時間要長于西部地區. 圖1(e)和(f)分別給出了沿115°E經度線上和沿37°N緯度線上的電離層dTEC的發展變化. 圖1(e)顯示出在8日11:00UT和10日13:00UT前后分別發生了強電離層TEC暴擾動,前者最大擾動強度達到了600%,后者也接近450%,兩個暴變最強擾動中心位置均出現在北緯35°附近. 若以50%的相對變化值來考察,8日電離層暴變事件的開始時間在低緯度赤道異常區要早于中緯度區,且在低、中緯過渡區的暴變持續時間超過了24 h. 圖1(f)可以看出在8日東部地區暴變擾動的開始時間要早于西部,自東向西有響應時間上的延遲,且在持續時間上也要長于西部地區.

圖2給出了四個相近緯度帶(39.6°N～43.8°N,36.2°N～37.3°N,28.9°N～31.2°N及23.2°N～25.0°N)上不同經度區(121.2°E～127.1°E,113.3°E～117.1°E及100.2°E～105.4°E)3個站共12站的電離層dTEC在7日12：00 UT至9日12:00 UT期間變化曲線.可以看出: 1) 中緯度臺站的最大電離層TEC暴變擾動強度隨經度自東向西有先增強后減弱,如圖2中的上兩排. 而低緯度臺站的最大電離層TEC暴變擾動強度隨經度自東向西逐漸減弱,如圖2中的下兩排. 2) 三個相近經度帶上不同緯度4站的最大電離層TEC暴變擾動強度隨緯度從北到南均表現出先增強后減弱,以36.2°N～37.3°N緯度帶內的擾動最強,且中緯度區擾動強度總體上要高于低緯度區. 3) 低緯度臺站在8日存在兩個明顯區隔的電離層TEC暴擾動增強峰,前一個處于00:00 UT-06:00 UT間的日側,后一個處于11:00 UT前后的日落時段,并隨著緯度升高兩個暴變擾動逐漸合一. 4) 在中國東北部的CHUN站在日落前后卻出現兩個區隔明顯的電離層TEC暴擾動響應峰,且隨著經度向西(如BJFS站)和隨緯度向南(如SUWN站)兩個暴變響應峰合二為一. 5) 12個觀測站中以TAIN站電離層TEC暴變擾動強度為最大,相對變化達到了600%,以KMIN站為最小,但其最大擾動強度值也達到了100%.

圖1　2004年11月強磁暴期間電離層TEC擾動響應

圖2　相近經(緯)度帶內不同緯(經)度觀測站電離層dTEC變化

2.2暴時電離層TEC空間相關性

考慮到電離層參數經、緯向的空間變化差異,引入電離層距離d[11]為

d=

(2)

式中:Lon和Lat分別表示觀測站A和B的地理經緯度;SF為描述緯經向差異的尺度因子,體現了局部區域內電離層參量之間的相關距離. 對電離層TEC參數通常取SF=5, 它反映了緯/經度向上的空間距離對電離層TEC影響的相關度. 式中電離層距離單位為度,對處于中低緯度的中國地區而言,在電離層質心高度上相隔1度的空間距離大約為100 km,本文采用100 km作為電離層距離單位.

(3)

(4)按照上述方法,可以計算出中國地區所有28個觀測站兩兩之間的電離層距離和相關系數. 圖3給出了寧靜日(2日)和暴變日(8日)的相關系數隨電離層距離變化的比較圖,圖中小圓圈和虛線分別表示寧靜日的觀測和線性擬合結果,小黑塊和實線分別表示暴變日的觀測和線性擬合結果. 取相關系數等于0.8對應的電離層距離為空間相關距離[24]. 可以看出: 寧靜日的空間相關距離約為 5 500km. 由于電離層TEC的緯經向差異尺度因子取值為5, 表示相應于經向的相關距離為5 500km,而緯向的相關距離為1 100km;但在暴變日的空間相關距離約為8 000km,即相應于經向的相關距離為8 000km,而緯向的相關距離為1 600km. 這不僅表明此

圖3　寧靜日和暴變日電離層空間相關距離比較

次強磁暴期間是一種大尺度的電離層正相暴擾動事件, 也預示著期間電離層TEC的空間相關性有所增強.

2.3暴時電離層TEC擾動傳播

為了考察磁暴期間電離層暴擾動傳播特性,圖4給出了11月8日電離層TEC暴期間09:00 UT-15:00 UT時段間每15 min的電離層dTEC變化曲線.

圖4(a)為115°E經度線上不同緯度電離層dTEC隨時間演變,曲線間在垂直軸依次作了等間隔的平移.可以看出在此期間電離層TEC暴變擾動峰呈現出隨時間從中緯向低緯區的似波狀傳播,期間擾動峰由38°N到達32°N附近,其平均傳播速度約為30 m/s.

圖4　8日09:00 UT-15:00 UT期間電離層TEC暴擾動傳播

圖4(b)為37°N緯度線上不同經度電離層dTEC隨時間演變,曲線間在垂直軸依次作了等間隔的平移.可以看出在此期間電離層TEC暴變擾動也呈現出似波狀結構,且其擾動峰隨時間自東向西移動,經估算經向平均傳播速度約為120 m/s,明顯要大于緯向傳播.

3討論

圖5分別給出了7日12:00 UT至9日12:00 UT期間的太陽風速度、行星際磁場Bz分量、極光電集流AE指數以及較高中緯度地區的CHUN、HLAR和URUM三站電離層dTEC的變化曲線.可以看出,在太陽風速度在7日18:00 UT左右有一個急遽大幅度提升,由約450 km/s劇增到了約650 km/s,隨后太陽風速度一直處于550 km/s以上,并在7日22:00 UT和8日04:00 UT前后各有一次小幅度增強,其峰值速度均超過了700 km/s,如圖5(a);緊隨太陽風速度劇變后,行星際磁場Bz分量也發生了劇烈變化,約在7日19:30 UT前后Bz南向翻轉并持續了約1 h.Bz分量在22:00UT前后再次南向翻轉,隨后南向持續時間長達近12 h,

且在7日22:30 UT后有近6 h時間維持在-40 nT上下,如圖5(b);極光電集流AE指數在8日01:00 UT-12:00 UT期間也出現強烈擾動,在04:00 UT和10:00 UT前后分別超過了2 500 nT,如圖5(c).

在2.1節中,注意到CHUN站(43.8°N,125.4°E)電離層TEC呈現出兩個區隔明顯的強擾動峰,分別位于8日的08:00 UT和13:00 UT前后.從圖5(d)中看出,處于相近經度帶內的更高緯度地區的HLAR站(49.3°N, 119.7°E)的電離層dTEC與CHUN站有著相似的變化趨勢,也表現出區隔明顯的兩個強擾動峰;而處于同緯度有著較大經度差異的西部地區URUM站(43.8°N,87.6°E)卻只出現了13:00 UT前后的單峰結構. 從AE指數變化上能夠看出在04:00 UT-10:00 UT之間曾出現了一個由強烈擾動回復到平靜趨勢的過程,這與CHUN和HLAR兩站電離層dTEC擾動的雙峰結構極為相似,意味著中國東北部較高中緯度地區的電離層TEC擾動與極區電離層擾動有著密切聯系, 也暗示著電離層與太陽風、磁層以及不同緯度區電離層之間有著復雜的耦合過程.

圖5　太陽風速度、IMF-Bz分量、極光AE指數及較高中緯臺站電離層dTEC的變化

圖6　不同緯度電離層vTEC和dTEC隨時間演變曲線

圖6(a)和(b)分別給出了11月2日和8日00:30 UT-06:30 UT期間115°E經度線上不同緯度的電離層vTEC隨時間的變化曲線,曲線間在垂直軸依次作了等間隔的平移.可以看出,在2日的電離層寧靜條件下,赤道異常北駝峰區大致處于地理北緯17°附近;而在8日的擾動情況下,其駝峰區位置向北側移動到了北緯25°附近. 圖6(c)給出了8日00:30 UT-06:30 UT期間115°E經度線上不同緯度的電離層dTEC隨時間演變曲線,曲線間在垂直軸依次作了等間隔的平移. 可以看出,期間dTEC也呈現出似波狀結構,并伴有從較低緯度向中緯度區的較緩慢傳播過程.

綜合上述分析,太陽活動爆發增強了吹向地球磁層的太陽風粒子的速度和濃度,行星際磁場引起地磁場劇變發生磁暴. 伴隨地磁暴的大量能量以增強的電場、電流和能量粒子沉降等方式影響到高層大氣,從而導致電離層暴擾動事件發生. 在此過程中,極區電場穿透到赤道低緯地區,在日側東向急劇穿透電場(Prompt Penetration Electric Field, PPEF)和向赤道中性風作用下,噴泉效應得到了進一步增強,使得等離子體向更高的緯度區堆積和赤道異常北駝峰向北側移動,這可能是導致此次電離層TEC正相暴在35°N附近擾動最為強烈的主要原因.

4結論

2004年11月強磁暴期間,中國地區電離層TEC暴事件的主要擾動特性總結如下:

1) 總體上以電離層TEC正相暴擾動為主,中緯地區的暴變擾動要強于低緯,以北緯35°附近擾動最為強烈,電離層TEC暴擾動的最大絕對偏差超過了50 TECu,相對偏差達到600%.

2) 發現此次電離層TEC暴是一次大尺度擾動事件,暴時電離層TEC空間相關性變強,電離層經向相關距離由約5 500 km提升到約8 000 km,相應的緯向相關距離由1 100 km增強到1 600 km.

3) 期間伴有電離層TEC暴擾動傳播現象,在北京時的黃昏-子夜時段有自東向西的經向傳播和自中緯到低緯的緯向傳播,經向擾動傳播速度約為120 m/s,要明顯高于緯向傳播,且在日側時段有從低緯向中緯的緩慢擾動傳播.

4) 向赤道中性風、日側東向急劇穿透電場以及噴泉效應等可能是導致在北緯35°附近擾動最為強烈的關鍵因素. 此次電離層TEC正相暴擾動事件也揭示了電離層與太陽風、磁層以及電離層不同緯度區之間有著復雜的耦合過程.

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馮健 (1981-)，男，山東人，高級工程師，西安電子科技大學在讀博士研究生，主要從事電離層物理及電波傳播應用方面的研究.

鄧忠新 (1971-)，男，湖南人，博士，高級工程師，主要從事電離層物理及電波傳播應用方面的研究.

甄衛民(1963-)，男，河北人，中國電波傳播研究所研究員，博士生導師. 現任中國GPS協會理事，中國空間學會空間物理專業委員會委員，《全球定位系統》雜志編委等.主要從事空間環境、電磁環境和衛星導航領域的研究.

吳振森(1946-)，男，湖北人，西安電子科技大學教授，博士生導師，主要從事隨機介質中電磁(光)波傳播和散射、目標激光散射特性研究.

作者簡介

中圖分類號P352

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)01-0157-09

收稿日期：2015-02-05

馮健, 鄧忠新, 甄衛民, 等. 2004年11月強磁暴期間中國地區電離層TEC擾動特性分析[J]. 電波科學學報,2016,31(1):157-165. DOI: 10.13443/j.cjors.2015020501

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資助項目: 國家國際科技合作專項(2011DFA22270)

聯系人： 馮健 E-mail: fengjian428@163.com