武業(yè)文 劉瑞源 張北辰 胡紅橋 慈穎 姜明波 呂建永

研究論文

極區(qū)電離層在磁坐標(biāo)系下的世界時(shí)變化特征研究

武業(yè)文1劉瑞源2張北辰2胡紅橋2慈穎3姜明波4呂建永1

(1南京信息工程大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院, 空間天氣研究所, 江蘇 南京 210044;2中國(guó)極地研究中心, 極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200136;3北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100089;4北京應(yīng)用氣象研究所, 北京 100000)

利用太陽(yáng)活動(dòng)低年2007—2010共計(jì)4年的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite)掩星觀測(cè)數(shù)據(jù), 在修正地磁緯度-磁地方時(shí)標(biāo)系下(地磁坐標(biāo)系), 計(jì)算了極區(qū)電離層平均電子含量(mPEC)表征極區(qū)電離層的世界時(shí)(UT)變化特征。結(jié)果表明地磁坐標(biāo)系下南北極區(qū)電離層UT變化特征明顯, 主要是由于極區(qū)的太陽(yáng)光致電離區(qū)域隨UT變化所致。以mPEC表征的極區(qū)電離層電子密度UT變化規(guī)律呈正余弦型, 在南北極約有12小時(shí)的相位差; 南極的UT變化強(qiáng)度要大于北極, 約是北極的2~3倍, 這些特征主要?dú)w因于地理軸與地磁軸的夾角在南極大于北極。通過(guò)與地理緯度-地方時(shí)坐標(biāo)系下mPEC的UT變化特征對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)地磁坐標(biāo)系下的UT變化強(qiáng)度更大, 原因是地磁坐標(biāo)系下極區(qū)電離層的UT變化是太陽(yáng)光致電離疊加水平輸運(yùn)調(diào)制共同作用的結(jié)果, 而地理坐標(biāo)系下極區(qū)電離層UT變化主要由水平輸運(yùn)產(chǎn)生。

極區(qū)電離層 總電子含量 世界時(shí)變化 水平輸運(yùn)

0 引言

電離層的世界時(shí)(UT)變化, 通常將其定義為電離層參數(shù)在某一固定緯度不同經(jīng)度的均值的日變化[1]。它是一種真實(shí)存在的電離層特征, 在電離層數(shù)值模擬及建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)都必須予以考慮[2], 而且它在研究電離層中物理與化學(xué)過(guò)程、電離層與其他圈層耦合關(guān)系等方向都是十分重要的[2-3]。

極區(qū)電離層與磁層在地球磁場(chǎng)位形的影響下強(qiáng)烈地耦合在一起, 使得極區(qū)電離層電子密度除了受太陽(yáng)光致電離的影響之外, 還受水平輸運(yùn)、粒子沉降這兩個(gè)物理過(guò)程的影響, 因此極區(qū)電離層具有很多中低緯電離層不具有的一些特征, 如 “磁中午異?！爆F(xiàn)象[4-7]、E層占優(yōu)電離層[8-9]、極區(qū)等離子體云塊[10-11]等, 同時(shí)極區(qū)電離層的UT變化特征也格外顯著[12-15]。

在極區(qū)電離層UT變化的研究中, 最早是在分析極區(qū)測(cè)高儀數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn): 在南極的某些地區(qū), 電離層foF2的最大值通常不出現(xiàn)在地方時(shí)正午以后, 而是在6UT左右; 其他臺(tái)站即使最大值出現(xiàn)在午后約2點(diǎn), 但在6UT附近依然會(huì)存在一個(gè)明顯的次峰結(jié)構(gòu)。說(shuō)明南極地區(qū)電離層foF2存在較強(qiáng)的“世界時(shí)控制(universal control)”[12], 并將其歸因于地理軸與地磁軸的偏離[12-13]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)北極地區(qū)僅在冬季存在UT變化, 與南極全年均存在該現(xiàn)象不同[12,15]。de la Beaujardière等[16]基于歐洲非相關(guān)散射雷達(dá)的觀測(cè), 也發(fā)現(xiàn)了北極電離層F層電子密度的夜間增強(qiáng)現(xiàn)象存在明顯的UT依賴特征。David等[17]基于2009—2015年的GPS-TEC數(shù)據(jù)研究極區(qū)電離層等立體云塊的出現(xiàn)不僅隨季節(jié)變化, 也具有很強(qiáng)的UT分布特征。由于對(duì)UT變化的研究需要同緯度的各個(gè)時(shí)區(qū)均有觀測(cè)數(shù)據(jù)[2], 因此, 受限于觀測(cè)數(shù)據(jù), 早期極區(qū)電離層的UT變化都是一種UT效應(yīng), 并不是嚴(yán)格的UT變化的定義?；谖锢砟Ｊ揭查_(kāi)展了很多相關(guān)研究[2-3,18-19], 模型結(jié)果都顯示了極區(qū)電離層電子密度存在明顯的UT效應(yīng), 而且結(jié)合物理模式討論了行星際磁場(chǎng)對(duì)極區(qū)電離層的UT變化的調(diào)制作用[18]、極區(qū)電離層主要電子密度源在地磁坐標(biāo)系下對(duì)極區(qū)電離層的貢獻(xiàn)跟臺(tái)站具體位置和UT有關(guān)[3]。不過(guò), 基于模型對(duì)極區(qū)電離層UT變化的研究存在著輸入模型的準(zhǔn)確性及適用性問(wèn)題[3,19]。因此, 在基于物理模型對(duì)極區(qū)電離層開(kāi)展UT變化研究時(shí), 也需要進(jìn)一步提高物理模型的精度。

近期, 隨著GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)的建立, 特別是無(wú)線電掩星這一觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用, 能獲得覆蓋極區(qū)的有效觀測(cè)數(shù)據(jù), 為電離層電子密度的觀測(cè)及相關(guān)研究開(kāi)辟了新途徑。近年來(lái), 基于GPS-TEC觀測(cè), 提出了電離層GEC(Global Electron Content)[20-21]、全球平均電離層TEC[22]以及不同緯度帶的平均電離層TEC[23]等參數(shù), 它們通過(guò)計(jì)算全球的電子含量、某半球或某一緯度帶的電子總含量可以較好地來(lái)分析電離層的整體變化特征。借鑒這些參數(shù), Wu等[15]也提出了極區(qū)電離層平均電子含量(mPEC)來(lái)研究極區(qū)電離層的UT變化。文中首次基于觀測(cè)定量給出了南北兩極電離層的UT變化強(qiáng)度及相對(duì)變化強(qiáng)度的季節(jié)分布, 指出南極UT變化強(qiáng)度大于北極, 主要?dú)w因于南極的地理軸與地磁軸分離較大, 導(dǎo)致了水平輸運(yùn)過(guò)程引起的電子密度變化在地理坐標(biāo)系下的南極更大。

考慮實(shí)際的極區(qū)物理過(guò)程, 模擬研究大多是在修正地磁緯度-磁地方時(shí)坐標(biāo)系(下文簡(jiǎn)稱地磁坐標(biāo)系)下開(kāi)展的, Wu等[15]僅基于UT變化的定義研究了地理緯度-地方時(shí)坐標(biāo)系(下文簡(jiǎn)稱地理坐標(biāo)系)下的結(jié)果, 尚未開(kāi)展地磁坐標(biāo)系下極區(qū)電離層的UT變化特征研究。同時(shí), 在地理坐標(biāo)系下極區(qū)電離層UT變化主要是由輸運(yùn)過(guò)程引起的, 無(wú)法獲得電離層的另一重要影響因素太陽(yáng)的貢獻(xiàn), 因?yàn)榈乩碜鴺?biāo)系下太陽(yáng)對(duì)電離層電子密度的直接貢獻(xiàn)不隨UT變化?？墒翘?yáng)的貢獻(xiàn)一直是中低緯電離層的主要電離源, 因此考慮到極區(qū)地磁坐標(biāo)系下的太陽(yáng)光致電離是隨UT變化的, 本文推廣電離層UT變化的定義, 計(jì)算地磁坐標(biāo)系下的極區(qū)電離層mPEC, 進(jìn)一步深入分析極區(qū)電離層UT的特征及其成因, 探討極區(qū)電離層電子密度主要影響因素的貢獻(xiàn), 結(jié)合南北極電離層UT變化差異的對(duì)比, 加深對(duì)極區(qū)電離層形成的認(rèn)知。

1 數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)為COSMIC掩星在2007—2010年觀測(cè)的電離層電子密度數(shù)據(jù)。無(wú)線電掩星技術(shù)具有全天候、全球覆蓋、高分辨率等特點(diǎn), 其精度很高[24-26], 可用于全球電離層的物理研究, 包括在擾動(dòng)條件下[8-9,27]的應(yīng)用, 這大大增加了電離層觀測(cè)的數(shù)據(jù)積累, 為電離層電子密度的觀測(cè)開(kāi)辟了新途徑。COSMIC掩星星座由6顆低軌衛(wèi)星組成, 早期一天可以獲得大約2 000多個(gè)大氣垂直剖面數(shù)據(jù), 它們可較好地覆蓋極區(qū), 用來(lái)深入細(xì)致地研究極區(qū)電離層[9,28], 包括其UT變化特征[15]。

COSMIC掩星觀測(cè)的電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)由COSMIC Data Analysis and Archive Center提供。首先, 本文對(duì)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選[9,15], 要求:

(1)觀測(cè)到的峰值電子密度值要小于1.1×107cm–3, 這一條件等價(jià)于掩星點(diǎn)處電離層的臨界頻率小于30 MHz;

(2)峰值電子密度所在的高度要大于90 kｍ;

(3)電離層峰值電子密度以上要有足夠多的觀測(cè)反映頂部電離層電子密度的變化, 這里要求一次掩星觀測(cè)中, 其最高觀測(cè)高度上的電子密度要小于電離層峰值電子密度的五分之一。

然后對(duì)觀測(cè)到的電子密度剖面進(jìn)行積分, 獲得電離層TEC。文中先對(duì)電離層電子密度剖面按公式(1)進(jìn)行指數(shù)外推至1 000 km高度, 再將電子密度沿高度從觀測(cè)最低高度積分至1 000 km, 獲得電離層TEC[9,15]。

式中, h0是一次掩星事件中有電子密度觀測(cè)的最高高度, A是高度為h0處的電子密度,()為高度為時(shí)的電子密度, 系數(shù)c由觀測(cè)的頂部電離層電子密度擬合得到。

最后, 確定觀測(cè)位置。掩星觀測(cè)的地理經(jīng)緯度以一次觀測(cè)反演的電子密度剖面中最大電子密度所在的地理經(jīng)緯度為準(zhǔn), 即(1)式獲得電離層TEC位置。將這一地理位置采用高度調(diào)整的修正地磁模型換算成地磁緯度(Mlat)及磁地方時(shí)(MLT)。最終獲得下文所用數(shù)據(jù)集。

本文使用2007—2010年的COSMIC掩星數(shù)據(jù), 經(jīng)上述篩選之后, 獲得約40萬(wàn)個(gè)電離層TEC數(shù)據(jù)點(diǎn)。另外, 2007—2010這4年的太陽(yáng)F107指數(shù)均值分別為72.9 SFU、68.8 SFU、70.6 SFU和79.8 SFU; Kp指數(shù)的年平均值為1.51、1.45、0.9和1.25。很明顯, 這4年是太陽(yáng)活動(dòng)低年, 且地磁活動(dòng)也較為平靜。結(jié)合本文的統(tǒng)計(jì)方法, 文中結(jié)果主要表征太陽(yáng)活動(dòng)低年、地磁活動(dòng)平靜情況下的極區(qū)電離層一般特征。

1.2 分析方法

根據(jù)UT變化的定義, 借鑒地理坐標(biāo)系下極區(qū)電離層mPEC的定義, 計(jì)算地磁坐標(biāo)下極區(qū)電離層平均電子含量mPEC:

其中, UT為世界時(shí), Si,j與TECi,j,UT分別是網(wǎng)格(i, j)的面積及該網(wǎng)格內(nèi)UT時(shí)的電離層TEC值。文中, 極區(qū)是定義為地磁緯度60°以上的高緯地區(qū), 網(wǎng)格的劃分為: 地磁坐標(biāo)系下, 2.5Mlat×1MLT。電離層TEC值為某UT時(shí)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)由COSMIC掩星觀測(cè)獲得的電離層TEC的中值。本文分別以南北半球的分日和至日為中心、共計(jì)3個(gè)月為時(shí)長(zhǎng), 將2007—2010年的數(shù)據(jù)在南極和北極各自劃分4個(gè)季節(jié)。為保證足夠的數(shù)據(jù), 統(tǒng)計(jì)時(shí)將UT–1、UT、UT＋1這三個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為UT時(shí)刻的數(shù)據(jù)集。作為例子, 圖1給出了南北極區(qū)18UT時(shí)COSMIC掩星的觀測(cè)數(shù)量。在磁緯度約60°~70°的范圍里, 觀測(cè)次數(shù)大多超過(guò)30次, 甚至達(dá)到50次以上, 80°以上區(qū)域大概有10次左右。在其他季節(jié)、其他UT時(shí), 觀測(cè)數(shù)據(jù)量的分布基本同圖1所示。

Fig.1. The number of COSMIC observations at 18UT in winter in the Antarctic (left) and Arctic (right) in geomagnetic coordinates. The red circles show the locations of the geographic poles in each hemisphere, respectively; the white grids indicate no COSMIC observations

2 結(jié)果

基于上文的電離層TEC計(jì)算及數(shù)據(jù)劃分方法, 可以得到電離層TEC地圖。圖2作為例子, 給出了南極冬季在0UT、3UT、6UT…, 直到21UT的電離層TEC分布。由圖2可見(jiàn), 電離層TEC分布呈現(xiàn)明顯的UT變化特征, 特別是在12MLT附近, 電離層TEC從0UT開(kāi)始逐漸增大, 增大到9UT之后開(kāi)始減小, 在~18UT達(dá)到最小值之后又開(kāi)始逐漸增大。

圖3作為例子, 給出了北極冬季在0UT、3UT、…、21UT的電離層TEC地圖。北極冬季的電離層TEC也具有明顯的隨UT變化的特征, 只不過(guò)是在~18UT前后取得TEC的最大值, 在~3UT取得最小值。電離層TEC在南北極的其他季節(jié)也基本與圖2和圖3一致, 均具有明顯的UT變化特征。

為進(jìn)一步細(xì)致研究極區(qū)電離層UT變化特征, 用mPEC來(lái)表征極區(qū)電離層TEC地圖, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)極區(qū)電離層UT變化的定量化研究。圖4是按第1節(jié)所述計(jì)算出的地磁坐標(biāo)系下南北極區(qū)平均電子含量(mPEC)在4個(gè)季節(jié)的UT變化, 誤差棒為3倍標(biāo)準(zhǔn)差; 藍(lán)色曲線表示南極, 紅色曲線表示北極; 各子圖的粗實(shí)線表示mPEC在對(duì)應(yīng)季節(jié)的均值。由圖可見(jiàn) mPEC隨UT的變化趨勢(shì)。南北極區(qū)的mPEC在地磁坐標(biāo)系下都存在明顯的UT變化, 呈三角函數(shù)的“正弦”形狀, 相位約差12 h(半個(gè)周期), 即: mPEC在南極的最大值通常出現(xiàn)在~5UT, 最小值在~16UT; 在北極則是在~18UT出現(xiàn)最大值, 在~5UT出現(xiàn)最小值, 詳見(jiàn)表1。

圖2 南極冬季在0UT、3UT、…、21UT的電離層TEC地圖. 紅點(diǎn)是南極地理軸極點(diǎn)

Fig.2. TEC maps in Antarctic winter for 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, and 21UT, respectively. The red circle is the location of the geographic pole in the southern hemisphere

圖3 北極冬季在0UT、3UT、…、21UT的電離層TEC地圖. 紅點(diǎn)是北極地理軸極點(diǎn)

Fig.3. TEC maps in Arctic winter for 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, and 21UT, respectively. The red circle is the location of the geographic pole in the northern hemisphere

由圖4還可以看到mPEC的均值變化。對(duì)同一半球、不同季節(jié): mPEC的均值在夏季最大, 冬季最小, 秋季略大于春季; 對(duì)同一季節(jié)、不同半球: 在夏、秋兩季節(jié), 南極mPEC的均值要大于北極, 而在春、冬兩季則是北極大于南極。具體數(shù)值詳見(jiàn)表1。

基于圖4中mPEC的變化, 計(jì)算一個(gè)季節(jié)內(nèi)的mPEC的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)來(lái)分析mPEC在各季節(jié)的UT變化強(qiáng)度。變異系數(shù)定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值。具體的數(shù)值結(jié)果如表1所示。由表1可以看到, 南極mPEC在春冬兩季UT變化的標(biāo)準(zhǔn)差約為1TECu(1TECu=1016個(gè)·m–2), 基本都是北極的2倍, 在夏秋兩季則接近2TECu, 為北極3倍以上。以變異系數(shù)(CV: Coefficient of Variation)表征的南極電離層UT變化相對(duì)強(qiáng)度在南極的冬季為0.57, 春、夏、秋三個(gè)季節(jié)依次為0.29、0.20和0.28; 在北極的冬季為0.33, 春、夏、秋三季則分別為0.19、0.11和0.17。南極的CV值在各季節(jié)也約是北極的2倍。這些說(shuō)明了南極地區(qū)mPEC的UT變化強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于北極地區(qū)。

3 討論

3.1 極區(qū)電離層地磁坐標(biāo)系下UT變化的原因

圖5是南極地磁坐標(biāo)系下4UT(左圖)和16UT(右圖)時(shí)的電離層TEC的分布圖。圖中的紅色圓圈表示地理軸南極的位置, 陰影部分表示太陽(yáng)天頂角為負(fù)值, 無(wú)太陽(yáng)光照。由圖可見(jiàn): 4UT時(shí)南極極區(qū)的電離層TEC要明顯大于16UT, 特別是在日側(cè), 因此按照(2)式計(jì)算的電離層mPEC, 在4UT就會(huì)大于16UT。而4UT的電離層TEC整體上大于16UT, 主要有以下三個(gè)原因。(1)太陽(yáng)的光照范圍。由圖5可見(jiàn), 太陽(yáng)的光照范圍在4UT明顯大于16UT, 因此太陽(yáng)光致電離產(chǎn)生的電子含量就會(huì)增大。(2)輸運(yùn)過(guò)程的調(diào)制。太陽(yáng)光照的原因使得4UT日側(cè)的電子濃度顯著增大, 此時(shí)水平電場(chǎng)就會(huì)輸運(yùn)更多的等離子體進(jìn)入高緯的極蓋區(qū), 甚至到達(dá)夜側(cè)的極光區(qū), 進(jìn)而引起整個(gè)極區(qū)電離層電子含量的增加。(3)粒子沉降基本不變。粒子沉降主要集中在極光卵區(qū)域。在地磁坐標(biāo)系下, 極光卵的位形基本不隨UT變化, 且粒子沉降的強(qiáng)度在統(tǒng)計(jì)上也不隨UT變化, 不同UT時(shí), 粒子沉降引起的電離層電子密度變化可認(rèn)為不變。因此, 總的來(lái)說(shuō), 對(duì)于地磁坐標(biāo)系下極區(qū)電離層的UT變化特征, 太陽(yáng)光致電離起主導(dǎo)作用, 輸運(yùn)過(guò)程在前者的基礎(chǔ)上起次要作用。

圖4 地磁坐標(biāo)系下南北極區(qū)4個(gè)季節(jié)電離層mPEC的UT變化

Fig.4. The UT variation of the mPEC in four seasons in the Arctic and Antarctic in geomagnetic coordinates

表1 極區(qū)mPEC在4個(gè)季節(jié)的UT變化參數(shù)(南半球: SH, 北半球: NH; 表中帶有下劃線的數(shù)字為該表格位置處的地理坐標(biāo)系下mPEC的變化參數(shù)[15])

太陽(yáng)光照范圍的變化, 則主要是因?yàn)榈卮泡S與地理軸的分離。由圖5可見(jiàn), 4UT時(shí), 地理軸極點(diǎn)位于逆陽(yáng)方向的最大位置, 而16UT時(shí)則是地理軸極點(diǎn)相對(duì)于地磁軸向陽(yáng)的最大位置處, 導(dǎo)致太陽(yáng)光照范圍的變化。實(shí)際上, 通過(guò)考察其他UT時(shí)刻的電離層TEC分布圖, 可以發(fā)現(xiàn)地理軸極點(diǎn)越靠近0MLT, 電離層TEC越大, mPEC也越大。所以在~4UT, 地理軸極點(diǎn)最遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)mPEC取得最大值, 反之在最靠近太陽(yáng)的~16UT時(shí)mPEC取得最小值。南極的其他季節(jié)也是如此。

在北極, 同樣以冬季為例進(jìn)行說(shuō)明。圖6是北極冬季5UT(左)和18UT(右)時(shí)電離層TEC在地磁坐標(biāo)系下的分布圖。圖中的紅色圓圈表示地理軸北極的位置, 陰影部分表示無(wú)太陽(yáng)光照范圍。同南極的情況(圖5), 在北極, 地理軸極點(diǎn)最靠近太陽(yáng)的~5UT時(shí)電離層TEC最小, 在地理軸遠(yuǎn)離太陽(yáng)的~18UT時(shí)電離層TEC最大。這也是由于在極區(qū), 粒子沉降對(duì)電離層的影響基本不隨UT變化, 而太陽(yáng)光致電離區(qū)域隨UT變化, 并導(dǎo)致光致電離及水平輸運(yùn)過(guò)程對(duì)極區(qū)電子密度的貢獻(xiàn)也隨著UT變化, 在它們的綜合作用下使得極區(qū)電離層mPEC出現(xiàn)了明顯的UT變化。

圖5 南極冬季地磁坐標(biāo)系下4UT(左)和16UT(右)的電離層TEC地圖

Fig.5. The TEC map at 4UT and 16UT in winter in the Antarctic

圖6 北極冬季地磁坐標(biāo)系下5UT(左)和18UT(右)的電離層TEC地圖

Fig.6. The TEC map at 4UT and 16UT in winter in the Arctic

3.2 南北極UT變化差異的原因

由3.1可知, 因?yàn)樘?yáng)光致電離范圍在隨UT變化, 同時(shí)在輸運(yùn)過(guò)程的調(diào)制下, 進(jìn)一步擴(kuò)大了太陽(yáng)光致電離對(duì)極區(qū)電離層電子密度(mPEC)的貢獻(xiàn), 從而導(dǎo)致了南北極區(qū)電離層具有明顯的UT變化特征。但是, 對(duì)比圖4及表1中南極和北極電離層UT變化的趨勢(shì)及相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 南北極區(qū)電離層的UT變化特征還存在一些差異。

首先, mPEC表征的南北極電離層UT變化雖然都呈現(xiàn)出類似三角函數(shù)的形態(tài), 但是存在約12 h的“相位差”, 即: 南極mPEC取得最大值時(shí), 北極mPEC取得最小值; 南極取得最小值時(shí), 北極取得最大值。這一現(xiàn)象主要是因?yàn)榈乩磔S與地磁軸分離, 當(dāng)一個(gè)半球的極區(qū)電離層受到最多的太陽(yáng)光照而產(chǎn)生更多電子的時(shí)候, 在另一半球必然會(huì)出現(xiàn)該半球的極區(qū)受到一天中最少的太陽(yáng)光照, 從而使得該時(shí)刻的極區(qū)電離層電子密度最小。因?yàn)榈乩磔S與地磁軸兩者是異面的, 再加上輸運(yùn)過(guò)程的調(diào)制, 因此, 兩者的相位差不是絕對(duì)的12 h (如表1所示)。

其次, 南極的UT變化強(qiáng)度大于北極。從上述的分析可以看出, 極區(qū)電離層電子密度UT變化的本質(zhì)原因是地理軸與地磁軸的分離, 使得地磁坐標(biāo)系下極區(qū)電離層的光致電離范圍隨著UT變化。而地理軸與地磁軸的分離在南極約為15°, 在北極約為7°。很明顯兩個(gè)軸在南極的夾角大于北極。這樣就使得南極的電離層電子密度變化更大。從圖2—圖6中都能看到, 在同一個(gè)季節(jié), 南極電子密度的最大值要大于北極電子密度的最大值, 南極電子密度的最小值要小于北極電子密度的最小值, 南極的UT變化強(qiáng)度要大于北極。特別是對(duì)比圖5和圖6, 可以明顯看出太陽(yáng)光照范圍隨UT的變化范圍在南極更大, 導(dǎo)致電離層TEC和mPEC為代表的電離層電子含量參數(shù)的更大變化。

最后, mPEC的季節(jié)均值, 南極在夏秋季大于北極, 北極是在冬春季略大于南極。這一觀測(cè)特征可能主要與電離層年度異常有關(guān)[15], 但是也可能與中性成分等其他因素有關(guān)。這與電離層UT變化無(wú)本質(zhì)關(guān)系, 后續(xù)會(huì)針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步探討。

3.3 與地理坐標(biāo)系下極區(qū)UT變化的對(duì)比

基于地理坐標(biāo)系下計(jì)算的mPEC, Wu等[15]也研究了極區(qū)電離層的UT變化。與之比較, 可以發(fā)現(xiàn), 地理與地磁坐標(biāo)系下的UT變化都一致地反應(yīng)出南極的UT變化強(qiáng)度要大于北極的UT變化強(qiáng)度, 這與地理與地磁軸在南極的夾角更大有關(guān); 兩者的相對(duì)變化強(qiáng)度, 都是冬季較大, 這與冬季電離層背景值較小、更容易被調(diào)制有關(guān)。

比較不同坐標(biāo)系下mPEC的UT變化強(qiáng)度(表1后兩列, 下劃線數(shù)字是地理坐標(biāo)系下的結(jié)果), 還可以清楚地看到, 地磁坐標(biāo)系下的極區(qū)電離層UT變化強(qiáng)度明顯大于地理坐標(biāo)系下的UT變化強(qiáng)度。地理坐標(biāo)系下的UT變化, 主要是水平電場(chǎng)位置的變化引起輸運(yùn)進(jìn)高緯地區(qū)的等離子體數(shù)量的變化; 而地磁坐標(biāo)系下的結(jié)果則是太陽(yáng)光致電離范圍的直接變化引起的電子密度的變化, 同時(shí)也間接地影響了水平電場(chǎng)輸運(yùn)進(jìn)高緯地區(qū)等離子數(shù)量的變化。雖然兩種坐標(biāo)系下輸運(yùn)進(jìn)極區(qū)的等離子體數(shù)量變化不一致, 但是近似的可以認(rèn)為地磁坐標(biāo)系下的UT變化是兩種物理過(guò)程的疊加, 因此就大于了地理坐標(biāo)系下的UT變化強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文基于COSMIC在2007—2010年觀測(cè)的電離層電子密度數(shù)據(jù), 計(jì)算獲得了修正地磁緯度-磁地方時(shí)標(biāo)系下的極區(qū)電離層平均電子含量mPEC, 然后基于mPEC研究了南北極區(qū)電離層的UT變化特征, 具體如下。

1. 南北極電離層的UT變化明顯, 均呈現(xiàn)出正余弦函數(shù)的變化趨勢(shì), 不過(guò)兩者相差約12 h。在南極, mPEC取得最大值約在5UT, 最小值約在16UT; 在北極則分別是~18UT和~5UT。

2.南極電離層的UT變化強(qiáng)度大于北極。南極電離層UT變化強(qiáng)度(標(biāo)準(zhǔn)差)在春冬兩季UT變化的標(biāo)準(zhǔn)差約為1 TECu, 在夏秋兩季則接近2 TECu, 約是北極電離層UT變化強(qiáng)度的2~3倍。以變異系數(shù)表征的電離層UT變化的相對(duì)強(qiáng)度也表明, 南極UT變化相對(duì)強(qiáng)度約是北極的2倍。

3. 地磁坐標(biāo)系下的極區(qū)電離層UT變化的原因主要是地理軸與地磁軸分離, 引起太陽(yáng)光致電離范圍在隨UT變化, 間接地調(diào)整了水平輸運(yùn)的貢獻(xiàn); 同時(shí), 導(dǎo)致了南北極UT變化相差約12 h, 且分離角度大的南半球, 其UT變化強(qiáng)度更強(qiáng)。

致謝:感謝兩位審稿人審閱論文并提供很有價(jià)值的修改建議。本文所用的COSMIC掩星數(shù)據(jù)由COSMIC Data Analysis and Archive Center提供(http://cosmic-io.cosmic.ucar.edu/cdaac/index.html),和 F107 指數(shù)從CelesTrak 網(wǎng)站(http://cele-strak.com/SpaceData/)下載, 在此表示感謝!

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THE CHARACTERIsTICS OF THE POLAR IONOSPHERE IN THE GEOMAGNETIC COORDINATES SYSTEM

Wu Yewen1, Liu Ruiyuan2, Zhang Beichen2, Hu Hongqiao2, Ci Ying3, Jiang Mingbo4, Lv Jianyong1

(1Institute of Space Weather, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;2SOA Key Laboratory for Polar Science, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;3Beijing Institute of Tracking and Communication Technology, Beijing 100089, China;4Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100000, China)

The mean Polar Electron Content (mPEC) over the low solar activity years 2007–2010 in Corrected Geomagnetic Latitude and Magnetic Local Time Coordinates (CGLMLT) is calculated to investigate the Universal Time (UT) variations of the polar ionosphere based on the observation of Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite (COSMIC). The results show clear UT variations on mPEC both in the Arctic and Antarctic when seen in the geomagnetic coordinate system. The UT variation of the mPEC changed in a sinusoidal way, with the phase difference about 12 hours between the Arctic and Antarctica. In addition, the UT variation is about 2~3 times larger in the Antarctic than in the Arctic. These features should result from the separation between the geographic pole and the geomagnetic pole. Actually in geographic coordinate system, the UT variation of the mPEC is rather small. The reason should be that the UT variations of mPEC come from solar radiation as well as horizontal transportation in geomagnetic coordinates but only horizontal transportation in geographic coordinate systems.

polar ionosphere, total electron content, universal time variations, horizontal transportation

2020年9月收到來(lái)稿, 2020年9月收到修改稿

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2018YFC1407304, 2018YFF01013706)、基礎(chǔ)性科研院所穩(wěn)定支持項(xiàng)目(A131901W14,A131902W03)、電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)資金(201801003)資助

武業(yè)文, 男, 1983年生。博士, 主要從事電離層物理及預(yù)報(bào)研究。E-mail: ywwu@nuist.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200064