于婷婷, 任志鵬*, 蔡旭光, 李韶陽

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2 北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站, 北京 100029 3 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049 4 科羅拉多大學(xué)博爾德分校大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室, 博爾德 80304

0 引言

近幾十年來,人們一直致力于地磁暴期間電離層和熱層參量變化的研究.在地磁暴期間,正電離層和負(fù)電離層響應(yīng)都在特定位置被觀測到(Mendillo, 2006; Yizengaw et al., 2006; Liu and Wan, 2018; Zhai et al., 2023).其中一種典型的電離層結(jié)構(gòu),即舌狀電離結(jié)構(gòu)(Tongue of Ionization, TOI)通常出現(xiàn)在磁暴期間的亞極光區(qū),它是一種從日側(cè)極光區(qū)延伸到夜側(cè)極蓋區(qū)并在夜側(cè)被拉長的等離子體密度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(Sato, 1959).TOI結(jié)構(gòu)通常由于磁暴期間高度變化的能量和動(dòng)量沉降而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化(Liu et al., 2016).Burns等(2004)指出離子漂移在極蓋區(qū)存在反向陽方向并輸運(yùn)共轉(zhuǎn)通量管.通量管從下午高電子密度區(qū)域被傳輸?shù)揭箓?cè)極光卵區(qū),TOI結(jié)構(gòu)就是在這樣的通量管作用下對流輸運(yùn)高密度等離子體而形成的(Schunk and Nagy, 2000).TOI可以是連續(xù)的結(jié)構(gòu)也可以是離散的斑塊,它已經(jīng)通過觀測和理論模型被大量研究(Burn et al., 2004; Foster et al., 2005; Liu et al., 2016; Klimenko et al., 2019; Schunk and Nagy, 2000).

熱層對磁暴的響應(yīng)通常通過主要的熱層成分(原子氧(O)、分子氮(N2)和分子氧(O2))以及O與N2柱密度比(ΣO/N2)來進(jìn)行研究(Burns, et al., 1995a,b; Crowley and Meier, 2008; Cai et al., 2020, 2021, 2023; Zhang et al., 2003, 2004, Yu et al., 2021a,b, 2022a,b).∑O/N2定義為從天頂向下垂直積分的O柱密度與N2柱密度的比值,底部積分高度是N2柱密度值為1017cm-2時(shí)對應(yīng)的高度,大約在140 km高度附近(Strickland et al., 1995).我們利用診斷方程對磁暴期間成分變化的物理機(jī)制進(jìn)行了分析(Burns et al., 2006; Cai et al., 2020, 2021, 2022c; Yu et al., 2021b).主要擾動(dòng)過程和機(jī)制總結(jié)如下:磁暴期間,極區(qū)磁層注入到大氣的能量、動(dòng)量和物質(zhì)都急劇增加,導(dǎo)致高緯對流電場的強(qiáng)度增加,從而驅(qū)動(dòng)等離子體對流,增強(qiáng)了極區(qū)焦耳加熱和上層大氣溫度(Burns et al., 1995b).驅(qū)動(dòng)高緯地區(qū)的上升流(upwelling)作用,引起成分的垂直輸運(yùn),導(dǎo)致O2和N2分子比例的增加,減小氧氮比(O/N2).溫度的增加改變水平壓力梯度,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)向赤道方向的熱層中性風(fēng)場擾動(dòng)(Pr?lss, 2011),導(dǎo)致成分?jǐn)_動(dòng)向低緯度的水平輸運(yùn),就形成了全球尺度的熱層暴.因此,高緯成分變化主要受水平輸運(yùn)和垂直輸送的影響,在中低緯度地區(qū),成分?jǐn)_動(dòng)的發(fā)生和演化主要由水平輸運(yùn)決定(Bruinsma et al.,2006;Yu et al.,2021a).而水平風(fēng)通過影響水平輸送項(xiàng)在磁暴期間成分?jǐn)_動(dòng)中起著重要作用(Yu et al., 2022a).

類比TOI結(jié)構(gòu),Burns等(2004)定義了發(fā)生在磁暴期間的舌狀中性結(jié)構(gòu)(Tongue of Neutral Composition, TON),指的是暴時(shí)引起的高密度O/N2氣團(tuán)從日側(cè)穿過極蓋被輸運(yùn)到夜側(cè).由于熱層觀測的限制,與TOI相比,對TON的研究極為稀少.Burns等(2004)利用熱層-電離層嵌套網(wǎng)格模型(TING)模擬研究了約300 km高度上TON結(jié)構(gòu)的形成和機(jī)制,并表明了中性對流模式對這個(gè)結(jié)構(gòu)形成的重要性.Burns等(2004)指出,TON結(jié)構(gòu)的形成方式與TOI的類似,但是通常TON結(jié)構(gòu)比TOI要弱一些,并且在極區(qū)延伸的距離要短,形成時(shí)間則更長,這主要是由于跨極區(qū)的中性風(fēng)比跨極區(qū)離子漂移更弱,并且需要更長的時(shí)間來建立.Liu等(2016)也利用TIEGCM模型在2015年3月17日這次磁暴事件中模擬再現(xiàn)了TON結(jié)構(gòu).這種物理模型模擬的TON結(jié)構(gòu)在2019年5月11日的磁暴期間,第一次被GOLD成像儀(Eastes et al.,2020)通過ΣO/N2的二維圖像觀測到(Cai et al., 2021).Cai等(2021)認(rèn)為,TON是被兩個(gè)ΣO/N2暴時(shí)降低區(qū)夾在中間的ΣO/N2增加區(qū)域.TON結(jié)構(gòu)的形成是由于來自低緯度地區(qū)的極向中性風(fēng)攜帶了高密度ΣO/N2氣團(tuán),并分離了一個(gè)大尺度的ΣO/N2衰減區(qū)域而形成的結(jié)構(gòu).這種發(fā)生在磁暴期間的極向風(fēng)區(qū)別于一般的赤道向的風(fēng)場對流模式,在以往的觀測和模擬中也有被提及到,如Fejer(2002)和Zhang等(2015)利用Millstone Hill(42.6°N,71.5°W)Fabryperot干涉儀(FPI)的風(fēng)場測量結(jié)果表明,磁暴引起的極向中性風(fēng)可以持續(xù)幾個(gè)小時(shí).Zhang等(2015)認(rèn)為,在亞極光極化流驅(qū)動(dòng)下,離子流會導(dǎo)致西向中性風(fēng)的形成,而后在科里奧利力作用于該西向風(fēng)形成了觀測到的極向中性風(fēng).

然而通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),之前對TON的研究集中在固定壓力面上O/N2結(jié)構(gòu)的二維變化,而沒有關(guān)注TON結(jié)構(gòu)中O/N2在垂直方向上的變化.而我們知道,在磁暴期間,熱層環(huán)流會導(dǎo)致熱層成分?jǐn)_動(dòng)的高度差異(Yu et al., 2021a).并且之前的研究中仍有許多未解決的問題:(1)形成TON結(jié)構(gòu)的低緯地區(qū)的O/N2增強(qiáng)是如何發(fā)生的?(2)在低緯O/N2暴時(shí)增強(qiáng)區(qū)域內(nèi),導(dǎo)致向西的水平風(fēng)轉(zhuǎn)為極向的水平風(fēng)的作用力是什么?它們在熱層不同高度都是一樣的嗎?(3)這些作用力是如何驅(qū)動(dòng)極向風(fēng)在磁暴期間的變化?因此,基于前期對TON結(jié)構(gòu)以及極向風(fēng)場的研究,本文利用不同壓力面下O和N2數(shù)密度比(O/N2),對TON結(jié)構(gòu)的垂直變化進(jìn)行進(jìn)一步探討.在2020年4月20日磁暴的恢復(fù)相階段,GOLD在第112天(day of year, DOY 112)觀測到日間∑O/N2增強(qiáng)結(jié)構(gòu).TIEGCM定性地再現(xiàn)了這個(gè)ΣO/N2增強(qiáng)結(jié)構(gòu).并且我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)被觀測和模擬到的經(jīng)度范圍較大的ΣO/N2增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)被耗散的TON結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)可以追溯到DOY 111上發(fā)生的經(jīng)度分布范圍較窄的TON結(jié)構(gòu).因此我們利用TIEGCM模擬對其模擬到的TON結(jié)構(gòu)的形成和演化以及可能的物理機(jī)制進(jìn)行研究.

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 GOLD

GOLD儀器搭載于SES-14通信衛(wèi)星上,該衛(wèi)星于2018年1月25日發(fā)射,位于47.5°W經(jīng)度的地球靜止軌道上.GOLD遠(yuǎn)紫外(FUV)成像儀是該衛(wèi)星上唯一的科學(xué)儀器,該成像儀對134～162 nm范圍內(nèi)的氣輝進(jìn)行測量,其中包括分辨率為0.2 nm的日間OI 135.6 nm和N2LBH波段,(Eastes et al., 2020; Correira et al., 2021),以及分辨率為0.4 nm的夜間OI 135.6 nm波段(Eastes et al., 2017; Cai et al., 2022a,b).其中日間OI 135.6 nm和N2LBH波段氣輝可以反演得到日間ΣO/N2數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)度范圍為120°W—20°E,緯度范圍大約在南北緯60°之間,每天觀測的世界時(shí)范圍為6∶10—22∶40 UT.在本次研究中,我們利用的是北半球GOLD觀測到的空間分辨率為2°×2°的ΣO/N2數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)的測量誤差約在5%～10%之間(Eastes et al., 2020; Correira et al., 2021).

1.2 TIEGCM

TIEGCM是綜合性的、第一性原理、三維非線性表示形式的熱層-電離層電動(dòng)力學(xué)耦合環(huán)流模式,用于自洽的求解耦合的熱層-電離層系統(tǒng)的連續(xù)性、動(dòng)量、能量和電動(dòng)力學(xué)方程(Qian et al., 2014; Richmond et al., 1992; Roble et al., 1988).TIEGCM為球坐標(biāo),水平方向的坐標(biāo)使用緯度和經(jīng)度網(wǎng)格,垂直方向上為壓力坐標(biāo)系.壓力面定義為z=ln(P0/P),P0是參考壓強(qiáng)(P0=5×10-4μb),P是壓強(qiáng).模型的垂直范圍約為97～600 km高度,具體高度與太陽活動(dòng)水平有關(guān).在這項(xiàng)研究中,我們使用TIEGCM 2.0版本,其中Weimer經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Weimer,2005)提供高緯輸入,該輸入由分辨率為5 min的觀測行星際磁場(interplanetary magnetic field,IMF)和太陽風(fēng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng).模型的下邊界是根據(jù)月潮汐氣候?qū)W確定的(Hagan and Forbes, 2002, 2003),沒有考慮到潮汐的逐日變化.我們使用的TIEGCM模型的空間分辨率為1.25°×1.25°×0.25標(biāo)高(Dang et al., 2021).每5 min保存一次模型輸出.

2 結(jié)果

2.1 地磁條件

本文選取2020年4月19日—21日(DOY 110-112)發(fā)生的磁暴事件,圖1顯示了地磁指數(shù)AE,Kp,Dst,太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7p以及行星際磁場(IMF)指數(shù)By和Bz從2020年DOY 110到DOY 112期間隨時(shí)間的分布情況.在DOY 110期間,各個(gè)地磁指數(shù)量級都相對較低,因此這一天可以作為靜日參考.Dst指數(shù)表明,該磁暴從DOY 111的約2.5 UT開始,Dst指數(shù)量級增加,磁暴初相持續(xù)了約6個(gè)小時(shí).在此階段,AE指數(shù)快速上升和下降,最大達(dá)到600 nT.磁暴主相開始于DOY 111的約9 UT,在此期間AE和Kp指數(shù)分別達(dá)到最大值1500 nT和5-.Dst指數(shù)在約13 UT時(shí)達(dá)到了最小值-90 nT,這意味著主相段持續(xù)了約4個(gè)小時(shí)(DOY 111,約9—13 UT).在此期間,By大多為正,Bz保持向南(負(fù)),最大量級都約為15 nT.磁暴恢復(fù)相開始于DOY 111的約13 UT,Dst和AE指數(shù)量級都開始減小,在DOY 111的約17 UT后AE指數(shù)接近于零,并一直持續(xù)到DOY 112的約12 UT,在DOY 112的約12 UT以后,AE指數(shù)存在一個(gè)接近600 nT的峰值.在DOY 111的22 UT后Dst指數(shù)接近于零,在DOY 112的12 UT時(shí)Dst指數(shù)絕對值又增加到30 nT,之后又逐漸恢復(fù).在此次磁暴恢復(fù)相期間,IMFBy也在DOY 111結(jié)束時(shí)降至接近零,然后轉(zhuǎn)為負(fù)值并一直持續(xù)到DOY 112的12 UT.IMFBz從DOY 111的13 UT時(shí)轉(zhuǎn)為北向(正值),量級持續(xù)增加并在DOY 111結(jié)束時(shí)增加到10 nT,然后開始下降,在DOY 112的12 UT后,IMFBy和Bz都逐漸恢復(fù).在此次磁暴期間,太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7p的變化小于1%,因此可以排除太陽活動(dòng)對熱層成分的影響.本文我們重點(diǎn)關(guān)注從DOY 111的13 UT開始到DOY 112的12 UT的磁暴恢復(fù)階段熱層的擾動(dòng)情況.

圖1 (a) AE(黑線)指數(shù)和F10.7p(藍(lán)線)指數(shù)從2020年DOY 110到DOY 112期間的變化; (b) Dst(藍(lán)線,藍(lán)色虛線為 Dst零值)指數(shù)和3小時(shí)Kp(黑線)指數(shù)變化; (c) IMF By(黑線)和Bz(藍(lán)線)變化,黑色虛線是By和Bz的零值Fig.1 (a) The variations of Auroral electrojet (AE) (black line) and F10.7p (blue line) indices from DOY 110 to DOY 112 in 2020; (b) The second panel is hourly Dst (blue line, blue dashed line is the zero value of Dst index) and the 3-h Kp (black line) and indices; (c) The By (black line) and Bz (blue line). The black dashed line is the zero value of By and Bz

2.2 觀測和模擬的ΣO/N2舌狀中性結(jié)構(gòu)

DOY 110作為靜日參考,我們將DOY 110和DOY 111(DOY 112)的ΣO/N2數(shù)值差除以DOY 110的ΣO/N2值,得到ΣO/N2的暴時(shí)百分比變化.圖2顯示了GOLD觀測(左列)和TIEGCM模擬(右列)的DOY 112和110的ΣO/N2暴時(shí)百分比變化在10.37 UT,11.37 UT,12.37 UT,13.37 UT,14.37 UT和15.37 UT的經(jīng)緯度分布,z=-1.5壓力面上水平風(fēng)變化疊加在TIEGCM模擬結(jié)果上,黑色虛線表示GOLD觀測范圍.

在10.37 UT,在中緯地區(qū)(約20°N—50°N)經(jīng)度范圍約為40°W—20°E,以及低緯地區(qū)(約0°—20°N)經(jīng)度范圍約為60°W—20°E兩個(gè)區(qū)域內(nèi)觀測到ΣO/N2的暴時(shí)增強(qiáng).增強(qiáng)的最大量級約為15%.而ΣO/N2的暴時(shí)衰減出現(xiàn)在GOLD觀測范圍的其他區(qū)域,量級約為20%.隨著GOLD觀測范圍的西向擴(kuò)展,低緯區(qū)域(0°—～20°N)ΣO/N2的暴時(shí)增強(qiáng)的西部邊界從10.37 UT的60°W向西擴(kuò)展到13.37 UT的110°W,ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)的此經(jīng)度范圍一直持續(xù)到15.37 UT.ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)的量級在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)有少量增加,從13.37 UT至15.37 UT約為20%.中緯地區(qū)(約20°N—50°N)ΣO/N2的暴時(shí)增強(qiáng)的經(jīng)度范圍在14.37 UT和15.37 UT隨著緯度的增加有所收縮,同時(shí)中緯地區(qū)ΣO/N2的暴時(shí)衰減的經(jīng)度范圍也隨著緯度增加而有所增加,在14.37 UT和15.37 UT的經(jīng)度范圍擴(kuò)展到100°W—10°W,其量級變化不大,依然約為20%.

圖2右列的模擬結(jié)果顯示,在GOLD觀測的范圍內(nèi),TIEGCM模擬到了與觀測結(jié)果地理位置分布類似的ΣO/N2的暴時(shí)增強(qiáng)和衰減現(xiàn)象,但是量級有所差別.模擬的ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)的量級從10.37 UT的25%下降到15.37 UT的15%.在此期間,ΣO/N2暴時(shí)衰減的量級基本都保持在15%左右.從10.37 UT到12.37 UT,ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)水平風(fēng)是向極區(qū)方向的,范圍大約在10°N—60°N的中低緯以及60°W—30°E經(jīng)度范圍內(nèi),極向風(fēng)把ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)輸運(yùn)到更高緯度.12.37 UT之后,水平風(fēng)速逐漸減小,向西的水平風(fēng)在結(jié)構(gòu)中起主導(dǎo)作用,導(dǎo)致ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)向西輸運(yùn)和進(jìn)一步消散.我們知道觀測和模擬的結(jié)果必定存在一些差異,這可能是由于模式運(yùn)行時(shí)輸入?yún)?shù)的不確定性導(dǎo)致的,如高緯輸入?yún)?shù)與實(shí)際地磁驅(qū)動(dòng)力之間有差異,以及由潮汐逐日變化帶來的潛在影響等都會導(dǎo)致觀測和模擬結(jié)果的不同.但是在此次磁暴過程,該模式定性地呈現(xiàn)了中緯度地區(qū)觀測到的ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)象,因此我們可以利用模擬進(jìn)一步揭示該ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)象的形成和演化.

現(xiàn)在我們追溯在DOY 112這一天觀測和模擬到的ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是如何產(chǎn)生的.圖3呈現(xiàn)了北半球從DOY 111的13 UT到DOY 112的11 UT這一時(shí)間段內(nèi)ΣO/N2暴時(shí)百分比變化的極區(qū)圖,同樣疊加z=-1.5壓力面上水平風(fēng)變化在成分的擾動(dòng)上.綠色圓點(diǎn)對應(yīng)的經(jīng)緯度為64°N, 51°E.

圖3 北半球從DOY 111的13 UT到DOY 112的11 UT的ΣO/N2暴時(shí)百分比變化的極區(qū)圖 z=-1.5壓力面上的水平風(fēng)用黑色箭頭表示,灰色曲線表示ΣO/N2變化零值,綠色圓點(diǎn)經(jīng)緯度為64°N, 51°E.Fig.3 Polar view of the storm-quiet time percentage changes of ΣO/N2 in the NH from TIEGCM simulations at selected UTs on DOY 111 and DOY 112 The horizontal winds on the z=-1.5 pressure level are overlaid on the panels. In each panel the gray curves indicate the zero value; The green dots indicate the location of 64°N, 51°E.

在DOY 111的13 UT(圖3a),ΣO/N2的暴時(shí)衰減已經(jīng)擴(kuò)展到中高緯度的所有經(jīng)度,最大量級約為60%.此外,在這個(gè)時(shí)間,低緯地區(qū)(低于30°N)幾乎所有經(jīng)度上都存在ΣO/N2的暴時(shí)增強(qiáng).在14.5 UT(圖3b),一個(gè)小尺度的ΣO/N2的暴時(shí)增強(qiáng)出現(xiàn)在55°N—65°N緯度以及45°E—55°E經(jīng)度范圍內(nèi)(綠點(diǎn)附近),在這個(gè)結(jié)構(gòu)附近,13 UT中的大的ΣO/N2的暴時(shí)衰減(約40%)變?yōu)檩^小的降低(約10%).這表明TON結(jié)構(gòu)正在逐漸形成,如圖所示該結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)在下午.在這個(gè)時(shí)間,中性風(fēng)在這個(gè)結(jié)構(gòu)附近是向極方向的,具體來說呈現(xiàn)出西北風(fēng)向,可以把ΣO/N2的暴時(shí)增強(qiáng)的氣團(tuán)輸送到更高的緯度.隨著磁暴在恢復(fù)期的演化,在DOY 111的16 UT(圖3c),低緯地區(qū)ΣO/N2的增強(qiáng)也通過發(fā)生在低緯的極向風(fēng)的輸運(yùn)與發(fā)生在60°N附近ΣO/N2增強(qiáng)合并,然后,ΣO/N2的TON結(jié)構(gòu)在16 UT出現(xiàn)了連續(xù)的經(jīng)緯度分布,最大量級約為20%.該結(jié)構(gòu)目前跨越下午及夜間地方時(shí)(約16～20 LT),并繼續(xù)被輸運(yùn)到更高緯度,量級也有所增加.此次磁暴模擬得到的TON結(jié)構(gòu)形態(tài)與Burns等(2004)以及Cai等(2021)等報(bào)道的東北向TON結(jié)構(gòu)有所不同,該結(jié)構(gòu)的形態(tài)取決于向極風(fēng)的風(fēng)向.此外,Burns等(2004)以及Cai等(2021)報(bào)道的TON結(jié)構(gòu)主要發(fā)生在磁暴主相期間,而本文報(bào)道的TON結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)在磁暴恢復(fù)階段,而這也可能是導(dǎo)致TON結(jié)構(gòu)差異的原因,并且我們知道,磁暴期間熱層成分的擾動(dòng)形態(tài)與磁暴開始的時(shí)間、磁暴強(qiáng)度以及演化階段都有一定的相關(guān)性(Yu et al., 2021a).如圖所示,在19 UT(圖3d),該結(jié)構(gòu)最大的量級可以達(dá)到50%.此外,在這個(gè)TON結(jié)構(gòu)內(nèi),約75°N以上的高緯度水平風(fēng)的極向分量有所減少,而西向分量增加,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在經(jīng)度(東西)方向上的擴(kuò)展.在DOY 111的23 UT時(shí)(圖3e),TON結(jié)構(gòu)的最大量級下降至約30%,主要存在于夜間地方時(shí).圖3f—3i顯示,在DOY 112各時(shí)間段內(nèi),該結(jié)構(gòu)通過水平風(fēng)輸運(yùn)作用又被逐漸輸送到日間地方時(shí),其緯度分布也逐漸擴(kuò)大,量級有所降低,同時(shí)這個(gè)耗散的TON結(jié)構(gòu)被GOLD日間ΣO/N2觀測捕獲到(圖2).因此,圖2中觀測到的發(fā)生在DOY 112上ΣO/N2暴時(shí)增強(qiáng)其實(shí)是在DOY 111形成的TON結(jié)構(gòu)的耗散結(jié)果.

2.3 O/N2舌狀中性結(jié)構(gòu)的垂直分布

前文我們通過二維圖像了解了發(fā)生于本次磁暴的TON結(jié)構(gòu)的形態(tài)以及隨磁暴的演化,并且發(fā)現(xiàn)該TON結(jié)構(gòu)最先出現(xiàn)在51°E經(jīng)度(圖3綠點(diǎn))附近.因此圖4顯示了51°E經(jīng)度處的O/N2暴時(shí)百分比變化的緯度-壓力面分布結(jié)果.同樣,垂直風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的矢量變化疊加在成分?jǐn)_動(dòng)上,可以更好的呈現(xiàn)風(fēng)場對成分的影響.而暴時(shí)擾動(dòng)的垂直變化可以使我們更好地對發(fā)生在一個(gè)壓力面上擾動(dòng)的起源及其驅(qū)動(dòng)其擾動(dòng)的物理機(jī)制進(jìn)行更好的理解(Yu et al.,2021b).

圖4 從DOY 111的13 UT到18 UT TIEGCM模擬的經(jīng)度為51°E的O/N2暴時(shí)百分比變化的緯度-壓力面分布結(jié)果, 中性風(fēng)疊加在成分變化上 灰色曲線表示O/N2變化零值,水平白色虛線表示z=-1.5 (約160 km高度)和z=2 (約350 km高度)的壓力面.Fig 4 Latitude-pressure surface distributions of the storm-quiet time percentage changes in O/N2 at the longitude of 51°E from TIEGCM simulations at selected UTs on DOY 111. The neutral winds are overlaid on the panels In each panel the gray curves indicate the zero value; The horizontal white dashed lines identify the z=-1.5 (～160 km) and z=2 (～350 km) pressure levels.

在DOY 111的13 UT(圖4a),整個(gè)剖面的TON結(jié)構(gòu)都還沒有出現(xiàn).如圖4a所示,O/N2暴時(shí)增強(qiáng)首先出現(xiàn)在高熱層,然后逐漸向較低熱層擴(kuò)展.在14 UT(圖4b),O/N2暴時(shí)增強(qiáng)(約20%)擴(kuò)展到約z=-2的壓力面,緯度范圍在60°N—70°N.在該時(shí)間段內(nèi),O/N2暴時(shí)增強(qiáng)的量級隨高度沒有顯著變化.圖中顯示疊加在O/N2暴時(shí)結(jié)構(gòu)上的垂直風(fēng)的方向是向下的,這表明向下的垂直風(fēng)導(dǎo)致了高高度的O占比較高(相對于N2)的氣團(tuán)被輸運(yùn)到低高度,導(dǎo)致了O/N2的暴時(shí)增強(qiáng).因此,下沉流(垂直輸運(yùn))可能在TON結(jié)構(gòu)最初的形成中起主要作用.圖4c顯示,O/N2暴時(shí)增強(qiáng)在15 UT呈現(xiàn)出更寬的緯度分布.O/N2增強(qiáng)在高緯度的邊界擴(kuò)大到約75°N,如圖所示可以歸因于極向風(fēng)的輸運(yùn)作用.此外該O/N2增強(qiáng)在高緯度地區(qū)的底邊界延伸到了約z=-3壓力面.而圖4c中在45°N附近向下的垂直風(fēng)有所增加,導(dǎo)致該區(qū)域高高度O占比較高的氣團(tuán)的向下輸運(yùn)以及在z=0壓力面以上O/N2的暴時(shí)增強(qiáng).在16 UT(圖4d),O/N2在的暴時(shí)增強(qiáng)的量級在60°N左右有明顯的增加,且量級隨海拔高度的增加而增加.最大的量級在60°N的高高度地區(qū)可達(dá)到40%左右.與此同時(shí),在35°N附近的下沉風(fēng)導(dǎo)致了O/N2增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的緯向擴(kuò)展.量級在約30°N—50°N緯度范圍內(nèi)以及z=-1.5壓力面以上為20%左右.之后,O/N2的暴時(shí)增強(qiáng)在60°N附件繼續(xù)增加,在z=2壓力面以上的量級大于50%,并且極向風(fēng)將O/N2增強(qiáng)輸送到高緯度地區(qū),在17 UT達(dá)到80°N(圖4e),在18 UT達(dá)到85°N(圖4f).其他緯度(60°N附件之外)的O/N2增強(qiáng)量級約為30%.此外,在18 UT(4f)O/N2增強(qiáng)峰值區(qū)域也存在下沉風(fēng),導(dǎo)致其增加量級的進(jìn)一步增加,并且在靠赤道邊的O/N2增強(qiáng)結(jié)構(gòu)內(nèi)存在赤道向的風(fēng)場.但總的來說,極向風(fēng)驅(qū)動(dòng)的水平輸運(yùn)作用在不同高度O/N2的TON結(jié)構(gòu)后續(xù)演化中占主導(dǎo)地位.綜上,TON結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和緯度范圍有明顯的高度依賴性,并且隨磁暴演化不斷變化.

由于O和N2在磁暴期間具有符號相反量級相似的擾動(dòng)特征,并且驅(qū)動(dòng)擾動(dòng)的物理機(jī)制也是相同的(Yu et al., 2021b).我們這里僅呈現(xiàn)了O的診斷項(xiàng)(O質(zhì)量混合比Ψo的總時(shí)間變化率?Ψo/?t,垂直輸運(yùn),水平輸運(yùn),分子擴(kuò)散)的緯度-壓力面分布,湍流擴(kuò)散和化學(xué)產(chǎn)生和損失在磁暴期間的作用很小,因此基本可以忽略.具體的診斷方程可以參見Yu等(2021b),主要是分析公式左邊(?Ψo/?t)與右邊各個(gè)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)的量級與分布形態(tài)等確定各個(gè)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)的貢獻(xiàn),形態(tài)和量級與?Ψo/?t越接近,則表明該驅(qū)動(dòng)項(xiàng)作用越大.我們選取DOY 111的三個(gè)世界時(shí)(14 UT,16 UT,18 UT),同樣是51°E經(jīng)度的結(jié)果來分析TON結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)制.通過上述分析我們知道,在DOY 111形成的該TON結(jié)構(gòu)在磁暴的演化過程中被向西輸運(yùn),并在DOY 112被觀測和模擬捕獲.因此,我們選擇經(jīng)度為0°的結(jié)果在圖6中呈現(xiàn)在DOY 112期間各個(gè)診斷項(xiàng)的分布,以便分析該結(jié)構(gòu)在DOY 112期間演化過程中的物理機(jī)制.

圖5顯示,在14 UT,?Ψo/?t在中低緯度地區(qū)的形態(tài)和量級與垂直輸運(yùn)項(xiàng)類似,特別是在60°N附近對應(yīng)與TON結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)的位置(如圖4所示).?Ψo/?t和垂直輸運(yùn)在60°N附近的量級有明顯高度依賴性,大約在z=2的壓力面上存在變化的極大值.這一對比結(jié)果更加證實(shí)由下降流驅(qū)動(dòng)的垂直輸運(yùn)在O/N2的TON結(jié)構(gòu)的最初形成中起主要作用.圖5顯示,高緯度地區(qū)(70°N以上)水平輸運(yùn)項(xiàng)和?Ψo/?t的暴時(shí)變化形態(tài)和量級類似,因此該區(qū)域的成分?jǐn)_動(dòng)也受到水平輸運(yùn)的影響.在16 UT和18 UT,水平輸運(yùn)對于O/N2增強(qiáng)(正的?Ψo/?t變化)在60°N附近也變得比較重要.而垂直輸運(yùn)在中低緯度地區(qū)較為重要,其中16 UT在30°N附近向下垂直輸運(yùn)的作用對應(yīng)圖4d(16 UT)在該緯度附近又一O/N2增強(qiáng)的產(chǎn)生.如圖所示分子擴(kuò)散效應(yīng)在此期間的所有高度上的都相對較弱.因此,水平輸運(yùn)作用主導(dǎo)了TON結(jié)構(gòu)的后續(xù)向極區(qū)的擴(kuò)展.

圖5 O的總的時(shí)間變化率?Ψo/?t,垂直輸運(yùn),水平輸運(yùn),分子擴(kuò)散的暴時(shí)變化在51°E處的緯度-壓力面分布, 對應(yīng)世界時(shí)為DOY 111的14 UT,16 UT,18 UT 灰色曲線表示各項(xiàng)變化的零值,水平白色虛線表示z=-1.5 (約160 km高度)和z=2 (約350 km高度)壓力面.Fig.5 Latitude-pressure surface distributions of the storm-quiet changes in the total time rate of change of O (?Ψo/?t), horizontal advection, vertical advection and molecular diffusion at the longitude of 51°E from TIEGCM simulations at 14 UT, 16 UT, 18 UT on DOY 111 In each panel the gray curves indicate the zero value; The horizontal white dashed lines identify the z=-1.5 (～160 km) and z=2 (～350 km) pressure levels.

如前所述,TON結(jié)構(gòu)在DOY 112期間隨著磁暴的演化而被耗散,如圖6所示,在2 UT,?Ψo/?t在50°N—75°N緯度以及z=-3壓力面以上區(qū)域呈現(xiàn)的負(fù)的暴時(shí)變化主導(dǎo)了O/N2增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)(減小).圖中可以看出水平輸運(yùn)項(xiàng)的形態(tài)和大小與?Ψo/?t相似.此外,?Ψo/?t和水平輸運(yùn)項(xiàng)在50°N—75°N緯度范圍內(nèi)的暴時(shí)降低隨高度變化存在一個(gè)極大值,大約位于z=2的壓力面上.在5 UT,?Ψo/?t和水平輸運(yùn)項(xiàng)的降低存在一個(gè)緯度方向的擴(kuò)展,大約在40°N—90°N緯度范圍內(nèi).在8 UT,?Ψo/?t和水平輸運(yùn)項(xiàng)暴時(shí)降低量級都有所減少.因此,TON結(jié)構(gòu)在后期的耗散過程中也主要?dú)w因于水平輸運(yùn)的作用.期間存在一個(gè)特殊情況,即在5 UT,分子擴(kuò)散變化在z=0壓力面以上為正值且量級較大,但它對?Ψo/?t的影響被更大的負(fù)的水平輸運(yùn)作用抵消.綜上,由向下垂直風(fēng)驅(qū)動(dòng)的垂直輸運(yùn)主導(dǎo)了O/N2的TON結(jié)構(gòu)的最初形成,而由極向風(fēng)驅(qū)動(dòng)的水平輸運(yùn)主導(dǎo)了該結(jié)構(gòu)的后期演化和消散.

圖6 與圖5一致,對應(yīng)世界時(shí)為DOY 112的2 UT,5 UT,8 UTFig.6 Similar to Fig.5, but at 2 UT, 5 UT, 8 UT on DOY 112

3 討論

在此次磁暴恢復(fù)相初期,發(fā)生在中低緯區(qū)域向下垂直風(fēng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致了高高度O占比較大的氣團(tuán)的向下輸運(yùn),從而導(dǎo)致了整個(gè)高度剖面O/N2密度的增強(qiáng),即TON結(jié)構(gòu)的最初形成,而隨著磁暴的演化,極向風(fēng)驅(qū)動(dòng)水平輸運(yùn)導(dǎo)致了該結(jié)構(gòu)的極向輸運(yùn)以及后期的消散.并且不同高度TON結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和緯度范圍有明顯差異,并隨磁暴演化而變化.因此針對引言中提到的幾個(gè)未解決的科學(xué)問題,前文通過O/N2的垂直變化解決了‘較低緯度O/N2暴時(shí)增強(qiáng)是如何形成’這個(gè)問題.并且我們發(fā)現(xiàn)極向風(fēng)在不同高度對于TON結(jié)構(gòu)的演化都至關(guān)重要.因此,下面將討論在O/N2增強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)驅(qū)動(dòng)不同高度極向風(fēng)的作用力以及它們在磁暴期間的演化過程.

圖7顯示了z=-1.5(約160 km高度)壓力面上在DOY 111的15.5 UT時(shí)刻Vn(經(jīng)向風(fēng)速)及其各加速度項(xiàng)(動(dòng)量驅(qū)動(dòng)力)的經(jīng)緯度分布.這些驅(qū)動(dòng)力包括:科里奧利力、離子拖曳力、水平動(dòng)量輸運(yùn)、氣壓梯度力和離心力(Wang et al., 2008).在這個(gè)等壓面,垂直動(dòng)量平流和黏性力由于其對總動(dòng)量平衡的貢獻(xiàn)很小而被忽略.同時(shí)ΣO/N2的暴時(shí)百分比變化也呈現(xiàn)在圖7中,因此可以更清楚地看出經(jīng)向風(fēng)對成分暴時(shí)變化的影響.

我們通過圖3可以發(fā)現(xiàn)極向風(fēng)首先出現(xiàn)在高緯度地區(qū)(70°N—90°N),而后中低緯度地區(qū)也出現(xiàn)極向風(fēng),共同把ΣO/N2的暴時(shí)增加向極區(qū)輸運(yùn).在高緯地區(qū)極向風(fēng)形成的初期,通過?Vn/?t和各個(gè)加速度項(xiàng)形態(tài)和大小的比較,我們發(fā)現(xiàn)高緯極向風(fēng)主要是由壓力梯度和科里奧利力控制的,同時(shí)水平動(dòng)量輸運(yùn)也起到一定的正作用.如圖7所示在15.5 UT,高緯地區(qū)極向風(fēng)的各個(gè)驅(qū)動(dòng)力都有一定作用,其主導(dǎo)作用力的確定可以參見圖8及分析.而此時(shí)極向風(fēng)已經(jīng)延伸到赤道附近,大約在70°E—120°E的經(jīng)度范圍內(nèi).圖中可以看出,該經(jīng)度范圍(70°E—120°E)中低緯(0°—45°N)的極向風(fēng)把該區(qū)域的ΣO/N2從較低的緯度輸運(yùn)到較高的緯度,貢獻(xiàn)于TON結(jié)構(gòu)的形成.而該處的極向風(fēng)主要也是由壓力梯度力控制的,同時(shí)科里奧利力對于中低緯度的向極風(fēng)也有一定的正貢獻(xiàn),而其他力的作用基本可以忽略.

同樣我們對影響TON結(jié)構(gòu)垂直變化的風(fēng)場進(jìn)行了不同高度結(jié)果的呈現(xiàn).圖8顯示了DOY 111的15.5 UT在51°E經(jīng)度Vn(子午風(fēng)速)、Vn的總時(shí)間變化率(?Vn/?t)、垂直黏度、科里奧利力、離子阻力、水平動(dòng)量平流和離心力的緯度-壓力面分布,同時(shí)O/N2的暴時(shí)百分比變化也呈現(xiàn)在其中.如圖8所示磁暴期間的經(jīng)向風(fēng)具有顯著的高度依賴性.極向風(fēng)在約45°N以上的中高緯度地區(qū)存在于所有高度范圍,而在約45°N以下的中低緯度地區(qū)分布于z=-1.5氣壓面以上的中高熱層.中低緯度地區(qū)(小于40°N)的極向風(fēng)風(fēng)速隨高度增加而增大,最大可達(dá)200 m·s-1的速度,40°N—70°N緯度范圍內(nèi)的極向風(fēng)強(qiáng)度較小,基本在0～100 m·s-1之間,而在大于70°N的其他區(qū)域,向極風(fēng)風(fēng)場強(qiáng)度隨高度變化不大,速度約為250 m·s-1.此外,在z=-1.5壓力面以下的中低緯地區(qū)(0°N—45°N),經(jīng)向風(fēng)主要是向赤道方向的,并且在z=-2的壓力面30°N緯度處存在約150 m·s-1的向赤道風(fēng)場峰值.

圖8顯示在15.5 UT,在45°N—75°N幾乎所有高度上?Vn/?t數(shù)值基本都是正值,明顯正作用于暴時(shí)中低緯的向極風(fēng).?Vn/?t的量級隨高度的增加而增加,通過跟各加速度項(xiàng)的比較,正的壓力梯度力作用于此處基本所有等壓面的極向風(fēng).如前所述,在中熱層(z=-1.5,約160 km高度),垂直黏性力對極向風(fēng)的影響可以忽略不計(jì).然而,圖8顯示,垂直黏性力在z=1(約300 km高度)以上變得很重要,并且可以部分抵消45°N—80°N緯度范圍內(nèi)氣壓梯度力的大幅增加.因此,在z=1(約300 km高度)以上,中低緯地區(qū)極向風(fēng)由兩個(gè)作用方向相反的驅(qū)動(dòng)力所控制.同時(shí)科里奧利力也有正貢獻(xiàn),但是作用較小,其他力的作用基本可以忽略.?Vn/?t的負(fù)值出現(xiàn)在z=0(約220 km高度)以上、緯度范圍為15°N—45°N的中低緯地區(qū),表明在前期中低緯地區(qū)形成的極向風(fēng)正在減小,類似地,壓力梯度加速是主導(dǎo)作用力,而垂直黏性力(正值)對負(fù)值的?Vn/?t起到一定的相反作用.

4 結(jié)論

本文利用GOLD觀測和TIEGCM模擬研究了2020年4月20日磁暴恢復(fù)相期間(DOY 111的13 UT至DOY 112的12 UT)舌狀中性結(jié)構(gòu)(TON)的垂直變化及其物理機(jī)制.主要結(jié)論總結(jié)如下:

(1) TIEGCM模擬結(jié)果表明,ΣO/N2的TON結(jié)構(gòu)最初是在磁暴恢復(fù)初期的當(dāng)?shù)叵挛缧纬?隨著磁暴的演化被輸運(yùn)到夜側(cè),而后又在DOY 112被輸運(yùn)到日間并被逐漸耗散.

(2) GOLD在DOY 112觀測到被耗散的ΣO/N2的TON結(jié)構(gòu),相較于結(jié)構(gòu)形成的初期,具有較小的量級和較寬的經(jīng)度分布.TIEGCM定性模擬再現(xiàn)了觀測到的耗散TON結(jié)構(gòu).

(3) TON結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和緯度范圍有明顯的高度依賴性,并且隨磁暴演化不斷變化.模式診斷分析表明,垂直向下的中性風(fēng)驅(qū)動(dòng)的垂直輸運(yùn)導(dǎo)致了30°N—70°N范圍內(nèi)的O/N2暴時(shí)增強(qiáng),主導(dǎo)了TON結(jié)構(gòu)的最初形成.極向風(fēng)驅(qū)動(dòng)的水平輸運(yùn)將較低緯的O/N2增強(qiáng)輸送到較高緯度,主導(dǎo)了TON結(jié)構(gòu)后續(xù)的演化和消散.

(4) 在中低熱層(約120～300 km高度),主導(dǎo)O/N2的TON結(jié)構(gòu)演變的中低緯極向風(fēng)主要由氣壓梯度力決定.科里奧利力對中低緯度地區(qū)的極向風(fēng)也有一定的貢獻(xiàn)作用.其他力對其影響可以忽略.

(5) 在z=1(約300 km高度)以上的高熱層,垂直黏性力變大,可以部分抵消氣壓梯度力的作用.因此高熱層極向風(fēng)主要由這兩個(gè)作用相反的驅(qū)動(dòng)力控制.

致謝所使用的GOLD數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(http:∥gold.cs.ucf.edu/)獲取,Kp,F10.7p,By和Bz指數(shù)數(shù)據(jù)從https:∥cdaweb.gsfc.nasa.gov/cdaweb/sp_phys/網(wǎng)站獲取,AE和Dst指數(shù)從https:∥supermag.jhuapl.edu/indices/網(wǎng)站獲取.