基于多儀器觀測的中國中緯區域MSTID長距離傳播事件研究*

羅 吉 徐寄遙 吳 坤 袁 偉 王 瑋 張佼佼

1(中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室 北京 100190)

2(中國科學院大學地球與行星科學學院 北京 101407)

0 引言

中尺度電離層行進式擾動（MSTID）通常是指夜間發生在中緯區域的電離層擾動現象。在北半球，MSTID 常表現為西北–東南向延伸的明暗相間條帶狀結構，由東北向西南傳播。而在南半球，MSTID 通常是向西北方向傳播。MSTID 的波長范圍為幾十到幾百公里，波速最大可達幾百米每秒[1,2]。

在早期研究中，全天空氣輝成像儀、GPS-TEC監測儀、數字測高儀以及部分雷達和衛星被用于觀測中低緯區域MSTID 結構[3–10]。從20 世紀70 年代開始，全天空氣輝成像儀被用于研究MSTID 的形態結構以及演化過程。21 世紀初，有關MSTID 的研究在電離層領域被廣泛關注。Mendillo 等[11]利用阿雷西博的一臺OI 630.0 nm 氣輝成像儀觀測到電離層上空西北–東南向傾斜的條帶狀氣輝結構，其傳播速度約為60～100 m·s–1。Kubota 等[12]利用日本5 臺氣輝成像儀研究了1998 年5 月19－22 日晚的長距離傳播MSTID 事件，其波長范圍為200～600 km，波速范圍為83～137 m·s–1。Garcia 等[13]通過統計分析得出MSTID 的大致特征，MSTID 通常在北半球呈西南向傳播，其傳播速度為50～170 m·s–1，波長范圍為50～500 km。Kelley 等[14]結合氣輝觀測數據及GPS 監測數據研究了一次北半球發生的西南向傳播的MSTID 事件，發現在氣輝觀測中的暗條帶對應了背景等離子體耗散，亮條帶對應背景等離子體的增強。Shiokawa 等[15]在日本統計了兩臺站三年間的氣輝觀測數據，獲得MSTID 的一般波長、波速、周期和振幅范圍分別為100～300 km，50～100 m·s–1，0.5～1.5 h，5%～15%。Otsuka 等[16]利用兩臺氣輝成像儀分別在日本和澳大利亞對MSTID 同時進行觀測，揭示MSTID 在南北半球的鏡像共軛結構特征。Ogawa等[17]利用全天空氣輝成像儀，GPS-TEC 監測儀以及SuperDARN 高頻雷達同時觀測的結果進一步闡述了MSTID 在北半球區域向西南方向往低緯運動的傳播特性。

中國也對MSTID 開展了多項研究，并取得了一系列重要成果。Ding 等[18]利用中國中部地區密集GPS 監測儀陣列對太陽活動低年MSTID 事件進行統計分析，獲得其在日夜的不同傳播特征。Song 等[19]利用北美兩年GPS-TEC 觀測數據，統計分析MSTID的傳播特性，認為擾動振幅的峰值在春秋分前后達到最大，在夏冬至日前后最小。Sun 等[20]利用子午工程全天空氣輝成像儀、法布里–珀羅干涉儀、數字測高儀以及GPS-TEC 監測儀對2012 年2 月17 日晚一次MSTID 事件進行深入研究，在MSTID 結構中發現中尺度場向不規則體結構。近期Xie 等[21]利用VHF 雷達、數字測高儀與GNSS 觀測網相結合的手段研究了2018 年3 月3 日晚從中緯傳播至低緯的MSTID 事件，發現當MSTID 傳播至低緯時，極化電場可以調制等離子體不穩定性。Wu 等[22]利用子午工程富克臺站的全天空氣輝成像儀及數字測高儀等觀測數據，發現了相向運動且發生相互作用的MSTID事件。Luo 等[23]結合子午工程全天空氣輝成像儀、GPS-TEC 監測儀以及Swarm 衛星進一步研究分析中緯地區MSTID 在傳播過程中的轉向和消散現象。近年來，雖然關于MSTID 傳播特性的研究不斷深化，但有關中國中緯區域MSTID 的產生來源及傳播過程尚不明確。因此，結合多種儀器觀測數據來研究該區域MSTID 的發生及演化具有重要的科學意義。

本文利用河北興隆和黑龍江伊春的OI 630.0 nm全天空氣輝成像儀觀測數據，結合Swarm 衛星數據、佳木斯SuperDARN 高頻雷達的回波結果以及漠河和十三陵測高儀觀測結果對2018 年10 月17 日夜間西南向傳播的MSTID 事件進行分析，詳細研究了此次MSTID 事件從高緯向中低緯長距離傳播的演化過程。

1 觀測儀器與數據

1.1 全天空氣輝成像儀

主要使用河北興隆（40.4°N，117.6°E），黑龍江伊春（47.9°N，128.9°E）兩個臺站的全天空氣輝成像儀觀測數據，對出現在2018 年10 月17 日夜間的MSTID事件進行分析研究。圖1 給出了各個臺站的位置，其中紅色星形和藍色菱形分別代表兩個臺站的位置，黑色圓圈分別代表兩個氣輝成像儀在250 km 高度處的視場覆蓋范圍。兩臺站使用的是相同的全天空氣輝成像儀，其主要組成包括1024 pixel ×1024 pixel 的CCD，視場角為180°的魚眼鏡頭及波長為630.0 nm的濾波片。

1.2 Swarm 衛星

Swarm 衛星組發射于2013 年11 月22 日，是由三顆衛星組成的。其中較低的兩顆衛星Swarm A 和Swarm C 并列飛行的高度約為470 km，兩顆衛星飛行軌道的經度距離大約為1.4°（距離約為150 km），另一顆衛星Swarm B 的飛行高度約為520 km。本文所使用的Swarm 衛星數據來源于http://earth.esa.int/swarm。

1.3 佳木斯高頻雷達

佳木斯雷達位于中國佳木斯長發鎮，其地理位置為46.8°N，130.5°E，其視線中心方向為東北向44°。佳木斯雷達是國際高頻雷達網SuperDARN 的組成部分之一，對電離層的等離子體運動進行持續觀測。佳木斯雷達由16 組天線單元組成的主陣和4 個天線單元組成輔陣構成。雷達掃描過程中每個波束之間的夾角為3.25°，24 個波束的總掃描角度為78°，圖1給出了佳木斯臺站高頻雷達的位置，綠色直線分別代表該雷達第0, 13, 23 波束的視線方向。每一波束上相鄰兩個采樣點的距離為45 km。詳細內容可參考文獻[24]。

圖1 觀測儀器及臺站位置。紅色星形代表興隆臺站全天空氣輝成像儀位置，藍色菱形代表伊春臺站全天空氣輝成像儀位置，黑色圓點代表佳木斯臺站高頻雷達位置，棕色三角形代表漠河臺站數字測高儀位置Fig. 1 Location of observation instruments and stations. The red star denotes the geographic location of the all-sky imager at Xinglong, and the blue diamond denotes the geographic location of the all-sky imager at Yichun. The black spot denotes the geographic location of the High-frequency radar at Jiamusi. The brown triangle denotes the geographic location of the Digisonde at Mohe

1.4 電離層數字測高儀

漠河臺站位于中國最北端的黑龍江省漠河縣北極鎮，地理坐標為53.5°N，122.4°E。該數字測高儀屬于子午工程無線電觀測設備之一，其型號為DPS-4。十三陵臺站地理坐標為40.3°N，116.2°E。當觀測區域上空電離層F 層出現不規則體（例如電離層等離子體泡，中尺度電離層行進式擾動等）時，頻高圖中會出現明顯的擴展F。

2 觀測結果

2.1 氣輝觀測結果

圖2 中給出了2018 年10 月17 日夜間12:02－16:23 UT 興隆和伊春兩臺站全天空氣輝成像儀所觀測的氣輝圖像。基于Garcia 等[25]的氣輝圖像處理方法，將興隆和伊春臺站的氣輝觀測圖像投影到250 km 高度物理空間，其地理區域范圍分別是經度110.6°E－ 124.6°E ， 緯 度33.4°N－47.4°N 和 經度121.9°E－135.9°E，緯度40.9°N－54.9°N。每張圖的上端指向地理北向，右端指向地理東向。相鄰兩張圖的時間間隔約為15 min。

圖2 2018 年10 月17 日晚 12:02－16:23 UT 河北興隆和黑龍江伊春臺站觀測到的氣輝圖像（相鄰兩圖之間的時間間隔約為15 min）Fig. 2 Images of MSTIDs from the Xinglong and Yichun station from 12:02 to 16:23 UT on 17 October 2018(time interval between successive images is about 15 min)

興隆臺站氣輝觀測顯示，該MSTID 事件在該臺站觀測結果中持續時間為12:02－15:37 UT，其結構呈現從西北至東南向延伸的條帶狀結構，且向西南向傳播。在傳播過程中，MSTID 的波長范圍為281.3～322.5 km，波速由開始的154.1 m·s–1（12:09－12:54 UT）逐漸降至89.5 m·s–1（13:34－15:12 UT）。

在伊春臺站的氣輝觀測結果中，MSTID 持續時間為13:04－16:23 UT，前期的相平面主要出現在觀測視野的西北區域（伊春臺站氣輝圖片左上角）且不是很清晰。在14:27 UT 左右，氣輝觀測區域右下角出現明顯條帶，而子夜后由于云量變多，氣輝觀測圖片被污染不再可用。伊春臺站可用氣輝觀測數據顯示，在傳播過程中MSTID 的波長范圍為176.3～187.5 km，波速范圍為67.0～69.2 m·s–1。

通過對興隆與伊春臺站氣輝觀測結果的對比，兩臺站觀測到的MSTID 事件持續時間不同，MSTID出現在興隆臺站的時間更早，興隆臺站所觀測到的MSTID 波長和波速都大于伊春臺站。

2.2 衛星觀測結果

圖3(a)上圖將13:00－13:08 UT 期間的Swarm A，C 衛星軌道映射至伊春氣輝觀測圖中，下圖為兩顆衛星經過伊春臺站氣輝觀測區域電子密度隨時間的變化。在圖3(a) 上圖的氣輝觀測中并沒有明顯的MSTID 結構出現，但在圖3(a)下圖衛星觀測的電子密度變化中，從13:03 UT 起，Swarm A，C 衛星的電子密度都先后出現明顯的波峰波谷，這說明在Swarm 衛星的探測高度（約450 km）等離子體存在波動。通過相鄰數據的差值可以得到衛星測量的電子密度隨緯度的變化梯度, 如圖3(c)所示，當兩顆衛星自南向北穿過氣輝觀測區域時，從46°N 以上，電子密度梯度出現波動，且在51°N 附近擾動幅度最大。

圖3(b) 上 圖 將14:32－14:38 UT 期 間Swarm C 衛星軌道映射至興隆氣輝觀測圖中，圖中右側標注了衛星經過不同緯度的時間，下圖表示衛星經過興隆臺站氣輝觀測區域的電子密度隨時間的變化。從14:33 UT 起，隨著衛星由南向北經過氣輝觀測區域，電子密度發生變化。圖3(c)給出了衛星測量得到電子密度隨緯度的變化梯度，從32°N－41°N Swarm C 衛星所測量的電子密度就有較為明顯的波動，但由于氣輝觀測圖中右下角的月光污染，無法確認氣輝觀測該區域是否存在MSTID。

圖3 （a）上圖為全天空氣輝成像儀和Swarm A，C 衛星在2018 年10 月17 日13:00－13:08 UT 同時觀測到的MSTID 事件，紅線代表A 衛星軌道，藍線代表C 衛星軌道；下圖為Swarm A，C 衛星觀測到的電子密度變化。（b）上圖為全天空氣輝成像儀和Swarm C 衛星在14:32－14:38 UT 觀測到的MSTID 事件，下圖為Swarm C衛星觀測到的電子密度變化。（c）觀測期間不同緯度的電子密度梯度Fig. 3 (a) Top figure denotes the orbits of Swarm A, C added to the airglow image observed from 13:00 to 13:08 UT on 17 October 2018, the red line indicates the orbit arc of Swarm A, the blue line indicates the orbit arc of Swarm C. Bottom figure denotes the time series of in situ electron density data from Swarm satellites. (b) The orbit arc of Swarm C (top figure) and the time series of in-situ electron density data from Swarm C (bottom figure).(c) The latitude series of in-situ electron density gradient from Swarm satellites

2.3 雷達觀測結果

圖5 給出了不同時刻伊春臺站觀測到的氣輝圖像及佳木斯雷達在對應時刻所測量的視線多普勒速度及回波強度。在14:36 UT，伊春臺站氣輝觀測圖中，右下角出現MSTID 相平面，此時佳木斯雷達回波掃頻圖中在49°N 出現速度為50 m·s–1的回波。在15:04 UT，雷達回波強度變強，范圍變大，且向雷達方向移動，這與伊春臺站的氣輝觀測結果一致。

圖4 2018 年10 月17 日12:00－18:00 UT 佳木斯雷達第13 波束所觀測到的雷達數據Fig. 4 Time series plots of measurements from beam 13 of the Jiamusi radar obtained from 12:00 to 18:00 UT on 17 October 2018

圖5 （a）2018 年10 月17 日14:36 UT 伊春臺站氣輝觀測結果，（b）佳木斯雷達在14:35 UT 所測量的視線多普勒速度，（c）佳木斯雷達在14:35 UT 所測量的回波強度，（d）15:04 UT 氣輝觀測結果，（e）佳木斯雷達在15:05 UT 所測量的視線多普勒速度，（f）佳木斯雷達在15:05 UT 所測量的回波強度。紅框和藍框分別代表興隆和伊春臺站全天空氣輝成像儀的觀測視野Fig. 5 (a) Airglow observations of Yichun at 14:36 UT on 17 October 2018, (b) the Doppler velocity observed by the Jiamusi radar at 14:35 UT, (c) the echo power observed by the Jiamusi radar at 14:35 UT, (d) airglow observations of Yichun at 15:04 UT, (e) the Doppler velocity at 15:05 UT, (f) the echo power at 15:05 UT.Red and blue squares denote the field of view of the all-sky imagers at 250 km at Xinglong and Yichun

3 討論

綜上所述，伊春和興隆兩臺站觀測到的MSTID事件持續時間不同，MSTID 結構出現在興隆臺站的時間更早。若兩臺站觀測到的MSTID 來自同一事件，為什么伊春臺站氣輝成像儀在12:02－13:04 UT期間沒有觀測到MSTID，通過伊春臺站氣輝觀測結果分析，在13:04 UT 前，伊春臺站上空有云，氣輝成像儀觀測數據無法辨別是否存在MSTID。在該時間段，MSTID 是否已經在伊春臺站上空出現，這是研究中亟待解決的問題。由于漠河臺站距離伊春較近（約770 km），所以下面引入當天夜間漠河臺站和十三陵臺站數字測高儀的觀測數據開展討論分析。

2018 年10 月17 日處于地磁平靜期，當日總Kp指數為4，且3 h 最大Kp值為2–。圖6 為漠河臺站電離層數字測高儀08:00 UT 至次日00:00 UT 時段電離層頻高圖。結果顯示擴展F 在09:00 UT 左右開始出現，此時漠河臺站上空已經存在電離層不規則體。漠河臺站的位置在伊春臺站西北方向，處于伊春臺站氣輝觀測視野的左上角區域，距離興隆臺站約1500 km。通過氣輝觀測結果，在興隆臺站12:09 UT MSTID 的傳播速度約為154 m·s–1（555 km·h–1），通過大概估算，MSTID 從漠河上空傳播至興隆觀測區域需要時間約為2.7 h。圖7 給出了十三陵臺站數字測高儀10:00－23:30 UT 時間段的頻高圖。從12:30 UT 開始，頻高圖中出現擴展F 結構，十三陵臺站地理位置為40.3°N，116.2°E，與興隆臺站（40.4°N，117.6°E）較近。因此興隆臺站最早氣輝觀測到MSTID 的時間約為12:02 UT。這與估算MSTID 從漠河傳播至興隆上空的時間吻合。綜上所述，該MSTID 結構可能產生于更高緯度之上，經過漠河臺站傳播至興隆臺站。

圖6 黑龍江漠河數字測高儀觀測的2018 年10 月17 日08:00 UT 至次日00:00 UT 每30 min 的電離層頻高圖Fig. 6 Ionograms observed by the Digisonde at Heilongjiang Mohe station every 30 min from 08:00 to 00:00 UT on 17－18 October 2018

圖7 北京十三陵數字測高儀觀測的2018 年10 月17 日10:00－23:30 UT 每30 min 的電離層頻高圖Fig. 7 Ionograms observed by the Digisonde at Beijing Shisangling station every 30 min from 10:00 to 23:30 UT on 17 October 2018

早期研究表明，Es 層的活動可能與F 層產生耦合作用，從而影響MSTID 傳播。Haldoupis 等[27]研究表明霍爾極化過程會在中緯度Es 層產生強電場。Tsunoda 等[28]發現這種Es 層強電場可能會通過磁力線映射到F 層，正反饋作用于極化電場。Yokoyama 等[29]模擬E-F 層耦合后證明MSTID 的西南向傳播可能與Es 層的中性風剪切有關。在此次MSTID事件的傳播過程中，漠河和十三陵兩個臺站的數字測高儀結果中都出現了較強的Es 回波。因此，該事件中MSTID 的發生和傳播可能也受到Es 層的影響。

在13:04 UT，MSTID 結構開始出現在伊春臺站的氣輝觀測儀視野，其相平面主要分布在左上角區域（50°N－54°N，122°E－125°E）。在圖3（a）中， Swarm A，C 衛星在13:00－13:08 UT 前后經過伊春臺站氣輝觀測右側區域（41°N－55°N，134°E－135°E）。圖3（b）和（c）中相應位置出現明顯的波動，該波動主要出現在46°N 以北，這說明Swarm A，C 衛星都先后出現明顯的波峰波谷。因此13:02－13:05 UT，在約450 km 高度，衛星在46°N－52°N，134°E－135°E區域觀測到MSTID 結構。但此時在伊春臺站250 km氣輝成像儀結果中，該結構并沒有得到明顯觀測。這可能是因為在12:02－14:20 UT 期間，伊春臺站的氣輝圖像被部分云層污染，無法辨別MSTID。直到14:35 UT，伊春臺站氣輝觀測區域右下角區域（41°N－46°N，131°E－135°E）才出現明顯MSTID 結構。因此，伊春和興隆臺站所觀測到的MSTID 是同一事件，12:02－14:35 UT 期間，背景云量污染是影響伊春臺站氣輝成像儀觀測結果的主要原因。

通過氣輝觀測結果，在此次MSTID 事件中，更高緯度的伊春臺站所觀測到的MSTID 波長小于興隆臺站。在MSTID 向中緯的傳播過程中，其波長逐漸變大。因為MSTID 的傳播過程符合德布羅意波（物質波）的傳播特性，根據波的動量方程P=h/λ（其中h為普朗克常數，λ為波長），由于波在傳播過程中會有能量損耗，即P會減小，h為 定量，λ隨之增強，直到能量全部消耗。

綜上所述，此次MSTID 事件從更高的緯度產生，自東北向西南往中緯地區傳播，被不同臺站的不同儀器所觀測，例如高頻雷達（佳木斯臺站）、數字測高儀（漠河和十三陵臺站）、氣輝成像儀（伊春和興隆臺站）。在其傳播過程中，MSTID 的波長逐漸變大，直至消失。

4 結論

利用伊春和興隆臺站全天空氣輝成像儀，Swarm衛星及佳木斯高頻雷達等儀器的觀測數據對2018 年10 月17 日夜間的MSTID 事件的演化過程及傳播特征進行了詳細分析。研究結果顯示，該MSTID 事件在氣輝觀測中持續時間超過4 h（12:02－16:23 UT），其波長范圍為176.3～322.5 km，波速范圍為67.0～154.1 m·s–1。研究發現，此次MSTID 事件應該產生于較高緯區域，自東北向西南往中緯區域傳播。在傳播過程中，MSTID 結構依次被伊春、興隆臺站的氣輝成像儀所觀測。該研究結果加深了對中緯區域MSTID 傳播特征的認知，豐富了對中國中緯區域電離層不規則體的研究。