南極中山站F-lacuna特征分析

楊升高, 張北辰, 方涵先, 劉俊明, 劉建軍,李崇銀,3, 胡紅橋, 潘業(yè)森, 周小珂

1 解放軍理工大學氣象海洋學院, 南京　211101 2 中國極地研究中心, 上?！?00136 3 中國科學院大氣物理研究所, 北京　100029 4 96631部隊, 北京　102208

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南極中山站F-lacuna特征分析

楊升高1,2, 張北辰2*, 方涵先1, 劉俊明2, 劉建軍2,李崇銀1,3, 胡紅橋2, 潘業(yè)森4, 周小珂1

1 解放軍理工大學氣象海洋學院, 南京211101 2 中國極地研究中心, 上海200136 3 中國科學院大氣物理研究所, 北京100029 4 96631部隊, 北京102208

摘要F-lacuna是高緯極區(qū)電離層測高儀頻高圖上經常出現(xiàn)的一種F層回波描跡部分或全部消失的現(xiàn)象，直接影響電離層參數(shù)的標定，其表征的電離層物理過程尚未定論.利用南極中山站測高儀頻高圖數(shù)據，本文統(tǒng)計分析了F-lacuna在不同太陽風速度水平下的發(fā)生頻率，主要對2012年2月15日一次F2-lacuna觀測實例的粒子沉降及電離層特性進行了分析.觀測特征表明，F(xiàn)2-lacuna發(fā)生期間，電離層電子總含量TEC明顯減小，昭和站SuperDARN高頻雷達觀測到的中山站上空電離層Bragg后向散射增強，但對應來自磁層的電子和離子沉降并不明顯.這可能是由磁層亞暴引起的極區(qū)電離層電流體系擾動，觸發(fā)電離層F-B不穩(wěn)定性，產生沿場向排列的小尺度不規(guī)則體，其熱效應導致F2層密度減小，F(xiàn)2-lacuna出現(xiàn).

關鍵詞F-lacuna; 極區(qū)電離層; 頻高圖

1引言

F-lacuna(F層空白)是發(fā)生在高緯電離層的一種典型現(xiàn)象，在測高儀電離圖上表現(xiàn)為部分或全部F層描跡的消失，一般在夏季白天比較常見.這種觀測到的電離圖描跡的消失，最初被稱作“某高度區(qū)間的回波消失”或“E-F層頻率空白”(Olesen, 1957).該現(xiàn)象第一次被官方定義為F-lacuna是在1972年的國際無線電聯(lián)盟會議上，在測高儀的日常觀測數(shù)據中用字母“Y”標記.

按照回波描跡消失高度不同，將F-lacuna分為F1-lacuna，F(xiàn)2-lacuna以及Total lacuna.三種典型F-lacuna在測高儀電離圖上的特征如圖1所示.測高儀F層回波描跡的部分或全部消失，使得F層臨界頻率、漂移速度等電離層參數(shù)無法獲取，給電離圖標定造成困難.由于F-lacuna經常伴隨SEC(Slant Es condition)出現(xiàn)，F(xiàn)-lacuna與SEC之間的關系曾引起一些學者的關注.利用Dumont d′Urville站15 min間隔的測高儀電離圖數(shù)據，Sylvain等(1978)統(tǒng)計分析了F-lacuna同行星際磁場、對流電場，地磁場、電子密度以及SEC的關系，發(fā)現(xiàn)SEC與F1-lacuna和Total lacuna相關，F(xiàn)1層或較高的E層擾動產生了SEC，提出了一種解釋模型，認為能量粒子沉降引起的大尺度不規(guī)則體是形成F-lacuna的原因.Morris等(2003，2004)利用南極凱西站數(shù)據，對F-lacuna和伴隨的SEC分別進行了統(tǒng)計分析，認為F-lacuna產生的原因是等離子體不穩(wěn)定性引起的電離層不規(guī)則體.

自從20世紀80年代以來，很少有人再對極區(qū)F-lacuna現(xiàn)象進一步研究，目前為止，F(xiàn)-lacuna所揭示的電離層物理過程仍未定論.隨著數(shù)字測高儀以及其他協(xié)同觀測手段廣泛用于高緯極區(qū)電離層，大量積累的數(shù)據為進一步研究F-lacuna現(xiàn)象提供了數(shù)據支撐.在地磁活動較為平靜時，中山站一天中磁正午附近位于極隙區(qū)投影，兩次穿過極光區(qū)，夜間進入極蓋(沈長壽等,2005)，其位置非常有利于研究極區(qū)特別是極隙區(qū)物理過程(劉順林等,1997; 賀龍松等,2000).Yang等(2014) 利用南極中山站7.5 min間隔測高儀電離層圖數(shù)據，對F-lacuna的時間特性、同地磁指數(shù)、行星際磁場以及TEC相關性進行了統(tǒng)計分析研究.本文在此基礎上，著重分析F-lacuna發(fā)生期間協(xié)同觀測手段(GPS TEC以及高頻相干散射雷達)觀測的電離層特征.

2數(shù)據

中山站的地理坐標(69.4°S, 76.4°E)，修正地磁緯度74.5°S，即LT≈UT+5h，MLT≈UT+2h.本文用到的數(shù)據主要包括中山站數(shù)字式測高儀電離圖、GPS TEC以及昭和站(69°S, 39°E)高頻相干散射雷達觀測的中山站上空對流數(shù)據.

中山站數(shù)字式測高儀Digisonde-4D是馬薩諸塞州Lowell大學大氣研究中心研制的由計算機實時控制的高頻脈沖多普勒地面雷達，能詳細記錄無線電信號經電離層傳播時的各種物理參量.通過頻率掃描(頻率在1～30 MHz范圍內連續(xù)變化)，垂直向上發(fā)射高頻無線電脈沖，接收在不同頻率上由電離層反射的回波，測量回波的傳播時間，得到虛高隨頻率變化的頻高圖(電離圖).GPS TEC采用幾何方法將斜TEC直接轉換為垂直TEC(Bhawre et al., 2011)，再經反距離插值到中山站上空的垂直TEC(Mueller et al., 2004)，考慮到極區(qū)電離層水平梯度較大，在處理數(shù)據時，剔除衛(wèi)星仰角小于50°的斜TEC數(shù)據.作為國際超級雙子極光雷達觀測網(SuperDARN)的組成部分，昭和站與其他SuperDARN高頻雷達一樣，通過探測電離層不規(guī)則體的布拉格(Bragg)散射回波，對回波信號的自相關函數(shù)進行譜分析，從而得到電離層中場向不規(guī)則體的回波強度、視線速度以及多普勒譜寬(劉二小等，2012).圖2是昭和站高頻雷達的探測視場，通過相控陣在16個固定波束方向上連續(xù)掃描(即波束0—15)，其中第7波束經過中山站上空，可用來探測中山站上空對流情況.

圖1　中山站三種典型F-lacuna：(a) F1-lacuna, (b) F2-lacuna, (c) total lacuna (Yang et al., 2014)

圖2　修正地磁坐標系下昭和站高頻雷達視場(第7波束經過中山站上空)

3F-lacuna特征分析

為得到F-lacuna發(fā)生的統(tǒng)計特性，采用一種表征F-lacuna發(fā)生頻率的指標fi(i代表不同類型的F-lacuna)，其定義如下(Yang et al., 2014)：

fi=n(i)/N

其中，n(i)是指定時間段出現(xiàn)某種F-lacuna的頻高圖數(shù)目，N是該時段所有頻高圖數(shù)目.

3.1統(tǒng)計特征

利用南極中山站數(shù)字化測高儀記錄的7.5 min間隔的電離圖，對F-lacuna的時間特性，同地磁指數(shù)、行星際磁場以及TEC相關性進行了統(tǒng)計分析研究(Yang et al., 2014).結果顯示，中山站幾乎所有的F-lacuna都發(fā)生在03∶00—13∶00MLT (06∶00—16∶00LT)時間段，即主要集中于磁地方時晨側，有很強的晨昏不對稱性；對于季節(jié)變化而言，兩分日所在月份的F-lacuna發(fā)生率小于夏至日所在月份，冬至日所在月份的F-lacuna幾乎沒有發(fā)生；F2-lacuna和Total lacuna同地磁活動表現(xiàn)出很強的正相關，F(xiàn)1-lacuna發(fā)生率沒有表現(xiàn)出相關性；南向IMF分量有利于F2-lacuna發(fā)生；TEC越大，F(xiàn)1-lacuna發(fā)生率越大，TEC越小，F(xiàn)2-lacuna發(fā)生率越大，Total lacuna在不同水平TEC下，發(fā)生率幾乎不變.

本文利用南極中山站夏季白天測高儀數(shù)據，統(tǒng)計了三種不同類型F-lacuna在不同太陽風速度水平下的發(fā)生率，結果如圖3所示.可以看出，F(xiàn)2-lacuna發(fā)生率隨太陽風速度增加而增大，其他兩種F-lacuna沒有表現(xiàn)出相關性.為進一步分析F2-lacuna同太陽風速度的這種相關性，圖4給出2011年12月的F2-lacuna的天發(fā)生數(shù)目和天平均太陽風速度，兩者趨勢呈現(xiàn)出較好的一致性.因此，可以得出，F(xiàn)2-lacuna表征的電離層物理過程與太陽風參數(shù)(太陽風速度Vsw、南向行星際磁場IMFBz)以及地磁活動，存在某種相關性，即強的太陽風參數(shù)和地磁活動水平更有利于F2-lacuna的發(fā)生.

圖3　三種F-lacuna在不同太陽風速度水平的發(fā)生率

圖4　F2-lacuna天發(fā)生數(shù)目和太陽風速度天平均水平隨時間變化

3.2一次F-lacuna實例觀測特征

統(tǒng)計結果顯示，F(xiàn)2-lacuna發(fā)生與太陽風參數(shù)(太陽風速度Vsw、南向行星際磁場IMFBz)、地磁活動指數(shù)Ap以及電離層參數(shù)TEC具有明顯相關性(Yang et al., 2014).本節(jié)給出一個F2-lacuna觀測實例，重點分析其發(fā)生期間的其他電離層觀測特征.

由于F-lacuna造成測高儀回波部分或全部消失，導致截止頻率、峰值高度等電離層參數(shù)標定困難，因此，其他協(xié)同觀測手段對深入理解F-lacuna涉及的電離層物理過程尤為重要.圖5是南極中山站2012年2月15日02∶00—04∶00UT(07∶00—09∶00LT)期間15 min間隔的測高儀電離圖，從圖中看出，02∶00UT開始，電離圖F2層回波逐漸消失，03∶00UT開始，F(xiàn)1層不斷下降.

圖6是2012年2月15日3 h平均地磁指數(shù)Ap和1 min分辨率的極光電急流指數(shù)AE/AU/AL隨時間變化.AL表征西向電急流的最大值，可以看出，在03∶00—05∶00UT期間，地磁指數(shù)Ap達到一天的最大值56，AL指數(shù)也有明顯的變化，導致AE指數(shù)增大.該觀測結果與統(tǒng)計結果較為一致(Yang et al., 2014).極光電急流指數(shù)AE是反映極光帶磁擾程度的指標，通常用來研究亞暴(徐文耀，2009)，AE指數(shù)增大，表明極區(qū)電離層電流體系擾動，電流強度增強(王慧等，2010).

電子密度是電離層重要參數(shù)之一，是研究電離層中各種物理過程的重要指標.圖7給出2012年2月15日中山站15 min間隔的GPS TEC觀測結果.從圖中看出，TEC在磁正午達到最大，這與沈長壽等(2005)的統(tǒng)計結果相一致.研究顯示，中山站電離層TEC變化與地磁Ap指數(shù)變化具有良好的一致性(孟泱等，2010)，即Ap指數(shù)大時，TEC值也大.而在此次F2-lacuna事件發(fā)生時段(02∶30—04∶00UT)，Ap指數(shù)達到56，TEC卻明顯減小(03∶00UT左右的突然增大可能是數(shù)據誤差導致)，表明電離層發(fā)生的某種過程抑制了電子密度的增大.

圖5　中山站2012年2月15日02∶00—04∶00UT測高儀電離圖

圖6　2012年2月15日地磁指數(shù)Ap和極光電集流指數(shù)AE隨時間變化

圖7　2012年2月15日中山站GPS TEC隨時間變化(02∶00UT對應TEC無效)

高頻相干散射雷達主要探測電離層中沿地磁場排列的小尺度不規(guī)則體，對來自電離層中小尺度電子密度不均勻體的Bragg散射特別敏感.由于等離子體的不穩(wěn)定性、高能粒子沉降等因素，電離層中存在著不同尺度的電子密度不均勻體，高頻相干散射雷達是探測這些不均勻體的有力工具(Ho et al., 1994).圖8是昭和站SuperDARN高頻雷達第7波束的回波功率隨時間變化圖，橫坐標是世界時，縱坐標是地磁緯度，-75°附近的回波強度反映中山站上空電離層的Bragg后向散射效應(Liu et al., 2011).可以看出，從02∶20UT左右開始回波功率明顯增強，可能是電離層某種不穩(wěn)定性作用形成的場向不規(guī)則體后向散射增強的結果.

圖8　昭和站SuperDARN高頻雷達第7波束的回波功率隨時間變化

圖9是中山站2012年2月15日02∶00—05∶00UT幅度閃爍指數(shù)，從圖中看出，在整個F2-lacuna期間，閃爍表現(xiàn)平靜，僅在02∶30UT至03∶00UT間，有小幅增大，這同前期統(tǒng)計結論一致(Yang et al., 2014)，F(xiàn)-lacuna發(fā)生與閃爍無明顯相關.

圖10是2012年2月15日中山站F2-lacuna發(fā)生前DMSP F18衛(wèi)星觀測的沉降粒子能譜，圖中兩條實豎線之間的時間段(01∶54∶30—01∶55∶30)，衛(wèi)星經過中山站上空，從其觀測結果看出，無論是電子沉降，還是離子沉降，都處于較低的水平.由此可見，粒子沉降不是此次F2-lacuna事件發(fā)生的主導因素.

4總結與討論

本文在前期研究的基礎上，統(tǒng)計分析了F-lacuna在不同太陽風速度下的發(fā)生頻率，進而對一次F2-lacuna觀測實例的粒子沉降及電離層特性進行了分析.統(tǒng)計結果顯示，F(xiàn)2-lacuna發(fā)生率隨太陽風速度的增加而增大，其他兩種F-lacuna沒有表現(xiàn)出相關性.觀測實例表明，F(xiàn)2-lacuna發(fā)生期間，電離層電子總含量TEC明顯減小，但對應來自磁層的電子和離子沉降并不明顯.

極區(qū)電離層強烈受到來自極光粒子沉降和磁層對流電場影響，一方面受到來自磁層的極光粒子沉降對中性大氣電離引起的電子濃度變化，另一方面，磁層電場映射到極區(qū)電離層，引起等離子體的水平輸運和F層電子濃度的重新分布(朱愛琴等，2008).Sylvain等(1978) 研究了F-lacuna同電子密度和擴展F的關系，結論是：(1)F2-lacuna和Total lacuna 發(fā)生時foF2和foF1減小，F(xiàn)1-lacuna發(fā)生時foF1減小，foF2基本不受影響；(2)F-lacuna與擴展F兩者相互獨立，或者存在很小的負相關.并提出一種大尺度電子密度不規(guī)則體模型來解釋F-lacuna的產生，認為由于電子沉降電離形成的大尺度不規(guī)則體使得返回測高儀的回波未能垂直傳播，導致回波消失.中山站F2-lacuna發(fā)生時觀測到減小的TEC，這同Sylvain的統(tǒng)計結果并不矛盾.DMSP F18衛(wèi)星經過中山站上空的觀測結果顯示，F(xiàn)2-lacuna發(fā)生前電子沉降和離子沉降并不明顯，因此，該模型并不適合解釋中山站該F2-lacuna實例的發(fā)生.F2-lacuna發(fā)生期間的SuperDARN高頻雷達回波增強，可能是電離層中的某種不穩(wěn)定作用產生的中小尺度不規(guī)則體后向散射的結果.

圖9　2012年2月15日F2-lacuna期間中山站幅度閃爍指數(shù)

圖10　DMSPF18衛(wèi)星經過中山站上空(兩條實垂線之間)觀測的沉降粒子能譜

電場對整個高緯電離層的電子密度以及離子成分有重要的作用(Banks et al., 1974).Schunk等(1975) 模擬了電場對白天高緯電離層E層和F層電子密度的作用，大的垂直電場通過E⊥×B，使得等離子體對流增強，焦耳加熱明顯，電子溫度增大.由于摩擦加熱，離子溫度快速增加，促使化學反應O++N2→NO++ N的反應速率增大，導致O+同分子離子的復合率增加，F(xiàn)層電子密度減小.Zhang等(2003，2004)利用高緯一維自洽電離層模型，模擬了極區(qū)電離層對F-B(Farley-Buneman)不穩(wěn)定性熱效應的響應，當電場增大到75 mVm-1時，E層電子密度增大，而F層電子密度減小.如中性大氣同電子的相互作用類似，F(xiàn)-B不穩(wěn)定性觸發(fā)的等離子體波與電子相互作用使得電子溫度升高，電子得到的能量通過碰撞等作用部分傳給中性成分和離子(Robinson, 1986)，粒子溫度的升高，影響光化學反應速率，使得分子離子增加，原子離子(主要是O+)減小.

亞暴發(fā)生時，場向電流增強，極區(qū)電離層電流體系擾動觸發(fā)F-B不穩(wěn)定性，產生沿場向排列的小尺度不規(guī)則體，其熱效應導致F2層密度減小，F(xiàn)2-lacuna出現(xiàn)，低電離層密度增加，F(xiàn)1層下降.

致謝感謝“國家重大科技基礎設施子午工程科學數(shù)據”提供的中山站測高儀數(shù)據，感謝為獲取高空觀測數(shù)據辛勤工作的南極科考隊員.高頻雷達數(shù)據來自日本昭和站，TEC數(shù)據來自中山站，DMSP數(shù)據來自(http:∥sd-www.jhuapl.edu)，太陽風數(shù)據和地磁數(shù)據來自(http:∥spidr.ngdc.noaa.gov).

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(本文編輯胡素芳)

基金項目國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2012CB825603)，國家自然科學基金(41104090，41274148，40505005，41431072，41274149)，國家重點實驗室專項基金(Y22612A33S)，南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(CHINARE-2014-02-03),浦東新區(qū)科技發(fā)展基金項目(PKC2013-207)資助.

作者簡介楊升高，男，1987年生，解放軍理工大學氣象海洋學院在讀博士生，學位論文研究方向為極區(qū)電離層物理. E-mail：shenggao_yang@163.com*通訊作者張北辰,男,1970年生，中國極地研究中心研究員，主要研究日地空間擾動和極區(qū)電離層-磁層耦合的數(shù)值模擬. E-mail：zhangbeichen@pric.org.cn

doi:10.6038/cjg20160102 中圖分類號P352

收稿日期2015-02-16，2015-07-16收修定稿

Study on F-lacuna characteristics at Zhongshan station, Antarctic

YANG Sheng-Gao1,2, ZHANG Bei-Chen2*, FANG Han-Xian1, LIU Jun-Ming2, LIU Jian-Jun2, LI Chong-Yin1,3, HU Hong-Qiao2, PAN Ye-Sen4, ZHOU Xiao-Ke1

1InstituteofMeteorologyandOcean，PLAUniv.ofSci. &Tech.,Nanjing211101,China2PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China3ChineseAcademyofSciences(CAS),Beijing100029,China4UnitNO. 96631ofPLA,Beijing102208,China

AbstractAs a typical phenomenon on ionograms observed at high latitudes, F-lacuna usually occurs in summer daytime. It manifests itself as partial or total disappearance of normal ionogram traces, which usually prevents the determination of ionospheric parameters from ionograms. Due to the sparse data in polar region, its mechanism is still controversial. The ionograms recorded by Zhongshan Digisonde 4D were used to carry out this study. According to the missing traces concerning either F1 region, F2 region, or the whole F region, the F-lacuna can be classified into three types, i.e., F1-lacuna, F2-lacuna and total lacuna, respectively. This paper concentrated on F2-lacuna mechanism. Based on the F-lacuna events with manual judgments, we studied all three types of F-lacuna occurrence rate in different solar wind velocity conditions, then focused on the simultaneous observations from GPS TEC, HF radar and DMSP satellite, during a F2-lacuna case.

The statistical on the daily F-lacuna occurrence frequency relation to averaged solar wind velocity indicates that F2-lacuan occurs more frequent with solar wind velocity increasing. The observations show that a substorm occurred during the F2-lacuna period. In the mean time, the in-situ TEC decreases, Bragg back scattering of Super DARN HF radar enhances, but the particle precipitation is not obvious. Through the statistical and case study, we analyzed F2-lacuna occurrence mechanism. On one hand, the heating effect from F-B instability triggered by substorm enhances the O+recombination rate of upper F region, leading to the decreased electron density of F2 region and subsequently the decreased TEC. On the other hand, the F-B instability disturbance produces small-scale irregularities along the field aligned observed by SuperDARN HF radar.

KeywordsF-lacuna; Polar ionosphere; Ionogram

楊升高, 張北辰, 方涵先等. 2016. 南極中山站F-lacuna特征分析.地球物理學報，59(1):8-16,doi:10.6038/cjg20160102.

Yang S G, Zhang B C, Fang H X, et al. 2016. Study on F-lacuna characteristics at Zhongshan station, Antarctic.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):8-16,doi:10.6038/cjg20160102.