2004號臺風(fēng)“黑格比”路徑電離層TEC的異常分析

吳夢瑤，李仲勤，張瑞鵬，李 偉,5

（1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，蘭州 730070；4.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，西安 7100004；5.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

電離層與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是被部分電離的地球大氣，也是人類賴以生存的地球環(huán)境中的重要組份。全球垂直總電子含量（vertical total electron content, VTEC）常常被用來描述電離層形態(tài)和表征電離層的變化[1]。電離層的狀態(tài)受到多種因素的影響和制約，如太陽輻射、地磁風(fēng)暴等均可導(dǎo)致電離層出現(xiàn)不規(guī)則的擾動[2]。然而，研究者漸漸發(fā)現(xiàn)，在排除空間環(huán)境的影響外，仍有一部分電離層異常不能夠被清楚合理地解釋。20世紀(jì)50年代，文獻(xiàn)[3]首次發(fā)現(xiàn)了臺風(fēng)過程會對電離層的狀態(tài)產(chǎn)生不可忽視的影響。文獻(xiàn)[4]率先提出中低層大氣，通過聲重力波影響電離層的理論。自此，電離層與中、低層大氣氣象活動之間的影響機(jī)制，越來越受到更多學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[5]提出低層大氣的氣象活動，主要通過大氣波動的動力學(xué)過程，來產(chǎn)生電離層形態(tài)變化的相關(guān)理論。研究者采用不同的數(shù)據(jù)，就眾多臺風(fēng)事件中發(fā)生的電離層擾動進(jìn)行了廣泛討論。文獻(xiàn)[6-10]利用電離層多普勒資料、文獻(xiàn)[11]利用全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）臺站的觀測資料、文獻(xiàn)[12]利用電離層頻高圖數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)[13-14]采用總電子含量、文獻(xiàn)[15]采用電子密度數(shù)據(jù)，對臺風(fēng)發(fā)生發(fā)展期間電離層的變化進(jìn)行了研究，證實臺風(fēng)發(fā)生發(fā)展期間會導(dǎo)致電離層產(chǎn)生形擾。

臺風(fēng)是發(fā)生在熱帶或副熱帶區(qū)域的一種非常強(qiáng)大且典型的天氣現(xiàn)象，從目前的研究情況來看，如若想清楚地描述臺風(fēng)活動對電離層的影響機(jī)制，仍需進(jìn)一步在分析臺風(fēng)事件的基礎(chǔ)上進(jìn)行探尋。本文采用國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)服務(wù)組織（The International global navigation satellite systems (GNSS) Service, IGS）發(fā)布的全球垂直總電子含量數(shù)據(jù)，通過雙線性內(nèi)插，獲得2020年4號臺風(fēng)“黑格比”路徑特征點處電離層VTEC數(shù)值，并通過滑動四分位距的方法加以處理并提取異常值，分析臺風(fēng)“黑格比”發(fā)生前后路徑特征點區(qū)域的電離層總電子含量（total electron content,TEC）的異常時空分布特征。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的全球垂直總電子含量格網(wǎng)數(shù)據(jù)，由 IGS發(fā)布數(shù)據(jù)空間分辨率為 5°（經(jīng)線）×2.5°（緯線），時間分辨率為2 h；臺風(fēng)事件選自中國氣象局熱帶氣旋資料中心[16]；采用赤道地磁指數(shù)Dst和全球地磁指數(shù) Kp 表征地磁活動強(qiáng)度，數(shù)據(jù)來源于日本京都地磁數(shù)據(jù)中心[17]；采用太陽F10.7射電通量來表征太陽活動強(qiáng)度，數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局（The National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）[18]。

2 電離層異常提取

臺風(fēng)“黑格比”于世界協(xié)調(diào)時（Coordinated Universal Time,UTC）2020年8月1日20時被命名，國際編號“2004”，于8月3日發(fā)展成為臺風(fēng)，并于8月4日凌晨3時30分前后，以近巔峰強(qiáng)度在中國浙江省樂清市沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力有13級，風(fēng)速38 m·s-1，隨后其縱穿浙江省及江蘇省，于8月5日6時許，由江蘇省鹽城市移入黃海海面并再度增強(qiáng)，最終在 8月 6日消失。由于電離層受到太陽輻射和地磁擾動的影響，在分析臺風(fēng)發(fā)生期間的電離層異常時，需要綜合判斷這段時間內(nèi)空間天氣是否平靜。表 1為空間環(huán)境指數(shù)的活動水平。選取2020年年積日第200—220天，即2020年7月18日至8月7日，共計21天的太陽及地磁活動水平數(shù)據(jù)變化情況，涵蓋了臺風(fēng)“黑格比”發(fā)生前14天、發(fā)生時及消失后一天的全部時段。

表1 空間環(huán)境指數(shù)的活動水平

2020年7月18日至8月7日的太陽及地磁活動水平數(shù)據(jù)變化情況如圖1所示，由圖1可以看到，太陽射電通量 F10.7在這期間均保持在100個sfu以下，在整體研究時段內(nèi)均處于低活動水平，狀態(tài)保持相對平靜，sfu（solar flux unit）為太陽流量單位，1 個 sfu 為 1×10-22m-2·Hz-1；地磁活動 Kp指數(shù)只在2020年年積日第206—207天即2020年7月24—25日超過了4 nT，Dst指數(shù)也由7月24日當(dāng)日最大值12 nT驟降到-40 nT左右，7月25日最小值在-54 nT，地磁活動條件有微小的活躍，認(rèn)為有可能發(fā)生了弱小磁暴，其余的 20天內(nèi)地磁場整體較平靜。

圖1 2020年7月18日至8月8日，F(xiàn)10.7、Dst、Kp指數(shù)的變化

為更準(zhǔn)確地表達(dá)臺風(fēng)中心位置處電子濃度含量，本文以IGS發(fā)布的數(shù)據(jù)為依托，采用雙線性插值的方法，來獲得任意一點的TEC值。為了彌補(bǔ)類似平均值法、中位數(shù)法等靜態(tài)探測方法在提取異常中存在的不足，文獻(xiàn)[9]提出了動態(tài)探測四分位距法，四分位距法（inter quartile rang, IQR）是目前分析電離層異常最常使用到的算法之一。具體來講，一個數(shù)列中的四分位數(shù)分別為下四分位數(shù)、中位數(shù)和上四分位數(shù)，這三個四分位數(shù)就把整個數(shù)列分成了4個部分。若一項數(shù)列包含14個元素，從小到大的順序依次排列為X1, X2,…,X14，則有：

式中：Q1為上四分位數(shù)，表示在該數(shù)值以下的元素占總數(shù)的 25%；Q2為中位數(shù)，表示在該數(shù)值以下的元素占 50%；Q3為下四分位數(shù)，表示在該數(shù)值以下的元素占總數(shù)的75%；IQR為四分位距。在統(tǒng)計學(xué)上，IQR=1.34σ，即四分位距的期望值是標(biāo)準(zhǔn)差的1.34倍，該方法探測閾值約為標(biāo)準(zhǔn)差的兩倍,異常檢驗的置信度為95%。本文采用Q2=±1.5×IQR作為TEC是否出現(xiàn)異常的判定標(biāo)準(zhǔn)，即

式中：UB為觀測序列上界，觀測值大于上界限視為出現(xiàn)正異常；LB為觀測序列下界，觀測值小于下界限視為出現(xiàn)負(fù)異常。本文選取的時間窗口為15天，即取被分析日前14天無異常的電離層 TEC為背景值，對 2020年 7月 25日至 8月7日期間，臺風(fēng)路徑參考點的TEC數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測，采用式（5）、式（6）探測上下限。選取臺風(fēng)移動路徑過程中，部分強(qiáng)度變化點及臺風(fēng)中心風(fēng)速最大點也是臺風(fēng)登陸點為參考點，具體地理位置、時間（北京時間）、風(fēng)速及強(qiáng)度信息如表2所示。

表2 臺風(fēng)“黑格比”路徑特征點數(shù)據(jù)

繪制5個參考點在2020年7月18日至8月8日期間，臺風(fēng)中心電離層TEC變化時間序列曲線（以臺風(fēng)起編日為橫坐標(biāo)軸 0點，臺風(fēng)起編日之前用負(fù)號表示），異常提取結(jié)果如圖2所示。

圖2 臺風(fēng)“黑格比”路徑特征點TEC異常變化曲線

由圖2可知：5個參考點處電離層均出現(xiàn)了數(shù)值不等的正異常，最早在臺風(fēng)形成前7天（7月25日）就出現(xiàn)了擾動，但強(qiáng)度極其微弱，數(shù)值約為0.2個TECU（1 個 TECU 表示“1×1016個電子/平方米”），結(jié)合空間天氣分析，該日異?？赡芘c當(dāng)日發(fā)生弱小磁暴有關(guān)。除此之外，研究時段中也有零散異常出現(xiàn)，在臺風(fēng)起編日前一天（7月31日）和發(fā)生第三天（8月 4日），部分參考點上空出現(xiàn)電離層的擾動情況，但數(shù)值較小基本保持在0.2個TECU左右，本文不將這些微小擾動作為臺風(fēng)對電離層影響的依據(jù)。在臺風(fēng)發(fā)生前三天（7月29日）的2:00—8:00 UTC、臺風(fēng)發(fā)生的第二天（8月 2日）的2:00—10:00 UTC及臺風(fēng)停編后一天（8月7日）的 2:00—4:00 UTC，TEC的異常最為集中、持續(xù)時間長且幅度明顯，異常值均超過了1.8個TECU，其中在發(fā)生前三天出現(xiàn)研究時段的峰值，數(shù)值達(dá)4.0個TECU。7月29日6:00—12:00 UTC，分別出現(xiàn)了數(shù)值最高為 3.71、3.36、2.64、2.26、2.46 個 TECU的異常；8月3日2:00—10:00 UTC，分別出現(xiàn)了數(shù)值最高為3.31、2.64、3.15、2.9、3.8個 TECU左右的異常；8月7日6:00—10:00 UTC，分別出現(xiàn)了數(shù)值最高為 1.44、2.18、2.37、2.76、1.92 個 TECU左右的異常。綜上所述，電離層異常集中出現(xiàn)在臺風(fēng)起編前第三日、起編后第三日及停編后第一日，時間更多集中在 6:00—10:00 UTC 之間，數(shù)值較其他研究時段更大，影響效果更強(qiáng)，且異常屬性均屬正異常。排除空間天氣的影響，可以確定該時段內(nèi)的電子總含量的劇烈變化與臺風(fēng)“黑格比”之間存在一定聯(lián)系。

3 臺風(fēng)路徑電離層異?？臻g分布

基于對電離層TEC異常的時間分布分析，為進(jìn)一步確定TEC異常是否由臺風(fēng)引起，選擇經(jīng)度范圍（100°E～150°E），緯度范圍（10°N～50°N）為研究區(qū)域，選取7月29日、8月3日及8月7日三天的垂直總電子含量數(shù)據(jù)，以 2 h為時間間隔作兩維電離層異常圖，來分析電離層TEC異常的空間分布。圖3為利用14個地磁平靜日各網(wǎng)格測量得到的TEC 中值（即背景值）所作的電離層圖，紅色線條代表臺風(fēng)路徑，黑色五角星代表臺風(fēng)中心位置，為后續(xù)TEC變化提供參考。

圖3 地磁平靜日的電離層

圖4至圖6分別為臺風(fēng)在7月29日、8月3日及8月6日的TEC異常圖。由圖4可知：7月29日全部為正異常，異常區(qū)域在臺風(fēng)路徑東側(cè)自東向西移動，異常變化率逐漸增大至巔峰值后開始減小，最后消失。在2:00—4:00 UTC時間段內(nèi)，臺風(fēng)路徑以東出現(xiàn)異常，TEC的最大變化率出現(xiàn)在（130°E，25°N）處，數(shù)值達(dá)15.92%；在4:00—10:00 UTC的時間段內(nèi)，異常區(qū)域西移向內(nèi)陸推進(jìn)，漸漸與臺風(fēng)路徑區(qū)域高度附和，集中在北緯（15°N～30°N）、東經(jīng)（120°E～150°E）內(nèi)，TEC 變化率最大值增加到當(dāng)日峰值19.72%，隨后異常區(qū)域范圍逐漸縮小且強(qiáng)度逐漸減弱直至12:00 UTC，擾動消失。

圖4 臺風(fēng)路徑上的7月29日的異常日電離層

由圖5可知：8月3日全部為正異常，集中擾動區(qū)域出現(xiàn)在時間段2:00—8:00 UTC，強(qiáng)度較7月29日有所增大且為三天中強(qiáng)度最大、范圍最廣的一天。異常區(qū)域均集中出現(xiàn)在臺風(fēng)路徑附近上空，具體位置在北緯 （ 10°N～30°N ）、 東 經(jīng)（105°E～140°E），TEC 變化率峰值達(dá) 24.89%。在8:00 UTC時強(qiáng)度大幅減弱，最后在臺風(fēng)路徑以西消失。

圖5 臺風(fēng)路徑上的8月3日的異常日電離層

由圖6可知：8月7日4:00 UTC時，在東經(jīng)（130°E～135°E），北緯（25°N～32.5°N）內(nèi)出現(xiàn)了變化率為 7.53%的異常。隨著時間推移，異常范圍先擴(kuò)大后減小并逐漸向西北推進(jìn)，臺風(fēng)路徑附近出現(xiàn)大面積正異常，在 6:00 UTC時，異常位于北緯（17.5°N～30°N）、東經(jīng)（115°E～145°E）處，TEC 變化率峰值達(dá) 23.01%。隨后異常消失。在16:00—20:00 UTC時，臺風(fēng)路徑北方出現(xiàn)強(qiáng)度較小的正異常，異常分別位于北緯（45°N～47.5°N）、東經(jīng)（100°E～120°E）、北緯（40°N～45°N）、東經(jīng)（115°E～120°E）和北緯（45°N～47.5°N）、東經(jīng)（105°E～120°E），TEC 的最大變化率為 5.43%。

圖6 臺風(fēng)路徑上的8月7日的異常日電離層

4 結(jié)束語

本文以2004號臺風(fēng)“黑格比”為例，利用臺風(fēng)發(fā)生前14天無異常的VTEC數(shù)據(jù)，研究臺風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)過程前后，對電離層產(chǎn)生的影響并對其時空分布特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）在時間分布上，取被分析日前14天無異常的電離層 TEC為背景值，對臺風(fēng)路徑參考點的TEC數(shù)據(jù)，根據(jù)上下限進(jìn)行異常檢測，提取出與本次臺風(fēng)可能有關(guān)的異常，分別在7月25日、7月29日、8月2日及8月7日的臺風(fēng)路徑上空電離層發(fā)生擾動，在臺風(fēng)起編后第二天（8月3日）擾動最為明顯，峰值達(dá)4個TECU。異常屬性均為正異常，異常主要發(fā)生在6:00—10:00 UTC 之間。

2）在空間分布上，多日有局部異常發(fā)生，大面積異常集中發(fā)生在臺風(fēng)起編前的第三天、臺風(fēng)登陸后的第二天和臺風(fēng)停編后的第一天，異常區(qū)域運動軌跡大多呈自西向東移動，與臺風(fēng)風(fēng)向和行進(jìn)方向一致，且當(dāng)日TEC變化率最大值出現(xiàn)的空間位置與臺風(fēng)路徑位置區(qū)域高度重合，TEC異常變化率隨著時間的推移，以先增大、后減小、直至消失的方式運行，正異常幅度峰值為 24.89%，而停編后第一日對電離層狀態(tài)的影響依然存在，考慮與電離層延遲有關(guān)，在今后的進(jìn)一步研究中，可進(jìn)行深入探討。

目前，臺風(fēng)-電離層耦合關(guān)系并沒有得到明確的解釋，要清楚地了解臺風(fēng)-電離層耦合機(jī)制，還需要在分析大量統(tǒng)計事件的基礎(chǔ)上，找出可能存在的規(guī)律，通過對臺風(fēng)發(fā)生前后電離層擾動信息的探測，可為探尋臺風(fēng)與電離層擾動之間的規(guī)律的提供一定幫助，也為今后開展進(jìn)一步的研究工作做些準(zhǔn)備。