高潔 王慧 張科燈 鄭志超 何楊帆 孫璐媛 仲云芳

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院空間物理系 武漢 430072)

0 引言

在電離層–熱層耦合系統(tǒng)中，熱層風(fēng)扮演了重要角色。在地磁傾角和地磁偏角不為零的區(qū)域，熱層風(fēng)能夠驅(qū)動等離子體沿磁力線運動，使電離層抬升或下降。熱層中性成分與離子碰撞會影響電離層–熱層系統(tǒng)的動量和能量傳輸過程，進(jìn)而影響電離層電子密度和熱層風(fēng)場的分布[1,2]。因此，研究熱層中性風(fēng)，不僅有助于更好地了解電離層–熱層耦合機(jī)理，而且可為航天器的安全運行提供有效支持。

近幾十年來，有關(guān)緯向風(fēng)與地方時依賴性的研究不斷深入[3-7]。Hedin等[3]利用HWM87（Horizontal Wind Model）模型，發(fā)現(xiàn)赤道地區(qū)緯向風(fēng)具有明顯的日變化特征，午后至清晨緯向風(fēng)為東向，其他時段為西向。在04:00 LT 左右，緯向風(fēng)從東向轉(zhuǎn)為西向；在14:00 LT 左右，從西向轉(zhuǎn)為東向[4,5]。Liu等[6]利用CHAMP（Challenging Minisatellite Payload）衛(wèi)星2002－2004年的緯向風(fēng)數(shù)據(jù)，研究了赤道地區(qū)熱層緯向風(fēng)的太陽活動、地磁活動和季節(jié)依賴關(guān)系。研究結(jié)果表明，在春秋分季節(jié)，隨著太陽活動增強(qiáng)，地磁平靜期的東向風(fēng)峰值逐漸增加，峰值出現(xiàn)時間從18:00 MLT 推遲到20:00 MLT，但西向風(fēng)的峰值逐漸減弱。太陽活動水平對西向風(fēng)轉(zhuǎn)為東向風(fēng)的時間無明顯影響，基本上維持在12:00－13:00 MLT 之間，但對東向風(fēng)轉(zhuǎn)為西向風(fēng)的地方時影響較大。在太陽活動低年，東向風(fēng)轉(zhuǎn)為西向風(fēng)發(fā)生在01:00 MLT；在太陽活動高年，則延遲到04:00－05:00 MLT。地磁活動對赤道地區(qū)緯向風(fēng)的影響不顯著。赤道地區(qū)的緯向風(fēng)，特別是在太陽活動高年，其幅度和地方時分布有明顯的季節(jié)依賴關(guān)系。在春秋分季節(jié)，東向風(fēng)峰值出現(xiàn)在18:00 MLT，而夏季的東向風(fēng)峰值出現(xiàn)在21:00－03:00 MLT。Liu等[5]研究發(fā)現(xiàn)緯向風(fēng)的地方時分布存在明顯的緯度差異，例如東向風(fēng)轉(zhuǎn)為西向風(fēng)的地方時在赤道地區(qū)大約為05:00－06:00 MLT，而在±30° 地磁緯度（MLat，Magnetic latitude）則為02:00 MLT。Miyoshi等[7]利用Ground-to-topside model of Atmosphere and Ionosphere for Aeronomy 模型研究了赤道地區(qū)緯向風(fēng)的日變化特征，研究發(fā)現(xiàn)：東向風(fēng)峰值（220m?s–1）出現(xiàn)在19:00－19:30LT，之后東向風(fēng)幅度減弱，直到03:00－03:30 LT出現(xiàn)一個次峰，該次峰與日潮汐和半日潮汐的疊加有關(guān)；西向風(fēng)轉(zhuǎn)為東向風(fēng)的時間約在14:00－15:00 LT。與400 km 高度相比，200 km 高度的東向風(fēng)轉(zhuǎn)為西向風(fēng)的時間延遲了2 h，約為08:00 LT。Miyoshi 等還考察了壓強(qiáng)梯度、離子拖曳力和粘滯力在緯向風(fēng)地方時分布中的重要作用，發(fā)現(xiàn)離子拖曳力和粘滯力主要起阻滯作用，其中粘滯力阻力約占離子拖曳的1/4。以往的研究很少關(guān)注非遷移潮汐波對緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向時間的調(diào)節(jié)作用，這是本文的研究重點之一。

除了地方時變化，赤道熱層風(fēng)具有明顯的經(jīng)度分布，例如三波和四波結(jié)構(gòu)[8-12]。H?usler等[8]首先對400 km 高度緯向風(fēng)（–10°－10° MLat）的經(jīng)度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，提出緯向風(fēng)的地理經(jīng)度變化并不依賴于太陽活動，而是受地磁活動的影響，特別是在夜間。在春秋分季節(jié)，赤道地區(qū)緯向風(fēng)呈現(xiàn)出明顯的四波結(jié)構(gòu)。以往的研究認(rèn)為，該結(jié)構(gòu)可能與受潛熱釋放激發(fā)的向東傳播緯向波數(shù)為3 的非遷移潮汐分量（DE3，eastward propagating diurnal tide with zonal wavenumber 3）有關(guān)。Oberheide等[9]對潮汐波在電離層–熱層系統(tǒng)中的作用進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)熱層溫度場與低層風(fēng)場的經(jīng)度結(jié)構(gòu)一致，其驅(qū)動因素是由對流層向上直接傳播的潮汐波。太陽周期效應(yīng)在E 層以上變得更加顯著，因此F 層參數(shù)的四波結(jié)構(gòu)將隨著太陽活動的減弱而變得更加明顯。H?usler等[10]利用2002－2005年CHAMP 衛(wèi)星觀測的緯向風(fēng)數(shù)據(jù)研究了風(fēng)場四波結(jié)構(gòu)的年變化和非遷移潮汐波不同分量造成的影響。研究發(fā)現(xiàn)，四波結(jié)構(gòu)在全年都存在，只是強(qiáng)度和相位發(fā)生了變化，而且最強(qiáng)的四波結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在7－9月。除12月至2月外，其他月份均有不同強(qiáng)度的東向相移，且DE3 的年變化趨勢與之一致。另外，由于不同潮汐分量在四波結(jié)構(gòu)中的累積效應(yīng)不同，四波結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也有明顯的地方時差異。H?usler等[11]發(fā)現(xiàn)，熱層中的DE3 分量隨著太陽活動的減弱而增加，這是由于太陽活動最小時潮汐耗散最小。除了熱層緯向風(fēng)，電離層–熱層系統(tǒng)的許多其他參數(shù)也表現(xiàn)出類似的四波經(jīng)度結(jié)構(gòu)，例如離子和電子密度[13,14]、赤道電集流[15-17]、電場[18]等。Lühr等[12]強(qiáng)調(diào)離子拖曳在緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)中具有重要作用，但沒有對其影響程度進(jìn)行定量分析。已有許多研究利用TIEGCM（Thermosphere Ionosphere Electrodynamics General Circulation Model）再現(xiàn)了緯向風(fēng)的四波結(jié)構(gòu)[11,19]。本文利用TIEGCM 定量分析離子拖曳力在不同地磁場構(gòu)型下對赤道地區(qū)緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的影響。

通過分析低層大氣向上傳播的非遷移潮汐波對緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)時間的影響，可以更好地了解赤道地區(qū)緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)時間經(jīng)度差異的物理原因，從而更好地理解電離層–熱層耦合中大氣潮汐波的作用。定量分析不同地磁場構(gòu)型下離子拖曳力對赤道緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的影響，對于闡明四波經(jīng)度結(jié)構(gòu)的物理激發(fā)機(jī)理具有重 要意義。

1 CHAMP 數(shù)據(jù)及TIEGCM 模型

CHAMP 衛(wèi)星于2000年7月發(fā)射升空，并于2010年9月停止運行。其軌道傾角為87.3°，初始高度為460 km[20]，此后軌道高度隨時間逐漸下降，其中2005年大約在400 km，2008年則大約在300 km。因為在中低緯地區(qū)，CHAMP 衛(wèi)星的軌道為南北經(jīng)向，所以觀測橫跨軌道的風(fēng)是東西向的，即相當(dāng)于緯向風(fēng)。利用CHAMP 衛(wèi)星上攜帶的三軸加速度儀測量的數(shù)據(jù)，可以反演得到熱層緯向風(fēng)（采樣精度為10 s，誤差小于10 m?s–1）。CHAMP 在全球范圍內(nèi)的連續(xù)觀測為深入了解熱層緯向風(fēng)的時空分布提供了數(shù)據(jù)支持。

本文選取2001－2008年間太陽活動指數(shù)（F10.7）小于100 sfu 的CHAMP 跨軌道風(fēng)數(shù)據(jù)，其平均F10.7為78 sfu，用于研究太陽活動低年的緯向風(fēng)。由于春分季節(jié)緯向風(fēng)的結(jié)構(gòu)與秋分季節(jié)比較相似[21,22]，這里對春秋分季節(jié)的風(fēng)場合并進(jìn)行研究。CHAMP 衛(wèi)星需要131 天才能覆蓋所有地方時，所以在篩選出太陽活動低年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取以春分（3月21日）和秋分（9月21日）為中心的131 天的緯向風(fēng)，用于研究緯向風(fēng)的地方時和地理經(jīng)度變化。

TIEGCM 是熱層與電離層耦合的三維時變物理模型，其主要通過求解中性成分和離子成分的動量、能量和連續(xù)性方程，來計算電離層–熱層耦合系統(tǒng)的時空變化[23]。TIEGCM 的水平分辨率為地理緯度（Geographic Latitudes，GLat）2.5°和地理經(jīng)度（Geographic Longitude，GLon）2.5°。模型的輸入?yún)?shù)分別為：半球能量18 GW，跨極蓋電勢30 kV以及F10.7指數(shù)78 sfu。在模型低邊界輸入SABER/TIDI（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry/TIMED-Doppler Interferometer）觀測的非遷移潮汐波。該模型運行20 天后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，然后利用24 h 后的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析。

在TIEGCM 模式中，為研究低層大氣潮汐波對赤道地區(qū)緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)時間的影響，分別采用兩種不同的設(shè)置：（1）不輸入潮汐波，（2）輸入非遷移潮汐波。另外，對原始緯向風(fēng)和關(guān)閉離子拖曳力的緯向風(fēng)作差，分析離子拖曳力對風(fēng)場的影響。為研究地磁場結(jié)構(gòu)的影響，采用了兩種不同的地磁場模型：一種是由IGRF 定義的真實地磁場，另一種是地磁軸與地理自轉(zhuǎn) 軸相重合的偶極子磁場。

2 結(jié)果

2.1 轉(zhuǎn)向時間經(jīng)度差異

在下午到清晨，緯向風(fēng)是東向風(fēng)，而在其余當(dāng)?shù)貢r間為西向風(fēng)。由東向轉(zhuǎn)為西向發(fā)生在清晨時分，由西向轉(zhuǎn)為東向則發(fā)生在下午時段。圖1 給出了赤道地區(qū)緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向時間隨經(jīng)度的分布，黑色曲線表示CHAMP 衛(wèi)星的觀測結(jié)果，藍(lán)色曲線和紅色曲線分別表示在TIEGCM 模擬低邊界輸入非遷移潮汐波以及不輸入任何潮汐波分量的結(jié)果。由圖1 可以看出，CHAMP 衛(wèi)星觀測的東向風(fēng)轉(zhuǎn)為西向風(fēng)大約發(fā)生在05:00 LT，西向風(fēng)轉(zhuǎn)為東向風(fēng)大約發(fā)生在14:00 LT。在清晨和下午，CHAMP 衛(wèi)星觀測到的緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向時間均顯示出明顯的經(jīng)度差異，最大差異為1.8 h。例如：在清晨，–120° GLon 區(qū)域緯向風(fēng)從東向轉(zhuǎn)為西向大約發(fā)生在04:30 LT，但是130° GLon 區(qū)域緯向風(fēng)從東向轉(zhuǎn)為西向則延遲到了近06:00 LT；在下午，–30°GLon區(qū)域緯向風(fēng)由西向轉(zhuǎn)為東向發(fā)生在13:00LT，而30° GLon 區(qū)域緯向風(fēng)從東向轉(zhuǎn)為西向則推遲到14:30 LT。由圖1 中紅色曲線可以看出，在模型低邊界沒有輸入大氣潮汐波時，緯向風(fēng)在清晨和下午轉(zhuǎn)向時間的經(jīng)度差異幾乎可以忽略，即早晨緯向風(fēng)由東向轉(zhuǎn)為西向的時間穩(wěn)定在04:00 LT 附近，這比CHAMP 衛(wèi)星觀測的時間要早1 h 左右，而下午緯向風(fēng)由西向轉(zhuǎn)為東向的時間穩(wěn)定在16:00 LT 附近，比CHAMP 衛(wèi)星觀測結(jié)果要晚2 h 左右。

圖1 赤道地區(qū)緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)時間的經(jīng)度分布。?LT為反轉(zhuǎn)時間在不同經(jīng)度的最大差異Fig.1 Longitudinal variation of the reversal time of the equatorial zonal wind.?LT is the maximum differences in the reversal time in different longitude

在全球尺度下，低層大氣潮汐波影響著熱層風(fēng)場的時空分布[24]。由圖1 中藍(lán)色曲線可以看出，當(dāng)TIEGCM 低邊界輸入非遷移潮汐波時，清晨和下午時間段緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向時間的經(jīng)度差異均表現(xiàn)出了顯著的四波結(jié)構(gòu)，緯向風(fēng)的四個波峰分布在–150°，–60°，30°和120° GLon。緯向風(fēng)在清晨時的四波結(jié)構(gòu)波幅比下午時弱。與 CHAMP 衛(wèi)星觀測值相比，早晨緯向風(fēng)從東向轉(zhuǎn)為西向的時間較早，但與不輸入潮汐波的結(jié)果相當(dāng)；除了某些相位上的差異外，下午緯向風(fēng)無論在幅度上還是從西向風(fēng)轉(zhuǎn)為東向風(fēng)的時間都與CHAMP 衛(wèi)星觀測值類似，這表明非遷移潮汐波對下午反轉(zhuǎn)時間的提前是有效的，而對清晨反轉(zhuǎn)時間的后移作用則較弱。結(jié)果表明，下午時段非遷移潮汐波可以減小模型與觀測結(jié)果的差異，而上午的影響并不顯著。而早晨和下午的緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)時間經(jīng)度差異，一定程 度上是由非遷移潮汐波來調(diào)節(jié)的。

2.2 緯向風(fēng)經(jīng)度分布

熱層緯向風(fēng)的主要驅(qū)動力包括壓力梯度力、粘滯力、離子拖曳力、科里奧利力[25]。在這些驅(qū)動力當(dāng)中，離子拖曳力的影響不容忽視，其強(qiáng)弱主要取決于電子密度及其與中性成分的速度差。地磁場構(gòu)型、日照和高緯極光加熱在經(jīng)度上的差異影響電子密度的分布，也會導(dǎo)致離子拖曳力的經(jīng)度變化[7,25,26]。本文在TIEGCM 中分別開啟和關(guān)閉中性粒子動量方程中的離子拖曳力，用于研究離子拖曳力對熱層緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的影響。

在IGRF 地磁場中，利用TIEGCM 模擬的赤道區(qū)域緯向風(fēng)隨地理經(jīng)度與地方時的分布如圖2 所示。為了更好展示風(fēng)場的經(jīng)度差異，這里去除了每個地方時扇區(qū)的經(jīng)度平均值。圖2（a）為原始緯向風(fēng)的經(jīng)度分布。從圖2（a）可以看出，在不同的地方時，緯向風(fēng)都具有四波結(jié)構(gòu)，且隨著地方時的變化其相位也發(fā)生了變化。四波結(jié)構(gòu)的相位在24 h 范圍內(nèi)向東偏移90°，與H?usler等[10]的結(jié)果一致。Lühr等[16]研究發(fā)現(xiàn)，24 h 范圍內(nèi)非遷移潮汐DE3 向東傳播90°。因此，DE3 波是引起緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的主要原因。另外，四波的強(qiáng)度在24 h 內(nèi)也有明顯的變化，例如在–75° GLon，04:00 LT 時緯向風(fēng)變化達(dá)到13.4 m?s–1，14:00 LT 時風(fēng)速變化下降到了0.1 m?s–1，19:00 LT時又再次增加到了19.3 m?s–1。該現(xiàn)象可能是由于不同潮汐分量對四波結(jié)構(gòu)的累積效應(yīng)造成的[10]。例如：DE2 會引起三波結(jié)構(gòu)；三波和四波疊加時，會導(dǎo)致不同當(dāng)?shù)貢r間緯向風(fēng)幅度的變化。

圖2（b）為離子拖曳力引起的緯向風(fēng)經(jīng)度分布。可以看出，緯向風(fēng)在24 h 內(nèi)依然存在四波結(jié)構(gòu)。但是，與原始緯向風(fēng)的經(jīng)度分布相比，其四波結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，強(qiáng)度也明顯減弱，如圖中白色數(shù)字所標(biāo)識，離子拖曳力引起的緯向風(fēng)變化值約為6 m?s–1，為原始緯向風(fēng)（約20 m?s–1）的3/10。通過對比圖2（a）與（b）四波結(jié)構(gòu)的相位分布，以白天06:00 LT 為例，原始緯向風(fēng)的四波峰值分布在–180°，–90°，0°和90° GLon，與離子拖曳力引起的四波峰值所在經(jīng)度相同。以夜晚21:00 LT 為例，原始緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的波峰分布在–135°，–45°，45°和135° GLon，與離子拖曳力引起的波峰所在經(jīng)度相同。因此，不論是白天還是夜晚，離子拖曳力引起的緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)與原始緯向風(fēng)相位基本相同，離子拖曳越強(qiáng)，緯向風(fēng)幅度越大，四波結(jié)構(gòu)越明顯。這說明離子拖曳力有利于赤道地區(qū)風(fēng)場的四 波結(jié)構(gòu)形成。

圖2 在IGRF 地磁場下利用TIEGCM 模擬赤道地區(qū)緯向風(fēng)的經(jīng)度分布Fig.2 Longitudinal variations of equatorial zonal winds simulated by TIEGCM under IGRF configuration

3 討論

在赤道地區(qū)，沿磁赤道而非地理赤道方向形成了極強(qiáng)的風(fēng)急流[5,27,28]，這表明了地磁場對熱層大氣的控制作用。赤道噴泉效應(yīng)使赤道地區(qū)的等離子體上升到較高的高度，并進(jìn)一步擴(kuò)散到較高的緯度，從而在磁赤道兩側(cè)形成兩個駝峰，即赤道電離異常（Equatorial Ionization Anomaly，EIA）。EIA 區(qū)域的兩個電子密度駝峰阻隔了中性風(fēng)的流動，從而擠壓中性風(fēng)在赤道地區(qū)形成一股風(fēng)急流。因此，離子拖曳力是風(fēng)場從沿地理赤道分布向沿地磁赤道分布的主要原因。在TIEGCM 熱層風(fēng)計算模塊中將離子拖曳力關(guān)閉后，EIA 對中性風(fēng)的阻滯作用消失，赤道地區(qū)原風(fēng)急流也隨之消失，赤道地區(qū)緯向風(fēng)的四波結(jié)構(gòu)幅度也隨之減弱。因此，離子拖曳力對赤道地區(qū)緯向風(fēng)的四波結(jié)構(gòu)具有明顯的促進(jìn)作用。

在真實的IGRF 地磁場中，由于地理軸與地磁軸存在偏角，地理坐標(biāo)和地磁坐標(biāo)并不重合。等離子體的運動主要受控于地磁場，適合在地磁坐標(biāo)系中研究。而中性成分主要受流體力學(xué)控制，更適合在地理坐標(biāo)系中研究。由于低層大氣非遷移潮汐波DE3 的作用，E 層風(fēng)發(fā)電機(jī)電場受到調(diào)制，沿著磁力線投影到F 層，驅(qū)動EIA 電子密度產(chǎn)生DE3 的變化，從而導(dǎo)致赤道風(fēng)急流也出現(xiàn)類似的經(jīng)度方向上的四波結(jié)構(gòu)。另外，低層大氣非遷移潮汐波DE3 分量的直接上傳也能導(dǎo)致赤道風(fēng)急流出現(xiàn)經(jīng)度方向上的四波結(jié)構(gòu)。

為了研究地磁場構(gòu)型對緯向風(fēng)經(jīng)度差異的影響，本文在TIEGCM 中除了引入IGRF 的實際地磁場構(gòu)型外，還引入了地磁軸和地理自轉(zhuǎn)軸重合的偶極子場。圖3 給出了在偶極子場中，利用TIEGCM 模擬的赤道區(qū)域緯向風(fēng)經(jīng)度分布。圖3（a）為偶極子場中原始緯向風(fēng)經(jīng)度分布，（b）為離子拖曳力引起的緯向風(fēng)經(jīng)度分布。在偶極子場中，緯向風(fēng)在赤道地區(qū)的四波結(jié)構(gòu)仍然存在，幅度和相位與圖2 IGRF 結(jié)果基本一致。然而，離子拖曳力引起的四波結(jié)構(gòu)在偶極子場中分布更加明顯，這與偶極子場中地理坐標(biāo)和地磁坐標(biāo)重合有關(guān)，此時低層大氣非遷移潮汐波與離子拖曳力影響的方向相同，可以直接線性疊加，因此導(dǎo)致風(fēng)場的結(jié)構(gòu)較為簡單，四波結(jié)構(gòu)更明顯。而在IGRF 地磁場中，由于地磁與地理坐標(biāo)系的不重合，離子拖曳力沿著地磁經(jīng)度分布，大氣潮汐波的影響沿著地理經(jīng)度分布，兩個物理過程影響的方向并不一致，因此造成最后風(fēng)場的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

圖3 在偶極子磁場中利用TIEGCM 模擬的赤道地區(qū)緯向風(fēng)經(jīng)度分布Fig.3 Longitudinal variations of equatorial zonal winds simulated by TIEGCM in the dipole field

Miyoshi等[7]對赤道地區(qū)緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的物理驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行了定性研究，結(jié)果表明，壓強(qiáng)梯度力和離子拖曳力均具有四波結(jié)構(gòu)，而DE3 潮汐波是壓強(qiáng)梯度力的主要來源，其強(qiáng)度大于離子拖曳力。但其并未對離子拖曳力做定量研究。為定量研究離子拖曳力對赤道地區(qū)緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的影響，本文分別選取白天和夜間兩個時段，計算赤道地區(qū)的平均風(fēng)速，并利用擬合函數(shù)求得緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的振幅。通過將離子拖曳力引起的緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的振幅與原始緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的振幅做比值，可定量得到離子拖曳力的影響。

提取圖2 中白天時段（10:00－12:00 LT）和夜晚時段（20:00－22:00 LT）的風(fēng)場數(shù)據(jù)，其平均值隨地理經(jīng)度的分布如圖4 所示（黑色曲線）。紅色曲線為四波擬合的結(jié)果。由圖4 可以看出，原始緯向風(fēng)的擬合波幅度在白天時段為5.3 m?s–1，夜晚為9.9 m?s–1，夜晚的幅度強(qiáng)于白天。離子拖曳力引起的緯向風(fēng)擬合波幅度在白天和夜晚分別為1.1 m?s–1和2.5 m?s–1，離子拖曳力在夜晚時段的影響也強(qiáng)于白天，這與夜晚EIA 的結(jié)構(gòu)比白天更明顯有關(guān)。Liu等[29]研究了CHAMP 衛(wèi)星觀測的400 km 高度赤道地區(qū)電子密度的分布，發(fā)現(xiàn)夜晚21:00 LT 電子密度的四波結(jié)構(gòu)比白天12:00 LT 更為顯著。離子拖曳力由兩個因素決定，一個是中性成分和電子的相對速度，一個是電子密度。由于EIA 電子密度決定著離子拖曳力，因此夜間的四波結(jié)構(gòu)比白天更強(qiáng)。

圖4 在IGRF 地磁場中白天和夜晚兩個時段赤道地區(qū)緯向風(fēng)的經(jīng)度平均分布Fig.4 Longitudinal variations of zonal winds during the daytime and nighttime under IGRF configuration

偶極子地磁場中，白天（10:00－12:00 LT）和夜晚（20:00－22:00 LT）時段赤道地區(qū)緯向風(fēng)的變化值隨地理經(jīng)度的分布如圖5 所示。原始緯向風(fēng)的四波振幅在白天為4.5 m?s–1，夜晚為10.1 m?s–1。離子拖曳引起的緯向風(fēng)四波波幅分別為1.4 m?s–1和2.7 m?s–1。與IGRF 中的結(jié)果相似，夜晚緯向風(fēng)的四波振幅強(qiáng)于白天。

在不同地磁場構(gòu)型條件下，白天和夜晚時段離子拖曳效應(yīng)與原始風(fēng)場四波振幅的百分比列于表1。在IGRF 地磁場中，離子拖曳在白天時段和夜晚時段的影響分別為26.4% 和25.3%；而在偶極子場中，影響分別為31.1% 和26.7%。在赤道地區(qū)緯向風(fēng)的四波結(jié)構(gòu)中，白天時段離子拖曳效應(yīng)的貢獻(xiàn)略高于夜晚，在偶極子場中高于在IGRF 地磁場中。

表1 離子拖曳力對緯向風(fēng)四波經(jīng)度分布影響的定量分析結(jié)果Table 1 Quantitative analysis of the influence of ion drag on the longitudinal variation of the zonal wind

4 結(jié)論

利用CHAMP 衛(wèi)星觀測和TIEGCM 模擬，研究了太陽活動低年春秋分季節(jié)赤道地區(qū)緯向風(fēng)的空間分布，重點分析了緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)時間和風(fēng)速的地理經(jīng)度分布差異，討論了非遷移潮汐波和離子拖曳力在不同地磁場構(gòu)型下的相對影響。主要結(jié)論如下。

（1）緯向風(fēng)的反轉(zhuǎn)時間存在明顯的經(jīng)度差異，其經(jīng)度差異最大可達(dá)1.8 h。在早晨和下午，緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向時間的經(jīng)度差異一定程度上是由非遷移潮汐波引起的。下午時段的非遷移潮汐波可以減小模型與觀測結(jié)果的差異，而在清晨的影響并不顯著。

（2）在IGRF 地磁場和偶極子磁場中，白天和夜晚時段的離子拖曳力對風(fēng)場的四波結(jié)構(gòu)均有促進(jìn)作用。這主要是因為離子拖曳力有利于在磁赤道地區(qū)形成風(fēng)急流，從而增強(qiáng)了風(fēng)場四波結(jié)構(gòu)的幅度。

（3）離子拖曳力對赤道地區(qū)緯向風(fēng)四波結(jié)構(gòu)的作用約占總風(fēng)場的25%，其中，白天時段離子拖曳效應(yīng)的貢獻(xiàn)略高于夜晚，在偶極子場中高于在IGRF 地磁場中。

致謝CHAMP 衛(wèi)星跨軌道風(fēng)數(shù)據(jù)來自于http://ther mosphere.tudelft.nl/acceldrag/data.php.網(wǎng)站。TIEGCM模擬被存檔在NCAR 超級計算機(jī)Cheyenne 中（https://www2.cisl.ucar.edu/resources/storage-and-file-systems/hpss）。