陳亞楠， 徐繼生

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 武漢 430072

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頂部電離層離子密度經(jīng)度結(jié)構(gòu)的特征及其隨季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)和傾角的變化

陳亞楠， 徐繼生*

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 武漢 430072

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

頂部電離層； 離子密度； 經(jīng)度變化； 多重波數(shù)； 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(dǎo)致電離層參量在經(jīng)度方向出現(xiàn)顯著的波狀結(jié)構(gòu)，即電離層參量隨經(jīng)度變化呈現(xiàn)峰谷相間的圖樣.較早，基于IMAGE-FUV觀(guān)測(cè)結(jié)果的分析，Sagawa等(2005)發(fā)現(xiàn)，正比于F層電子密度平方根的135.6 nm氣暉發(fā)射強(qiáng)度在4個(gè)彼此相隔約90°的經(jīng)度上增強(qiáng)，即經(jīng)度波數(shù)4圖樣.隨后，一系列研究證實(shí)電離層經(jīng)度波數(shù)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(qū)波數(shù)4的激發(fā)因素.一般認(rèn)為，非遷移潮汐在電離層E區(qū)生成經(jīng)度調(diào)制的東向電場(chǎng)，它沿磁力線(xiàn)映射到F層，引起赤道異常區(qū)電離層的波數(shù)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(xué)過(guò)程起主要的控制作用，在F2層峰高度上下，光化學(xué)過(guò)程和輸運(yùn)過(guò)程共同起控制作用，在頂部電離層，輸運(yùn)過(guò)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(duì)太陽(yáng)活動(dòng)性的依賴(lài)更顯著，太陽(yáng)活動(dòng)低年Ni比太陽(yáng)活動(dòng)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(lái)，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(jīng)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(yáng)活動(dòng)高年上午的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了傾角赤道區(qū)頂部電離層離子垂直漂移的經(jīng)度變化，發(fā)現(xiàn)波數(shù)4分量在整年都存在,春秋分最強(qiáng).Ren等(2008)分析了DMSP-F13衛(wèi)星采集的離子密度和電子溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)日落期間赤道區(qū)頂部電離層離子密度和電子溫度經(jīng)度結(jié)構(gòu)的變化顯著依賴(lài)季節(jié)，兩分季顯示波數(shù)4圖樣，北半球夏季呈現(xiàn)3峰結(jié)構(gòu)，北半球冬季呈現(xiàn)2峰結(jié)構(gòu).Huang等(2010)分析DMSP-F13和F17的離子密度和漂移速度數(shù)據(jù)，指出赤道電離層離子密度的經(jīng)度變化顯示與離子?xùn)|向漂移速度同相關(guān)聯(lián)，與離子向上漂移速度反相關(guān)聯(lián).Kil等(2008)利用ROCSAT-1、TIMED-GUVI和DMSP-F13和F15等多顆衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究頂部電離層的波結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，波結(jié)構(gòu)在午前出現(xiàn)，下午進(jìn)一步增強(qiáng)，在黃昏開(kāi)始減小，延伸范圍可達(dá)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(jīng)度結(jié)構(gòu)并做了譜分析，結(jié)果表明，電子密度的經(jīng)度結(jié)構(gòu)可以在任何太陽(yáng)活動(dòng)水平下出現(xiàn)，密度和溫度兩者的波數(shù)3在12月最強(qiáng)，波數(shù)4在9月最強(qiáng).Bankov等(2009)分析了DMSP-F13和F15以及DEMETER衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在衛(wèi)星覆蓋的所有地方時(shí)，波數(shù)4是氧離子密度中幾乎常規(guī)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(jīng)度結(jié)構(gòu).Lin等人(2007)的研究表明，波數(shù)4具有明顯的周日變化，下午(1200—1600LT)最為顯著.Wan等(2010)發(fā)現(xiàn)波數(shù)4的振幅隨著太陽(yáng)活動(dòng)的減弱而增大.利用TOPEX/海神高度計(jì)長(zhǎng)期測(cè)量的總電子含量(TEC)數(shù)據(jù)，Scherliess等(2008)發(fā)現(xiàn)白天生成的波數(shù)4圖樣有明顯的季節(jié)變化，但很大程度上不依賴(lài)太陽(yáng)活動(dòng)水平.穆文峰等(2011)發(fā)現(xiàn)WN-3, WN-4的變化分別與DE2, DE3中緯向風(fēng)分量的變化一致, 而與其子午風(fēng)分量沒(méi)有明顯的聯(lián)系.一般認(rèn)為，波數(shù)4是出現(xiàn)在磁赤道和低緯度區(qū)的現(xiàn)象，波數(shù)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(shí)間，多種潮汐波模的組合可能生成電離層經(jīng)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(fā)現(xiàn)了電離層F區(qū)存在強(qiáng)的波-3圖樣.一般情況下，電離層參量的經(jīng)度變化經(jīng)常是多種波數(shù)和周期成分的疊加，圖像復(fù)雜.已有些作者采用了傅里葉濾波和譜分析技術(shù)(Wan et al.,2010; Kakinami et al.,2011)，從復(fù)雜的經(jīng)度變化中分離出特定波數(shù)的分量.

本文利用1995—2005年DMSP-F13和2000—2005年F15衛(wèi)星的離子密度測(cè)量數(shù)據(jù)和傅里葉分解與重構(gòu)方法，定量地分析了頂部電離層電離密度經(jīng)度結(jié)構(gòu)中多重波數(shù)分量的特征.在此基礎(chǔ)上，分析波數(shù)4的年變化、逐年變化、地方時(shí)差異和隨傾角的變化.本文的研究對(duì)頂部電離層建模有一定的參考價(jià)值.

2 數(shù)據(jù)與處理方法

本文的工作使用了DMSP-F13衛(wèi)星1995—2005年以及DMSP-15衛(wèi)星2000—2005年采集的數(shù)據(jù).DMSP是美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(Defense Meteorological Satellites Program)的縮寫(xiě).DMSP衛(wèi)星在近太陽(yáng)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(shí)(F13約為18 LT和06 LT，F(xiàn)15約為21 LT和09 LT)經(jīng)過(guò)赤道面.

DMSP衛(wèi)星攜帶一種專(zhuān)用的離子、電子和閃爍傳感器(Special Sensor-Ions, Electrons and Scintillation，SSIES)載荷，用于監(jiān)測(cè)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(cè)量.數(shù)據(jù)具有4 s的時(shí)間分辨率，由美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯校區(qū)因特網(wǎng)(http:∥cindispace.Utdallas.edu/DMSP/)下載.

本文僅分析地磁平靜期頂部電離層Ni經(jīng)度變化的特征，為此，在所有數(shù)據(jù)中，我們剔除了磁擾動(dòng)期(Kp>3)采集的數(shù)據(jù).軌道高度上每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地理位置用地理經(jīng)度和傾角表征，傾角利用當(dāng)前的國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)模型計(jì)算得到.為了考察赤道區(qū)和中低緯度區(qū)Ni的經(jīng)度變化特征，我們選用所有經(jīng)度上傾角從-60°至60°(相當(dāng)于傾角磁緯約±40°)的數(shù)據(jù).與Ren等人(2008)的做法類(lèi)似，數(shù)據(jù)用以下方式進(jìn)行網(wǎng)格化處理以得到每個(gè)網(wǎng)格中心的平均離子密度：網(wǎng)格的中心傾角和中心經(jīng)度間隔分別為5°和10°，南北向網(wǎng)格寬4°，東西向?qū)?0°.計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)所有的或每年的有效Ni數(shù)據(jù)的算術(shù)平均，代表該網(wǎng)格上Ni.需要指出，本文所用網(wǎng)格尺度得到的Ni均值，可能平滑小尺度的經(jīng)度結(jié)構(gòu)，使其幅度變小，也可減弱電離層不規(guī)則體產(chǎn)生的影響.不過(guò)，大尺度的經(jīng)度結(jié)構(gòu)能基本真實(shí)地重現(xiàn).此外，本文用了11年的DMSP-F13和6年DMSP-F15的數(shù)據(jù)，不同年份Ni值散布范圍很大，取同一季節(jié)多年數(shù)據(jù)的平均，只能得到Ni經(jīng)度變化的平均圖像，無(wú)法看到它隨太陽(yáng)活動(dòng)周期變化的細(xì)節(jié).

本文用兩種方式考察Ni均值的經(jīng)度變化對(duì)季節(jié)的依賴(lài).首先，把1年分成3個(gè)季節(jié)，每個(gè)季節(jié)4個(gè)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(gè)月把數(shù)據(jù)分成12組.

3 結(jié)果

3.1 Ni經(jīng)度變化與傅里葉重構(gòu)

利用第2節(jié)介紹的方法處理了1995—2005年共11年DMSP-F13衛(wèi)星的總離子密度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上Ni的均值.圖1給出日落期間(約18 LT) 3個(gè)季節(jié)頂部電離層平均Ni隨經(jīng)度和傾角變化的等值線(xiàn)圖.

圖1 黃昏時(shí)刻3個(gè)季節(jié)平靜期頂部電離層平均Ni隨經(jīng)度和傾角變化的等值線(xiàn)上圖：春秋季；中圖：北半球夏季；下圖：北半球冬季.圖中點(diǎn)線(xiàn)表示傾角赤道上偏角隨經(jīng)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(qū)域，日落期間頂部電離層Ni隨經(jīng)度變化呈現(xiàn)有規(guī)律的起伏，在傾角赤道附近，Ni的值達(dá)到極大，隨經(jīng)度的變化也最為顯著.在3個(gè)季節(jié)，這種經(jīng)度變化的特征各不相同.在傾角赤道及其鄰近區(qū)域，春秋季Ni隨經(jīng)度變化呈現(xiàn)4個(gè)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(jīng)度變化呈現(xiàn)3個(gè)極大，分別位于10°E、110°E、和220°E附近；北半球冬季Ni隨經(jīng)度變化呈現(xiàn)2個(gè)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(qū)域，不同季節(jié)Ni的經(jīng)度結(jié)構(gòu)變化不大，110°E附近的極大在3個(gè)季節(jié)都存在；而在西半球，不同季節(jié)Ni的經(jīng)度結(jié)構(gòu)有很大差別.在傾角赤道和低緯區(qū)，春秋季在200°E和270°E附近出現(xiàn)兩個(gè)極大，在北半球夏季，這兩個(gè)極大合并為220°E附近的一個(gè)極大，而在北半球冬季，夏季出現(xiàn)極大的220°E附近出現(xiàn)極小.

圖1中偏角隨經(jīng)度的變化(點(diǎn)線(xiàn))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?yōu)檩^大的負(fù)值.西半球磁偏角由正到負(fù)的變化可能引起冬夏Ni的經(jīng)度結(jié)構(gòu)的差異.此前，Ren等(2008)分析傾角赤道上空頂部電離層的經(jīng)度變化，發(fā)現(xiàn)西半球夏季和冬季Ni的經(jīng)度變化顯示明顯反相關(guān)，他們認(rèn)為偏角隨經(jīng)度的變化和子午風(fēng)的季節(jié)變化將改變傾角赤道上場(chǎng)列等離子體輸運(yùn)速度，進(jìn)而影響Ni的經(jīng)度分布.不過(guò)，只要進(jìn)出傾角赤道的場(chǎng)列等離子體數(shù)通量不變，場(chǎng)列等離子體輸運(yùn)速度大小的變化并不能直接影響Ni的經(jīng)度分布.對(duì)給定的磁通量管，沿場(chǎng)流進(jìn)傾角赤道區(qū)的離子體數(shù)通量超過(guò)流出傾角赤道區(qū)的離子體數(shù)通量，將導(dǎo)致Ni增高，反之將導(dǎo)致Ni降低.可以推測(cè)，西半球夏季和冬季Ni的經(jīng)度變化趨勢(shì)相反，可能與冬夏季沿磁通量管流進(jìn)和流出傾角赤道的等離子體數(shù)通量不同有關(guān).

如圖1所示，在所有季節(jié)，Ni隨經(jīng)度的變化都不是由單一波數(shù)構(gòu)成，而是多種波數(shù)成分的疊加.假定Ni隨經(jīng)度的變化可以分解為具有不同波數(shù)的諧波，那么，對(duì)每個(gè)固定的傾角Ii，可以用N階傅里葉級(jí)數(shù)重構(gòu)Ni.傅里葉重構(gòu)表達(dá)式為

式中Ni(φj,Ii)是傾角為Ii、經(jīng)度為φj處Ni的傅里葉重構(gòu)值，a0是零階傅里葉系數(shù)，代表經(jīng)度平均的Ni，xj=reφj，an和kn分別是第n階諧波的幅度和波數(shù)，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(shí)刻(18 LT)3個(gè)季節(jié)測(cè)量的Ni均值與6階傅里葉重構(gòu)的Ni隨經(jīng)度變化的比較.由圖2可見(jiàn)，對(duì)給定的傾角，傅里葉重構(gòu)曲線(xiàn)(圖中的實(shí)線(xiàn))與實(shí)測(cè)的Ni均值隨經(jīng)度的變化(圖中的符號(hào)‘+’)幾乎完全重合.這表明頂部電離層平均Ni的經(jīng)度變化確實(shí)含有多重波數(shù)的諧波，可以用波數(shù)0至波數(shù)6的傅里葉諧波相當(dāng)精確地重構(gòu).在各階系數(shù)中，a0最大，表明Ni經(jīng)度變化中經(jīng)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(shí)際上，5階和6階諧波分量的幅度遠(yuǎn)小于1至4階分量.高階傅里葉系數(shù)很小也可能與本文采用的網(wǎng)格尺度有關(guān)，它平滑小尺度的經(jīng)度結(jié)構(gòu)，使其幅度變小.

圖3是日落期間3個(gè)季節(jié)傾角赤道上空頂部電離層Ni經(jīng)度變化中的波數(shù)1至波數(shù)4分量.圖中各階諧波由測(cè)量數(shù)據(jù)的傅里葉分解得到，縱坐標(biāo)表示波數(shù)1至波數(shù)4的幅度.

如圖3所示，波數(shù)1和波數(shù)2分量在冬季最強(qiáng)，幅度分別達(dá)到2.4×1010m-3和2.8×1010m-3，與經(jīng)度平均值相比，相對(duì)幅度分別約為14%和17%，夏季幅度為1.6×1010m-3，相對(duì)幅度約為16%，春秋季最弱，幅度為1.1×1010m-3，相對(duì)幅度約為5%；波數(shù)1和波數(shù)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(shù)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(duì)幅度分別約為5%、16%和7%，夏季最大；波數(shù)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(shù)4分量的幅度分別為1.4×1010m-3和1.1×1010m-3，相對(duì)幅度分別約為7%和11%，由于北半球夏季經(jīng)度平均的Ni不及春秋季的一半，夏季相對(duì)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(shù)4分量基本同相.此外，波數(shù)1、波數(shù)2和波數(shù)4分量在夏季和冬季接近反向，而波數(shù)3在3個(gè)季節(jié)相位差很小.

圖2 測(cè)量的Ni與6階傅里葉重構(gòu)的Ni隨經(jīng)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(hào)‘+’表示實(shí)測(cè)值，實(shí)線(xiàn)是傅里葉重構(gòu)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(shí)線(xiàn))、北半球夏季(點(diǎn)線(xiàn))和冬季(虛線(xiàn))日落期間傾角赤道上空頂部電離層Ni波數(shù)1(a)、波數(shù)2(b)、波數(shù)3(c)和波數(shù)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(jīng)度變化，發(fā)現(xiàn)離子總密度和電子溫度的經(jīng)度變化顯著依賴(lài)季節(jié)，在兩分季呈現(xiàn)波數(shù)4經(jīng)度結(jié)構(gòu)，在北半球夏季呈現(xiàn)3峰結(jié)構(gòu)，在北半球冬季呈現(xiàn)2峰結(jié)構(gòu).圖3證實(shí)了Ren等(2008)的結(jié)果并進(jìn)一步得到，在每個(gè)季節(jié)都存在波數(shù)1至波數(shù)4分量，春秋季和夏季波數(shù)4較強(qiáng)，冬季波數(shù)4很弱.此外還注意到，波數(shù)1、波數(shù)2和波數(shù)4在夏季和冬季接近反向，而波數(shù)3在3個(gè)季節(jié)相位差很小.一般認(rèn)為，非遷移潮汐在電離層E區(qū)生成經(jīng)度調(diào)制的東向電場(chǎng)，它沿磁力線(xiàn)映射到F層，引起赤道異常區(qū)電離層的經(jīng)度變化(Immel et al.,2006；Hagan et al.,2007；Kil et al.,2007).另一方面，子午風(fēng)和緯圈風(fēng)的經(jīng)度變化以及偏角隨經(jīng)度的變化，將調(diào)制電離層的經(jīng)度變化.經(jīng)度結(jié)構(gòu)的上述復(fù)雜的變化可能是這些因素共同作用的結(jié)果.

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

3.2 赤道區(qū)波數(shù)4的年變化和逐年變化

我們按每年12個(gè)月把1995年至2005年DMSP-F13的數(shù)據(jù)分成12組，用第2節(jié)介紹的方法得到平均Ni隨經(jīng)度的變化.然后通過(guò)傅里葉分解得到波數(shù)4分量.圖4是18 LT傾角赤道和低緯區(qū)Ni的波數(shù)4幅度隨月份的變化.

圖4 日落期間傾角赤道和低緯區(qū)頂部電離層Ni波數(shù)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(shí)，Ni波數(shù)4分量隨月份的變化在全年有兩個(gè)極大，第一個(gè)極大出現(xiàn)在北半球春分前后的3月，第二個(gè)極大出現(xiàn)在北半球秋分前后的9月.傾角赤道上，在2月份波數(shù)4分量達(dá)到了全年最低值，9月份達(dá)到最高值.在北半球傾角30°，冬季(12月)波數(shù)4分量達(dá)到了全年最低值，在南半球傾角-30°，當(dāng)?shù)囟?6月份)波數(shù)4分量達(dá)到了全年最低值.總體上看，南北半球低緯區(qū)Ni波數(shù)4分量的年變化特征與傾角赤道類(lèi)似，即春秋季最強(qiáng)，冬季最弱，夏季居中，與非遷移潮汐的季節(jié)變化類(lèi)似(Wan et al.,2010).此前，一些作者研究了波數(shù)4分量的季節(jié)變化.Hartman 和Heelis(2007)研究得到，太陽(yáng)活動(dòng)高年上午傾角赤道區(qū)頂部電離層離子垂直漂移的經(jīng)度變化中，波數(shù)4分量在整年都存在，兩分月份最強(qiáng).Wan等(2008)發(fā)現(xiàn)波數(shù)4在北半球的夏季和早秋很強(qiáng), 而在冬季相當(dāng)弱.Kakinami等(2011)研究得到波數(shù)4在9月最強(qiáng).圖4顯示的特征與前人的研究結(jié)果基本一致.

圖5是日落期間傾角赤道上空3個(gè)季節(jié)和不分季節(jié)的頂部電離層Ni波數(shù)4分量幅度的逐年變化及其與F10.7指數(shù)的逐年變化比較.圖5用DMSP-F13在日落地方時(shí)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到.

如圖5所示，分季節(jié)與不分季節(jié)的情況大致相同，Ni經(jīng)度變化中的波數(shù)4分量的幅度都隨太陽(yáng)活動(dòng)水平增強(qiáng)而增高，至太陽(yáng)活動(dòng)高年幅度達(dá)到最高，隨后隨太陽(yáng)活動(dòng)水平降低而減小.波數(shù)4分量幅度的逐年變化與年平均F10.7的變化趨勢(shì)基本一致.計(jì)算得到，全年以及春秋季、北半球夏季和冬季波數(shù)4分量的幅度與F10.7的相關(guān)系數(shù)分別為0.96,0.99,0.99和0.85，呈顯著正相關(guān).實(shí)際上，日落期間在整個(gè)低緯區(qū)(傾角±30°之間)，頂部電離層Ni經(jīng)度變化中的波數(shù)4幅度的逐年變化圖像與圖5類(lèi)似.Wan等(2010)分析了2003—2008年的全球TEC數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)波數(shù)4的振幅隨著太陽(yáng)活動(dòng)減弱而增大.圖5表明，赤道和低緯頂部電離層Ni經(jīng)度變化中的波數(shù)4幅度對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)水平的依賴(lài)似乎與從TEC數(shù)據(jù)中分離出的波數(shù)4幅度對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)水平的依賴(lài)不同.

3.3 赤道區(qū)波數(shù)4隨地方時(shí)的變化

DMSP-F13衛(wèi)星在約18 LT和06 LT飛過(guò)赤道面，DMSP-F15衛(wèi)星在約21 LT和09 LT飛過(guò)赤道面.我們用第2節(jié)介紹的方法，對(duì)4個(gè)地方時(shí)，分別得到平均Ni隨經(jīng)度的變化，并通過(guò)傅里葉分解得到平均Ni的經(jīng)度變化中的波數(shù)4分量.圖6給出3個(gè)季節(jié)傾角赤道區(qū)頂部電離層平均Ni的經(jīng)度變化中波數(shù)4幅度隨地方時(shí)的變化.

如圖6所示，春秋季和北半球夏季，波數(shù)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(wèi)星的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究頂部電離層等離子體密度和垂直E×B漂移的波結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明波結(jié)構(gòu)在午前出現(xiàn)，下午進(jìn)一步增強(qiáng)，在黃昏開(kāi)始減弱.圖6給出的春秋季和北半球夏季波數(shù)4的幅度在4個(gè)地方時(shí)的變化特征與Kil等(2008)的結(jié)果相符.冬季波數(shù)4在黎明(06 LT)最弱，從上午至夜間，波數(shù)4幅度逐漸增大，直至21 LT，仍未看到波數(shù)4幅度的減弱.這個(gè)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(shù)4分量幅度的逐年變化(a)和全年平均與分季節(jié)平均F10.7指數(shù)的逐年變化(b)圖中●代表整年，符號(hào)+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(jīng)度結(jié)構(gòu)中波數(shù)4隨地方時(shí)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(gè)地方時(shí)波數(shù)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(jīng)黃昏18 LT到黃昏后21 LT，波數(shù)4的相位依次滯后，暗示頂部電離層Ni的經(jīng)度變化中波數(shù)4向東移動(dòng).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(dòng)，日落后，18 LT到21 LT，相位超前，表明向西移動(dòng).此前，Wan等(2008)分析TEC中的波數(shù)4時(shí)，發(fā)現(xiàn)波數(shù)4圖樣向東移動(dòng).Ren等(2009)也發(fā)現(xiàn)，白天大多數(shù)月份，垂直E×B漂移中的波數(shù)4主要向東移動(dòng).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(jié)果一致，不過(guò)，冬季白天和日落后顯示不同的移動(dòng)方向，需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

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

3.4 波數(shù)4幅度隨傾角的變化

分析表明，頂部電離層Ni的經(jīng)度變化中波數(shù)4分量的幅度顯著依賴(lài)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(shù)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(shù)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(shí)期的波數(shù)4分量對(duì)傾角依賴(lài)的特征具有明顯的季節(jié)差異.在春秋季，波數(shù)4分量隨傾角變化呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，在傾角±18°(傾角磁緯約±9°)附近，南北半球的波數(shù)4幅度達(dá)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(gè)谷區(qū)，幅值最低為1.4×1010m-3.在兩個(gè)峰以外的區(qū)域，隨傾角的增高，波數(shù)4分量的幅度先迅速減小，然后穩(wěn)定在很低的水平.在夏季，波數(shù)4幅度隨傾角的變化呈現(xiàn)平頂樣單峰結(jié)構(gòu)，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(qū)間內(nèi)，波數(shù)4幅度保持平穩(wěn)的較高值，在這個(gè)區(qū)間之外，隨傾角的增高，波數(shù)4分量的幅度先迅速減小，然后穩(wěn)定在很低的水平.在北半球冬季，波數(shù)4幅度隨傾角變化的主要特征是南北半球顯著不對(duì)稱(chēng).在南半球傾角-26°(傾角磁緯約-14°)附近出現(xiàn)一個(gè)單峰，幅值為0.9×1010m-3，在南半球傾角-8°附近，波數(shù)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(shù)4幅度隨傾角的變化在形態(tài)上與電離赤道異常非常類(lèi)似，暗示引起電離赤道異常的赤道等離子體噴泉效應(yīng)可能是春秋季Ni波數(shù)4幅度隨傾角變化的一種控制因素.

4 結(jié)論

本文基于DMSP-F13衛(wèi)星1995—2005年以及DMSP-15衛(wèi)星2000—2005年采集的數(shù)據(jù)，利用傅里葉分解與重構(gòu)方法，定量地分析了頂部電離層電離密度經(jīng)度結(jié)構(gòu)中多重波數(shù)分量的特征.在此基礎(chǔ)上，分析了Ni波數(shù)4分量的年變化、逐年變化、地方時(shí)差異以及對(duì)傾角的依賴(lài).主要結(jié)果如下：

(1)頂部電離層Ni的經(jīng)度結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在顯著的波數(shù)1至波數(shù)4分量，它們的幅度和相位各不相同.

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

(3)波數(shù)4分量的幅度隨太陽(yáng)活動(dòng)水平增強(qiáng)(降低)而增高(減小)，與年平均F10.7指數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致.

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

(5)日落期間Ni波數(shù)4分量的強(qiáng)度依賴(lài)傾角，春秋季隨傾角的變化呈雙峰結(jié)構(gòu)，與電離赤道異常形態(tài)類(lèi)似，北半球夏季呈平頂樣結(jié)構(gòu)，北半球冬季南北半球顯著不對(duì)稱(chēng).

本文主要分析了頂部電離層電離密度經(jīng)度結(jié)構(gòu)中多重波數(shù)分量的形態(tài)學(xué)特征.對(duì)引起頂部電離層電離密度經(jīng)度結(jié)構(gòu)中多重波數(shù)分量復(fù)雜變化的物理機(jī)制，還有待于進(jìn)一步的研究.

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(本文編輯 何燕)

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41274160)資助.

陳亞楠，男，1989年生，碩士研究生，2012年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(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(jīng)度結(jié)構(gòu)的特征及其隨季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)和傾角的變化.地球物理學(xué)報(bào)，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.