基于IGS數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)“利奇馬”引起的電離層TEC擾動

宋福成,時爽爽,2,史云飛,3,周瑞宸

(1. 山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室, 臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山東 臨沂 276000;2. 中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116；3.國土資源部城市土地資源監(jiān)測與仿真重點實驗區(qū)，廣東 深圳 180402)

0 引 言

電離層中存在大量的自由電子和離子,其生成、消失和輸運過程共同決定著帶電粒子的密度變化. 除太陽活動和地磁活動外,中層大氣局部環(huán)流變化也會影響電離層電子濃度分布. Bauer[1]最先使用電離層探測儀觀測得出颶風(fēng)來臨前測站上空的f0F2逐漸增加. 沈長壽[2]和Huang等[3]從統(tǒng)計角度指出電離層與臺風(fēng)、寒潮等對流層天氣現(xiàn)象具有相關(guān)性. 肖賽冠等[4]利用電離層多普勒觀測對1988年和1990年兩次強(qiáng)臺風(fēng)期間電離層形態(tài)中的波狀擾動進(jìn)行了分析,指出臺風(fēng)影響期間所激發(fā)的聲重波可以傳播到電離層高度并對電離層產(chǎn)生影響. 毛田等[5]利用50余個GPS臺站的觀測資料,研究了臺風(fēng)“麥莎”對電離層電子濃度總含量(TEC)的影響,得出臺風(fēng)登陸前一天,臺風(fēng)及其周邊區(qū)域的TEC與月中值的差值可超出5 TECU左右,臺風(fēng)登陸后,TEC的增大量和增大區(qū)域均減小,臺風(fēng)登陸一天之后,TEC達(dá)到最小值,并小于月中值. 余濤等[6]利用中國氣象局廈門電離層監(jiān)測站的電離層頻高圖數(shù)據(jù),研究了2007年登陸地點在廈門附近地區(qū)的3次臺風(fēng)登陸事件期間廈門電離層的變化,分析認(rèn)為由于臺風(fēng)登陸前后,強(qiáng)烈的海氣、陸氣相互作用可能影響到電離層高度,從而導(dǎo)致電離層f0F2等參量發(fā)生變化及電離層Es和擴(kuò)展F等擾動現(xiàn)象出現(xiàn). 程國生等[7]通過對臺風(fēng)登陸點以及參考點的電離層TEC變化情況進(jìn)行分析得出,臺風(fēng)對電離層TEC的影響在臺風(fēng)登陸并達(dá)到臺風(fēng)量級以及臺風(fēng)風(fēng)速達(dá)到最大這兩個階段最明顯,臺風(fēng)在登陸期間TEC增大,在風(fēng)速到達(dá)最大階段,TEC降到最小. Rice[8]認(rèn)為在排除地磁和太陽擾動因素后,臺風(fēng)“茉莉”引起了臺風(fēng)登陸之前電離層TEC的顯著增加. 許九靖[9]及閆慧[10]利用地基GPS數(shù)據(jù)反演高精度TEC,并對臺風(fēng)登陸前后多天的電離層TEC進(jìn)行分析,認(rèn)為臺風(fēng)“莫蘭蒂”及臺風(fēng)“潭美”期間的電離層TEC擾動與臺風(fēng)具有相關(guān)性.

從不同學(xué)者的研究可以看出,電離層對不同臺風(fēng)的響應(yīng)存在一定的差異,這與臺風(fēng)發(fā)生的時間、地點、強(qiáng)度以及傳播路徑,還有當(dāng)時的熱層、電離層背景情況及其他地球物理條件均不同有關(guān).臺風(fēng)對電離層f0F2的影響因測站距臺風(fēng)的遠(yuǎn)近而異,而利用地基GPS計算的區(qū)域電離層TEC具有一定的空間范圍. 電離層變化復(fù)雜,臺風(fēng)對于電離層變化的影響范圍不確定,對臺風(fēng)-電離層耦合機(jī)制的深入研究需要利用長時間尺度、大范圍的連續(xù)資料進(jìn)行分析. 本文利用國際GNSS服務(wù)(IGS)提供的電離層TEC數(shù)據(jù),從時間和空間變化上分析臺風(fēng)“利奇馬”期間電離層TEC的擾動情況.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文以1909號超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”為研究對象,根據(jù)中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)數(shù)據(jù)記載,臺風(fēng)“利奇馬”發(fā)生在2019年8月4-13日,8月4日生成于16.7°N,131.5°E附近,往北西方向移動,8月7日2:00LT(北京地方時)達(dá)到臺風(fēng)強(qiáng)度,17:00LT升格為強(qiáng)臺風(fēng),23:00LT升格為超強(qiáng)臺風(fēng),并繼續(xù)向西北方向移動,向浙江沿?？拷?8月8日晚間風(fēng)速達(dá)到極值62 m/s,8月10日1:45LT左右在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)速達(dá)52 m/s. 臺風(fēng)“利奇馬”登錄后沿北西方向逐步向內(nèi)陸推進(jìn),強(qiáng)度迅速減弱,8月10日20:00LT降格為熱帶風(fēng)暴,22:00LT時許,“利奇馬”由浙江移入江蘇境內(nèi),8月11日12:00LT時許,臺風(fēng)“利奇馬”從江蘇省連云港市附近出海,移入黃海海面,8月11日20:50LT左右,臺風(fēng)“利奇馬”在山東省青島市黃島區(qū)沿海再次登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)速為23 m/s. 圖1為臺風(fēng)“利奇馬”的路徑圖.

圖1 臺風(fēng)“利奇馬”路徑圖(黃色圓點表示熱帶低壓,金色圓點表示熱帶風(fēng)暴,橙色圓點表示強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,深橙色圓點表示臺風(fēng),番茄色圓點表示強(qiáng)臺風(fēng),紅色圓點表示超強(qiáng)臺風(fēng),藍(lán)色五角星表示臺風(fēng)登陸點,藍(lán)色三角形表示臺風(fēng)風(fēng)速極大值點)

IGS可以提供時間分辨率為2 h,空間分辨率5°×2.5°的全球電離層地圖(GIM)格網(wǎng)電離層資料. 在不同太陽活動周期和全球范圍內(nèi),大部分IGSTEC數(shù)據(jù)的精度都高于2～4 TECU[11],滿足研究的要求. 本文選取2019年7月25日-2019年8月23日的電離層TEC數(shù)據(jù)對臺風(fēng)登陸點及風(fēng)速極值點上的電離層TEC時間序列進(jìn)行擾動分析. 并對這段時間內(nèi)全球電離層TEC變化進(jìn)行分析.

太陽和地磁活動是影響電離層TEC變化的首要因素[12]. 太陽活動數(shù)據(jù)使用太陽F10.7射電流量,地磁活動數(shù)據(jù)使用Kp和Dst指數(shù). 太陽活動數(shù)據(jù)來源于中科院空間環(huán)境預(yù)報中心,地磁Dst指數(shù)數(shù)據(jù)來源于日本京都世界地磁數(shù)據(jù)中心,Kp指數(shù)數(shù)據(jù)來源于德國地學(xué)研究中心.

1.2 方法

在進(jìn)行TEC時間序列擾動分析時,使用四分位距法來確定TEC時間序列的上下限值.劉正彥等[13]最先提出了四分位距法,該方法綜合考慮了平均值法、中位數(shù)法的弊端.假設(shè)待探測時段為T天(T能被4整除)的電離層TEC數(shù)據(jù),將該時間段內(nèi)的TEC數(shù)據(jù)由小到大排列,并將其等分為4份,其等分點依次表示為Q1,Q2,Q3.T天對應(yīng)時刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序后,得到I1

{Q1=12(IT4+IT4+1)，

Q2=M=12(IT2+IT2+1)，

Q3=12(IT-4+IT-3)，

(1)

{up=M+1.5(Q3-M)，

low=M-1.5(M-Q1).

(2)

在對臺風(fēng)期間電離層TEC異常變化分析中,背景值使用滑動時窗法來確定.取滑動時窗長度為16天,計算滑動時窗內(nèi)每個時刻點上的均值和均方差,以均值為基礎(chǔ),以2倍的均方差為背景范圍.若時序值在背景范圍之外,則將該時序值剔除,利用相鄰內(nèi)插法計算正常值將其替換.將時窗逐天向前滑動,依次計算背景時間序列.

2 臺風(fēng)“利奇馬”期間電離層TEC擾動分析

2.1 臺風(fēng)期間日地環(huán)境分析

圖2 臺風(fēng)“利奇馬”期間日地環(huán)境變化(實線表示臺風(fēng)產(chǎn)生及消失時刻,灰色陰影部分表示臺風(fēng)風(fēng)速極大值時間段,虛線表示臺風(fēng)登陸時刻)

圖2示出了臺風(fēng)“利奇馬”期間日地環(huán)境變化,圖2(a)示出了該段時間內(nèi)太陽活動的變化狀態(tài),可以看出F10.7射電通量的變化相對較穩(wěn)定,在年積日206-235,其值在66～69 SFU范圍內(nèi)變化,平均值約為67 SFU,表明太陽活動強(qiáng)度較低,不會引起明顯的電離層擾動.

圖2(b)和圖2(c)分別示出了地磁Dst指數(shù)和Kp指數(shù)的變化情況,根據(jù)Dst指數(shù)值的大小可以將地磁活動分為四個等級:低強(qiáng)度(-30～-50 nT),中等強(qiáng)度(-50～-100 nT),高強(qiáng)度(-100～-200 nT)和超強(qiáng)度(<-200 nT).根據(jù)Kp指數(shù)值的大小,可以將磁場活躍度分為四個等級:平靜(0～1),較活躍(2～4),有小的磁暴(4～5),有較大的磁暴(>5).從圖2(b)可以看出,在年積日206-217,地磁Dst指數(shù)的變化相對保持穩(wěn)定,Dst指數(shù)在±15 nT內(nèi)波動,在年積日217,地磁Dst指數(shù)突然由正值變?yōu)樨?fù)值,且小于-50 nT,之后地磁Dst指數(shù)有逐漸增大趨勢,在年積日219之后,其值大于-30 nT,并逐漸趨于穩(wěn)定,在±29 nT內(nèi)波動.同時,圖2(c)也表明,在年積日217之前,Kp指數(shù)小于3,在年積日217,Kp指數(shù)突然增大,最大值達(dá)5.3,之后逐漸減小,在年積日217之后變化穩(wěn)定,其值小于3.因此,在年積日217可能有小的磁暴出現(xiàn).綜上所述,日地環(huán)境異常擾動出現(xiàn)在臺風(fēng)風(fēng)速達(dá)到極大值時刻之前,在臺風(fēng)風(fēng)速極大值期間,及臺風(fēng)登陸時,日地環(huán)境相對平靜,因此認(rèn)為該時間段內(nèi)的電離層TEC異常與日地環(huán)境擾動無關(guān).

2.2 風(fēng)速極值點及臺風(fēng)登陸點TEC時間序列分析

為了分析臺風(fēng)“利奇馬”期間風(fēng)速極值點及臺風(fēng)登陸點上電離層TEC變化,本文利用IGS提供的電離層TEC數(shù)據(jù)繪制了TEC時序變化圖及其異常變化圖,并利用滑動四分位距法計算了時序的上下限,如圖3所示,圖中登陸點1位于浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海,登陸點2位于山東省青島市黃島區(qū)沿海.

(a)登陸點1上TEC時序變化 (b)登陸點1上TEC時序變化 (c)登陸點1上TEC時序異常變化圖

(d)登陸點2上TEC時序變化 (e)登陸點2上TEC時序變化 (f)登陸點2上TEC時序異常變化圖

(g)風(fēng)速極值點上TEC時序變化 (h)風(fēng)速極值點TEC時序變化 (i)風(fēng)速極值點TEC時序異常變化圖

從圖3(a)、3(d)、3(g)可以看出,在分析時段內(nèi)三個點位上空電離層TEC均出現(xiàn)了不同程度的異常變化.從圖3(a)可以看出,在年積日211、223、224、230、232登陸點1上空電離層TEC出現(xiàn)了正異常變化,在年積日227出現(xiàn)了負(fù)異常變化;從圖3(d)可以看出,在年積日211、217、230登陸點2上空電離層TEC出現(xiàn)正異常變化,在年積日218、227出現(xiàn)負(fù)異常變化;從圖3(g)可以看出,在年積日211、223、230、232風(fēng)速極值點上空電離層TEC出現(xiàn)正異常變化,在年積日227出現(xiàn)負(fù)異常變化.從日地環(huán)境變化分析來看,在登陸點2上空年積日217出現(xiàn)的正異常及年積日218出現(xiàn)的負(fù)異?？赡苁怯傻卮呕顒右鸬?其余的異常則認(rèn)為可能是由臺風(fēng)引起的.臺風(fēng)產(chǎn)生前,三個點位上空電離層TEC在年積日211均出現(xiàn)了正異常變化,認(rèn)為是臺風(fēng)來臨前的前兆變化.年積日223-224,臺風(fēng)風(fēng)速達(dá)到極大值之后第二天,風(fēng)速逐漸減小,并在登陸點1登陸,之后登陸點1及風(fēng)速極值點上空電離層TEC出現(xiàn)了較明顯的正異常變化.在年積日227、230,臺風(fēng)消失之后的第二天和第五天,三個點上空電離層TEC同時出現(xiàn)了負(fù)異常變化和正異常變化.從圖3(b)、3(e)、3(h)電離層TEC時間序列等值線圖可以看出,在一天中,電離層TEC高值區(qū)為UTC05:00:00-UTC10:00:00(地方時13:00:00-18:00:00),低值區(qū)為UTC13:00:00-UTC24:00:00(地方時21:00:00-次日8:00:00),在低值區(qū)電離層TEC值變化相對穩(wěn)定,圖3(b)、3(h)中的高值區(qū)擾動明顯,在第6、12、18、25、27天(對應(yīng)年積日211、217、223、230、232)高值區(qū)電離層TEC值相較于鄰近幾天明顯增大.從圖3(c)、3(f)、3(i)電離層TEC時序異常變化圖同樣可以看出,在年積日211、217、223、230、232,電離層TEC正異常變化明顯,異常幅度為5～8 TECU,相較于正異常變化,負(fù)異常變化幅度較小,異常幅度最大值小于-3.5 TECU.

2.3 臺風(fēng)期間區(qū)域TEC變化分析

從對風(fēng)速極值點及臺風(fēng)登陸點上空電離層TEC時序變化及異常變化分析可知,正異常變化明顯的時段包括年積日211UTC08:00:00-UTC11:00:00,年積日223UTC05:00:00-UTC10:00:00,負(fù)異常變化明顯的時段為年積日227UTC03:00:00-UTC04:00:00.現(xiàn)對上述異常變化明顯時段進(jìn)行TEC變化空間分析,如圖4所示.

圖4 臺風(fēng)期間電離層TEC異常變化空間分析

從圖4可以看出,臺風(fēng)生成前第五天,即年積日211 11:00:00UTC,在臺風(fēng)生成方向有8 TECU左右的正異常變化.年積日223 5:00:00UTC-7:00:00UTC,臺風(fēng)影響區(qū)域上空電離層TEC表現(xiàn)為正異常變化,異常幅度逐漸增大,異常區(qū)域由西向東變化,年積日223 8:00:00UTC,電離層TEC出現(xiàn)了4 TECU左右的負(fù)擾動,9:00:00UTC-10:00:00UTC又變化為正擾動,擾動幅度逐漸減小.年積日223日電離層TEC擾動由正異常變?yōu)樨?fù)異常再變化為正異常的現(xiàn)象可能和此期間臺風(fēng)移動速度由大減小再增大有關(guān).在臺風(fēng)消失之后的第二天,即年積日227 3:00:00UTC-4:00:00UTC,臺風(fēng)影響區(qū)域上空電離層TEC表現(xiàn)為負(fù)異常變化,異常幅度逐漸減小并消失.

3 結(jié)束語

本文通過利用IGS提供的全球電離層電子含量地圖數(shù)據(jù),采用滑動四分位距法對臺風(fēng)“利奇馬”期間臺風(fēng)登陸點及風(fēng)速極值點上空的電離層TEC時間序列及臺風(fēng)期間區(qū)域TEC空間變化進(jìn)行分析.結(jié)果表明,從電離層TEC時序變化分析和空間變化分析來看,在臺風(fēng)發(fā)生前5天,電離層TEC出現(xiàn)了正異常變化.此階段為臺風(fēng)“利奇馬”的生成與發(fā)展階段,故該異?？赡芘c臺風(fēng)“利奇馬”有關(guān).臺風(fēng)“利奇馬”第一次登陸后,臺風(fēng)影響區(qū)域上空電離層TEC異常變化由正變化為負(fù)再變化為正,且最大異常點并不在風(fēng)眼處,而是在風(fēng)眼的西南側(cè).此異常變化可能與此期間臺風(fēng)移動速度由大減小再增大有關(guān).異常區(qū)域出現(xiàn)在臺風(fēng)影響區(qū)域的西南側(cè)可能與臺風(fēng)在北半球為逆時針方向旋轉(zhuǎn),右半邊的風(fēng)向與行進(jìn)方向一致,風(fēng)速得到加強(qiáng),氣壓降低有關(guān).