2013年平流層爆發(fā)性增溫期間高緯電離層半日潮汐波研究

羅嘉輝， 龔韻*， 馬錚， 張紹東,3， 黃春明

1 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 武漢 430072 2 地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072 3 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072

0 引言

熱力太陽潮汐波是一種主要由太陽周期性輻射產(chǎn)生的大尺度大氣振蕩．潮汐波可以加速大氣平均流速、調(diào)制重力波以及其與大氣的相互作用，并有助于大氣發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)生(Fesen，1992)．潮汐波通常依照周期分為24 h潮汐波、半日潮汐波、8 h潮汐波和6 h潮汐波；依照傳播模式分為遷移潮汐波和非遷移潮汐波. 這些潮汐波通常在對(duì)流層和平流層激發(fā)，并向上傳播進(jìn)入電離層．

在電離層，中性風(fēng)場(chǎng)的半日潮汐波振幅通常會(huì)大于背景風(fēng)，并主導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)(Johnson，1991)．在高于110 km高度上，半日潮汐代替24 h潮汐開始主導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)(Zhang et al．，2004b)．特別地，高緯地區(qū)電離層半日潮汐波有比24 h潮汐波更明顯的日變化(Nozawa et al．，2010)．因此，電離層半日潮汐波一直受到廣泛的關(guān)注．基于數(shù)值模型，F(xiàn)orbes(1982)發(fā)現(xiàn)在中低緯地區(qū)半日潮汐波振幅和相位的垂直結(jié)構(gòu)在120 km以上隨著高度增加變化緩慢．Hagan等(1995)提供了一個(gè)全球尺度的波動(dòng)模型(GSWM)．基于GSWM，Hagan和Forbes(2002，2003)以及Goncharenko 等(2013)認(rèn)為半日潮汐波可以通過吸收太陽輻射通量、行星波與潮汐的非線性相互作用或受到經(jīng)向不均勻分布的作用而激發(fā)．Zhang等(2021)利用WACCM-X模式數(shù)據(jù)研究了西向傳播的半日潮汐波在91～97 km高度范圍內(nèi)的氣候?qū)W模型，給出了遷移潮汐與非遷移潮汐的季節(jié)變化．除了數(shù)值模擬，還有很多有效的設(shè)備可以觀測(cè)電離層潮汐波，如激光雷達(dá)(Yuan et al．，2008；Li et al．，2009)、中頻-甚高頻雷達(dá)(Thayaparan and Hocking，2002；Zhang et al．，2004a)、衛(wèi)星觀測(cè)設(shè)備(Oberheide and Forbes，2008；Xu et al．，2009；Iimura et al．，2010)、Fabry-Perot干涉儀(Wu and Nozawa，2015)、數(shù)字測(cè)高儀(Chen et al．，2016; Liu et al．，2021)、超級(jí)雙極光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)(Hibbins et al．，2019)等．特別地，非相干散射雷達(dá)在觀測(cè)電離層潮汐波有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也被廣泛地應(yīng)用．利用位于Arecibo(18°N，67°W)、Millstone Hill(43°N，289°E)、Chatanika(65°N，147°E)和Sondrestrom(67°N，51°W)的非相干散射雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，F(xiàn)orbes和Vial(1991)詳細(xì)研究了E層風(fēng)場(chǎng)中半日潮汐波活動(dòng)以及其與理論模型預(yù)測(cè)的差異．Azeem和Johnson (1997)以及Goncharenko和Salah(1998)利用Sondrestrom和Millstone Hill非相干散射雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)報(bào)道了E層半日潮汐波的季節(jié)變化，他們的結(jié)論是中高緯地區(qū)半日潮汐波在冬季的振幅通常要小于其他季節(jié)．Zhang等(2004b)利用三臺(tái)非相干散射雷達(dá)和空基風(fēng)場(chǎng)成像干涉儀數(shù)據(jù)研究了E層半日潮汐波的緯度變化，結(jié)果表明半日潮汐波振幅隨緯度增高而增大．Johnson和Virdi(1991)利用Sondrestrom和Scandinavia(70°N，19°E)非相干散射雷達(dá)觀測(cè)到E層緯向風(fēng)中半日潮汐波的垂直波長約為60 km．Nozawa等(2005)利用兩臺(tái)歐洲非相干散射雷達(dá)展示出半日潮汐波振幅在105 km取得最大值約80 m·s-1，其在E層垂直波長約30 km．利用Arecibo非相干散射雷達(dá)1984—2015年間31次雷達(dá)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，Gong等(2021)揭示了150～400 km高度范圍內(nèi)半日潮汐波的氣候?qū)W和季節(jié)性變化以及其對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)特性．

平流層爆發(fā)性增溫(Sudden Stratospheric Warming，SSW)是發(fā)生在冬季極區(qū)的大尺度空間天氣事件，它往往伴隨著極區(qū)平流層溫度迅速升高約幾十開爾文(Matsuno，1971)．大量研究證明SSW事件可以導(dǎo)致強(qiáng)烈的全球大氣擾動(dòng)(Fuller-Rowell et al．，2010，2011；Chau et al．，2012；Ma et al．，2020a，2020b，2022a，2022b；Gong et al．，2018a，2018b，2019，2021；Luo et al．，2021)，特別是電離層半日潮汐波在SSW發(fā)生后增強(qiáng)的現(xiàn)象，這在中低緯度地區(qū)被普遍報(bào)道(Pedatella and Forbes，2010；Gong et al．，2013；Goncharenko et al．，2013；Chen et al．，2016)．Pedatella和Forbes(2010)利用全球定位系統(tǒng)的總電子密度數(shù)據(jù)證實(shí)了2009年SSW事件引起了強(qiáng)烈的電離層擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)西向傳播波數(shù)為1和波數(shù)為0的非遷移半日潮汐波有明顯的增強(qiáng)．利用Arecibo非相干散射雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，Gong等(2013)報(bào)道了在2010年SSW期間F層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波增強(qiáng)．Goncharenko等(2013)利用中緯度地區(qū)Millstone Hill非相干散射雷達(dá)離子溫度數(shù)據(jù)報(bào)道了在2013年SSW事件發(fā)生后F層半日潮汐波增強(qiáng)．然而，高緯地區(qū)電離層半日潮汐波在SSW事件發(fā)生后的變化特征還不清楚．Wu和Nozawa(2015)利用位于Resolute(75°N，95°W)的Fabry-Perot干涉儀觀測(cè)了97 km和250 km風(fēng)場(chǎng)的半日潮汐波，發(fā)現(xiàn)在2010年SSW事件期間半日潮汐波的增強(qiáng)．但是，受到觀測(cè)手段的限制，他們的研究沒有揭示電離層半日潮汐波的垂直結(jié)構(gòu)．本研究利用Sondrestrom非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)，研究了2013年SSW事件發(fā)生后F層和E層中性風(fēng)中半日潮汐波的變化，對(duì)比分析了SSW期間和1月份非SSW發(fā)生期間高緯電離層半日潮汐波的垂直結(jié)構(gòu)，并討論了太陽活動(dòng)對(duì)2013年SSW期間高緯電離層半日潮汐波的影響．

1 數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文中主要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于坐落在格陵蘭島西海岸Sondrestrom站點(diǎn)非相干散射雷達(dá)．該雷達(dá)建成于1983年，自建立至今在高緯電離層研究中被廣泛使用(Forbes and Vial，1991；Azeem and Johnson，1997；Zhang et al．，2016)．Sondrestrom非相干散射雷達(dá)的峰值功率大約為3.5 MW，發(fā)射頻率為1290 MHz(Kelly et al．，1995；McCready and Heinselman，2013)．該雷達(dá)通過組合長脈沖編碼和交替編碼提供E層和F層數(shù)據(jù)，其高度分辨率在E層約為3 km，在F層低于200 km區(qū)域約為22 km，在高于200 km區(qū)域約為42 km，時(shí)間分辨率約為3 min．在本研究中，為了獲得更高的數(shù)據(jù)信噪比和更可信的譜結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行了以15 min為分辨率的平均處理．本研究中利用Sondrestrom 非相干散射雷達(dá)的探測(cè)參數(shù)有：電子濃度(Ne)，電子溫度和離子溫度(Te和Ti)，東向電場(chǎng)強(qiáng)度(Ee)，在地磁坐標(biāo)系下離子漂移速度(Vap、Vpe和Vpn)，其中，Vap反平行于磁場(chǎng)方向，Vpe垂直于磁場(chǎng)方向向東，Vpn垂直于磁場(chǎng)方向向北．

本研究利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間和高度信息如表1所示．其中，“*”所標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間為2013年1月SSW發(fā)生后，其余為在1月份無SSW事件的數(shù)據(jù)．除了非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)外，本研究還使用了第二代現(xiàn)代研究與應(yīng)用回顧分析數(shù)據(jù)(Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications，Version 2)，簡(jiǎn)稱MERRA-2再分析數(shù)據(jù)．該再分析資料提供了2013年SSW事件發(fā)生前后平流層緯向平均風(fēng)場(chǎng)和溫度數(shù)據(jù)．此外，本研究還使用了太陽活動(dòng)和地磁環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)(F10.7和Kp)以及MSIS-E-90大氣模式數(shù)據(jù)．

表1 數(shù)據(jù)集的起止時(shí)間和高度范圍

1.2 數(shù)據(jù)反演介紹

利用非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)反演中性風(fēng)的方法已多次被報(bào)道，比如在Arecibo(Aponte et al．，2005；Gong and Zhou，2011；Gong et al．，2012；2013)、Millstone Hill(Goncharenko and Salah，1998；Buonsanto and Witasse，1999)和歐洲非相干散射雷達(dá)(Brekke et al．，1994；Nozawa et al．，2005)．在本研究中，計(jì)算E層和F層中性風(fēng)方法如下：

如果只考慮碰撞力、電場(chǎng)和地磁場(chǎng)對(duì)離子的影響，離子動(dòng)量方程可以簡(jiǎn)化為(Gong et al．，2013)

(1)

其中，U和V+分別是中性氣體速度和離子漂移速度，q是電荷,m+是離子質(zhì)量，υin是離子中性粒子碰撞頻率，E和B分別是電場(chǎng)矢量強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度．由于垂直風(fēng)遠(yuǎn)小于水平風(fēng)，所以垂直風(fēng)在本研究中不予考慮．在地磁坐標(biāo)系下，公式(1)在經(jīng)向(向南為正)和緯向(向東為正)的投影可以得到E層經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)(Gong et al．，2013)：

Us=Vs+VztanI,

(2)

(3)

其中，下標(biāo)s、e和z分別是地磁坐標(biāo)系下的南向、東向和垂直向上．I和B0分別是磁傾角和磁感應(yīng)強(qiáng)度，在Sondrestrom站點(diǎn)分別為79.6°和5.5×10-5T．Ee是東向電場(chǎng)強(qiáng)度．地磁坐標(biāo)系下Vs、Ve和Vz可以通過地理坐標(biāo)系下的離子漂移速度Vap、Vpe和Vpn通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到(Sulzer et al．，2005)．

vin=(2.375[O]+4.234[N2]+5.15[O2])×10-10,

(4)

其中，[O]、[N2]和[O2]是中性粒子數(shù)密度，單位為(/cm3)，中性粒子數(shù)密度可以從MSIS-E-90大氣模式得到．Nozawa等(2005)利用高緯地區(qū)歐洲非相干散射雷達(dá)計(jì)算了E層中性風(fēng)，他們考慮到在120 km以上區(qū)域使用MSIS-E-90模式的數(shù)據(jù)計(jì)算vin會(huì)帶來較大不確定性，因此將緯向風(fēng)限制在120 km以下．基于同樣的考慮，在本研究中只計(jì)算了120 km以下的緯向風(fēng)．為了與緯向風(fēng)對(duì)比研究，E層經(jīng)向風(fēng)同樣被限制在120 km以下．

在高于120 km高度范圍，F(xiàn)層經(jīng)向風(fēng)的計(jì)算方法如下(Gong et al．，2012)：

Us=(Vap-Vd)secI,

(5)

其中，Vd表示擴(kuò)散速度(垂直向上為正)．?dāng)U散速度可以由以下公式計(jì)算得到：

(6)

(7)

其中，mo+表示O+離子質(zhì)量，單位為原子質(zhì)量單位．

1.3 數(shù)據(jù)處理及擬合

為了研究半日潮汐波在2013年SSW事件發(fā)生后的變化，本文采用了窗長為48 h的滑動(dòng)窗，滑動(dòng)步長為3 h．在每個(gè)滑動(dòng)窗內(nèi)，利用最小二乘擬合方法，同時(shí)提取了背景風(fēng)以及周日、半日、八小時(shí)、六小時(shí)潮汐波的振幅和相位．注意，擬合僅在每個(gè)擬合窗內(nèi)數(shù)據(jù)的空值小于30%時(shí)才執(zhí)行．在E層，由于電子濃度在夜晚太低以至于探測(cè)數(shù)據(jù)缺失較多，計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在105 km以下也有很多缺失，所以不能準(zhǔn)確擬合半日潮汐波振幅．在F層，由于離子中性粒子的碰撞頻率不確定性，本研究中將F層經(jīng)向風(fēng)限制在330 km以下．通過對(duì)以上計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，本研究中得到了105～120 km高度范圍內(nèi)經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)中的半日潮汐波和背景風(fēng)，以及140～330 km高度范圍內(nèi)經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波和背景風(fēng)．

2 結(jié)果

在2013年1月4日發(fā)生了一次SSW事件(Goncharenko et al．，2013；Manney et al．，2015；Chen et al．，2016；Coy and Pawson，2015；Ma et al．，2017)．圖1a展示了在10 hPa和90°N平流層溫度，可以發(fā)現(xiàn)在1月4日之后平流層溫度迅速升高并達(dá)到約235 K，這表明發(fā)生了SSW事件．圖1b展示了在60°N緯向平均緯向風(fēng)，在1月4日之前約為東向25 m·s-1，隨后發(fā)生反轉(zhuǎn)，變?yōu)槲飨蝻L(fēng)，這表明2013年SSW事件是一次主增溫SSW事件．之后約20天緯向風(fēng)一直保持西向．圖1c展示出，在2013年SSW期間，Kp指數(shù)均保持低于3的水平，處于比較安靜的地磁環(huán)境下．所以在此次SSW事件期間，地磁環(huán)境變化對(duì)電離層的影響是非常有限的(Brekke et al．，1994；Nozawa and Brekke，1995)．圖1d顯示出太陽輻射指數(shù)在2012年12月31日開始增強(qiáng)，并在2013年1月10日達(dá)到最大值，最大值為168(SFU=10-22W·m-2/Hz)，表明這次SSW事件發(fā)生在中高太陽活動(dòng)水平期間．

圖1 2012年12月25日至2013年1月24日平流層和地磁場(chǎng)環(huán)境參數(shù)．橫軸的數(shù)字代表距離2013年1月4日的天數(shù). (a) 90°N和10 hPa平流層溫度； (b) 60°N和10 hPa緯向平均緯向風(fēng)； (c) Kp指數(shù)； (d) F10.7指數(shù)(SFU=10-22 W·m-2/Hz)

注意，太陽活動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致半日潮汐波變化，前人對(duì)此已有報(bào)道(Gong et al．，2013；Nozawa and Brekke，1999；Fraser et al．，1989)．Gong等(2021)利用Arecibo非相干散射雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)研究表明，F(xiàn)層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波會(huì)隨著太陽活動(dòng)增強(qiáng)而減弱．Nozawa和Brekke(1999)利用歐洲非相干散射雷達(dá)56天風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)研究表明，E層經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)中的半日潮汐波隨太陽活動(dòng)增強(qiáng)略有增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度平均約10 m·s-1．Fraser等(1989)利用中緯地區(qū)流星雷達(dá)和中頻雷達(dá)數(shù)據(jù)，研究表明E層高度上半日潮汐波與太陽活動(dòng)沒有明確關(guān)聯(lián)．以上研究表明，太陽活動(dòng)對(duì)不同緯度半日潮汐波影響并不相同．我們將在后面部分對(duì)太陽活動(dòng)和高緯地區(qū)電離層半日潮汐波的關(guān)系作進(jìn)一步討論．

通過最小二乘擬合，本文得到了F層和E層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波振幅．圖2展示了SSW事件發(fā)生后F層半日潮汐波振幅變化，其中，200 km以下高度分辨率約為22 km，200 km以上高度分辨率約為42 km．如圖2所示，180 km以上區(qū)域半日潮汐波振幅在36 h之后逐漸增大，并在60 h和330 km處取得最大值109 m·s-1．F層半日潮汐波振幅大于80 m·s-1并持續(xù)約60 h．在144 h之后，F(xiàn)層半日潮汐波才逐漸減?。@種減小趨勢(shì)逐漸從低高度擴(kuò)展到較高高度上．從垂直結(jié)構(gòu)來看，F(xiàn)層半日潮汐波隨著高度增加而增加，從時(shí)間變化來看，其先增大后減?。?/p>

圖2 2013年1月4日12∶00至1月14日12∶00(地方時(shí))F層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波振幅. 白色實(shí)線為80 m·s-1的等值線

圖3展示了E層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波振幅隨時(shí)間和高度的變化結(jié)構(gòu)．不同于F層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波，E層半日潮汐波振幅在SSW發(fā)生后迅速增大，在低于117 km的區(qū)域，半日潮汐波振幅在84 h之前均大于50 m·s-1，在9 h和108 km處取得最大值，達(dá)到了109 m·s-1．96h后，半日潮汐波振幅迅速減小，在114 km處衰減最為明顯．156 h之后，振幅在所有觀測(cè)高度上基本小于30 m·s-1．

圖3 與圖2相同但為E層經(jīng)向風(fēng)中的結(jié)果

通過最小二乘擬合，本文得到了E層緯向風(fēng)中的半日潮汐波振幅．圖4展示了E層緯向風(fēng)中半日潮汐波振幅隨時(shí)間和高度的變化結(jié)構(gòu)．可以看到，緯向風(fēng)中的半日潮汐波在96 h之前高于117 km的區(qū)域較強(qiáng)，保持大于70 m·s-1的幅值約36小時(shí)，在9 h和120 km取得最大值92 m·s-1．雖然緯向風(fēng)中的半日潮汐波振幅和經(jīng)向風(fēng)在同一時(shí)間取得最大值，在整個(gè)觀測(cè)范圍內(nèi)的整體變化趨勢(shì)卻十分不同．在36 h之前，E層半日潮汐波隨高度升高先減弱后增強(qiáng)，在108～117 km高度范圍內(nèi)振幅不超過20 m·s-1，但隨后在54 h和144 h略有增強(qiáng)，振幅分別達(dá)到了63和53 m·s-1.

圖4 與圖2相同但為E層緯向風(fēng)中的結(jié)果

以上結(jié)果表明，F(xiàn)層和E層半日潮汐波在SSW發(fā)生后均取得了較大振幅幅值．在經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)中，F(xiàn)層半日潮汐波增強(qiáng)較晚但持續(xù)時(shí)間更久、覆蓋高度更廣，而E層半日潮汐波增強(qiáng)較早．在緯向風(fēng)中，E層半日潮汐波僅在120 km高度上存在明顯增強(qiáng)．為了進(jìn)一步探究SSW事件與半日潮汐波之間的關(guān)聯(lián)，我們將在后面部分研究1月份非SSW發(fā)生期間半日潮汐波．

3 討論

由于非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)的限制，本研究只觀測(cè)到了2013年1月SSW發(fā)生后半日潮汐波的變化情況，并不清楚SSW發(fā)生之前的情況．因此，為了探明1月非SSW發(fā)生期間半日潮汐波的變化特性，我們利用Sondrestrom非相干散射雷達(dá)在1月份且無SSW發(fā)生的7段觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)半日潮汐波進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究．?dāng)?shù)據(jù)詳細(xì)信息在表1中展示．對(duì)于每一段數(shù)據(jù)，我們使用相同的擬合方法從中性風(fēng)中提取半日潮汐波振幅、相位以及背景風(fēng)．然后，我們將7段數(shù)據(jù)的結(jié)果在時(shí)間上進(jìn)行平均，得到了1月非SSW期間半日潮汐波振幅、相位和背景風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)．

在圖5中，虛線分別表示1月非SSW期間經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)中半日潮汐波振幅、相位和背景風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)，其中圖5a、5b、5c為 F層結(jié)果，圖5d、5e、5f為E層結(jié)果．圖中誤差棒為時(shí)間上平均的標(biāo)準(zhǔn)差．如圖5a所示，F(xiàn)層半日潮汐波振幅在140～180 km高度范圍內(nèi)隨高度變化很小，幅值約為25 m·s-1，在高于180 km范圍，振幅隨高度升高逐漸增大，在330 km取得最大值59 m·s-1．如圖5b所示，F(xiàn)層半日潮汐波相位在1～5 h之間變化，在140～180 km高度范圍內(nèi)隨高度升高逐漸增大，呈現(xiàn)出下傳趨勢(shì)，垂直波長約為270 km．在180～290 km高度范圍內(nèi)隨高度升高而減小，呈現(xiàn)出上傳趨勢(shì)，垂直波長約為380 km，這樣的相位垂直結(jié)構(gòu)與(2，2)潮汐模型較為接近(Forbes，1995)．如圖5c所示，F(xiàn)層經(jīng)向背景風(fēng)在140～250 km高度范圍內(nèi)基本為北向，幅值在0～30 m·s-1范圍內(nèi)變化．在高于250 km高度上，F(xiàn)層背景風(fēng)逐漸反轉(zhuǎn)為南向風(fēng)，并隨高度升高而增大，最大值可達(dá)130 m·s-1．據(jù)我們所知，在高緯地區(qū)F層經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)中潮汐波的垂直結(jié)構(gòu)還未有觀測(cè)報(bào)道，僅有Forbes(1982)利用數(shù)值模型給出了60°N F層半日潮汐波振幅和相位的垂直結(jié)構(gòu)．結(jié)果表明，其振幅在140～180 km高度范圍內(nèi)隨高度升高變化不大，在180 km以上隨高度升高逐漸減小，其相位在140～180 km高度范圍內(nèi)隨高度升高逐漸增大，在180 km以上隨高度升高逐漸減?。诘途暤貐^(qū)，Gong等(2021)統(tǒng)計(jì)了Arecibo上空F層半日潮汐波垂直結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明F層半日潮汐波振幅和相位隨高度升高變化較小，幅值基本小于10 m·s-1．通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我們觀測(cè)到F層半日潮汐波振幅與模擬模型略有不同，但相位十分相似．與低緯地區(qū)相比，高緯地區(qū)F層半日潮汐波振幅超出低緯地區(qū)約10～50 m·s-1，且其相位的垂直結(jié)構(gòu)變化也更大．

圖5d、5e、5f中虛線分別表示1月非SSW期間E層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波的振幅、相位和背景風(fēng)．可以看到，半日潮汐波振幅隨高度升高變化幅度較小，幅值約為40 m·s-1．相位在5～6 h之間變化，且隨高度升高變化不大．E層經(jīng)向背景風(fēng)基本為南向且幅值較弱，在0～10 m·s-1范圍內(nèi)變化．Azeem和Johnson(1997)以及Nozawa和Brekke(1999)利用Sondrestrom非相干散射雷達(dá)對(duì)冬季E層半日潮汐波展開了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)研究．他們的結(jié)果表明，冬季E層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波振幅幅值在20～60 m·s-1之間變化，這與我們的結(jié)果比較吻合．然而，他們研究得到E層半日潮汐波相位卻不盡相同．Azeem和Johnson(1997)利用三份冬季數(shù)據(jù)得到的結(jié)果表示，E層半日潮汐波相位隨高度變化沒有統(tǒng)一規(guī)律．Nozawa和Brekke(1999)的冬季平均結(jié)果表示，E層半日潮汐波相位隨高度升高而增大．在中低緯地區(qū)，Gong等(2013)以及Goncharenko和Salah(1998)分別利用Arecibo和Millstone Hill非相干散射雷達(dá)報(bào)道了冬季E層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波垂直結(jié)構(gòu)．他們的結(jié)果表明，E層半日潮汐波振幅在中低緯地區(qū)的平均幅值約在20～30 m·s-1范圍內(nèi)變化，但其隨高度的變化沒有統(tǒng)一的規(guī)律．此外，低緯地區(qū)E層半日潮汐波相位隨高度升高逐漸減小，而在中緯地區(qū)隨高度升高變化較小．通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我們觀測(cè)到的E層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波振幅與前人在高緯地區(qū)的觀測(cè)十分相似，但相位略有不同．與中低緯地區(qū)相比，高緯地區(qū)E層半日潮汐波振幅平均超出中低緯地區(qū)約10 m·s-1，其相位與中緯地區(qū)相似，但與低緯地區(qū)存在明顯差異．

圖5 F層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波的振幅、相位、背景風(fēng)(a，b，c)．E層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波振幅、相位、背景風(fēng)(d，e，f).

如前文對(duì)圖2和圖3的描述，F(xiàn)層和E層半日潮汐波在2013年SSW發(fā)生后均取得了較大的振幅幅值．具體的，經(jīng)向風(fēng)中F層半日潮汐波振幅在60 h取得最大值109 m·s-1，E層半日潮汐波振幅在9 h取得最大值109 m·s-1．為了探究SSW事件對(duì)半日潮汐波的影響，我們將F層48～72 h時(shí)間范圍內(nèi)和E層0～24 h時(shí)間范圍內(nèi)半日潮汐波振幅、相位和背景風(fēng)的均值在圖5中用黑色實(shí)線展示．圖中誤差棒為時(shí)間上平均的標(biāo)準(zhǔn)差．

如圖5a中黑色實(shí)線所示，SSW事件發(fā)生后，F(xiàn)層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波振幅隨高度升高而增大，在330 km處取得最大值．通過與1月非SSW期間的結(jié)果(虛線)比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波振幅在SSW發(fā)生后與非SSW期間的垂直結(jié)構(gòu)相似，但在160 km以上區(qū)域，SSW發(fā)生后的振幅平均比非SSW期間大24 m·s-1．圖5b展示了F層半日潮汐波相位的對(duì)比結(jié)果．可以發(fā)現(xiàn)，SSW發(fā)生后的相位與1月非SSW期間的結(jié)果十分吻合，這說明SSW事件發(fā)生對(duì)半日潮汐波相位的影響非常有限．同樣的，圖5c中展示F層經(jīng)向背景風(fēng)的對(duì)比結(jié)果表明，SSW發(fā)生后經(jīng)向背景風(fēng)在140～290 km高度范圍內(nèi)與1月非SSW期間的結(jié)果十分吻合，僅在330 km高度上小于非SSW期間約30 m·s-1．因此可以認(rèn)為，SSW事件對(duì)F層經(jīng)向背景風(fēng)的影響比較有限．

圖5d、5e、5f中實(shí)線分別表示了SSW發(fā)生后E層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波的振幅、相位和背景風(fēng)．如圖5d所示，半日潮汐波振幅在108 km以上高度范圍內(nèi)隨高度升高逐漸減小，在108 km取得最大值．通過與1月非SSW期間的結(jié)果(虛線)比較發(fā)現(xiàn)，在108～117 km高度范圍內(nèi)，SSW發(fā)生后E層半日潮汐波振幅平均比非SSW期間大33 m·s-1．如圖5e所示，SSW發(fā)生后半日潮汐波相位在3～5 h之間變化，在105～114 km范圍內(nèi)隨高度升高而減小，呈現(xiàn)出下傳趨勢(shì)，垂直波長為66 km，這樣的相位結(jié)構(gòu)與(2，3)或(2，4)潮汐模型較為接近(Forbes，1995)，在114～120 km范圍內(nèi)幾乎不隨高度變化．這樣的垂直結(jié)構(gòu)與1月非SSW期間的結(jié)果十分不同，表明SSW發(fā)生后E層半日潮汐波相位受到了影響并發(fā)生了變化．如圖5f所示，SSW發(fā)生后E層經(jīng)向背景風(fēng)在108～114 km高度范圍內(nèi)為南向，在111 km處達(dá)到最大值29 m·s-1．與1月非SSW期間的結(jié)果不同的是，SSW發(fā)生后E層經(jīng)向背景風(fēng)在108～114 km高度范圍內(nèi)發(fā)生反轉(zhuǎn)，并且得到了增強(qiáng)，最大差值約為20 m·s-1．

圖6給出了半日潮汐波的振幅、相位和背景風(fēng)在E層緯向風(fēng)中的結(jié)果．圖6中虛線和實(shí)線分別表示1月份非SSW期間和2013年SSW期間半日潮汐波的垂直結(jié)構(gòu)．從圖6中虛線可以看出，半日潮汐波振幅隨高度升高緩慢減小，幅值在28～44 m·s-1范圍內(nèi)變化．相位在3～4 h之間變化，且隨高度升高變化不大．緯向背景風(fēng)基本為西向且幅值較弱，在0～15 m·s-1范圍內(nèi)變化．Azeem和Johnson(1997)以及Nozawa和Brekke(1999)的研究表明，冬季E層緯向風(fēng)場(chǎng)中的半日潮汐波振幅幅值基本在20～60 m·s-1之間變化，這與我們的結(jié)果比較吻合．他們研究得到E層緯向風(fēng)場(chǎng)半日潮汐波相位不同．Azeem和Johnson(1997)的研究結(jié)果表明半日潮汐波相位隨高度增大而減?。甆ozawa和Brekke(1999)的研究結(jié)果表明半日潮汐波相位隨高度增大而增大．在中低緯地區(qū)，Gong等(2013)以及Goncharenko和Salah(1998)的研究結(jié)果表明，低緯地區(qū)冬季E層緯向風(fēng)場(chǎng)中的半日潮汐波振幅在5～60 m·s-1范圍內(nèi)變化，其相位隨高度升高逐漸減?。ㄟ^對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我們觀測(cè)到的E層緯向風(fēng)中半日潮汐波振幅與前人在高緯地區(qū)的觀測(cè)十分相似，但相位略有不同．與中低緯地區(qū)相比，高緯地區(qū)E層半日潮汐波的振幅幅值與中緯地區(qū)相當(dāng)，略大于低緯地區(qū)，但其相位與中低緯地區(qū)存在明顯差異．

如前文對(duì)圖4的描述，緯向風(fēng)中E層半日潮汐波振幅在9 h取得最大值92 m·s-1．與經(jīng)向風(fēng)中相同，我們將0～24 h時(shí)間范圍內(nèi)緯向風(fēng)中的半日潮汐波振幅、相位和背景風(fēng)的均值在圖6中用黑色實(shí)線展示．圖中誤差棒為時(shí)間上平均的標(biāo)準(zhǔn)差．

如圖6中實(shí)線所示，半日潮汐波振幅隨高度升高先減弱后增強(qiáng)，在111 km取得最小值．與1月非SSW期間的結(jié)果相比，SSW發(fā)生后的半日潮汐波振幅僅在120 km比非SSW期間的結(jié)果大43 m·s-1，在105～117 km高度范圍內(nèi)小于非SSW期間的．如圖6b所示，半日潮汐波相位在整個(gè)觀測(cè)高度內(nèi)都隨高度升高而減小，呈現(xiàn)出上傳趨勢(shì)，但在105～111 km和114～120 km分為了兩個(gè)區(qū)域，垂直波長分別為約50 km和60 km，這樣的相位垂直結(jié)構(gòu)與(2，4)潮汐模型較為相近(Forbes，1995)．這兩個(gè)區(qū)域的相位相差6 h，表明半日潮汐波在E層緯向風(fēng)中出現(xiàn)了反相現(xiàn)象．相對(duì)于1月非SSW期間，SSW發(fā)生后半日潮汐波相位出現(xiàn)了明顯的變化，并且表現(xiàn)出波上傳的態(tài)勢(shì)．如圖6c所示，SSW發(fā)生后緯向背景風(fēng)基本為東向，在108～114 km區(qū)域隨高度升高減弱，在114～120 km區(qū)域隨高度升高增大，在120 km取得最大值．不同于1月非SSW期間的是，SSW發(fā)生后緯向背景風(fēng)在整個(gè)觀測(cè)高度范圍內(nèi)發(fā)生了反向，并且得到了增強(qiáng)，最大差值約為58 m·s-1．

圖6 E層緯向風(fēng)中半日潮汐波的振幅(a)、相位(b)、背景風(fēng)(c).

通過以上的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于非SSW期間，在SSW發(fā)生后半日潮汐波振幅得到大幅增強(qiáng)， F層和E層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波振幅分別平均超出約24 m·s-1和33 m·s-1，E層緯向風(fēng)場(chǎng)中半日潮汐波振幅在120 km高度超出43 m·s-1．因?yàn)檫@是同為1月份的半日潮汐波對(duì)比結(jié)果，所以潮汐波的季節(jié)性變化并不是導(dǎo)致半日潮汐波在SSW發(fā)生后增強(qiáng)的原因．此外，根據(jù)前文所述，太陽活動(dòng)對(duì)高緯地區(qū)電離層半日潮汐波振幅也存在影響．因此，我們將在1月份且無SSW期間的7段觀測(cè)數(shù)據(jù)按太陽活動(dòng)高低分為兩組，F(xiàn)10.7指數(shù)大于110 SFU為高太陽活動(dòng)期間，小于90 SFU為低太陽活動(dòng)期間．然后，我們將兩組數(shù)據(jù)中的半日潮汐波振幅分別在時(shí)間上進(jìn)行平均，得到了1月份非SSW期間高太陽活動(dòng)和低太陽活動(dòng)下半日潮汐波振幅的垂直結(jié)構(gòu)．

圖7展示了半日潮汐波振幅在不同太陽活動(dòng)期間和在SSW發(fā)生后的垂直結(jié)構(gòu)．如圖7a所示的F層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波振幅，在180～290 km高度范圍內(nèi)高太陽活動(dòng)期間的振幅大于低太陽活動(dòng)期間，但在140～180 km高度范圍內(nèi)兩時(shí)期振幅相當(dāng)．在整個(gè)F層觀測(cè)范圍內(nèi)，與低太陽活動(dòng)期間相比，高太陽活動(dòng)期間經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波平均增強(qiáng)約10 m·s-1．如圖7b所示的E層經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波振幅，在105～111 km高度范圍內(nèi)高太陽活動(dòng)期間的振幅大于低太陽活動(dòng)期間，但在114～120 km高度范圍內(nèi)兩時(shí)期振幅相當(dāng)．在整個(gè)E層觀測(cè)范圍內(nèi)，與低太陽活動(dòng)期間相比，高太陽活動(dòng)期間經(jīng)向風(fēng)中半日潮汐波平均增強(qiáng)約15 m·s-1．與經(jīng)向風(fēng)中相同，如圖7c所示，E層緯向風(fēng)中半日潮汐波在高太陽活動(dòng)期間的振幅也大于低太陽活動(dòng)期間，平均增強(qiáng)約19 m·s-1．

圖7 半日潮汐波振幅在不同太陽活動(dòng)期間和2013年SSW期間的垂直結(jié)構(gòu)．(a，b，c)分別為F層經(jīng)向風(fēng)、E層經(jīng)向風(fēng)和E層緯向風(fēng)中的結(jié)果．點(diǎn)虛線為低太陽活動(dòng)期間(F10.7<90 SFU)的結(jié)果，虛線為高太陽活動(dòng)期間(F10.7>110 SFU)的結(jié)果，實(shí)線為2013年SSW期間的結(jié)果

以上結(jié)果表明，高太陽活動(dòng)對(duì)高緯電離層部分高度區(qū)域的半日潮汐波有一定的增強(qiáng)作用．然而，在絕大部分高度范圍內(nèi)經(jīng)向風(fēng)中和在120 km處緯向風(fēng)中，半日潮汐波振幅在高太陽活動(dòng)期間仍然遠(yuǎn)小于SSW發(fā)生后的振幅，且平均增幅只有14 m·s-1，這說明高太陽活動(dòng)不是導(dǎo)致2013年SSW期間高緯電離層半日潮汐波增強(qiáng)的主要原因．結(jié)合前人對(duì)半日潮汐波的觀測(cè)研究，本文認(rèn)為，高緯電離層半日潮汐波很可能受到2013年SSW事件的影響而發(fā)生增強(qiáng)．

4 結(jié)論

基于位于高緯地區(qū)Sondrestrom站點(diǎn)(67°N，51°W)非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)，本文對(duì)2013年1月平流層爆發(fā)性增溫(SSW)事件發(fā)生后電離層半日潮汐波的垂直結(jié)構(gòu)和變化過程進(jìn)行了研究，對(duì)1月份非SSW期間半日潮汐波進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并討論了太陽活動(dòng)對(duì)2013年SSW期間高緯電離層半日潮汐波的影響．主要的結(jié)論如下：

(1)電離層F層和E層半日潮汐波在2013年SSW發(fā)生后均得到了不同程度的增強(qiáng)．F層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波在SSW發(fā)生后顯著增強(qiáng)，保持大于80 m·s-1的幅值超過60 h，在60 h和330 km處取得最大值109 m·s-1．在180～330 km高度范圍內(nèi)，其振幅平均比1月非SSW期間的振幅大了24 m·s-1．E層經(jīng)向風(fēng)中的半日潮汐波在SSW發(fā)生后迅速增強(qiáng)，在9 h和108 km處取得最大值109 m·s-1．在108～117 km高度范圍內(nèi)，其振幅平均比1月非SSW期間大了33 m·s-1．E層緯向風(fēng)中的半日潮汐波在連續(xù)超過36 h的時(shí)間內(nèi)，其振幅在高于117 km區(qū)域大于70 m·s-1，在9 h和120 km取得最大值92 m·s-1．

(2)通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，我們統(tǒng)計(jì)得到1月份非SSW期間的半日潮汐波振幅與前人在高緯地區(qū)觀測(cè)結(jié)果十分相似，但相位略有不同．與中低緯地區(qū)相比，高緯地區(qū)經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)中半日潮汐波振幅超出中低緯地區(qū)約10～50 m·s-1．半日潮汐波相位與中低緯地區(qū)存在明顯差異， F層半日潮汐波相位在高緯地區(qū)的變化較大，而E層半日潮汐波相位的變化則較?。诰曄蝻L(fēng)中，高緯地區(qū)E層半日潮汐波振幅與中緯地區(qū)相當(dāng)，略大于低緯地區(qū)，但其相位與中低緯地區(qū)存在明顯差異．

(3)在不同太陽活動(dòng)期間半日潮汐波統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高太陽活動(dòng)對(duì)高緯電離層半日潮汐波的增強(qiáng)作用是有限的．同時(shí)，地磁活動(dòng)和潮汐波的季節(jié)性變化均不是導(dǎo)致2013年SSW發(fā)生后半日潮汐波增強(qiáng)的主要原因．

我們的研究表明，2013年1月高緯電離層半日潮汐的增強(qiáng)很可能是受到SSW事件的影響．

致謝Sondrestrom非相干散射雷達(dá)是由國際斯坦福研究院(SRI International)在美國國家科學(xué)基金會(huì)贊助下運(yùn)營．感謝CEDAR Madrigal數(shù)據(jù)庫提供Sondrestrom非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)．同時(shí)感謝美國國家航空和航天局提供的MERRA-2再分析數(shù)據(jù)、太陽活動(dòng)和地磁環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)以及MSIS-E-90大氣模式數(shù)據(jù)．