超強(qiáng)磁暴期間中低緯電離層擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析

超強(qiáng)磁暴期間中低緯電離層擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析

孫樹(shù)計(jì)王保健趙振維劉玉梅陳春

(中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107)

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

關(guān)鍵詞超強(qiáng)磁暴;電離層擾動(dòng);暴時(shí)環(huán)流

中圖分類(lèi)號(hào)P352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)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(jiǎn)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(huì)出現(xiàn)復(fù)雜而劇烈的變化,稱(chēng)為電離層暴．電離層暴能對(duì)依賴(lài)電離層傳播的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致短波通信長(zhǎng)時(shí)間中斷、衛(wèi)星的目標(biāo)跟蹤和定位精度能力大幅度下降．

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究,人們對(duì)電離層暴的基本形態(tài)有了一定的認(rèn)識(shí)[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(shí)和磁暴的開(kāi)始時(shí)間有關(guān)[7]．在高緯,來(lái)自太陽(yáng)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(shí)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(guò)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(fù)相電離層暴．在低緯,磁暴初期行星際和磁層對(duì)流電場(chǎng)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(kuò)展[12]．而由中性擾動(dòng)成分引起的發(fā)電機(jī)電場(chǎng)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(xiàn)[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(lèi)型、開(kāi)始時(shí)間等隨緯度、季節(jié)和地方時(shí)的變化．文獻(xiàn)[14]指出電離層對(duì)地磁擾動(dòng)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(guò)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(qiáng)磁暴(Dst<-200 nT)[19],往往能在較短時(shí)間內(nèi)引起劇烈的電離層擾動(dòng)(中緯地區(qū)的電子濃度巨變[20]和低緯地區(qū)的“超級(jí)噴泉效應(yīng)”[21-22]),也是吸引眾多專(zhuān)家開(kāi)展事件演化特征研究的重要內(nèi)容．受觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制,目前對(duì)超強(qiáng)磁暴期間電離層擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)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(kù)茨克、滿(mǎn)洲里、北京、重慶、廣州站電離層foF2歷史數(shù)據(jù),研究超強(qiáng)磁暴期間電離層擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征,得到其平均特征．各臺(tái)站的位置見(jiàn)表1.

表1　電離層觀測(cè)臺(tái)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(qiáng)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(xiàn)[13, 23]的建議,把磁暴主相開(kāi)始(Main Phase Onset, MPO)時(shí)間確定為磁暴開(kāi)始時(shí)間．為了研究超強(qiáng)磁暴期間電離層的擾動(dòng),需要從foF2的觀測(cè)數(shù)據(jù)中扣除背景電離層變化．本文選取月中值作為寧?kù)o背景值foF2m,電離層的相對(duì)變化定義為df=(foF2-foF2m)/foF2m．當(dāng)df≥15%(或df≤-15%)且持續(xù)4 h及以上時(shí),認(rèn)為發(fā)生正相(或負(fù)相)電離層擾動(dòng)．

當(dāng)磁暴所處的季節(jié)和地方時(shí)不同時(shí),暴時(shí)環(huán)流及其引起的電離層擾動(dòng)會(huì)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(gè)時(shí)段,以數(shù)字1～ 4表示．在分析電離層的擾動(dòng)特征時(shí),以超強(qiáng)磁暴的開(kāi)始時(shí)刻為零時(shí)刻,把磁暴前24 h和后72 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序疊加,以獲得電離層擾動(dòng)的平均特征．

2結(jié)果

2.1電離層擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律

表2給出了磁暴期間各站電離層的擾動(dòng)情況,其中“+”表示正擾動(dòng),“-”表示負(fù)擾動(dòng),“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(fù)相電離層擾動(dòng)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(dòng)以正相為主;在夏季,除廣州站外,幾乎每次超強(qiáng)磁暴都能引起負(fù)相電離層擾動(dòng)(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(fù)相電離層擾動(dòng),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(kù)茨克站電離層共發(fā)生了5次負(fù)擾動(dòng),1次正擾動(dòng),另有10次數(shù)據(jù)缺失;滿(mǎn)洲里站電離層共發(fā)生7次負(fù)擾動(dòng),2次正擾動(dòng),2次雙向擾動(dòng),另有5次數(shù)據(jù)缺失;北京站電離層共發(fā)生1次負(fù)擾動(dòng),7次正擾動(dòng),1次未擾動(dòng),另有5次數(shù)據(jù)缺失;重慶站電離層共發(fā)生1次負(fù)擾動(dòng),5次正擾動(dòng),2次雙向擾動(dòng),另有8次數(shù)據(jù)缺失;廣州站電離層共發(fā)生2次負(fù)擾動(dòng),6次正擾動(dòng),2次雙向擾動(dòng),1次未擾動(dòng),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(shí)環(huán)流理論[8]解釋?zhuān)诙?暴時(shí)環(huán)流與背景環(huán)流反向,其引起的負(fù)相電離層擾動(dòng)主要出現(xiàn)在中高緯,低緯出現(xiàn)的正相電離層擾動(dòng)可能與暴時(shí)環(huán)流的下降流有關(guān);在夏季,暴時(shí)環(huán)流與背景環(huán)流同向,其影響能擴(kuò)展到低緯,甚至到冬季半球;在分季,由于只考慮了超強(qiáng)磁暴事件,較強(qiáng)的暴時(shí)環(huán)流也能影響到低緯電離層．值得注意的是,即使在超強(qiáng)磁暴期間,電離層擾動(dòng)仍有可能背離其統(tǒng)計(jì)規(guī)律,與統(tǒng)計(jì)規(guī)律不相符的少數(shù)事件往往發(fā)生在最有利于(負(fù)相擾動(dòng))或最不利于(正相擾動(dòng))暴時(shí)環(huán)流傳播的時(shí)刻．例如,1974年7月6日開(kāi)始的磁暴觸發(fā)了白天的暴時(shí)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(dòng)很可能與發(fā)電機(jī)電場(chǎng)的效應(yīng)有關(guān)．

表2　磁暴期間各臺(tái)站電離層擾動(dòng)

(續(xù)表)

2.2電離層擾動(dòng)平均特征

基于以上強(qiáng)磁暴期間電離層擾動(dòng)特性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,圖1～3分別給出了冬季、夏季和分季超強(qiáng)磁暴期間不同時(shí)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(dòng)的平均特征,圖片自上而下分別表示Dst指數(shù)變化、雅庫(kù)茨克站、滿(mǎn)洲里站、北京站、重慶站和廣州站的df變化曲線(xiàn);其中,零時(shí)刻表示磁暴的開(kāi)始時(shí)間,即虛線(xiàn)的位置．

如圖1所示,在冬季不同地方時(shí)發(fā)生的超強(qiáng)磁暴,其引起的電離層擾動(dòng)也存在差別．例如在滿(mǎn)洲里站(由于雅庫(kù)茨克站數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重,此處不詳細(xì)討論),午夜后、上午、下午和午夜前開(kāi)始的事件造成的負(fù)相電離層擾動(dòng)開(kāi)始時(shí)間存在明顯差異．發(fā)生在夜間的磁暴事件,其引起的負(fù)相電離層擾動(dòng)延遲不超過(guò)5 h;在白天,負(fù)相電離層擾動(dòng)存在明顯延遲．同時(shí),不同地方時(shí)區(qū)間的擾動(dòng)分別持續(xù)到磁暴開(kāi)始后28 h、44 h、62 h和28 h．可見(jiàn),下午開(kāi)始的事件,其影響持續(xù)時(shí)間達(dá)2～3天,明顯長(zhǎng)于其他時(shí)段開(kāi)始的事件．對(duì)北京站而言,發(fā)生在冬季午夜前后和上午的超強(qiáng)磁暴均引起了正相電離層擾動(dòng),其擾動(dòng)幅度、延遲和持續(xù)時(shí)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(dòng)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(dòng)為主,但午夜后發(fā)生的事件仍能造成明顯的負(fù)相擾動(dòng)．其中,在該站部分時(shí)刻出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)正擾動(dòng)可能與穿透電場(chǎng)或發(fā)電機(jī)電場(chǎng)引起的等離子體漂移效應(yīng)增強(qiáng)[9,11]有關(guān)．

圖1　冬季的磁暴及相應(yīng)的電離層擾動(dòng)

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

如前所述,分季超強(qiáng)磁暴引起的電離層擾動(dòng)仍以負(fù)相為主．但對(duì)于不同臺(tái)站,擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度存在明顯差別,如圖3所示．例如,在雅庫(kù)茨克站,磁暴開(kāi)始后72 h內(nèi)始終伴隨著電離層擾動(dòng),這也跟所處的緯度有關(guān);而在其余3站,電離層擾動(dòng)一般不超過(guò)44 h,僅當(dāng)磁暴開(kāi)始時(shí)間位于下午時(shí)擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)．對(duì)統(tǒng)一地方時(shí)區(qū)間的事件而言,隨著緯度的降低,電離層擾動(dòng)的強(qiáng)度逐漸減弱,到重慶站時(shí)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(dòng)

圖3　分季發(fā)生的磁暴及各站電離層擾動(dòng)

3結(jié)論與討論

本文研究了超強(qiáng)磁暴期間位于120°E附近中低緯的雅庫(kù)茨克、滿(mǎn)洲里、北京、重慶、廣州站電離層擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征．結(jié)果表明,超強(qiáng)磁暴所引起的電離層擾動(dòng)隨季節(jié)存在一定差異．在冬季,超強(qiáng)磁暴引起的負(fù)相電離層擾動(dòng)只能擴(kuò)展到中緯,低緯電離層擾動(dòng)以正相為主;在其他季節(jié),絕大多數(shù)超強(qiáng)磁暴都能引起大面積的負(fù)相電離層擾動(dòng),尤其以夏季最為明顯．磁暴開(kāi)始的地方時(shí)差異也會(huì)影響電離層的擾動(dòng)特征．在冬季,中緯下午開(kāi)始的磁暴事件所引起的電離層擾動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),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(fù)相電離層擾動(dòng)較強(qiáng),午夜前發(fā)生的磁暴事件所引起的中低緯負(fù)相電離層擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)．在分季,負(fù)相電離層擾動(dòng)的強(qiáng)度隨著緯度的降低逐漸減弱．

超強(qiáng)磁暴往往是由快速日冕物質(zhì)拋射與地球磁場(chǎng)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(shí)環(huán)流也較強(qiáng),這可能是除冬季外中低緯電離層出現(xiàn)大范圍負(fù)相擾動(dòng)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(qiáng)的赤道向分量,有利于暴時(shí)環(huán)流的赤道向傳播,由此導(dǎo)致夜間磁暴引起的負(fù)相電離層擾動(dòng)較為明顯,特別是在午夜前．特別地,由于暴環(huán)流具有較強(qiáng)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(xiàn)[13]對(duì)東亞扇區(qū)電離層暴事件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相比,超強(qiáng)磁暴期間電離層擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律更加明顯．另外,磁暴期間擾動(dòng)發(fā)電機(jī)電場(chǎng)會(huì)阻礙赤道異常駝峰的形成[24],這也是廣州站發(fā)生負(fù)相電離層擾動(dòng)的原因之一．

本文成果有助于加強(qiáng)對(duì)超強(qiáng)磁暴期間電離層擾動(dòng)的定量化認(rèn)識(shí),這對(duì)相關(guān)電子信息系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用具有較強(qiáng)的參考價(jià)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(guó)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(shù)計(jì)(1981-),男,河南人,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榭臻g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?yàn)殡婋x層騷擾預(yù)報(bào).

趙振維(1965-),男,河北人,博士,研究員,中國(guó)電子科技集團(tuán)首席專(zhuān)家,中國(guó)電波傳播研究所總工程師,長(zhǎng)期從事電波環(huán)境及傳播特性的研究和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定,部分成果已被ITU-R采納,形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).

劉玉梅(1978-),女,山東人,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)殡姴▊鞑ヅc信息服務(wù).

陳春(1970-),男,河南人,博士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)殡婋x層電波傳播.

聞?wù)?徐躍杭,徐銳敏. 氮化鎵功率器件小信號(hào)模型參數(shù)提取算法研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(4):772-776. doi:10.13443/j.cjors. 2014090802

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