尚社平 史建魁 程征偉 王國軍 王錚 王霄

(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)

(海南空間天氣國家野外科學觀測研究站 北京 100190)

0 引言

夜間赤道電離層F 區(qū)受各種不穩(wěn)定性過程的作用會產(chǎn)生電子密度不規(guī)則體，稱為赤道擴展F（ESF）。在底部F 區(qū)廣義瑞利-泰勒（R-T）不穩(wěn)定性作用下，產(chǎn)生的密度耗空區(qū)向上發(fā)展，進入頂部F 區(qū)，形成赤道等離子體泡（EPB）[1]。與EPB 相關的密度不規(guī)則體存在于頂部和底部F 區(qū)域。越來越多的證據(jù)表明，ESF/EPB 的產(chǎn)生和發(fā)展受多種因素的影響，日落后垂直等離子體漂移和種子擾動被認為是其中最重要的兩個因素[2,3]。

日落后垂直等離子體漂移反轉前增強（Pre-Reversal Enhancement，PRE），促使F 層高度上升（Post-Sunset Rise，PSSR），放大R-T 不穩(wěn)定性增長率，導致底部F 層密度耗空區(qū)上升，演化為非線性發(fā)展的頂部EPB。這種解釋成功的背后基于一個假設，即太陽日落線與地磁場（B）平行（Solar Terminator-BAlignment,STBA）假說，其涉及場向積分電導率梯度增大及更強極化電場的出現(xiàn)[4]。在分季期間，觀測到的ESF 頻發(fā)現(xiàn)象，通?？梢杂眠@種方式來解釋。

在至季期間，當PRE/PSSR 很弱時，時常觀測到ESF/EPB 的現(xiàn)象。這種情形很難通過PRE/PSSR機制解釋，由大氣重力波（GW）產(chǎn)生的種子擾動可能是一個重要的產(chǎn)生機制[4]。通常，衛(wèi)星和雷達觀測到的等離子體泡有時在空間（經(jīng)度上）分布的準周期性也被認為是種子機理波特性的體現(xiàn)[5]。相對于垂直等離子體漂移，對種子擾動的了解相對有限，對其在ESF/EPB 產(chǎn)生和發(fā)展中的作用也不清楚，仍存在一系列重要問題[5,6]。

大部分大氣重力波產(chǎn)生于對流層中強對流活動的局部區(qū)域，稱為中尺度對流單體/復合體（MCC）[2,7]。這些MCC 通常出現(xiàn)在熱帶輻合帶（Intertropical Convergence Zone,ITCZ）內(nèi)。對流層中產(chǎn)生的大氣重力波向上傳播到熱層，進一步將中性風波狀擾動通過某種形式的中性離子耦合過程轉移到F 區(qū)等離子體中，產(chǎn)生種子等離子體擾動LSWS（Large-scale Wave Structure）。這種情形僅發(fā)生于大氣重力波的相位波前與地磁場平行時，稱之為重力波-地磁場平行（GW-Balignment,GWBA）假說[4,8]。在至季期間，當平均ITCZ 接近磁赤道時，GWBA 通常會得到滿足。ESF 形態(tài)可能受ITCZ 在緯度上季節(jié)性遷移的影響，但還缺乏足夠令人信服的證據(jù)，很難獲得普遍的認可。特別是在東南亞地區(qū)，近年來一些衛(wèi)星和地基觀測的研究結果甚至存在明顯的差異[7,9]。

為進一步了解東亞低緯區(qū)強對流活動對ESF 活動的影響，在本研究中，結合海南和東南亞地區(qū)的多種地基和衛(wèi)星觀測，對該區(qū)域2014 年7 月28 日夜間發(fā)生的電離層不規(guī)則體事件進行協(xié)同分析，以進一步了解東亞低緯區(qū)ESF/EPB 的時空結構及強對流種子擾動的影響。

1 觀測與數(shù)據(jù)

自ESF/EPB 發(fā)現(xiàn)以來的幾十年間，已發(fā)展了各種地基/天基探測手段對其進行探測。不同觀測手段基于不同的探測原理，往往只能對某些特定尺度不規(guī)則體，在特定空間和時間內(nèi)進行有效測量，所探測到的ESF/EPB 形態(tài)/物理過程也不盡相同[3,6]。對ESF/EPB 形態(tài)的全面認識及物理過程的深入了解，需要盡可能利用各種觀測手段，進行協(xié)同觀測和分析。在本研究中，主要利用了海南臺站（19.5°N，109.1°E）和東南亞地區(qū)的多種地基觀測，以及C/NOFS 衛(wèi)星和SWARM 衛(wèi)星穿越東南亞赤道區(qū)時的觀測。圖1 給出了海南臺站和東南亞站點的位置和觀測范圍，以及當晚穿越東南亞區(qū)的C/NOFS 衛(wèi)星和SWARM 衛(wèi)星軌跡。

海南站的觀測主要來自VHF 相干散射雷達以及GPS 電離層閃爍監(jiān)測儀和DPS4 數(shù)字測高儀等儀器。通過子午工程數(shù)據(jù)網(wǎng)站*https://data.meridianproject.ac.cn可獲取相關觀測數(shù)據(jù)。GPS 電離層閃爍監(jiān)測儀使用了每分鐘的L1 波段振幅閃爍數(shù)據(jù)S4。數(shù)字測高儀DPS4 使用了每15 min的電離層漂移和擴展F 數(shù)據(jù)，VHF 相干散射雷達使用了2 min 掃描周期的觀測數(shù)據(jù)。雷達掃描范圍由圖1 中的7 條斜線表示，從東到西有7 個不同的觀測方向。

圖1 海南和東南亞臺站的位置及觀測范圍（7 條斜線為海南 VHF 雷達的觀測方向和范圍。圓圈為 GPS 電離層閃爍/TEC 監(jiān)測儀的觀測范圍。斜橫線為C/NOFS衛(wèi)星軌跡，豎線為 SWARM 衛(wèi)星軌跡）Fig.1 Location and observation range of Hainan and Southeast Asia stations.(The seven oblique lines are the observation direction and range of Hainan VHF radar.The circles are the observation area of GPS ionospheric scintillation/TEC monitors.The oblique horizontal lines are the trajectories of C/NOFS satellites,and the vertical lines are the trajectories of SWARM satellites)

東南亞區(qū)的觀測主要來自8 個GPS 站的TEC觀測，這些GPS 站分別位于海南臺站西側磁赤道區(qū)（HAV2，CUSV）和東側磁赤道區(qū)（PIMO），以及南北赤道異常峰區(qū)附近（JOG2，XMIS，HKSL，CKSV 和TWTF）。通過IGS 網(wǎng)站可獲取相關觀測數(shù)據(jù)**http://www.igs.gnsswhu.cn。由每5 min 內(nèi)GPS TEC 計算的ROTI 指數(shù)反映了幾千米到十幾千米尺度電離層不規(guī)則體的活動[10]。GPS閃爍/TEC 數(shù)據(jù)的最低仰角設置為20°，以盡可能消除多徑效應的影響。圖1 中的圓圈顯示了其在350 km 電離層高度上的投影范圍。

C/NOFS 衛(wèi)星[11]當晚8 次橫穿東亞磁赤道區(qū)，如圖1 中的斜橫線所示，衛(wèi)星軌道逐漸由赤道異常南峰外向磁赤道區(qū)移動.C/NOFS 上CINDI（Coupled Ion Neutral Dynamics Investigation）的IVM（Ion Velocity Meter）可以探測到離子溫度、速度和密度等數(shù)據(jù)。本研究使用的離子數(shù)據(jù)時間分辨率為2 Hz。SWARM 衛(wèi)星星座[12]由三顆相同的近極軌衛(wèi)星（A，B，C）組成，分別在黎明附近不同時段穿越海南臺站兩側的東南亞赤道區(qū)，如圖1 中的豎線所示。其中，衛(wèi)星A 和C 時間上同步，飛行高度相同，處于相對較低軌道（約470～480 km），而衛(wèi)星 B 在稍高軌道（約520 km）飛行，時間上領先。SWARM 衛(wèi)星上搭載的朗繆爾探針可以探測等離子體密度數(shù)據(jù)。本研究使用的等離子體密度數(shù)據(jù)的時間分辨率為2 Hz。此外，低層大氣的觀測使用了來自衛(wèi)星的地球射出長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）觀測數(shù)據(jù)。

在2014 年7 月28 日事件發(fā)生期間，F(xiàn)10.7太陽活動周指數(shù)為136.3，處于27 天周期中的上升階段，Kp最大不超過3，地磁活動處于相對平靜的狀態(tài)。本文主要對當天夜間10:00-23:00 UT 的觀測資料進行分析。

2 結果與討論

2.1 低緯海南站觀測

低緯海南站VHF 相干散射雷達、GPS 電離層閃爍監(jiān)測儀、DPS4 數(shù)字測高儀等儀器在2014 年7 月28 日夜間同時觀測。其結果表明，當天夜間該區(qū)域發(fā)生了明顯超長的電離層不規(guī)則體事件，主要發(fā)生于日落后到次日凌晨附近，持續(xù)時間長達近8 h。

2.1.1 VHF 雷達觀測

海南VHF 相干散射雷達工作頻率47 MHz，可以對3 m 尺度的電離層不規(guī)則體進行有效探測。該雷達可以沿東西多個不同觀測方位進行掃描觀測，可以得到電離層不規(guī)則體的二維空間結構圖及其時間變化。圖2 給出了海南VHF 相干散射雷達在東西7 個不同觀測方位觀測到的電離層不規(guī)則體回波的高度-時間-強度圖（ATI）。從圖2 可以看出，從雷達視場西側到東側（波束7 到1 方向），不規(guī)則體出現(xiàn)時間依次延遲，不同方向觀測到的不規(guī)則體活動存在明顯的差異。其中，在日落后到午夜前發(fā)生的不規(guī)則體活動明顯增強，從雷達視場西側到東側，不規(guī)則體活動逐漸向上擴展，持續(xù)時間逐漸增加。從午夜前到午夜后不規(guī)則體活動明顯減弱，從雷達視場西側到東側，不規(guī)則體活動隨高度的降低逐漸衰減，在雷達視場左側相對較為明顯，擴展范圍較大，持續(xù)時間最長，不規(guī)則體的出現(xiàn)呈現(xiàn)明顯的準周期性。在雷達視場東側達到最弱，主要發(fā)生于300 km 高度附近，持續(xù)時間最短。

圖2 海南 VHF 相干散射雷達在不同觀測方位觀測到的電離層不規(guī)則體回波高度-時間-強度（ATI）及雷達波束的仰角和方位角Fig.2 Altitude-Time-Intensity (ATI) maps of ionospheric irregularity echoes observed by Hainan VHF coherent scatter radar in different observation directions,as well as the elevation and azimuth of the radar beam

雷達的二維空間結構圖顯示，電離層不規(guī)則體間斷性出現(xiàn)，呈現(xiàn)明顯的東向運動。日落后不久（12:40 UT，LT=UT+7.3），不規(guī)則體首次出現(xiàn)于雷達左側，并向東漂移，進入雷達視場右側時，呈現(xiàn)明顯向上擴展，不規(guī)則體強度也有所增強。15:24 UT 附近，不規(guī)則體離開雷達視場右側消失。午夜附近（15:20 UT）不規(guī)則體再次出現(xiàn)于雷達視場左側，但在向東漂移過程中逐漸下降和衰減，這些不規(guī)則體間斷性出現(xiàn)，可持續(xù)到次日凌晨（18:00 UT）附近結束。

2.1.2 GPS 電離層閃爍觀測

當無線電信號通過電離層不規(guī)則體進行傳播時，會產(chǎn)生幅度和相位的閃爍現(xiàn)象。在低緯赤道區(qū)，幅度閃爍更為明顯。幅度閃爍是由尺度在第一菲涅耳半徑以下的不規(guī)則體引起的，對于GPS L1 頻率（1575.4 MHz），第一菲涅耳半徑大約為365 m。圖3給出了海南GPS 電離層閃爍監(jiān)測儀觀測到的電離層幅度閃爍指數(shù)S4隨時間的發(fā)展變化。衛(wèi)星最低仰角限制為20°，閃爍閾值設為0.1。如圖3 所示，電離層閃爍主要發(fā)生于12:00-21:00 UT（LT=UT+7.3）附近，主要表現(xiàn)為弱電離層閃爍（S4＜0.3），在午夜附近閃爍出現(xiàn)短時增強（S4＞0.3），S4最大達0.6 以上。電離層閃爍隨空間分布的分析表明，在日落后2 h（12:00-14:00 UT）期間，電離層閃爍主要發(fā)生于雷達視場南側，閃爍活動相對較弱，隨后幾小時（14:00-18:00 UT）閃爍活動擴展到雷達視場整個周邊區(qū)域，閃爍活動明顯增強。其中，最強閃爍發(fā)生于午夜后雷達視場的東南和東北（赤道異常峰區(qū)）方向。午夜后18:00-20:00 UT 期間閃爍活動明顯減弱，至次日黎明附近（20:00-22:00 UT）閃爍活動臨近結束，弱閃爍主要發(fā)生在雷達視場的東側區(qū)域。

圖3 海南 GPS 電離層閃爍監(jiān)測儀觀測到的電離層幅度閃爍指數(shù)S4 隨時間的變化（不同曲線為接收到的不同衛(wèi)星信號）Fig.3 Variation of ionospheric amplitude scintillation index S4 observed by Hainan GPS ionospheric scintillation monitor with time (Different curves are different satellite signals received)

2.1.3 數(shù)字測高儀DPS4 觀測

圖4 給出了海南數(shù)字測高儀DPS4 觀測到的電離層等離子體漂移速度，底部F 層最小虛高h’F，以及擴展F 的發(fā)生情況。從圖4 可以看出，當天夜間等離子體緯向漂移速度vy基本為正，表示夜間背景電離層呈現(xiàn)東向漂移運動，在日落附近變化劇烈，存在明顯的擾動現(xiàn)象。與此類似，等離子體垂直漂移速度vz在日落附近也存在類似的擾動現(xiàn)象，除日落后20:00-21:00 LT 及后半夜02:00-03:00 LT 附近短時間出現(xiàn)明顯向上速度外，其他大部分時間處于零值或弱的向下速度。對應地，底部F 層高度在日落附近處于較高高度，并伴隨較大幅度的準周期擾動。隨后緩慢下降，在次日凌晨附近達到最低。期間在后半夜02:00-03:00 LT 附近出現(xiàn)明顯的增加。從圖4 可以看出整個夜間出現(xiàn)明顯的高度擴展F（Range Spread F，圖4 中由字母R 表示）現(xiàn)象。午夜前高度擴展F 出現(xiàn)在較高高度上，且從低頻段延伸到高頻段。午夜后高度擴展F 出現(xiàn)的高度明顯降低，頻段擴展范圍明顯減小，主要發(fā)生在低頻段。其出現(xiàn)時間與電離層閃爍出現(xiàn)時間基本對應。

圖4 海南數(shù)字測高儀 DPS4 觀測到的等離子體漂移速度、底部F 層最小虛高h'F 以及擴展 F 的變化Fig.4 Variation of the plasma drift velocity,the minimum virtual height of bottomside F layer (h'F) and spread F observed by Hainan digisonde DPS4

從以上結果可以看出，海南臺站的不同探測手段都觀測到了當天夜間發(fā)生的罕見長時間持續(xù)的電離層F 區(qū)不規(guī)則體事件，持續(xù)時間近8 h。但這些不同探測手段觀測到的電離層不規(guī)則體存在明顯的形態(tài)差異。雷達觀測到的電離層不規(guī)則體在午夜前明顯強于午夜后，電離層閃爍在午夜附近明顯增強。而高度擴展F 在午夜前后發(fā)生高度和頻率擴展范圍也存在明顯的不同，午夜前明顯強于午夜后。

2.2 東南亞區(qū)域觀測

2.2.1 GPS TEC 起伏觀測

電離層不規(guī)則體活動可導致GPS TEC 快速起伏。GPS TEC 起伏通常由ROTI 指數(shù)來反映。圖5給出了當天夜間東南亞8 個GPS 站TEC 起伏的結果。在計算ROTI 指數(shù)時，將衛(wèi)星最小仰角限制在20°，TEC 起伏的閾值設為0.3。從圖5 的結果可以看出，處于海南臺站西側磁赤道區(qū)附近的GPS 站（HAV2 和CUSV）出現(xiàn)弱TEC 起伏活動，可持續(xù)出現(xiàn)于日落到午夜后期間（19:00-02:00 LT）。處于海南經(jīng)度區(qū)南北異常峰區(qū)附近區(qū)域的GPS 站（JOG2，XMIS 和HKSL）出現(xiàn)明顯TEC 起伏活動。其中南半球JOG2 站的TEC 起伏在日落后至午夜附近明顯增強，在午夜后迅速減弱；而處于相對較高磁緯的XMIS 站的TEC 起伏活動出現(xiàn)時間明顯延遲，在午夜附近達到最強，午夜后到黎明附近仍存在弱TEC 起伏活動。與此相類似，北半球的HKSL 站的TEC 起伏活動也主要發(fā)生于午夜附近到午夜后。處于海南臺站東側區(qū)域的GPS 站（PIMO，CKSV和TWTF）的TEC 起伏活動明顯減弱，主要在日落后、午夜附近和午夜后短時間出現(xiàn)。

圖5 當天夜間東南亞 8 個 GPS 站 TEC 起伏的變化及每個站點的緯度和經(jīng)度（不同曲線為接收到的不同衛(wèi)星信號）Fig.5 Variation of TEC fluctuations of eight GPS sites in Southeast Asia that night,and the latitude and longitude of each site (Different curves are different satellite signals received)

綜上結果可以看出，不同區(qū)域觀測到的電離層不規(guī)則體活動存在明顯的差異，處于海南臺站西側磁赤道區(qū)附近的TEC 起伏活動相對較弱，處于海南臺站東側區(qū)域的TEC 起伏活動明顯減弱和消失。處于海南臺站經(jīng)度區(qū)南北異常峰附近的TEC 起伏活動在日落后到午夜附近明顯增強，在午夜后明顯減弱。這些TEC 起伏活動與海南站電離層閃爍和擴展F 等不規(guī)則體活動存在明顯的聯(lián)系。

2.2.2 C/NOFS 衛(wèi)星觀測

通信/導航中斷預測系統(tǒng)（C/NOFS）衛(wèi)星傾角較低，可以在很大的經(jīng)度范圍內(nèi)沿磁赤道或接近磁赤道飛行，可以在多個軌道上重復探測相同的經(jīng)度區(qū)域。隨著太陽活動的增加，電離層F 區(qū)高度上移，以及C/NOFS 衛(wèi)星軌道高度的衰減，C/NOFS 在晚間區(qū)域通常低于F 峰高度，可以探測到F 區(qū)的等離子體泡，使得能夠研究底部不規(guī)則體的產(chǎn)生和演化[13,14]。

圖6 給出了C/NOFS 衛(wèi)星當天10:00-22:30 UT之間8 次穿磁赤道區(qū)時IVM 所探測的離子參數(shù)（離子溫度、速度和密度）和衛(wèi)星軌道參數(shù)（緯度和高度）的變化。其中，豎線與海南臺站的經(jīng)度相對應，圖中的多個橫軸坐標表示了衛(wèi)星穿越該經(jīng)度區(qū)時的世界時、地方時、高度和緯度。vmer，vzon和vpar代表了磁坐標系中離子漂移速度的3 個分量。vmer是徑向離子漂移速度（向上為正），由于C/NOFS 靠近磁赤道區(qū)，vmer接近于離子垂直漂移，vzon和vpar分別為緯向（實線，向東為正）和平行（虛線，向北為正）離子漂移速度。將IVM 的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制設置為不大于4，以確保得到高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。從圖6 可以看出，當C/NOFS 衛(wèi)星依次穿越東亞磁赤道區(qū)時，其軌跡緯度從-12°到10°逐漸北移，午夜前基本處于磁緯-20°以外，午夜后逐漸從南異常峰區(qū)外移動到磁赤道附近。衛(wèi)星高度在午夜前由500 km 逐漸降到400 km 附近，午夜后基本處于400 km 以下及其附近高度，接近F 峰附近區(qū)域。

圖6 C/NOFS 衛(wèi)星當天夜間穿磁赤道區(qū)時所探測的離子參數(shù)（離子溫度、速度和密度）和衛(wèi)星軌道參數(shù)（緯度和高度）的變化Fig.6 Variation of ion parameters (temperature,velocity and density) and satellite orbit parameters (latitude and altitude) detected by C/NOFS satellite when it crosses the magnetic equatorial region at night

與此對應，當C/NOFS 在日落到午夜前4 次穿越東南亞區(qū)域時，其衛(wèi)星軌跡位于南異常峰區(qū)外的較高磁緯區(qū)，且處于較高高度，在通過海南臺站經(jīng)度區(qū)時，幾乎沒有探測到任何明顯的等離子體泡。但午夜前21:00-23:00 LT 期間通過海南臺站西側經(jīng)度區(qū)，探測到了明顯增強的等離子體密度和泡結構，以及向上等離子體垂直漂移的明顯增強和波狀擾動。而處于南北異常峰區(qū)附近的GPS 站在此期間，探測到了明顯的TEC 起伏活動，近赤道區(qū)的GPS 站也探測到了弱的TEC 起伏活動，而海南臺站則發(fā)生了明顯的VHF 雷達回波、電離層閃爍和高度擴展F。

C/NOFS 衛(wèi)星在午夜附近到次日黎明期間也有4 次穿越東南亞區(qū)，其衛(wèi)星軌跡處于較低磁緯區(qū)，逐漸接近于磁赤道，且處于較低高度。在午夜后到凌晨04:00 LT 附近，探測到了明顯增強的等離子體密度和等離子體泡準周期結構，但對應的向上等離子體垂直漂移沒有明顯的變化。在凌晨04:00 LT 附近及其后探測到向上等離子體垂直漂移明顯增加，背景等離子體密度明顯減小，以及強等離子體泡準周期結構出現(xiàn)。這些等離子體準周期結構與東南亞各GPS 站的TEC 起伏以及海南站的VHF 雷達回波，電離層閃爍以及高度擴展F 存在明顯的對應關系。

從圖6 中的海南臺站（豎線）相對等離子體準周期結構的位置可以看出，海南臺站幾乎總是處于等離子體泡準周期結構的東側區(qū)域，等離子體泡及準周期結構看起來產(chǎn)生于海南西側的磁赤道低緯區(qū)。這些準周期結構向夜間的漂移及沿磁力線的擴展，最終導致東南亞赤道低緯區(qū)電離層不規(guī)則體的發(fā)生。

2.2.3 SWARM 星座觀測

SWARM 星座的三顆衛(wèi)星在黎明附近（20:00-22:30 UT），分別在不同時間、不同高度穿越海南臺站兩側的磁赤道區(qū)。如圖7 所示，當SWARM 星座在20:00-21:00 UT 之間先后穿越海南臺站東側經(jīng)度區(qū)域時，衛(wèi)星B 比衛(wèi)星A 和C 早 20 min 通過，衛(wèi)星A和C 同步，其中衛(wèi)星 A 最靠近海南臺站。處于較低高度上的衛(wèi)星A 和C 觀測到了明顯的赤道異常雙峰結構，其中北異常峰更強。而處于較高高度且距離海南臺站較遠的衛(wèi)星B 觀測的赤道異常雙峰結構明顯減弱，3 顆衛(wèi)星在低緯赤道區(qū)幾乎沒有觀測到任何等離子體密度泡結構的出現(xiàn)。當SWARM 星座在21:50-22:30 UT 之間穿越海南臺站西側經(jīng)度區(qū)域時，距離海南臺站最近較高高度上的衛(wèi)星B 觀測到了相對較為明顯的赤道異常雙峰結構，且在南北異常峰附近觀測到了弱等離子體密度泡結構，而稍后出現(xiàn)的較低高度上距離海南臺站較遠的衛(wèi)星A 和C 觀測到了明顯的南北異常峰不對稱性，南赤道異常峰幾乎完全消失，且沒有觀測到明顯的等離子體密度泡結構。衛(wèi)星前后兩次穿越磁赤道區(qū)時的地方時幾乎完全相同。從以上分析可以推斷，在黎明附近，海南臺站所在的經(jīng)度區(qū)附近仍舊存在較強的赤道異常雙峰結構，且西側異常峰區(qū)附近仍存在明顯的等離子體密度泡結構，對海南臺站的電離層不規(guī)則體活動仍持續(xù)產(chǎn)生影響。

圖7 SWARM 星座在黎明附近穿越海南臺站兩側的磁赤道區(qū)時探測到的等離子體密度/泡結構變化Fig.7 Changes in plasma density/ bubble structure detected by SWARM constellation when it crosses the magnetic equatorial region on both sides of Hainan station near dawn

2.2.4 射出長波輻射觀測

熱帶對流活動可以通過衛(wèi)星接收到的地球射出長波輻射（OLR）的測量結果來反映[15,16]。內(nèi)插OLR數(shù)據(jù)是在給定經(jīng)度的白天和夜間衛(wèi)星通過期間進行OLR 測量的平均值，并組合成網(wǎng)格大小為2.5°經(jīng)緯度的陣列。通過給OLR 強度設置一個合理的閾值（例如230 W·m-2或更小的值），可以區(qū)分對流和非對流活動區(qū)域。圖8 給出了2014 年7 月28 日當天東南亞區(qū)域附近的OLR 強度圖。其中OLR 強度越小的區(qū)域對應的對流活動越強。從圖8 的結果可以看出，藍色區(qū)域對應的輻射強度小于200 W·m-2，可看作是熱帶輻合帶（ITCZ）的覆蓋范圍，其中藍色最深部分的輻射強度小于150 W·m-2，主要處于印度，中南半島，和菲律賓附近的西太平洋磁赤道區(qū)附近（磁緯處于0°-10°）。這些對流活動最強的區(qū)域即對應中尺度對流單體/復合體（MCC），大部分重力波產(chǎn)生于MCC[2,7]。實際上，東南亞及其附近區(qū)域也是當天全球赤道區(qū)對流活動最強的區(qū)域，其他經(jīng)度區(qū)域的對流活動明顯減弱或幾乎沒有。其中，海南臺站西側近磁赤道的中南半島的MCC 也是附近幾天中最明顯的，其所激發(fā)的大氣重力波與地磁場很容易滿足GWBA 條件，進而引發(fā)等離子體種子擾動LSWS[17]，從而導致海南和南海低緯等離子體泡及其準周期結構的出現(xiàn)。

圖8 2014 年 7 月 28 日東南亞區(qū)域附近的 OLR 強度（OLR 強度越小的區(qū)域，對應的對流活動越強）Fig.8 OLR intensity map near Southeast Asia on 28 July 2014 (The smaller the OLR intensity,the stronger the corresponding)

2.3 分析與討論

Carter等[18]和Ajith等[19]分別利用其他觀測數(shù)據(jù)對2014 年7 月28 日晚發(fā)生在東南亞地區(qū)的非季節(jié)性日落后赤道F 區(qū)不規(guī)則（EFI）事件進行了研究，認為東南亞上空強烈的日落反轉前增強（PRE）引起的等離子體垂直漂移導致了赤道F 層大幅升高和日落后EPB 的產(chǎn)生，強調(diào)了來自低層大氣波動的影響，潮汐/行星波可能是當天在東南亞地區(qū)發(fā)生的強PRE 和隨后EPB/EFI 活動的潛在原因。但潮汐或行星波將期望顯示出更大尺度，甚至是全球的效應。而從本文的OLR 數(shù)據(jù)分析表明，當天赤道區(qū)的強對流活動主要發(fā)生于東南亞附近區(qū)域，其他赤道區(qū)對流活動很弱甚至沒有。這種強對流活動看起來更容易產(chǎn)生大氣重力波。

從本文的分析可以看出，C/NOFS 在日落后到午夜期間，在海南臺站西側區(qū)域，觀測到了明顯增強的向上等離子體漂移和波狀擾動，以及隨后的等離子體泡準周期結構，這些準周期結構甚至可以持續(xù)到后半夜。在黎明附近伴隨海南經(jīng)度區(qū)附近向上等離子體漂移的明顯增強，等離子體密度明顯減弱，等離子體泡準周期結構明顯增強。海南臺站的多種觀測也表明，電離層不規(guī)則體可間歇性出現(xiàn)，甚至持續(xù)到黎明附近。這些等離子體泡準周期結構與間歇性電離層不規(guī)則體的出現(xiàn)很難僅用垂直等離子體漂移增強（PRE）來獲得滿意的解釋，而需要考慮大氣重力波引發(fā)等離子體種子擾動（例如LSWS）來獲得更為合理的解釋。

在此次夏季事件發(fā)生期間，熱帶輻合帶（ITCZ）基本處于北側磁赤道區(qū)附近（磁緯處于0°-10°之間），其中對流活動最強的MCC 主要出現(xiàn)于印度，中南半島和菲律賓附近的西太平洋區(qū)，是大氣重力波的主要產(chǎn)生區(qū)域，其中處于海南臺站西側、且距離其最近的中南半島MCC 是附近幾天中最明顯的，其所激發(fā)的大氣重力波向上傳播到達低熱層。由于ICTZ和MCC 接近磁赤道區(qū)，大氣重力波相位波前與地磁場（B）易于滿足GWBA 的條件。當大氣重力波緯向傳播時，中性風場擾動可通過中性離子耦合過程（例如極化響應）轉移到等離子體中，進而產(chǎn)生等離子體種子擾動LSWS[17]。

在日落附近產(chǎn)生的LSWS 與向上垂直等離子體漂移增加及F 區(qū)高度上升的相互作用，導致海南西側磁赤道區(qū)附近主等離子體泡的產(chǎn)生。在隨后夜間F 層高度下降階段，LSWS 中上涌西側墻與緯向（東向）中性風的相互作用，導致二次等離子體泡的形成[2]。這些等離子體泡沿著地磁場（B）向赤道兩側低緯區(qū)擴散，及其隨背景電離層向東漂移，導致東南亞低緯區(qū)電離層不規(guī)則體活動的發(fā)生。

日落后主等離子體泡會導致海南西側磁赤道區(qū)附近的GPS TEC 起伏活動，南側高磁緯區(qū)C/NOFS的強等離子體泡，以及海南臺站明顯電離層不規(guī)則體活動及南北異常峰區(qū)附近強GPS TEC 起伏活動的出現(xiàn)。隨后夜間的二次等離子體泡會導致C/NOFS等離子體泡準周期結構的出現(xiàn)，以及海南和東南亞區(qū)電離層不規(guī)則體活動的持續(xù)。在凌晨04:00 LT 附近及隨后，由于向上等離子體垂直漂移明顯增加及其與LSWS 的相互作用，導致海南臺站及其西側近磁赤道區(qū)C/NOFS 的等離子體準周期結構的增強，SWARM的南北赤道異常峰和等離子體泡結構的出現(xiàn)，對海南臺站的電離層不規(guī)則體活動仍持續(xù)產(chǎn)生影響。

結合本文衛(wèi)星和地基的觀測可以明顯看出，當天夜間東亞低緯區(qū)電離層不規(guī)則體活動主要發(fā)生于海南臺站及其西側經(jīng)度區(qū)附近，與海南西側中南半島的強對流活動（MCC）和重力波活動存在明顯的聯(lián)系。種子擾動不但影響到該區(qū)域夜間電離層不規(guī)則體的產(chǎn)生和發(fā)展，甚至對黎明附近海南西側經(jīng)度區(qū)電離層不規(guī)則體活動持續(xù)產(chǎn)生影響。

3 結論

利用海南臺站（19.5°N，109.1°E，dip: 13.6°N）和東南亞區(qū)的多種地基和天基觀測手段，對在2014 年7 月28 日夜間觀測到的東亞低緯F 區(qū)不規(guī)則體事件時空變化及其物理過程進行了分析。主要分析結果如下。

（1）海南臺站觀測到了罕見的長時間持續(xù)的F 區(qū)電離層不規(guī)則體發(fā)生，從日落后到次日黎明附近，持續(xù)時間近8 h，不同手段觀測到的電離層不規(guī)則體存在明顯的形態(tài)差異。雷達回波在午夜前明顯強于午夜后，電離層閃爍在午夜附近明顯增強。而高度擴展F 在午夜前后的發(fā)生高度和頻率擴展范圍也存在明顯的不同。

（2）不同臺站觀測到的電離層不規(guī)則體活動存在明顯的差異，處于海南臺站西側磁赤道區(qū)附近的TEC起伏活動相對較弱，而海南臺站東側區(qū)域的TEC 起伏活動明顯減弱和消失，尤其是在異常峰區(qū)附近。處于海南臺站經(jīng)度區(qū)南北異常峰附近的TEC 起伏活動在午夜前明顯增強，在午夜后明顯減弱。

（3）C/NOFS 衛(wèi)星在穿越東南亞區(qū)時的觀測結果明顯受到衛(wèi)星磁緯和高度的影響。午夜前衛(wèi)星軌跡處于較高磁緯和較高高度，幾乎很難探測到明顯等離子體密度擾動/泡的發(fā)生，與該區(qū)域地基觀測的強電離層不規(guī)則體活動明顯不符。午夜后衛(wèi)星軌跡逐漸接近于磁赤道，且處于較低高度上，幾乎總會觀測到弱等離子體擾動/泡的發(fā)生，與該區(qū)域地基觀測的弱電離層不規(guī)則體活動有明顯的聯(lián)系。

（4）衛(wèi)星和地基的觀測表明，電離層不規(guī)則體活動主要發(fā)生于海南臺站及西側的經(jīng)度區(qū)，海南東側的經(jīng)度區(qū)的電離層不規(guī)則體活動明顯減弱或消失。

（5）衛(wèi)星長波輻射（OLR）數(shù)據(jù)結果表明，東亞磁赤道區(qū)附近存在明顯的對流層強對流活動（MCC）.海南臺站西側磁赤道附近中南半島MCC 激發(fā)的重力波種子擾動對當天夜間東亞低緯區(qū)等離子體泡及其準周期結構的產(chǎn)生可能發(fā)揮了重要作用。

對于至季期間東亞低緯區(qū)對流層強對流種子擾動對該區(qū)域電離層不規(guī)則體的產(chǎn)生和發(fā)展的研究有待深入觀測和理論分析。

致謝使用了國家重大科技基礎設施項目子午工程、國際GPS 服務網(wǎng)（IGS），NOAA，C/NOFS 和SWARM 衛(wèi)星的科學數(shù)據(jù)。