赤道地區(qū)熱層緯向風反轉時間和風速的經(jīng)度分布差異*

高潔 王慧 張科燈 鄭志超 何楊帆 孫璐媛 仲云芳

(武漢大學電子信息學院空間物理系 武漢 430072)

0 引言

在電離層–熱層耦合系統(tǒng)中，熱層風扮演了重要角色。在地磁傾角和地磁偏角不為零的區(qū)域，熱層風能夠驅動等離子體沿磁力線運動，使電離層抬升或下降。熱層中性成分與離子碰撞會影響電離層–熱層系統(tǒng)的動量和能量傳輸過程，進而影響電離層電子密度和熱層風場的分布[1,2]。因此，研究熱層中性風，不僅有助于更好地了解電離層–熱層耦合機理，而且可為航天器的安全運行提供有效支持。

近幾十年來，有關緯向風與地方時依賴性的研究不斷深入[3-7]。Hedin等[3]利用HWM87（Horizontal Wind Model）模型，發(fā)現(xiàn)赤道地區(qū)緯向風具有明顯的日變化特征，午后至清晨緯向風為東向，其他時段為西向。在04:00 LT 左右，緯向風從東向轉為西向；在14:00 LT 左右，從西向轉為東向[4,5]。Liu等[6]利用CHAMP（Challenging Minisatellite Payload）衛(wèi)星2002－2004年的緯向風數(shù)據(jù)，研究了赤道地區(qū)熱層緯向風的太陽活動、地磁活動和季節(jié)依賴關系。研究結果表明，在春秋分季節(jié)，隨著太陽活動增強，地磁平靜期的東向風峰值逐漸增加，峰值出現(xiàn)時間從18:00 MLT 推遲到20:00 MLT，但西向風的峰值逐漸減弱。太陽活動水平對西向風轉為東向風的時間無明顯影響，基本上維持在12:00－13:00 MLT 之間，但對東向風轉為西向風的地方時影響較大。在太陽活動低年，東向風轉為西向風發(fā)生在01:00 MLT；在太陽活動高年，則延遲到04:00－05:00 MLT。地磁活動對赤道地區(qū)緯向風的影響不顯著。赤道地區(qū)的緯向風，特別是在太陽活動高年，其幅度和地方時分布有明顯的季節(jié)依賴關系。在春秋分季節(jié)，東向風峰值出現(xiàn)在18:00 MLT，而夏季的東向風峰值出現(xiàn)在21:00－03:00 MLT。Liu等[5]研究發(fā)現(xiàn)緯向風的地方時分布存在明顯的緯度差異，例如東向風轉為西向風的地方時在赤道地區(qū)大約為05:00－06:00 MLT，而在±30° 地磁緯度（MLat，Magnetic latitude）則為02:00 MLT。Miyoshi等[7]利用Ground-to-topside model of Atmosphere and Ionosphere for Aeronomy 模型研究了赤道地區(qū)緯向風的日變化特征，研究發(fā)現(xiàn)：東向風峰值（220m?s–1）出現(xiàn)在19:00－19:30LT，之后東向風幅度減弱，直到03:00－03:30 LT出現(xiàn)一個次峰，該次峰與日潮汐和半日潮汐的疊加有關；西向風轉為東向風的時間約在14:00－15:00 LT。與400 km 高度相比，200 km 高度的東向風轉為西向風的時間延遲了2 h，約為08:00 LT。Miyoshi 等還考察了壓強梯度、離子拖曳力和粘滯力在緯向風地方時分布中的重要作用，發(fā)現(xiàn)離子拖曳力和粘滯力主要起阻滯作用，其中粘滯力阻力約占離子拖曳的1/4。以往的研究很少關注非遷移潮汐波對緯向風轉向時間的調(diào)節(jié)作用，這是本文的研究重點之一。

除了地方時變化，赤道熱層風具有明顯的經(jīng)度分布，例如三波和四波結構[8-12]。H?usler等[8]首先對400 km 高度緯向風（–10°－10° MLat）的經(jīng)度結構進行了統(tǒng)計分析，提出緯向風的地理經(jīng)度變化并不依賴于太陽活動，而是受地磁活動的影響，特別是在夜間。在春秋分季節(jié)，赤道地區(qū)緯向風呈現(xiàn)出明顯的四波結構。以往的研究認為，該結構可能與受潛熱釋放激發(fā)的向東傳播緯向波數(shù)為3 的非遷移潮汐分量（DE3，eastward propagating diurnal tide with zonal wavenumber 3）有關。Oberheide等[9]對潮汐波在電離層–熱層系統(tǒng)中的作用進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)熱層溫度場與低層風場的經(jīng)度結構一致，其驅動因素是由對流層向上直接傳播的潮汐波。太陽周期效應在E 層以上變得更加顯著，因此F 層參數(shù)的四波結構將隨著太陽活動的減弱而變得更加明顯。H?usler等[10]利用2002－2005年CHAMP 衛(wèi)星觀測的緯向風數(shù)據(jù)研究了風場四波結構的年變化和非遷移潮汐波不同分量造成的影響。研究發(fā)現(xiàn)，四波結構在全年都存在，只是強度和相位發(fā)生了變化，而且最強的四波結構出現(xiàn)在7－9月。除12月至2月外，其他月份均有不同強度的東向相移，且DE3 的年變化趨勢與之一致。另外，由于不同潮汐分量在四波結構中的累積效應不同，四波結構的強度也有明顯的地方時差異。H?usler等[11]發(fā)現(xiàn)，熱層中的DE3 分量隨著太陽活動的減弱而增加，這是由于太陽活動最小時潮汐耗散最小。除了熱層緯向風，電離層–熱層系統(tǒng)的許多其他參數(shù)也表現(xiàn)出類似的四波經(jīng)度結構，例如離子和電子密度[13,14]、赤道電集流[15-17]、電場[18]等。Lühr等[12]強調(diào)離子拖曳在緯向風四波結構中具有重要作用，但沒有對其影響程度進行定量分析。已有許多研究利用TIEGCM（Thermosphere Ionosphere Electrodynamics General Circulation Model）再現(xiàn)了緯向風的四波結構[11,19]。本文利用TIEGCM 定量分析離子拖曳力在不同地磁場構型下對赤道地區(qū)緯向風四波結構的影響。

通過分析低層大氣向上傳播的非遷移潮汐波對緯向風反轉時間的影響，可以更好地了解赤道地區(qū)緯向風反轉時間經(jīng)度差異的物理原因，從而更好地理解電離層–熱層耦合中大氣潮汐波的作用。定量分析不同地磁場構型下離子拖曳力對赤道緯向風四波結構的影響，對于闡明四波經(jīng)度結構的物理激發(fā)機理具有重 要意義。

1 CHAMP 數(shù)據(jù)及TIEGCM 模型

CHAMP 衛(wèi)星于2000年7月發(fā)射升空，并于2010年9月停止運行。其軌道傾角為87.3°，初始高度為460 km[20]，此后軌道高度隨時間逐漸下降，其中2005年大約在400 km，2008年則大約在300 km。因為在中低緯地區(qū)，CHAMP 衛(wèi)星的軌道為南北經(jīng)向，所以觀測橫跨軌道的風是東西向的，即相當于緯向風。利用CHAMP 衛(wèi)星上攜帶的三軸加速度儀測量的數(shù)據(jù)，可以反演得到熱層緯向風（采樣精度為10 s，誤差小于10 m?s–1）。CHAMP 在全球范圍內(nèi)的連續(xù)觀測為深入了解熱層緯向風的時空分布提供了數(shù)據(jù)支持。

本文選取2001－2008年間太陽活動指數(shù)（F10.7）小于100 sfu 的CHAMP 跨軌道風數(shù)據(jù)，其平均F10.7為78 sfu，用于研究太陽活動低年的緯向風。由于春分季節(jié)緯向風的結構與秋分季節(jié)比較相似[21,22]，這里對春秋分季節(jié)的風場合并進行研究。CHAMP 衛(wèi)星需要131 天才能覆蓋所有地方時，所以在篩選出太陽活動低年數(shù)據(jù)的基礎上，選取以春分（3月21日）和秋分（9月21日）為中心的131 天的緯向風，用于研究緯向風的地方時和地理經(jīng)度變化。

TIEGCM 是熱層與電離層耦合的三維時變物理模型，其主要通過求解中性成分和離子成分的動量、能量和連續(xù)性方程，來計算電離層–熱層耦合系統(tǒng)的時空變化[23]。TIEGCM 的水平分辨率為地理緯度（Geographic Latitudes，GLat）2.5°和地理經(jīng)度（Geographic Longitude，GLon）2.5°。模型的輸入?yún)?shù)分別為：半球能量18 GW，跨極蓋電勢30 kV以及F10.7指數(shù)78 sfu。在模型低邊界輸入SABER/TIDI（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry/TIMED-Doppler Interferometer）觀測的非遷移潮汐波。該模型運行20 天后達到準穩(wěn)態(tài)，然后利用24 h 后的輸出數(shù)據(jù)進行理論分析。

在TIEGCM 模式中，為研究低層大氣潮汐波對赤道地區(qū)緯向風反轉時間的影響，分別采用兩種不同的設置：（1）不輸入潮汐波，（2）輸入非遷移潮汐波。另外，對原始緯向風和關閉離子拖曳力的緯向風作差，分析離子拖曳力對風場的影響。為研究地磁場結構的影響，采用了兩種不同的地磁場模型：一種是由IGRF 定義的真實地磁場，另一種是地磁軸與地理自轉 軸相重合的偶極子磁場。

2 結果

2.1 轉向時間經(jīng)度差異

在下午到清晨，緯向風是東向風，而在其余當?shù)貢r間為西向風。由東向轉為西向發(fā)生在清晨時分，由西向轉為東向則發(fā)生在下午時段。圖1 給出了赤道地區(qū)緯向風轉向時間隨經(jīng)度的分布，黑色曲線表示CHAMP 衛(wèi)星的觀測結果，藍色曲線和紅色曲線分別表示在TIEGCM 模擬低邊界輸入非遷移潮汐波以及不輸入任何潮汐波分量的結果。由圖1 可以看出，CHAMP 衛(wèi)星觀測的東向風轉為西向風大約發(fā)生在05:00 LT，西向風轉為東向風大約發(fā)生在14:00 LT。在清晨和下午，CHAMP 衛(wèi)星觀測到的緯向風轉向時間均顯示出明顯的經(jīng)度差異，最大差異為1.8 h。例如：在清晨，–120° GLon 區(qū)域緯向風從東向轉為西向大約發(fā)生在04:30 LT，但是130° GLon 區(qū)域緯向風從東向轉為西向則延遲到了近06:00 LT；在下午，–30°GLon區(qū)域緯向風由西向轉為東向發(fā)生在13:00LT，而30° GLon 區(qū)域緯向風從東向轉為西向則推遲到14:30 LT。由圖1 中紅色曲線可以看出，在模型低邊界沒有輸入大氣潮汐波時，緯向風在清晨和下午轉向時間的經(jīng)度差異幾乎可以忽略，即早晨緯向風由東向轉為西向的時間穩(wěn)定在04:00 LT 附近，這比CHAMP 衛(wèi)星觀測的時間要早1 h 左右，而下午緯向風由西向轉為東向的時間穩(wěn)定在16:00 LT 附近，比CHAMP 衛(wèi)星觀測結果要晚2 h 左右。

圖1 赤道地區(qū)緯向風反轉時間的經(jīng)度分布。?LT為反轉時間在不同經(jīng)度的最大差異Fig.1 Longitudinal variation of the reversal time of the equatorial zonal wind.?LT is the maximum differences in the reversal time in different longitude

在全球尺度下，低層大氣潮汐波影響著熱層風場的時空分布[24]。由圖1 中藍色曲線可以看出，當TIEGCM 低邊界輸入非遷移潮汐波時，清晨和下午時間段緯向風轉向時間的經(jīng)度差異均表現(xiàn)出了顯著的四波結構，緯向風的四個波峰分布在–150°，–60°，30°和120° GLon。緯向風在清晨時的四波結構波幅比下午時弱。與 CHAMP 衛(wèi)星觀測值相比，早晨緯向風從東向轉為西向的時間較早，但與不輸入潮汐波的結果相當；除了某些相位上的差異外，下午緯向風無論在幅度上還是從西向風轉為東向風的時間都與CHAMP 衛(wèi)星觀測值類似，這表明非遷移潮汐波對下午反轉時間的提前是有效的，而對清晨反轉時間的后移作用則較弱。結果表明，下午時段非遷移潮汐波可以減小模型與觀測結果的差異，而上午的影響并不顯著。而早晨和下午的緯向風反轉時間經(jīng)度差異，一定程 度上是由非遷移潮汐波來調(diào)節(jié)的。

2.2 緯向風經(jīng)度分布

熱層緯向風的主要驅動力包括壓力梯度力、粘滯力、離子拖曳力、科里奧利力[25]。在這些驅動力當中，離子拖曳力的影響不容忽視，其強弱主要取決于電子密度及其與中性成分的速度差。地磁場構型、日照和高緯極光加熱在經(jīng)度上的差異影響電子密度的分布，也會導致離子拖曳力的經(jīng)度變化[7,25,26]。本文在TIEGCM 中分別開啟和關閉中性粒子動量方程中的離子拖曳力，用于研究離子拖曳力對熱層緯向風四波結構的影響。

在IGRF 地磁場中，利用TIEGCM 模擬的赤道區(qū)域緯向風隨地理經(jīng)度與地方時的分布如圖2 所示。為了更好展示風場的經(jīng)度差異，這里去除了每個地方時扇區(qū)的經(jīng)度平均值。圖2（a）為原始緯向風的經(jīng)度分布。從圖2（a）可以看出，在不同的地方時，緯向風都具有四波結構，且隨著地方時的變化其相位也發(fā)生了變化。四波結構的相位在24 h 范圍內(nèi)向東偏移90°，與H?usler等[10]的結果一致。Lühr等[16]研究發(fā)現(xiàn)，24 h 范圍內(nèi)非遷移潮汐DE3 向東傳播90°。因此，DE3 波是引起緯向風四波結構的主要原因。另外，四波的強度在24 h 內(nèi)也有明顯的變化，例如在–75° GLon，04:00 LT 時緯向風變化達到13.4 m?s–1，14:00 LT 時風速變化下降到了0.1 m?s–1，19:00 LT時又再次增加到了19.3 m?s–1。該現(xiàn)象可能是由于不同潮汐分量對四波結構的累積效應造成的[10]。例如：DE2 會引起三波結構；三波和四波疊加時，會導致不同當?shù)貢r間緯向風幅度的變化。

圖2（b）為離子拖曳力引起的緯向風經(jīng)度分布?？梢钥闯觯曄蝻L在24 h 內(nèi)依然存在四波結構。但是，與原始緯向風的經(jīng)度分布相比，其四波結構變得更復雜，強度也明顯減弱，如圖中白色數(shù)字所標識，離子拖曳力引起的緯向風變化值約為6 m?s–1，為原始緯向風（約20 m?s–1）的3/10。通過對比圖2（a）與（b）四波結構的相位分布，以白天06:00 LT 為例，原始緯向風的四波峰值分布在–180°，–90°，0°和90° GLon，與離子拖曳力引起的四波峰值所在經(jīng)度相同。以夜晚21:00 LT 為例，原始緯向風四波結構的波峰分布在–135°，–45°，45°和135° GLon，與離子拖曳力引起的波峰所在經(jīng)度相同。因此，不論是白天還是夜晚，離子拖曳力引起的緯向風四波結構與原始緯向風相位基本相同，離子拖曳越強，緯向風幅度越大，四波結構越明顯。這說明離子拖曳力有利于赤道地區(qū)風場的四 波結構形成。

圖2 在IGRF 地磁場下利用TIEGCM 模擬赤道地區(qū)緯向風的經(jīng)度分布Fig.2 Longitudinal variations of equatorial zonal winds simulated by TIEGCM under IGRF configuration

3 討論

在赤道地區(qū)，沿磁赤道而非地理赤道方向形成了極強的風急流[5,27,28]，這表明了地磁場對熱層大氣的控制作用。赤道噴泉效應使赤道地區(qū)的等離子體上升到較高的高度，并進一步擴散到較高的緯度，從而在磁赤道兩側形成兩個駝峰，即赤道電離異常（Equatorial Ionization Anomaly，EIA）。EIA 區(qū)域的兩個電子密度駝峰阻隔了中性風的流動，從而擠壓中性風在赤道地區(qū)形成一股風急流。因此，離子拖曳力是風場從沿地理赤道分布向沿地磁赤道分布的主要原因。在TIEGCM 熱層風計算模塊中將離子拖曳力關閉后，EIA 對中性風的阻滯作用消失，赤道地區(qū)原風急流也隨之消失，赤道地區(qū)緯向風的四波結構幅度也隨之減弱。因此，離子拖曳力對赤道地區(qū)緯向風的四波結構具有明顯的促進作用。

在真實的IGRF 地磁場中，由于地理軸與地磁軸存在偏角，地理坐標和地磁坐標并不重合。等離子體的運動主要受控于地磁場，適合在地磁坐標系中研究。而中性成分主要受流體力學控制，更適合在地理坐標系中研究。由于低層大氣非遷移潮汐波DE3 的作用，E 層風發(fā)電機電場受到調(diào)制，沿著磁力線投影到F 層，驅動EIA 電子密度產(chǎn)生DE3 的變化，從而導致赤道風急流也出現(xiàn)類似的經(jīng)度方向上的四波結構。另外，低層大氣非遷移潮汐波DE3 分量的直接上傳也能導致赤道風急流出現(xiàn)經(jīng)度方向上的四波結構。

為了研究地磁場構型對緯向風經(jīng)度差異的影響，本文在TIEGCM 中除了引入IGRF 的實際地磁場構型外，還引入了地磁軸和地理自轉軸重合的偶極子場。圖3 給出了在偶極子場中，利用TIEGCM 模擬的赤道區(qū)域緯向風經(jīng)度分布。圖3（a）為偶極子場中原始緯向風經(jīng)度分布，（b）為離子拖曳力引起的緯向風經(jīng)度分布。在偶極子場中，緯向風在赤道地區(qū)的四波結構仍然存在，幅度和相位與圖2 IGRF 結果基本一致。然而，離子拖曳力引起的四波結構在偶極子場中分布更加明顯，這與偶極子場中地理坐標和地磁坐標重合有關，此時低層大氣非遷移潮汐波與離子拖曳力影響的方向相同，可以直接線性疊加，因此導致風場的結構較為簡單，四波結構更明顯。而在IGRF 地磁場中，由于地磁與地理坐標系的不重合，離子拖曳力沿著地磁經(jīng)度分布，大氣潮汐波的影響沿著地理經(jīng)度分布，兩個物理過程影響的方向并不一致，因此造成最后風場的結構比較復雜。

圖3 在偶極子磁場中利用TIEGCM 模擬的赤道地區(qū)緯向風經(jīng)度分布Fig.3 Longitudinal variations of equatorial zonal winds simulated by TIEGCM in the dipole field

Miyoshi等[7]對赤道地區(qū)緯向風四波結構的物理驅動機制進行了定性研究，結果表明，壓強梯度力和離子拖曳力均具有四波結構，而DE3 潮汐波是壓強梯度力的主要來源，其強度大于離子拖曳力。但其并未對離子拖曳力做定量研究。為定量研究離子拖曳力對赤道地區(qū)緯向風四波結構的影響，本文分別選取白天和夜間兩個時段，計算赤道地區(qū)的平均風速，并利用擬合函數(shù)求得緯向風四波結構的振幅。通過將離子拖曳力引起的緯向風四波結構的振幅與原始緯向風四波結構的振幅做比值，可定量得到離子拖曳力的影響。

提取圖2 中白天時段（10:00－12:00 LT）和夜晚時段（20:00－22:00 LT）的風場數(shù)據(jù)，其平均值隨地理經(jīng)度的分布如圖4 所示（黑色曲線）。紅色曲線為四波擬合的結果。由圖4 可以看出，原始緯向風的擬合波幅度在白天時段為5.3 m?s–1，夜晚為9.9 m?s–1，夜晚的幅度強于白天。離子拖曳力引起的緯向風擬合波幅度在白天和夜晚分別為1.1 m?s–1和2.5 m?s–1，離子拖曳力在夜晚時段的影響也強于白天，這與夜晚EIA 的結構比白天更明顯有關。Liu等[29]研究了CHAMP 衛(wèi)星觀測的400 km 高度赤道地區(qū)電子密度的分布，發(fā)現(xiàn)夜晚21:00 LT 電子密度的四波結構比白天12:00 LT 更為顯著。離子拖曳力由兩個因素決定，一個是中性成分和電子的相對速度，一個是電子密度。由于EIA 電子密度決定著離子拖曳力，因此夜間的四波結構比白天更強。

圖4 在IGRF 地磁場中白天和夜晚兩個時段赤道地區(qū)緯向風的經(jīng)度平均分布Fig.4 Longitudinal variations of zonal winds during the daytime and nighttime under IGRF configuration

偶極子地磁場中，白天（10:00－12:00 LT）和夜晚（20:00－22:00 LT）時段赤道地區(qū)緯向風的變化值隨地理經(jīng)度的分布如圖5 所示。原始緯向風的四波振幅在白天為4.5 m?s–1，夜晚為10.1 m?s–1。離子拖曳引起的緯向風四波波幅分別為1.4 m?s–1和2.7 m?s–1。與IGRF 中的結果相似，夜晚緯向風的四波振幅強于白天。

在不同地磁場構型條件下，白天和夜晚時段離子拖曳效應與原始風場四波振幅的百分比列于表1。在IGRF 地磁場中，離子拖曳在白天時段和夜晚時段的影響分別為26.4% 和25.3%；而在偶極子場中，影響分別為31.1% 和26.7%。在赤道地區(qū)緯向風的四波結構中，白天時段離子拖曳效應的貢獻略高于夜晚，在偶極子場中高于在IGRF 地磁場中。

表1 離子拖曳力對緯向風四波經(jīng)度分布影響的定量分析結果Table 1 Quantitative analysis of the influence of ion drag on the longitudinal variation of the zonal wind

4 結論

利用CHAMP 衛(wèi)星觀測和TIEGCM 模擬，研究了太陽活動低年春秋分季節(jié)赤道地區(qū)緯向風的空間分布，重點分析了緯向風反轉時間和風速的地理經(jīng)度分布差異，討論了非遷移潮汐波和離子拖曳力在不同地磁場構型下的相對影響。主要結論如下。

（1）緯向風的反轉時間存在明顯的經(jīng)度差異，其經(jīng)度差異最大可達1.8 h。在早晨和下午，緯向風轉向時間的經(jīng)度差異一定程度上是由非遷移潮汐波引起的。下午時段的非遷移潮汐波可以減小模型與觀測結果的差異，而在清晨的影響并不顯著。

（2）在IGRF 地磁場和偶極子磁場中，白天和夜晚時段的離子拖曳力對風場的四波結構均有促進作用。這主要是因為離子拖曳力有利于在磁赤道地區(qū)形成風急流，從而增強了風場四波結構的幅度。

（3）離子拖曳力對赤道地區(qū)緯向風四波結構的作用約占總風場的25%，其中，白天時段離子拖曳效應的貢獻略高于夜晚，在偶極子場中高于在IGRF 地磁場中。

致謝CHAMP 衛(wèi)星跨軌道風數(shù)據(jù)來自于http://ther mosphere.tudelft.nl/acceldrag/data.php.網(wǎng)站。TIEGCM模擬被存檔在NCAR 超級計算機Cheyenne 中（https://www2.cisl.ucar.edu/resources/storage-and-file-systems/hpss）。