亞暴期間等離子體對(duì)流速度及熱層緯向風(fēng)速度變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

劉丁維， 王慧， 黃韜， 曹雪， 張科燈

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 武漢　430072

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亞暴期間等離子體對(duì)流速度及熱層緯向風(fēng)速度變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

劉丁維， 王慧*， 黃韜， 曹雪， 張科燈

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 武漢430072

摘要本文利用2001年至2005年間CHAMP衛(wèi)星及DMSP(F13,F15)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)亞暴發(fā)生前后，亞暴初始位置所在磁地方時(shí)(Magnetic Local Time, MLT)東側(cè)2 h(+2 h，MLT)至西側(cè)4 h(-4 h，MLT)范圍內(nèi)等離子體對(duì)流速度(Vy)及熱層緯向風(fēng)速度(Uy)的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.研究發(fā)現(xiàn)在亞暴發(fā)生后的1.5 h內(nèi)，所有MLT區(qū)間的Vy均明顯增大，且峰值位置的地磁緯度向赤道側(cè)移動(dòng)，1.5 h后，Vy減小，峰值的緯度向極區(qū)移動(dòng)，表明亞暴的發(fā)生能顯著增強(qiáng)等離子體對(duì)流速度；在亞暴發(fā)生位置的西側(cè)0～2 h內(nèi)，Vy增幅最大，這表明亞暴對(duì)熱層的影響主要在西側(cè)，影響最大的區(qū)域是西側(cè)0～2 h MLT區(qū)間；Uy在亞暴發(fā)生后3 h持續(xù)增大，其對(duì)亞暴的響應(yīng)相較于Vy有1.5 h的延遲.

關(guān)鍵詞亞暴； 等離子體對(duì)流； 熱層緯向風(fēng)； 響應(yīng)延遲

1引言

“亞暴”是發(fā)生于地球夜側(cè)磁層或高緯電離層的隨時(shí)間和空間變化的強(qiáng)烈電磁擾動(dòng)，這一概念首次出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代(Akasofu, 1964)，它分為三個(gè)階段：增長(zhǎng)相，膨脹相，恢復(fù)相(McPherron, 1970)，一般持續(xù)時(shí)間為2～3 h.亞暴的發(fā)生通常伴隨著局部地區(qū)能量的變化，這對(duì)于電離層熱層耦合機(jī)制研究具有重要意義.

等離子體對(duì)流和熱層緯向風(fēng)分別是電離層和熱層中常見(jiàn)且十分重要的物理現(xiàn)象.等離子體對(duì)流(Plasma convection)是太陽(yáng)風(fēng)與磁層間的相互作用迫使磁層等離子體進(jìn)行對(duì)流運(yùn)動(dòng)(Kamide and Chian, 2007)，而熱層緯向風(fēng)(Thermospheric Zonal Wind)是中性粒子沿緯度方向的定向運(yùn)動(dòng).

前人利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)或者模擬技術(shù)均對(duì)兩者進(jìn)行了較為廣泛的研究.如亞暴的發(fā)生對(duì)等離子體對(duì)流的分布有著顯著的影響(Schindler and Birn, 1978; Baumjohann et al., 1990; Angelopoulos et al., 1992).Kamide等(1994)研究表明，亞暴能夠顯著增強(qiáng)夜晚及早晨區(qū)間等離子體對(duì)流的速度.Grocott等(2009)利用SuperDARN數(shù)據(jù)對(duì)亞暴爆發(fā)前60 min至后90 min的電離層對(duì)流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)亞暴對(duì)于等離子體流的影響具有緯度差異，低緯度發(fā)生的亞暴更容易使對(duì)流增強(qiáng)，但是在膨脹相期間，子夜區(qū)間對(duì)流會(huì)顯著減小，而高緯度亞暴情況下，夜間對(duì)流會(huì)有一個(gè)顯著且快速的增大.Xing等(2010)發(fā)現(xiàn)，亞暴發(fā)生后，西向電集流中心的位置會(huì)向赤道側(cè)移動(dòng).Sandholt等(2012)進(jìn)一步指出，亞暴對(duì)于對(duì)流的影響呈現(xiàn)冬夏半球不對(duì)稱(chēng)性，冬季半球的影響更加明顯.

熱層大氣在電離層-熱層耦合過(guò)程中扮演了十分重要的角色，如大氣密度、經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)等，前人對(duì)此也作了較為深入的研究(Schlegel et al., 2005; Demars and Schunk, 2007; Rentz and Lühr, 2008).亞暴的發(fā)生對(duì)于熱層中性成分也有顯著影響，F(xiàn)ujiwara等(1996)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，亞暴爆發(fā)后會(huì)在高緯形成上升氣流，并通過(guò)大尺度的經(jīng)向風(fēng)向赤道傳播，水平傳播速度接近當(dāng)?shù)仫L(fēng)速.而Emmert等(2002)發(fā)現(xiàn)亞暴對(duì)于西向緯向風(fēng)的影響出現(xiàn)在亞暴爆發(fā)后0～9 h、磁地方時(shí)12～24 h的區(qū)域范圍內(nèi)，且影響的最大值出現(xiàn)在午后區(qū)間中緯度海拔150 km以上的區(qū)域.Ritter等(2010)利用CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，亞暴發(fā)生后，22～1 h MLT區(qū)域的大氣密度增大并以TAD的形式向赤道傳播，而對(duì)于緯向風(fēng)，在地磁活動(dòng)較強(qiáng)的時(shí)候，中緯地區(qū)(53°—74°)存在較大的擾動(dòng)，大約為50 m·s-1，磁平靜期中緯地區(qū)擾動(dòng)僅出現(xiàn)在亞暴發(fā)生點(diǎn)西側(cè)區(qū)域，大小為20 m·s-1.隨后，Lühr、Park和Ritter(2012)又通過(guò)比較亞暴前后緯向風(fēng)平均速度分布圖，進(jìn)一步證實(shí)了Ritter等(2010)的結(jié)論.Clausen等(2014)同樣利用CHAMP衛(wèi)星研究發(fā)現(xiàn)在400 km高度上，亞暴發(fā)生90 min以后，大氣密度增加了34%，然而沒(méi)有說(shuō)明亞暴對(duì)于熱層風(fēng)速度的影響.

由上文可知，前人結(jié)果表明亞暴能增強(qiáng)等離子體對(duì)流速度，且存在緯度、半球、以及季節(jié)性差異，但是等離子體對(duì)流速度對(duì)亞暴的時(shí)間響應(yīng)、亞暴東西側(cè)地方時(shí)扇區(qū)的差異均沒(méi)有涉及，且關(guān)于亞暴對(duì)熱層緯向風(fēng)的影響也存在一些矛盾的觀點(diǎn).同時(shí)Emmert等(2006)以及Wang(Wang and Lühr, 2011; Wang et al., 2012)等人的研究都分別指出等離子體西向流和熱層緯向風(fēng)之間存在相互影響機(jī)制，但具體影響我們也不得而知.因此，研究亞暴期間等離子體對(duì)流及熱層風(fēng)的時(shí)空響應(yīng)對(duì)進(jìn)一步理解磁層-電離層-熱層耦合機(jī)制具有重要意義.

本文利用CHAMP衛(wèi)星以及DMSP F13、F15衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)研究2001—2005年間的亞暴對(duì)等離子體對(duì)流和熱層緯向風(fēng)速度的影響，旨在讓電離層與熱層之間的相互關(guān)系更加明確.

2衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文所用到的2001—2005年間的亞暴事件發(fā)生時(shí)間及位置數(shù)據(jù)由Newell 和Gjerloev(2011)等利用SuperMAG地磁臺(tái)站鏈數(shù)據(jù)判斷給出.他們得到新的極光電集流指數(shù)SME、SMU和SML，SME(SuperMAG electrojet index)是利用SuperMAG地磁臺(tái)站鏈測(cè)出來(lái)的有別于傳統(tǒng)AE(12)指數(shù)的極光電集流指數(shù)，滿足關(guān)系：SME=SMU-SML，其中SMU為最大正偏差，SML為最大負(fù)偏差.利用SML指數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)來(lái)判定亞暴，Newell和Gjerloev(2011)文中3.3節(jié)有詳細(xì)介紹，這里僅僅給出一個(gè)總結(jié)：當(dāng)SML指數(shù)在t0時(shí)刻后的3 min內(nèi)減少45 nT，并在接下來(lái)的半小時(shí)內(nèi)其平均值與初始值的差值保持在-100 nT以上，則判定t0時(shí)刻為亞暴初始時(shí)間；同時(shí)，為了確保該事件為獨(dú)立亞暴事件，要求SML的變化至少持續(xù)2 h，并與IMAGE衛(wèi)星遠(yuǎn)紫外(FUV)成像結(jié)果進(jìn)行比較以保證事件選擇的準(zhǔn)確性；亞暴發(fā)生1 min后對(duì)SML起主要貢獻(xiàn)的地磁臺(tái)站的位置即為亞暴初始位置.他們?cè)?001—2005年間共挑選出12458個(gè)亞暴事件.亞暴通常持續(xù)時(shí)間為2.5 h，且密集發(fā)生的亞暴前后間隔時(shí)間較短，通常在2～3 h，為了避免所研究時(shí)間范圍內(nèi)(即亞暴發(fā)生前1.5 h和后3 h)亞暴事件發(fā)生重疊，影響研究結(jié)果，本文對(duì)事件列表進(jìn)行嚴(yán)格挑選，要求兩次亞暴間隔時(shí)間至少為4.5 h.我們?cè)?001—2005年間共挑選出1253個(gè)亞暴事件.

本文利用DMSP(Defense Meteorological Satellite Program) F13和F15衛(wèi)星以及CHAMP(CHAllenging Mini-satellite Payload)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)上述亞暴期間等離子體流及熱層緯向風(fēng)的速度變化進(jìn)行研究.

DMSP衛(wèi)星為極軌衛(wèi)星，軌道為近圓形太陽(yáng)同步軌道(傾角為96°).現(xiàn)有DMSP為三軸姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星，軌道高度約為830 km，周期約101 min，1天繞地球約14圈，掃描條帶寬度3000 km.DMSP衛(wèi)星每天由南向北(升段)和由北向南(降段)分別在固定的磁地方時(shí)(F13約為0600-1800 MLT，F(xiàn)15約為0930-2130 MLT)經(jīng)過(guò)赤道面(Heelis and Hairston, 1990; Hairston and Heelis, 1993).本文使用DMSP衛(wèi)星離子漂移計(jì)(Rich and Hairston, 1994)測(cè)得等離子體漂移速度分量(Vx，Vy和Vz)，其正值分別代表沿衛(wèi)星軌道方向，面對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行方向的水平左手方向，遠(yuǎn)離地心方向.數(shù)據(jù)每4 s一次采樣，每一組數(shù)據(jù)都有質(zhì)量標(biāo)記，本文只采用質(zhì)量可靠的數(shù)據(jù)(R，I質(zhì)量指數(shù)均為1或2)，同時(shí)剔除等離子體流速度大于2500 m·s-1的數(shù)據(jù).

CHAMP衛(wèi)星于2000年7月份發(fā)射升空，飛行在低高度圓形極軌道，軌道傾角為87.3°，偏心率為0.004，該衛(wèi)星初始高度為456 km，繞地周期大約為94 min，每天繞地球15.4圈.軌道地方時(shí)每11天變化1 h，130天覆蓋所有地方時(shí)(Reigber et al., 2002).熱層緯向風(fēng)的風(fēng)速度由CHAMP衛(wèi)星的空間三軸加速度計(jì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)推導(dǎo)而來(lái)(Doornbos et al., 2010).熱層緯向風(fēng)測(cè)量的精度大約為±10 m·s-1.CHAMP衛(wèi)星提供的風(fēng)數(shù)據(jù)中緯向風(fēng)速度向東為正，等離子體對(duì)流速度數(shù)據(jù)在夜側(cè)向西為正，為了和DMSP衛(wèi)星得到的等離子體對(duì)流速度方向保持一致，我們將所有CHAMP衛(wèi)星測(cè)得的緯向風(fēng)速度值取負(fù)，并修正、剔除高緯度地區(qū)儀器原因引起的緯向風(fēng)速度的異常值.

3統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果

3.1事件選擇

本文研究中，我們希望考察亞暴事件對(duì)于等離子體對(duì)流及熱層緯向風(fēng)速度的影響，因此選取亞暴發(fā)生的UT時(shí)間前[-1.5 h,0]區(qū)間以及發(fā)生后的[0,1.5 h]和[1.5 h,3 h]區(qū)間的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究，以說(shuō)明亞暴對(duì)于兩者的影響.

同時(shí)，為了考察亞暴影響傳播的方向性(這里主要考察東西向)，我們以亞暴發(fā)生點(diǎn)的磁地方時(shí)(Magnetic Local Time, MLT)作為參考點(diǎn)，選擇其東西兩側(cè)的軌道來(lái)進(jìn)行研究.前文中已經(jīng)介紹，CHAMP衛(wèi)星軌道地方時(shí)在不斷變化，130天能覆蓋所有地方時(shí)(Reigber et al., 2002)，因此在此不用考慮其磁地方時(shí)覆蓋范圍.而DMSP衛(wèi)星為太陽(yáng)同步衛(wèi)星，其軌道的升交點(diǎn)和降交點(diǎn)固定(F13約為0600-1800 MLT，F(xiàn)15約為0930-2130 MLT)，因此需要考慮它們磁地方時(shí)覆蓋范圍.從DMSP衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，2001—2005年亞暴期間，F(xiàn)13衛(wèi)星在夜側(cè)(亞暴通常發(fā)生在夜側(cè)磁尾)的交點(diǎn)地方時(shí)范圍集中在MLT 16 h至19 h間，F(xiàn)15衛(wèi)星在夜側(cè)的交點(diǎn)地方時(shí)范圍集中在MLT 19h至22 h間.綜合上面的分析，我們選擇在18～24 h MLT期間發(fā)生的亞暴事件，并選擇亞暴點(diǎn)東側(cè)[0,2 h]以及西側(cè)[-2 h,0]和[-4 h,-2 h]區(qū)間(東側(cè)為正)內(nèi)的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究.需要說(shuō)明的是，由于DMSP F13衛(wèi)星的交點(diǎn)地方時(shí)均在19 h之前，而本文中所挑選的亞暴事件均發(fā)生在18 h以后，故DMSP F13衛(wèi)星在MLT [0,2 h]區(qū)間無(wú)數(shù)據(jù).

經(jīng)篩選后，3顆衛(wèi)星各區(qū)間軌道數(shù)如表1所示.事件數(shù)足以保證統(tǒng)計(jì)學(xué)研究的一般性.

表1　亞暴期間DMSP/CHAMP衛(wèi)星各MLT區(qū)間軌道數(shù)

3.2等離子體對(duì)流速度——DMSP衛(wèi)星觀測(cè)

為了得到亞暴對(duì)于等離子體對(duì)流速度影響的一般性規(guī)律，我們采取了堆棧分析法(superposed epoch analysis, SEA)(Wang et al., 2011).在3.1節(jié)所分的每個(gè)磁地方時(shí)區(qū)間內(nèi)，我們首先以亞暴發(fā)生時(shí)的UT時(shí)間為中心，篩選出亞暴發(fā)生前1.5 h及發(fā)生后3 h的軌道數(shù)據(jù)，并將其分為[-1.5 h,0]，[0,1.5 h]及[1.5 h,3 h] 3個(gè)UT區(qū)間(亞暴發(fā)生前時(shí)間為負(fù)值).然后在每個(gè)UT區(qū)間內(nèi)，以亞暴發(fā)生點(diǎn)的磁緯(MLat)為中心，找到其赤道側(cè)30°MLat至其極側(cè)20°MLat的等離子體速度(Vy)數(shù)據(jù)，作出Vy-ΔMLat圖.我們將所有事件中同一區(qū)間的速度信息畫(huà)在同一幅圖中，便得到了如圖1所示的等離子體速度隨相對(duì)磁緯(ΔMLat)變化的堆棧圖.最后，我們以1°為一個(gè)區(qū)間，將區(qū)間內(nèi)的所有速度數(shù)據(jù)取平均值，并在圖上用紅色點(diǎn)劃線標(biāo)出，同時(shí)標(biāo)示出每個(gè)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差.

圖1　時(shí)序疊加分析亞暴初始前后不同地方時(shí)扇區(qū)DMSP衛(wèi)星等離子體對(duì)流速度隨磁緯度的分布(a—f) F13衛(wèi)星觀測(cè)； (g—o) F15衛(wèi)星觀測(cè).黑線為堆棧圖，紅線為平均值，數(shù)值線代表標(biāo)準(zhǔn)偏差.0°磁緯度代表亞暴初始位置. (a) F13 MLT[-4,-2],UT[-1.5,0]； (b) F13 MLT[-4,-2],UT[0,1.5]； (c) F13 MLT[-4,-2],UT[1.5,3]； (d) F13 MLT[-2,0],UT[-1.5,0]； (e) F13 MLT[-2,0],UT[0,1.5]； (f) F13 MLT[-2,0],UT[1.5,3]； (g) F15 MLT[-4,-2],UT[-1.5,0]； (h) F15 MLT[-4,-2],UT[0,1.5]； (i) F15 MLT[-4,-2],UT[1.5,3]； (j) F15 MLT[-2,0],UT[-1.5,0]； (k) F15 MLT[-2,0],UT[0,1.5]； (l) F15 MLT[-2,0],UT[1.5,3]； (m) F15 MLT[0,2],UT[-1.5,0]； (n) F15 MLT[0,2],UT[0,1.5]； (o) F15 MLT[0,2],UT[1.5,3],時(shí)間單位為h.Fig.1　Superposed epoch analysis of the plasma velocity at different MLT sectors before and after substorm onsets as observed by DMSP F13 as functions of magnetic latitude(a—f) are from DMSP F13, and (g—o) from F15. Black lines are stack plots and red lines are average values. Vertical lines denote standard deviations. 0 MLat indicates substorm onsets location.

圖1是DMSP F13和F15衛(wèi)星在各磁地方時(shí)區(qū)間速度堆棧圖.圖中，橫軸為相對(duì)磁緯，極側(cè)為正；縱軸表示等離子體對(duì)流速度，單位為m·s-1，向西為正.黃色豎直線為ΔMLat=0的位置，即亞暴發(fā)生點(diǎn)位置.由圖可以看出，速度隨磁緯的變化曲線近似為正弦型，前半段速度不斷增大直至取得最大值(皆為正值)，且最大值所處磁尾均在0°之前，隨后速度減小變?yōu)樨?fù)值.

在本文中，我們重點(diǎn)關(guān)注各磁地方時(shí)區(qū)間平均速度的變化情況.圖2給出各MLT區(qū)間的平均速度對(duì)比圖.其中，橫軸為相對(duì)磁緯度，縱軸為等離子體對(duì)流速度，藍(lán)色曲線表示UT [-1.5 h,0]區(qū)間平均速度，紅色曲線表示UT [0,1.5 h]區(qū)間平均速度，黑色曲線表示UT [1.5 h,3 h]區(qū)間平均速度.從圖中我們可以看出，等離子體對(duì)流的平均速度在各區(qū)間的變化圖像均呈現(xiàn)正弦型，且都在ΔMLat=0之前，即亞暴發(fā)生點(diǎn)的赤道側(cè)取得最大值，同時(shí)從曲線中可以看出，亞暴發(fā)生前后，等離子體對(duì)流速度的大小明顯發(fā)生了改變，即亞暴發(fā)生后其速度先增大，隨后減小，表明亞暴對(duì)等離子體對(duì)流速度有影響.

3.3熱層緯向風(fēng)速度——CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果

對(duì)于熱層緯向風(fēng)速度數(shù)據(jù)的處理，我們同樣采取了SEA分析法，平均風(fēng)速隨地磁緯度的變化如圖3所示，風(fēng)速向西為正.圖中，藍(lán)色曲線表示UT [-1.5 h,0]區(qū)間平均速度，紅色曲線表示UT [0,1.5 h]區(qū)間平均速度，黑色曲線表示UT [1.5 h,3 h]區(qū)間平均速度，綠色曲線表示新加入的UT[3 h,4.5 h]區(qū)間平均速度.從該圖中也可以清晰看出，亞暴發(fā)生后3 h內(nèi)，熱層緯向風(fēng)峰值速度均持續(xù)增大，3 h以后，西側(cè)[-4 h,-2 h]區(qū)間速度減小，而[-2 h,0]及[0,2 h]區(qū)間速度繼續(xù)增大，這表明亞暴對(duì)風(fēng)速也存在影響，與等離子體對(duì)流速度相對(duì)比，亞暴對(duì)風(fēng)速的影響較為持久.

圖2　DMAP衛(wèi)星各地方時(shí)扇區(qū)等離子體對(duì)流速度的平均值隨緯度的分布(a—b) F13衛(wèi)星； (c—e) F15衛(wèi)星.藍(lán)色曲線表示亞暴初始前0～1.5 h的速度，紅色曲線表示亞暴初始后0～1.5 h的速度，黑色曲線表示初始后1.5～3 h的平均速度. (a) DMSP F13 MLT[-4,-2]; (b) DMSP F13 MLT[-2,0]; (c) DMSP F15 MLT[-4,-2];(d) DMSP F15 MLT[-2,0]; (e) DMSP F15 MLT[0,2]，時(shí)間單位為h.Fig.2　The averaged plasma velocity as a function of magnetic latitude in each MLT sector as observed by DMSP F13 (a—b) and F15 (c—e). Blue curves are for those occurring 0～1.5 h before the substorm onsets, red for those 0～1.5 h after the onsets, and black for those 1.5～3 h after onsets.

4討論

本文利用DMSP衛(wèi)星和CHAMP衛(wèi)星的等離子體和風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了亞暴對(duì)等離子體對(duì)流速度及熱層緯向風(fēng)速度的統(tǒng)計(jì)學(xué)影響，旨在揭示電離層熱層的耦合物理機(jī)制.

4.1等離子體對(duì)流速度變化

我們選擇圖2中各區(qū)間速度峰值的變化來(lái)代表等離子體對(duì)流速度在不同MLT區(qū)間隨UT時(shí)間的變化規(guī)律，等離子體對(duì)流速度峰值如表2所示.

圖3　(a—l) 時(shí)序疊加分析亞暴初始前后不同地方時(shí)扇區(qū)CHAMP衛(wèi)星緯向風(fēng)速隨磁緯度的分布.黑線為堆棧圖，紅線為平均值，數(shù)值線代表標(biāo)準(zhǔn)偏差.0°磁緯度代表亞暴初始位置. (m—o) CHAMP衛(wèi)星各地方時(shí)扇區(qū)等離子體對(duì)流速度的平均值隨地磁緯度的分布圖，藍(lán)色曲線表示亞暴初始前0～1.5 h的速度，紅色曲線表示亞暴初始后0～1.5 h的速度，黑色曲線表示初始后1.5～3 h的平均速度.(a) MLT[-4,-2] & UT[-1.5,0]； (b) MLT[-4,-2] & UT[0,1.5]； (c) MLT[-4,-2] & UT[1.5,3]； (d) MLT[-2,0] & UT[-1.5,0]； (e) MLT[-2,0] & UT[0,1.5]； (f) MLT[-2,0] & UT[1.5,3]； (g) MLT[0,2] & UT[-1.5,0]； (h) MLT[0,2] & UT[0,1.5]； (i) MLT[0,2] & UT[1.5,3]； (j) MLT[-4,-2] & UT[3,4.5]； (k) MLT[-2,0] & UT[3,4.5]；(l) MLT[0,2] & UT[3,4.5]； (m) CHAMP MLT[-4,-2]； (n) CHAMP MLT[-2,0]； (o) CHAMP MLT[0,2],時(shí)間單位h.Fig.3　(a—l) Superposed epoch analysis of the zonal wind velocity at different MLT sectors before and after substorm onsets as observed by CHAMP as functions of magnetic latitude. Black lines are stack plots and red lines are average values. Vertical lines denote standard deviations. 0 MLat indicates substorm onsets location. (m—o) The averaged zonal wind velocity as a function of magnetic latitude in each MLT sector as observed by CHAMP. Blue curves are for those occurring 0～1.5 h before the substorm onsets, red for those 0～1.5 h after the onsets, and black for those 1.5～3 h after onsets.

表2　不同地方時(shí)和UT時(shí)間期間DMSP衛(wèi)星等離子體對(duì)流速度峰值及其所在地磁緯度

首先，我們研究亞暴對(duì)等離子體對(duì)流速度的影響，以表2中F15衛(wèi)星的MLT[-2 h,0]區(qū)間為例，在該區(qū)間內(nèi)，亞暴發(fā)生之前(UT[-1.5 h,0]區(qū)間)等離子體對(duì)流的速度為276.9 m·s-1，在亞暴發(fā)生之后的1.5 h內(nèi)(UT[0,1.5 h]區(qū)間)，等離子體對(duì)流速度變?yōu)?41.4 m·s-1，相較前一個(gè)區(qū)間，速度值增大了64.5 m·s-1，速度增加是相當(dāng)明顯的，亞暴發(fā)生1.5 h后(UT[1.5 h,3 h]區(qū)間)，等離子體對(duì)流速度值降為336.6 m·s-1，但是相對(duì)于亞暴發(fā)生之前，仍有所增大，速度增量為59.7 m·s-1.類(lèi)似的情況也出現(xiàn)在F15的MLT[-4 h,-2 h]區(qū)間里，F(xiàn)15的MLT[0,2 h]區(qū)間三個(gè)區(qū)間都在增大，而在F13的兩個(gè)區(qū)間里，等離子體對(duì)流速度均在亞暴發(fā)生后的1.5 h內(nèi)顯著增加，1.5 h后速度值減小，并且低于亞暴發(fā)生前1.5 h的速度值.上述現(xiàn)象表明，亞暴的發(fā)生能夠顯著增加等離子體對(duì)流的速度，且響應(yīng)速度很快(1.5 h內(nèi))，隨后亞暴影響也迅速消退(1.5 h到3 h內(nèi)，MLT[0，2 h]區(qū)間影響較久)，速度基本恢復(fù)到平均水平.

從上述分析中我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然在亞暴發(fā)生之后各MLT區(qū)間的等離子體對(duì)流速度均有增加，但是增加的幅度是不一樣的，這是因?yàn)閬啽?duì)各個(gè)區(qū)間的影響大小不同，我們可以以此來(lái)研究亞暴發(fā)生后其影響傳播的方向與范圍.由于每個(gè)MLT區(qū)間內(nèi)空間的背景環(huán)境不同，導(dǎo)致等離子體對(duì)流的絕對(duì)速度大小不一，為了消除背景影響，我們用速度的相對(duì)百分比增量來(lái)進(jìn)行比較研究.以各MLT區(qū)間內(nèi)UT[-1.5 h,0]區(qū)間的速度為參考速度，又因?yàn)槲覀冴P(guān)注亞暴的影響強(qiáng)度和范圍，所以重點(diǎn)觀察UT[0,1.5 h]區(qū)間的速度增量.

本文研究中F13衛(wèi)星兩個(gè)MLT區(qū)間均在亞暴發(fā)生的西側(cè)，其中MLT[-2 h,0]區(qū)間速度的相對(duì)增量為25.20%，而MLT[-4 h,-2 h]區(qū)間速度的相對(duì)增量為9.8%，小于前者的速度相對(duì)增量.而F15衛(wèi)星MLT[-2 h,0]區(qū)間在亞暴發(fā)生后的速度增量為23.29%，MLT[-4 h,-2 h]區(qū)間在亞暴發(fā)生后的速度增量為6.38%，結(jié)合F13衛(wèi)星的結(jié)果，表明亞暴的影響主要集中在距離其較近的2 h(MLT)范圍內(nèi)，而2 h到4 h(MLT)的影響較小.F15衛(wèi)星MLT[0,2 h]區(qū)間(亞暴東側(cè))在亞暴發(fā)生后的速度增量為10.23%，小于MLT[-2 h,0]區(qū)間的速度增量，這表明亞暴發(fā)生后其影響會(huì)同時(shí)向東西兩側(cè)傳播，但是其主要影響集中向西側(cè)傳播.因此亞暴對(duì)于等離子體對(duì)流的影響除了具有緯度差異(Grocott et al.，2009)以外，還具有地方時(shí)差異，這在以往的研究中是沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)的.

在圖2和圖3中，我們已經(jīng)指出，每條平均軌道取得最大值所在的緯度位置是不一樣的，我們將每條軌道最大值位置的相對(duì)磁緯記錄下來(lái)(表2中圓括號(hào)內(nèi)的數(shù)字，單位為度，負(fù)號(hào)表示該位置處于亞暴點(diǎn)的赤道側(cè)).

由表2中數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)13和F15衛(wèi)星的MLT[-4 h,-2 h]區(qū)間內(nèi)，亞暴發(fā)生后(UT[0,1.5 h]區(qū)間)，峰值位置不變.隨后(UT[1.5 h,3 h]區(qū)間)峰值位置向極區(qū)移動(dòng).而在MLT[-2 h,0]區(qū)間內(nèi)，亞暴發(fā)生后(UT[0,1.5 h]區(qū)間)峰值位置向赤道側(cè)移動(dòng)，隨后(UT[1.5 h,3 h]區(qū)間)向極側(cè)移動(dòng)，這一點(diǎn)和Xing等(2010)的結(jié)果一致.上述現(xiàn)象表明，亞暴的發(fā)生促使等離子體對(duì)流速度的峰值點(diǎn)向赤道側(cè)移動(dòng).亞暴的發(fā)生本質(zhì)上是太陽(yáng)風(fēng)能量注入磁尾并在磁尾突然釋放的過(guò)程(Gérard,2004; Kullen and Karlsson，2004).極光橢圓帶是地球開(kāi)放磁力線(高緯)與閉合磁力線(低緯)的交界區(qū)域.前人研究表明，暴時(shí)極光橢圓帶會(huì)向赤道側(cè)擴(kuò)展(Maltsev et al.,1996; Schulz,1997; Alexeev et al.,2000)，而等離子體對(duì)流的位置在極光橢圓帶南北兩側(cè)，因此，等離子體對(duì)流也會(huì)一起朝赤道側(cè)移動(dòng).

4.2熱層緯向風(fēng)速度變化

對(duì)于熱層緯向風(fēng)速度變化，我們采取同4.1節(jié)一樣的分析方法，首先給出CHAMP衛(wèi)星各區(qū)間熱層緯向風(fēng)平均速度峰值表，如表3所示.

表3　不同地方時(shí)和UT時(shí)間期間CHAMP熱層緯向風(fēng)速度峰值及其所在地磁緯度

從表3中前三行(對(duì)比表1等離子體對(duì)流的數(shù)據(jù))我們發(fā)現(xiàn)，在全部3個(gè)MLT區(qū)間里面，緯向風(fēng)的平均速度從亞暴前1.5 h內(nèi)到亞暴后1.5 h，再到亞暴后3 h，都是在增加的(MLT[0,2 h]區(qū)間里風(fēng)速度在亞暴發(fā)生后1.5～3 h略有減小).而從表中第4行數(shù)據(jù)(UT[3 h,4.5 h]區(qū)間)中我們發(fā)現(xiàn)，在亞暴發(fā)生后前3 h內(nèi)速度持續(xù)增大后，MLT[-4 h,-2 h]區(qū)間在亞暴發(fā)生后3～4.5 h區(qū)間速度減小，而MLT[-2 h,0] 及MLT[0,2 h]區(qū)間風(fēng)速仍有增大.這一現(xiàn)象說(shuō)明熱層緯向風(fēng)速度受到了亞暴的影響，且離亞暴點(diǎn)距離越近，影響時(shí)間越久，該結(jié)果支持Emmert等(2002)的研究，同時(shí)影響主要出現(xiàn)在中緯地區(qū)，尤其是亞暴發(fā)生點(diǎn)的西側(cè)，與Ritter等(2010)及Lühr等(2012)結(jié)果一致.同時(shí)，熱層緯向風(fēng)對(duì)于亞暴的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)于等離子體對(duì)流有1.5 h的延遲，這個(gè)響應(yīng)的延遲時(shí)間與Clausen等(2014)發(fā)現(xiàn)的大氣密度變化的延遲時(shí)間是一致的.

亞暴發(fā)生1.5 h內(nèi)，西側(cè)[-2 h,0]區(qū)間速度幾乎保持不變，而西側(cè)[-4 h,2 h]區(qū)間的增幅為54.52%，大于東側(cè)[0,2 h]區(qū)間的增幅36.04%.但是在亞暴發(fā)生1.5～3 h后，西側(cè)[-4 h,-2 h]區(qū)間及東側(cè)[0,2 h]區(qū)間的增幅和1.5 h時(shí)候幾乎沒(méi)有變化，[-2 h,0]區(qū)間速度開(kāi)始增加，增幅為20.08%.這些區(qū)間的增幅(約20 m·s-1)大小和Ritter等(2010)的結(jié)果也是一致的.綜上可知，亞暴發(fā)生后響應(yīng)快速傳到西側(cè)MLT[-4 h,-2 h]區(qū)間，隨后響應(yīng)開(kāi)始向東轉(zhuǎn)移，同時(shí)亞暴的主要響應(yīng)范圍在其周?chē)腗LT 2 h范圍內(nèi)，并以西側(cè)為主.

從以上分析中，我們可以發(fā)現(xiàn)，亞暴發(fā)生后等離子體對(duì)流速度與熱層緯向風(fēng)速度的變化有極強(qiáng)的相似性——亞暴發(fā)生后速度均增大，且東西區(qū)域性，峰值所在磁尾位置變化均保持一致.但是熱層緯向風(fēng)的響應(yīng)比等離子體對(duì)流要慢1.5 h(亞暴西側(cè))甚至更多(亞暴東側(cè))，表明等離子體對(duì)亞暴的響應(yīng)比中性成分快，這個(gè)很好理解，因?yàn)橹行猿煞仲|(zhì)量較大，所以對(duì)亞暴的響應(yīng)應(yīng)該滯后于等離子體.

5總結(jié)

本文利用2001—2005年間DMSP F13、F15衛(wèi)星以及CHAMP衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)亞暴期間等離子體對(duì)流速度、熱層緯向風(fēng)速度的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，主要結(jié)果如下：

(1) 亞暴能顯著增強(qiáng)等離子體對(duì)流速度.亞暴發(fā)生后的1.5 h內(nèi)，等離子體對(duì)流的速度增大，且出現(xiàn)峰值的緯度向赤道側(cè)移動(dòng)，1.5 h后，等離子體對(duì)流速度減小，峰值的緯度向極區(qū)移動(dòng)，亞暴影響基本消失.

(2) 在亞暴發(fā)生的西側(cè)0～2 h(MLT)區(qū)間，等離子體對(duì)流速度的增幅最大，其次為東側(cè)0～2 h(MLT)區(qū)間，亞暴西側(cè)2～4 h(MLT)區(qū)間增幅最小，表明亞暴影響主要向西側(cè)傳播，且集中影響其周?chē)? h(MLT)范圍內(nèi)空間.

(3) 亞暴發(fā)生后的3 h內(nèi)，所有MLT區(qū)間熱層緯向風(fēng)速度均增加，速度峰值位置向赤道側(cè)移動(dòng)，亞暴西側(cè)響應(yīng)相對(duì)于等離子體對(duì)流延遲1.5 h，且在其周?chē)? h(MLT)范圍影響更久.

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(41222030,41221003,41431073)資助.

作者簡(jiǎn)介劉丁維，男，1992年生，碩士研究生，主要從事電離層和熱層方面的研究. E-mail：dingweiliu@whu.edu.cn *通訊作者王慧，女，1977年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事場(chǎng)向電流、亞極光區(qū)極化流、電子密度、亞暴和磁暴、熱層風(fēng)和大氣密度等方面的研究. E-mail：h.wang@whu.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160601 中圖分類(lèi)號(hào)P352

收稿日期2016-01-12，2016-02-24收修定稿

Temporal and spatial variations of plasma and neutral velocities during substorm periods

LIU Ding-Wei, WANG Hui*, HUANG Tao, CAO Xue, ZHANG Ke-Deng

SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China

AbstractThis study statistically investigates the temporal and spatial variations of plasma convection velocity (Vy) and thermospheric zonal wind velocity (Uy) in the range of -4 hour (h) and +2 h MLT relative to substorm onsets (MLT onset) with both CHAMP and DMSP (F13, F15) satellite observations from 2001 to 2005. It shows that Vy increases significantly in all MLT sectors and the latitudes of the peak values move equatorward in 1.5 h after substorm onsets. In the subsequent 1.5 h Vy decreases in intensity and the peaks retreat poleward, which shows that the onsets of substorm can enhance the plasma convection velocity dramatically. The relative increase of Vy is the largest from -2h to MLT onset, which indicates that the substorm mainly affects the thermosphere in the westward 0～2 h MLT sector. Uy increases steadily in 3 hours after substorm onsets, with an 1.5 h delay relative to Vy in the response to the substorm onsets.

KeywordsSubstorms; Plasma convection; Thermospheric zonal wind; Time delay

劉丁維， 王慧， 黃韜等. 2016. 亞暴期間等離子體對(duì)流速度及熱層緯向風(fēng)速度變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析. 地球物理學(xué)報(bào)，59(6):1939-1947,doi:10.6038/cjg20160601.

Liu D W, Wang H, Huang T, et al. 2016. Temporal and spatial variations of plasma and neutral velocities during substorm periods.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(6):1939-1947,doi:10.6038/cjg20160601.