超強磁暴期間中低緯電離層擾動的統(tǒng)計分析

孫樹計王保健趙振維劉玉梅陳春

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

摘要利用1957-2005年72次超強磁暴期間的電離層觀測數(shù)據(jù),分析了北半球120°E附近中低緯電離層的擾動特征．結(jié)果表明,電離層的擾動形態(tài)隨磁暴發(fā)生季節(jié)和開始時間的不同而異．在冬季,負相擾動主要發(fā)生在中緯,低緯以正相擾動為主,分界線在滿洲里和北京之間;在中緯,下午開始的磁暴所引起的電離層擾動持續(xù)時間較長,而在低緯,夜間開始的磁暴所引起的擾動持續(xù)時間較長．夏季超強磁暴所引起的電離層擾動以負相為主,下午開始的磁暴所引起的擾動最強,夜間開始的磁暴所引起的擾動持續(xù)時間較長．在分季,雖然各臺站電離層仍以負擾動為主,但擾動強度和持續(xù)時間隨磁暴開始時間不同有明顯差異．分析表明,上述電離層擾動特征與暴時環(huán)流的影響密切相關(guān)．

關(guān)鍵詞超強磁暴;電離層擾動;暴時環(huán)流

中圖分類號P352

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0764-08

AbstractUsing ionospheric data near 120°E in the northern hemisphere during 72 super magnetic storms between 1957 and 2005,we studied the statistical characteristics of the ionospheric disturbances. The results showed that,the morphology varies with the onset season and local time of the storms. In winter, the negative disturbances are limited at middle latitude mostly,while the positive disturbances prevail at low latitude,with a separatrix between Manzhouli and Beijing. When the onset time of the storms is restrained in local afternoon at middle latitude,the resulted ionospheric disturbances last longer. At low latitude the super magnetic storm occurred at night can cause negative ionospheric disturbances with whose duration time are much longer. In summer,the negative disturbances can reach to lower latitude,and the events occurred in local afternoon can caused more intense ionospheric disturbances. The duration time is much longer for the events corresponding to the magnetic storms occurred before midnight. In equinoxes,the disturbances are mostly negative,though the intense and the duration time depend much on the local time distribution of the commence time. Preliminary analysis showed that the statistic results achieved above are much related with storm-time thermospheric circulations.

收稿日期：2014-10-11

作者簡介

A statistical study on ionospheric disturbances at middle

and low latitude caused by super magnetic storms

SUN ShujiWANG BaojianZHAO ZhenweiLIU YumeiCHEN Chun

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,QingdaoShandong266107,China)

聯(lián)系人： 王保健 E-mail:wangbaojian111@126.com

Key words super magnetic storm; ionospheric disturbance; storm-time circulation

引言

磁暴期間,電離層電子密度會出現(xiàn)復(fù)雜而劇烈的變化,稱為電離層暴．電離層暴能對依賴電離層傳播的無線電系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響,嚴重時可導(dǎo)致短波通信長時間中斷、衛(wèi)星的目標跟蹤和定位精度能力大幅度下降．

經(jīng)過數(shù)十年的研究,人們對電離層暴的基本形態(tài)有了一定的認識[1-6]．例如,電離層暴的發(fā)生不僅與緯度和季節(jié)有關(guān),還與地方時和磁暴的開始時間有關(guān)[7]．在高緯,來自太陽和行星際的物質(zhì)和能量注入到極光區(qū)熱層中,受熱膨脹后的熱層大氣產(chǎn)生水平梯度壓力,形成赤道向傳播的熱層大氣環(huán)流,即暴時環(huán)流[8]．該環(huán)流與背景大氣環(huán)流方向相互疊加,在向低緯傳播過程中將電離層F層抬高到復(fù)合率較低的高度,形成正相電離層暴．隨后,該環(huán)流攜帶的大量分子成分則導(dǎo)致沿途區(qū)域電子損失率增加,形成負相電離層暴．在低緯,磁暴初期行星際和磁層對流電場能穿透到赤道附近電離層[9-11],在日間能引起等離子體向上漂移,并在較高緯度沉降,導(dǎo)致赤道異常的極向擴展[12]．而由中性擾動成分引起的發(fā)電機電場影響與前者大致相反[9,11]．在電離層暴的區(qū)域特性研究方面,文獻[13]給出了主相單步發(fā)展的磁暴事件期間東亞扇區(qū)電離層暴的類型、開始時間等隨緯度、季節(jié)和地方時的變化．文獻[14]指出電離層對地磁擾動的響應(yīng)特征在不同扇區(qū)有所不同．目前,一些數(shù)值模型[15-18]也被用于電離層暴物理過程的模擬并取得較好效果．

由日冕物質(zhì)拋射或行星際激波產(chǎn)生的超強磁暴(Dst<-200 nT)[19],往往能在較短時間內(nèi)引起劇烈的電離層擾動(中緯地區(qū)的電子濃度巨變[20]和低緯地區(qū)的“超級噴泉效應(yīng)”[21-22]),也是吸引眾多專家開展事件演化特征研究的重要內(nèi)容．受觀測數(shù)據(jù)的限制,目前對超強磁暴期間電離層擾動的統(tǒng)計特征研究還比較少．

基于以上考慮,本文利用北半球120°E附近的雅庫茨克、滿洲里、北京、重慶、廣州站電離層foF2歷史數(shù)據(jù),研究超強磁暴期間電離層擾動的統(tǒng)計特征,得到其平均特征．各臺站的位置見表1.

表1　電離層觀測臺站的位置

1數(shù)據(jù)與分析方法

選取1957-2005年期間72次超強磁暴事件,表2給出了這些事件的具體日期和Dst極小值．根據(jù)文獻[13, 23]的建議,把磁暴主相開始(Main Phase Onset, MPO)時間確定為磁暴開始時間．為了研究超強磁暴期間電離層的擾動,需要從foF2的觀測數(shù)據(jù)中扣除背景電離層變化．本文選取月中值作為寧靜背景值foF2m,電離層的相對變化定義為df=(foF2-foF2m)/foF2m．當df≥15%(或df≤-15%)且持續(xù)4 h及以上時,認為發(fā)生正相(或負相)電離層擾動．

當磁暴所處的季節(jié)和地方時不同時,暴時環(huán)流及其引起的電離層擾動會存在差異．為此,將一年分為冬季(11～2月)、夏季(5～8月)和分季(3、4、9、10月),分別以字母A～C表示;將一天分為午夜后(1～6 LT)、上午(7～12 LT)、下午(13～18 LT)、午夜前(19～0 LT)4個時段,以數(shù)字1～ 4表示．在分析電離層的擾動特征時,以超強磁暴的開始時刻為零時刻,把磁暴前24 h和后72 h的數(shù)據(jù)進行時序疊加,以獲得電離層擾動的平均特征．

2結(jié)果

2.1電離層擾動的統(tǒng)計規(guī)律

表2給出了磁暴期間各站電離層的擾動情況,其中“+”表示正擾動,“-”表示負擾動,“O”表示基本平靜,“M”表示數(shù)據(jù)缺失．從表2中可以看出,在冬季,磁暴引起的負相電離層擾動主要發(fā)生在中高緯(本文中為磁緯38.5°以上),而低緯的電離層擾動以正相為主;在夏季,除廣州站外,幾乎每次超強磁暴都能引起負相電離層擾動(數(shù)據(jù)缺失的事件除外);而在分季,絕大部分事件中均發(fā)生了負相電離層擾動,尤以中高緯地區(qū)最為明顯．例如,在冬季的全部16次事件中,雅庫茨克站電離層共發(fā)生了5次負擾動,1次正擾動,另有10次數(shù)據(jù)缺失;滿洲里站電離層共發(fā)生7次負擾動,2次正擾動,2次雙向擾動,另有5次數(shù)據(jù)缺失;北京站電離層共發(fā)生1次負擾動,7次正擾動,1次未擾動,另有5次數(shù)據(jù)缺失;重慶站電離層共發(fā)生1次負擾動,5次正擾動,2次雙向擾動,另有8次數(shù)據(jù)缺失;廣州站電離層共發(fā)生2次負擾動,6次正擾動,2次雙向擾動,1次未擾動,另有5次數(shù)據(jù)缺失．

以上規(guī)律基本上可以用傳統(tǒng)的暴時環(huán)流理論[8]解釋．在冬季,暴時環(huán)流與背景環(huán)流反向,其引起的負相電離層擾動主要出現(xiàn)在中高緯,低緯出現(xiàn)的正相電離層擾動可能與暴時環(huán)流的下降流有關(guān);在夏季,暴時環(huán)流與背景環(huán)流同向,其影響能擴展到低緯,甚至到冬季半球;在分季,由于只考慮了超強磁暴事件,較強的暴時環(huán)流也能影響到低緯電離層．值得注意的是,即使在超強磁暴期間,電離層擾動仍有可能背離其統(tǒng)計規(guī)律,與統(tǒng)計規(guī)律不相符的少數(shù)事件往往發(fā)生在最有利于(負相擾動)或最不利于(正相擾動)暴時環(huán)流傳播的時刻．例如,1974年7月6日開始的磁暴觸發(fā)了白天的暴時環(huán)流,后者在約30 h后的白天影響到低緯,廣州站發(fā)生的正相電離層擾動很可能與發(fā)電機電場的效應(yīng)有關(guān)．

表2　磁暴期間各臺站電離層擾動

(續(xù)表)

2.2電離層擾動平均特征

基于以上強磁暴期間電離層擾動特性的統(tǒng)計結(jié)果,圖1～3分別給出了冬季、夏季和分季超強磁暴期間不同時間段(午夜后:1～6 LT、上午:7～12 LT、下午:13～18 LT、午夜前:19～0 LT)電離層擾動的平均特征,圖片自上而下分別表示Dst指數(shù)變化、雅庫茨克站、滿洲里站、北京站、重慶站和廣州站的df變化曲線;其中,零時刻表示磁暴的開始時間,即虛線的位置．

如圖1所示,在冬季不同地方時發(fā)生的超強磁暴,其引起的電離層擾動也存在差別．例如在滿洲里站(由于雅庫茨克站數(shù)據(jù)缺失嚴重,此處不詳細討論),午夜后、上午、下午和午夜前開始的事件造成的負相電離層擾動開始時間存在明顯差異．發(fā)生在夜間的磁暴事件,其引起的負相電離層擾動延遲不超過5 h;在白天,負相電離層擾動存在明顯延遲．同時,不同地方時區(qū)間的擾動分別持續(xù)到磁暴開始后28 h、44 h、62 h和28 h．可見,下午開始的事件,其影響持續(xù)時間達2～3天,明顯長于其他時段開始的事件．對北京站而言,發(fā)生在冬季午夜前后和上午的超強磁暴均引起了正相電離層擾動,其擾動幅度、延遲和持續(xù)時間存在差別．在重慶站,發(fā)生在白天的磁暴所引起的電離層擾動以正相為主,而在夜間則恰好相反,特別是在午夜后．而在廣州站,盡管磁暴期間電離層絕大多數(shù)以正相擾動為主,但午夜后發(fā)生的事件仍能造成明顯的負相擾動．其中,在該站部分時刻出現(xiàn)的短時強正擾動可能與穿透電場或發(fā)電機電場引起的等離子體漂移效應(yīng)增強[9,11]有關(guān)．

圖1　冬季的磁暴及相應(yīng)的電離層擾動

圖2給出了夏季超強磁暴期間各站電離層擾動的平均特征．可以看出,各站電離層擾動均以負相為主,中低緯電離層擾動的開始時間存在明顯延遲．此外,發(fā)生在下午的事件引起的負相擾動最強,夜間開始的事件引起的負相電離層擾動持續(xù)時間較長．例如,在廣州站,四個時段發(fā)生的磁暴期間電離層擾動峰值依次為-31%、-45%、-59%和-38%,持續(xù)時間依次為磁暴開始后26 h、19 h、15 h和32 h．在雅庫茨克站,磁暴開始后的72 h內(nèi),電離層幾乎始終處于負擾動狀態(tài)．特別地,發(fā)生在午夜前的磁暴,其引起的負相電離層擾動幾乎沒有延遲,且其峰值超過了-40%．而緯度較低的北京站和重慶站,磁暴開始后48 h,電離層擾動基本恢復(fù),且上午開始的磁暴,其引起的電離層擾動最弱．緯度稍高的滿洲里站,電離層擾動結(jié)束時間要比北京站稍晚一點．

如前所述,分季超強磁暴引起的電離層擾動仍以負相為主．但對于不同臺站,擾動的持續(xù)時間和強度存在明顯差別,如圖3所示．例如,在雅庫茨克站,磁暴開始后72 h內(nèi)始終伴隨著電離層擾動,這也跟所處的緯度有關(guān);而在其余3站,電離層擾動一般不超過44 h,僅當磁暴開始時間位于下午時擾動持續(xù)時間較長．對統(tǒng)一地方時區(qū)間的事件而言,隨著緯度的降低,電離層擾動的強度逐漸減弱,到重慶站時幾乎處于平靜狀態(tài)．

圖2　夏季的磁暴及相應(yīng)的電離層擾動

圖3　分季發(fā)生的磁暴及各站電離層擾動

3結(jié)論與討論

本文研究了超強磁暴期間位于120°E附近中低緯的雅庫茨克、滿洲里、北京、重慶、廣州站電離層擾動的統(tǒng)計特征．結(jié)果表明,超強磁暴所引起的電離層擾動隨季節(jié)存在一定差異．在冬季,超強磁暴引起的負相電離層擾動只能擴展到中緯,低緯電離層擾動以正相為主;在其他季節(jié),絕大多數(shù)超強磁暴都能引起大面積的負相電離層擾動,尤其以夏季最為明顯．磁暴開始的地方時差異也會影響電離層的擾動特征．在冬季,中緯下午開始的磁暴事件所引起的電離層擾動時間較長,低緯則夜間．在夏季,下午發(fā)生的磁暴事件所引起的中低緯負相電離層擾動較強,午夜前發(fā)生的磁暴事件所引起的中低緯負相電離層擾動持續(xù)時間較長．在分季,負相電離層擾動的強度隨著緯度的降低逐漸減弱．

超強磁暴往往是由快速日冕物質(zhì)拋射與地球磁場相互作用后形成的,其傳輸?shù)目偰芰亢退俾瘦^高,由此導(dǎo)致的熱層暴時環(huán)流也較強,這可能是除冬季外中低緯電離層出現(xiàn)大范圍負相擾動的主要原因．根據(jù)熱層大氣環(huán)流理論[8],背景環(huán)流在夜間有較強的赤道向分量,有利于暴時環(huán)流的赤道向傳播,由此導(dǎo)致夜間磁暴引起的負相電離層擾動較為明顯,特別是在午夜前．特別地,由于暴環(huán)流具有較強的區(qū)域特征,在不同扇區(qū)內(nèi)電離層暴的表現(xiàn)不盡相同．與文獻[13]對東亞扇區(qū)電離層暴事件的統(tǒng)計結(jié)果相比,超強磁暴期間電離層擾動的統(tǒng)計規(guī)律更加明顯．另外,磁暴期間擾動發(fā)電機電場會阻礙赤道異常駝峰的形成[24],這也是廣州站發(fā)生負相電離層擾動的原因之一．

本文成果有助于加強對超強磁暴期間電離層擾動的定量化認識,這對相關(guān)電子信息系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用具有較強的參考價值．

致謝:作者感謝世界數(shù)據(jù)kyoto京都中心(WDC-2C)提供的地磁數(shù)據(jù),世界數(shù)據(jù)中心Bolder中心(WDC-B)和中國電波傳播研究所數(shù)據(jù)中心提供的電離層數(shù)據(jù).

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孫樹計(1981-),男,河南人,博士,高級工程師,主要研究方向為空間物理和空間環(huán)境.

王保健(1985-),男,河南人,在讀碩士研究生,研究方向為電離層騷擾預(yù)報.

趙振維(1965-),男,河北人,博士,研究員,中國電子科技集團首席專家,中國電波傳播研究所總工程師,長期從事電波環(huán)境及傳播特性的研究和國際標準的制定,部分成果已被ITU-R采納,形成國際標準.

劉玉梅(1978-),女,山東人,碩士,高級工程師,研究方向為電波傳播與信息服務(wù).

陳春(1970-),男,河南人,博士,高級工程師,研究方向為電離層電波傳播.

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