北京上空電離層8小時(shí)潮汐波對2018年SSW的響應(yīng)研究

張雯敏, 馬錚,2*, 龔韻,2, 張紹東,2,3, 李國主

1 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院, 武漢 430072 2 地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079 3 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079 4 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029

0 引言

平流層爆發(fā)性增溫(Sudden stratospheric warming, SSW)是發(fā)生在冬季半球極區(qū)平流層大氣的一種突變現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為高緯地區(qū)平流層溫度在幾天之內(nèi)的迅速上升(Matsuno, 1971)．此外，SSW期間中高緯地區(qū)平流層的西風(fēng)迅速減弱，甚至可能反轉(zhuǎn)為東風(fēng)．一般將10 hPa高度上南北緯60°緯向平均緯向風(fēng)是否反轉(zhuǎn)作為SSW事件主增溫(Major)和次增溫(Minor)的分類標(biāo)準(zhǔn)(Baldwin et al., 2020)．Butler等(2015)對SSW事件的不同分類方法進(jìn)行了更加詳細(xì)的介紹，除風(fēng)反轉(zhuǎn)外，依據(jù)極渦類型，SSW也常常分為極渦位移型(displacement)和極渦分裂型(split)．盡管該事件主要發(fā)生在高緯極區(qū)的平流層，越來越多的研究表明SSW的影響可延伸至其他高度和緯度．例如，中緯度中間層和低熱層(mesosphere and lower thermosphere, MLT)區(qū)域常有與SSW相關(guān)的行星波增強(qiáng)現(xiàn)象(Yuan et al., 2012; Matthias et al., 2012; Ma et al., 2017, 2020a; Gong et al., 2018a; Li et al., 2020; Koushik et al., 2020)，低緯電離層在SSW爆發(fā)期間也常常有較為明顯的潮汐波增強(qiáng)(Liu et al., 2019; Chau et al., 2012; Goncharenko et al., 2013, 2020; Gong et al., 2013, 2018b; Zhang et al., 2020)．

潮汐波是一種由太陽輻射加熱作用產(chǎn)生的大尺度波動，周期一般為一個(gè)太陽日的整數(shù)分之一，如周期為24小時(shí)的周日潮汐，周期為12小時(shí)的半日潮汐以及周期為8小時(shí)、6小時(shí)的潮汐波．依據(jù)潮汐波的傳播是否與太陽運(yùn)動同步，可將潮汐波分為遷移潮汐和非遷移潮汐．行星波是另一種大氣波動，常見的周期主要為2天、5天、10天和16天左右，近年來周期為6.5天的行星波也引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注(Huang et al., 2017)．許多研究表明，SSW事件的發(fā)生會引起潮汐波和行星波的擾動．Pedatella和Forbes(2010)利用全球定位系統(tǒng)(GPS)提供的電離層總電子含量(total electron content, TEC)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2009年SSW期間西向半日非遷移潮明顯增強(qiáng)．Gong等(2018a)和Ma等(2017)報(bào)道了中緯地區(qū)MLT區(qū)域準(zhǔn)5天和準(zhǔn)2天行星波在2013年SSW事件作用下的增強(qiáng)現(xiàn)象．準(zhǔn)16天波在SSW期間的增強(qiáng)也被認(rèn)為是一種常規(guī)現(xiàn)象(Gong et al., 2019; Ma et al., 2020a)．實(shí)際上，潮汐波和行星波在SSW期間也具有一定的關(guān)聯(lián)性．例如，Gong等(2013)利用低緯Arecibo非相干散射雷達(dá)的研究表明SSW期間電離層潮汐波受到了行星波的調(diào)制．利用TEC和赤道電急流(equatorial electrojet, EEJ)數(shù)據(jù)，Laskar等(2014)和Sridharan(2017)認(rèn)為準(zhǔn)16天波的調(diào)制作用是引起SSW期間周日潮汐和半日潮汐振幅擾動的原因之一．Pedatella和Liu(2013)利用數(shù)值模擬的方法研究發(fā)現(xiàn)，在SSW期間潮汐波和行星波的非線性相互作用是導(dǎo)致低緯電離層非遷移半日潮異常增強(qiáng)的主要原因．Liu等(2010)通過模型分析的方法發(fā)現(xiàn)行星波對SSW的響應(yīng)出現(xiàn)在高緯地區(qū)，但行星波和潮汐波的非線性相互作用可能會導(dǎo)致全球范圍內(nèi)潮汐波的增強(qiáng)．

由于8小時(shí)潮汐波振幅相對于周日潮汐波、半日潮汐波較弱(Jhuang et al., 2018)，關(guān)于電離層8小時(shí)潮汐波的研究相對較少．Gong等(2013)報(bào)道了2010年SSW事件期間8小時(shí)潮汐波振幅在低緯電離層F層增強(qiáng)，E層減弱的現(xiàn)象．Fuller-Rowell等(2011)利用WAM全大氣模型對2009年SSW期間全球大氣動力學(xué)和電動力學(xué)的變化進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明在低熱層8小時(shí)潮汐波振幅會大幅增加．不過中緯度地區(qū)8小時(shí)潮汐波在SSW期間的擾動現(xiàn)象鮮有發(fā)表，其與行星波之間的相互作用尚不明確．2018年2月SSW事件發(fā)生后北京上空電離層8小時(shí)潮汐波振幅有明顯擾動現(xiàn)象且持續(xù)時(shí)間較長，這為我們提供了很好的研究機(jī)會．本文利用多種數(shù)據(jù)深入分析了此次SSW事件期間北京上空電離層8小時(shí)潮汐波的變化過程以及產(chǎn)生機(jī)制．本文章節(jié)內(nèi)容安排如下：第1節(jié)，數(shù)據(jù)及分析方法，主要介紹了本文所使用的數(shù)據(jù)以及研究方法，并簡要介紹了2018年SSW事件的基本情況；第2節(jié)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果，詳細(xì)描述了北京上空電離層8小時(shí)潮汐波對2018年SSW事件的響應(yīng)；第3節(jié)，分析與討論，進(jìn)一步探究了引起電離層8小時(shí)潮汐波擾動的原因；最后第4節(jié)，總結(jié)了本文的研究內(nèi)容和主要結(jié)論．

1 數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本研究用到的電離層TEC觀測數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所建設(shè)的東亞/東南亞電離層不均勻體/閃爍觀測網(wǎng)(Ionospheric Observational Network for Irregularity and Scintillation in East and Southeast Asia, IONISE)(Li et al., 2019; Sun et al., 2020)，主要基于該網(wǎng)絡(luò)中北京中科院地質(zhì)與地球物理研究所站(BJGG, 40.0°N, 116.4°E)和北京懷柔站(BJHR, 40.3°N, 116.6°E)兩個(gè)站點(diǎn)的GNSS TEC接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．該接收機(jī)可接收GPS、北斗以及GLONASS衛(wèi)星信號，并提供時(shí)間間隔為30 s的電離層VTEC數(shù)據(jù)．為得到北京上空電離層TEC的連續(xù)變化情況，本文選用北斗同步衛(wèi)星(Geostationary satellite, GEO)VTEC數(shù)據(jù)作為研究對象．北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，共有5顆地球同步衛(wèi)星，分別位于赤道面軌道東經(jīng)58.75°，80°，110.5°，140°和160°的位置．由于位置更靠近于北京所在的經(jīng)度，且同一站點(diǎn)接收的相鄰兩個(gè)GEO衛(wèi)星信號經(jīng)緯度差異較小(Lei et al., 2018; Huang et al., 2019)，我們選用位于五顆同步衛(wèi)星中間位置的GEO VTEC數(shù)據(jù)作為研究對象．

盡管單地基站點(diǎn)TEC數(shù)據(jù)時(shí)間精度高，但其分析結(jié)果不能反映潮汐波緯向波數(shù)的信息，為進(jìn)一步研究遷移潮汐分量和非遷移潮汐分量對SSW事件的響應(yīng)，本文利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)(International Global Navigation Satellite Systems Service, IGS)提供的全球電離層地圖(Global Ionospheric Maps, GIM)數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助研究．IGS自1998年6月起向全球用戶提供經(jīng)緯度分辨率為5°×2.5°、時(shí)間分辨率為2 h的全球電離層VTEC分布圖，以表征電離層的時(shí)空變化情況．由于數(shù)據(jù)可靠且精度高，該數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于電離層變化的研究中，也經(jīng)常作為模型計(jì)算精度的參考標(biāo)準(zhǔn)(Orús et al., 2002; Hernández-Pajares et al., 2009; Wang et al., 2016)．

由于電離層中的潮汐波與行星波常與低層大氣所激發(fā)的擾動有關(guān)，本文利用中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所于2002年建設(shè)、2008年底升級改造完成的北京站(40.3° N, 116.2° E)流星雷達(dá)風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助研究．流星雷達(dá)(meteor radar)是利用流星余跡反演大氣風(fēng)場或溫度場信息的地基無線電雷達(dá)，北京站流星雷達(dá)可以提供MLT區(qū)域內(nèi)(70～110 km)的大氣水平風(fēng)場數(shù)據(jù)．該數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1 h，高度分辨率為2 km．具體的設(shè)備介紹、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及風(fēng)場獲取方式可參考Yu 等(2013)、Yi 等(2019)、Ma等(2018, 2021)和Gong等(2020)的相關(guān)研究．由于各高度上流星雷達(dá)風(fēng)場數(shù)據(jù)的質(zhì)量參差不齊，本研究只采用了數(shù)據(jù)有效獲取率達(dá)到70%以上的高度進(jìn)行研究，即80～94 km高度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)．

1.2 數(shù)據(jù)分析方法介紹

功率譜分析是大氣動力學(xué)研究中非常重要的一種分析方法，通過對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，可以得到其中較為明顯的波動頻率分量及其相對強(qiáng)度．本研究采用了Lomb-Scargle(LS)譜分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該方法主要基于離散傅里葉變換理論，具體表達(dá)形式如公式(1)所示:

(1)

其中，x(ti)為輸入信號的時(shí)間序列，f為測試頻率，τ為時(shí)間偏移量，n為采樣數(shù)據(jù)量．

在利用北斗GEO VTEC數(shù)據(jù)提取潮汐波的振幅和相位時(shí)，本研究主要利用了諧波擬合的方法，具體表達(dá)形式如公式(2)所示:

(2)

利用GIM VTEC數(shù)據(jù)擬合40°N上的8小時(shí)遷移潮汐和非遷移潮汐波振幅時(shí)，需要考慮波動的緯向波數(shù)，具體表達(dá)形式如公式(3)所示(Luan et al., 2012; Pancheva and Mukhtarov, 2012):

(3)

其中，TEC是輸入的40°N上GIM VTEC數(shù)據(jù)，DC表示直流分量，ω0=2π/24，λ為弧度制經(jīng)度，t表示以小時(shí)為單位的時(shí)間，φ為相位．各波動分量的振幅為An．公式(3)中n表示一個(gè)太陽日的次諧波，s表示緯向波數(shù)，s>0表示西向傳播，反之表示東向傳播，當(dāng)s=n時(shí)表示遷移潮汐，反之表示非遷移潮汐．為了表述方便，8小時(shí)潮汐波用TWs/TEs來表示，其中T表示8小時(shí)潮汐波，W/E表示西向/東向傳播，s表示緯向波數(shù)，本研究主要關(guān)注TW1、TW2、TW3(8小時(shí)遷移潮汐波)以及TE1、TE2、TE3等分量的變化．

1.3 2018年SSW事件簡介

圖1 2018年1月21日至3月5日平流層溫度、緯向風(fēng)、Kp以及F10.7指數(shù)的日變化結(jié)果(a) 90°N、10 hPa高度的大氣溫度； (b) 60°N、10 hPa高度的緯向平均緯向風(fēng)； (c) Kp指數(shù)； (d) F10.7指數(shù)．Fig.1 Temporal variations of the temperature, zonal wind, Kp, and F10.7 from 21 January to 5 March in 2018(a) Temperature at 90°N and 10 hPa, (b) zonally mean zonal wind at 60°N and 10 hPa, (c) Kp indices, and (d) F10.7 indices.

許多學(xué)者對2018年2月的SSW主增溫事件進(jìn)行了報(bào)道．King等(2019)認(rèn)為此次事件與歐洲地區(qū)對流層的極端天氣有關(guān)．Ma等(2020b)利用MERRA2位勢高度數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在此次SSW事件中心日期前后極渦有異常的演化過程，并指出此次SSW事件為極渦分裂轉(zhuǎn)位移型．Luo等(2021)利用中緯地區(qū)流星雷達(dá)鏈報(bào)道了此次SSW事件期間準(zhǔn)10天波增強(qiáng)所具有的緯度變化特征．Liu等(2019)認(rèn)為這次事件能影響到赤道地區(qū)的TEC和EEJ變化．圖1給出了2018年SSW事件前后平流層溫度、緯向風(fēng)場及地磁、太陽活動的日變化情況，其中平流層緯向平均溫度和緯向平均風(fēng)數(shù)據(jù)來源于MERRA2提供的再分析數(shù)據(jù)，太陽活動指數(shù)F10.7和地磁活動指數(shù)Kp為美國國家航空航天局公開數(shù)據(jù)．圖1a為90°N、10 hPa高度處緯向平均溫度隨時(shí)間變化的曲線，從圖中可以看出，極區(qū)溫度在1月27日后有短暫增強(qiáng)，在2月中旬開始顯現(xiàn)明顯的上升趨勢，并維持在230 K以上直到3月．圖1b為60°N、10 hPa高度處緯向平均緯向風(fēng)隨時(shí)間變化的曲線．從圖中可以看出，2月4日緯向風(fēng)開始減弱后，于2月12日由西風(fēng)反轉(zhuǎn)為東風(fēng)．根據(jù)前文所述定義，本次SSW事件為主增溫事件且2月12日為中心日期(Central Date)，這與Ma等(2020b)和Luo等(2021)定義的2018年SSW事件中心日期一致．圖1(c、d)為地磁活動指數(shù)Kp及太陽活動指數(shù)F10.7隨時(shí)間的變化情況．可以看出，SSW發(fā)生前后，Kp值均低于3，F(xiàn)10.7值均低于80 sfu(太陽通量Solar Flux Unit, sfu=10-22W·m-2/Hz)．太陽、地磁活動是引起電離層擾動的重要原因之一(Liu et al., 2021)，2018年SSW事件期間太陽、地磁活動比較平靜，這為我們研究電離層中的行星波、潮汐波對此次SSW事件的響應(yīng)提供了一個(gè)較好的背景環(huán)境．

2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

由于北斗GEO VTEC數(shù)據(jù)時(shí)間精度高，有利于研究高階潮汐分量，本文利用該數(shù)據(jù)對2018年SSW事件期間北京上空電離層潮汐波的變化過程進(jìn)行分析．為了完整觀測到此次SSW事件對潮汐波的影響，我們選取了SSW中心日期前后20天的數(shù)據(jù)(2018年1月23日至3月3日)進(jìn)行研究．為保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們同時(shí)對BJGG和BJHR兩個(gè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了LS譜分析．圖2給出了包括周日潮汐、半日潮汐以及8小時(shí)潮汐波的歸一化LS周期圖. 其中黑色虛線和黑色實(shí)線分別表示SSW中心日期前、后20天的結(jié)果．從圖中可以明顯看出，2018年2月的SSW發(fā)生后兩個(gè)站點(diǎn)上的電離層8小時(shí)潮汐波分量均有明顯增強(qiáng)，周日潮汐略有增強(qiáng)，而半日潮汐無明顯變化．因此，本文主要針對增強(qiáng)最為明顯的8小時(shí)潮汐波進(jìn)行深入研究．

圖2 2018年SSW中心日期前后20天 BJGG站(a)和BJHR站(b)GEO VTEC歸一化LS周期圖，黑色虛線為前20天，黑色實(shí)線為后20天Fig.2 Normalized LS periodogram of the GEO VTEC at BJGG (a) and BJHR (b) stations during 20 days before (dashed lines) and after (solid lines) the central date of the 2018 SSW

基于對GEO VTEC數(shù)據(jù)的LS譜分析結(jié)果，我們進(jìn)一步擬合了此次SSW事件期間8小時(shí)潮汐波的振幅隨時(shí)間變化情況．本文采用窗長為48 h，步長為30 min的滑動窗，利用最小二乘法對2018年SSW期間BJGG站和BJHR站的北斗GEO VTEC數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合．圖3a和圖3b分別表示BJGG站和BJHR站8小時(shí)潮汐波振幅隨時(shí)間變化的曲線，黑色虛線表示2018年SSW事件的中心日期．從圖3中可以看到，在SSW中心日期前，北京兩個(gè)站上空電離層8小時(shí)潮汐波的振幅均小于1 TECu，而中心日期后兩個(gè)站點(diǎn)的8小時(shí)潮汐波振幅均明顯增強(qiáng)，且持續(xù)時(shí)間較長，最大值都超過1.5 TECu．盡管2月初左右由于位于110°E的衛(wèi)星所提供的有效數(shù)據(jù)量少于70%，兩個(gè)站點(diǎn)8小時(shí)潮汐波的振幅變化結(jié)果有一定的缺失，但是根據(jù)其他北斗GEO VTEC數(shù)據(jù)(如位于140°E和80°E的同步衛(wèi)星)的擬合結(jié)果，8小時(shí)潮汐波的絕對振幅值仍未超過1 TECu，因此，部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失不影響本文的相關(guān)結(jié)論．

圖3 2018年1月21日至3月5日(a)BJGG站、(b)BJHR站上空電離層8小時(shí)潮汐波振幅隨時(shí)間變化情況黑色虛線表示2018年SSW事件的中心日期.Fig.3 The amplitudes of the terdiurnal tide at BJGG (a) and BJHR (b) stations from 21 January to 5 March in 2018 Black dashed lines represent the central date of the 2018 SSW.

地基單站點(diǎn)得到的8小時(shí)潮汐波振幅結(jié)果常被認(rèn)為是多個(gè)8小時(shí)潮汐波分量的疊加．為了研究圖3中8小時(shí)遷移和非遷移潮汐波的貢獻(xiàn)程度，我們利用2018年SSW期間40°N的IGS GIM數(shù)據(jù)，采用窗長為48 h，步長為8 h的滑動窗，通過最小二乘法，從IGS GIM數(shù)據(jù)中提取出了8小時(shí)潮汐波的遷移和非遷移分量，結(jié)果如圖4所示．圖中紅色曲線表示8小時(shí)遷移潮汐波TW3振幅隨時(shí)間的變化情況，黑色虛線表示SSW中心日期．從圖中可以看出，2018年SSW發(fā)生前無論是8小時(shí)遷移潮汐波還是非遷移潮汐波，振幅基本都小于0.3 TECu，但在SSW爆發(fā)之后遷移潮TW3振幅明顯增強(qiáng)，最大值超過0.6 TECu，而非遷移潮TW1、TW2、TE1、TE2、TE3的振幅無明顯變化．為確認(rèn)8小時(shí)遷移潮汐波增強(qiáng)的可信度，我們利用2018年全年40°N的IGS GIM數(shù)據(jù)對擬合方法進(jìn)行了誤差分析．首先基于全年數(shù)據(jù)計(jì)算得到的均值和標(biāo)準(zhǔn)差生成一個(gè)高斯隨機(jī)序列，再用最小二乘法滑動擬合包括8小時(shí)遷移和非遷移潮汐波的振幅及各分量的標(biāo)準(zhǔn)差，通過計(jì)算(振幅均值與兩倍的標(biāo)準(zhǔn)差之和)得到TW1、TW2、TW3、TE1、TE2、TE3各分量的95%置信度分別為0.266 TECu、0.267 TECu、0.257 TECu、0.266 TECu、0.281 TECu和0.257 TECu．可以看到，在SSW事件發(fā)生后，TW3的振幅逐漸上升，且最大值超過0.6 TECu，遠(yuǎn)高于95%的置信度，由此可知8小時(shí)遷移潮汐波確實(shí)對2018年SSW產(chǎn)生了響應(yīng)．因此我們認(rèn)為北京上空電離層8小時(shí)潮汐振幅在2018年SSW期間的增強(qiáng)主要也是來源于8小時(shí)遷移潮汐波的貢獻(xiàn)．

圖4 2018年1月21日至3月5日北緯40°8小時(shí)遷移潮汐波和非遷移潮汐波的振幅隨時(shí)間變化曲線 黑色虛線表示2018年SSW中心日期.Fig.4 Temporal variations of the migrating and nonmigrating terdiurnal tides at 40°N from 21 January to 5 March in 2018The black dashed line represents the central date of the 2018 SSW.

3 分析與討論

觀察圖3a中BJGG站8小時(shí)潮汐波振幅隨時(shí)間變化的曲線可知，振幅在2月17日、2月22日以及2月28日三次達(dá)到峰值，圖3b中BJHR站振幅的變化趨勢與BJGG站一致．這表明2018年2月SSW事件發(fā)生后，北京上空電離層8小時(shí)潮汐波振幅變化有可能存在更長時(shí)間的周期性振蕩，其周期約為5～6天左右．為確定該振蕩的準(zhǔn)確周期，我們對8小時(shí)潮汐波的振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行了LS譜分析，結(jié)果如圖5所示．由圖5可以看到，兩個(gè)站點(diǎn)上空的電離層8小時(shí)潮汐波在SSW發(fā)生后均出現(xiàn)了最強(qiáng)的周期為6.5天左右的振蕩，而在其他周期的行星波分量上變化不明顯．同時(shí)，8小時(shí)潮汐波中6.5天振蕩的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始TEC中6.5天的幅值，這說明6.5天振蕩對電離層中8小時(shí)潮汐波的調(diào)制確實(shí)占據(jù)主要地位．一般認(rèn)為電離層中潮汐波所展現(xiàn)的周期性起伏是由于行星波的調(diào)制作用，而結(jié)合圖1所示的Kp指數(shù)變化，我們注意到8小時(shí)潮汐波振幅增強(qiáng)的時(shí)間附近，Kp指數(shù)存在類似的起伏過程，由此，我們需要進(jìn)一步討論8小時(shí)潮汐波所展現(xiàn)的周期性振蕩究竟是地磁活動的作用還是行星波的作用．

圖5 2018年SSW發(fā)生前后20天(a)BJGG站和(b)BJHR站8小時(shí)潮汐波振幅(紅色)和原始觀測的TEC(藍(lán)色)歸一化LS周期圖，虛線為前20天，實(shí)線為后20天Fig.5 Normalized LS periodogram of the amplitude of terdiurnal tide (red) and TEC (blue) at (a) BJGG and (b) BJHR stations during 20 days before (dashed lines) and after (solid lines) the central date of the 2018 SSW

我們對SSW發(fā)生期間的Kp指數(shù)進(jìn)一步做了小波分析，結(jié)果如圖6a所示，白色實(shí)線所包圍的區(qū)域超過了95%置信區(qū)間，由于選取了更長的數(shù)據(jù)，故圖6a中已經(jīng)消除了邊緣效應(yīng)的影響．可以發(fā)現(xiàn)Kp指數(shù)在SSW發(fā)生后僅展現(xiàn)出周期約為4天的變化規(guī)律, 而缺少其他行星波周期的變化特征．特別是Kp指數(shù)在6.5天附近的周期性變化譜成分并沒有超過95%的置信區(qū)間，這表明其與8小時(shí)潮汐波中展現(xiàn)的以6.5天為周期的振蕩相關(guān)性不高．為進(jìn)一步確定Kp指數(shù)變化對北京上空電離層8小時(shí)潮汐波的影響，我們在圖6(b—d)中展示了2018年4月的一次磁暴期間的Kp變化過程以及兩個(gè)站點(diǎn)上空的電離層8小時(shí)潮汐波變化過程．可以看出，Kp指數(shù)在4月20日時(shí)達(dá)到6，但是兩個(gè)站點(diǎn)的8小時(shí)潮汐波振幅均未展現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象，甚至整體呈下降趨勢，這表明北京上空電離層8小時(shí)潮汐波振幅與Kp指數(shù)的變化可能缺乏一一對應(yīng)的關(guān)系．同時(shí)，在2018年SSW事件發(fā)生期間Kp值均小于4，屬于地磁活動平靜期，前人研究證實(shí)SSW期間當(dāng)Kp值小于4時(shí)，其對電離層的驅(qū)動不是占主導(dǎo)作用(Goncharenko and Zhang, 2008; Goncharenko et al., 2013; Chen et al., 2016; Gong et al., 2018b)．由此我們推測，2018年SSW期間8小時(shí)潮汐波所展現(xiàn)的周期性振蕩并非由Kp的變化所調(diào)制，而很可能是受到了6.5天行星波的調(diào)制作用，這或許是導(dǎo)致8小時(shí)潮汐波振幅長時(shí)間增強(qiáng)的原因之一．

圖6 (a) 2018年1月23日至3月3日Kp指數(shù)的小波分析結(jié)果，白色虛線表示2018年SSW中心日期，白色實(shí)線表示95%置信度；(b)2018年4月磁暴期間Kp指數(shù)和(c)BJGG站、(d)BJHR站8小時(shí)潮汐波振幅變化情況Fig.6 (a) Wavelet spectra of the Kp indices from 23 January to 3 March in 2018, the white dashed line represents the central date of the 2018 SSW, the white solid line is the 95% confidence level. (b) The evolutions of the Kp index from 18 April to 24 April in 2018. (c—d) The amplitudes of the terdiurnal tide at BJGG and BJHR stations during the geomagnetic storm in April 2018

前人研究對低緯電離層F層中的準(zhǔn)6天波已有報(bào)道，這些準(zhǔn)6天波的信號常常被發(fā)現(xiàn)存在于赤道附近的電離層參數(shù)中(Yamazaki, 2018)，而這些準(zhǔn)6天波的激發(fā)機(jī)制尚不清楚．基于南半球2019年爆發(fā)的一次較強(qiáng)的SSW事件，Miyoshi和Yamazaki(2020)進(jìn)一步分析了電離層中6天波的激發(fā)機(jī)制，他們認(rèn)為低緯電離層TEC和EEJ中的6天波現(xiàn)象實(shí)際上來源于10～14小時(shí)的波動分量的周期性變化，而這種周期性變化可能是低層大氣在SSW期間激發(fā)的6天波與潮汐的相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果．不過，他們認(rèn)為2019年南半球SSW期間低層大氣增強(qiáng)的6天波的來源還不清楚(Miyoshi and Yamazaki, 2020)，這主要是由于其發(fā)生在9月，與準(zhǔn)6天波在秋分附近的季節(jié)性增強(qiáng)無法被明確地區(qū)分(Gan et al., 2018)．Ma等(2022)也進(jìn)一步揭示了這次南半球SSW期間全球低層大氣準(zhǔn)6天波的激發(fā)機(jī)制，他們證實(shí)了在北半球中緯地區(qū)所激發(fā)的6天波來自于季節(jié)性增強(qiáng)和跨半球傳播的共同作用．

2018年SSW事件發(fā)生在2月，而準(zhǔn)6天波的常規(guī)激發(fā)一般在春分和秋分前后，這為我們提供了一次較好的機(jī)會來研究其與電離層8小時(shí)潮汐波中觀測到的6.5天波之間的關(guān)系．我們對2018年SSW期間北京站流星雷達(dá)提供的MLT區(qū)域風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了LS譜分析．在MLT區(qū)域的緯向風(fēng)中6.5天波在SSW發(fā)生前后沒有明顯的幅度差異，甚至在82 km以上還有減弱趨勢．Hough模式的分析結(jié)果也表明周期5～7天的Rossby正態(tài)波模在北緯40°附近的緯向速度的歸一化振幅接近于0(Forbes and Zhang, 2017)．因此，本研究中不對北京站MLT區(qū)域緯向風(fēng)中的6.5天波動進(jìn)行深入討論．圖7分別給出了此次SSW中心日期前20天(圖7a)和后20天(圖7b)內(nèi)MLT區(qū)域經(jīng)向風(fēng)中周期在5～8天內(nèi)的行星波歸一化周期圖，黑色實(shí)線所包圍區(qū)域的置信度大于95%．對比可知，SSW爆發(fā)前MLT區(qū)域沒有觀測到明顯的6.5天波活動，而SSW爆發(fā)后6.5天波活動明顯增強(qiáng)，這表明此次6.5天波活動的增強(qiáng)極有可能與2018年的SSW事件密切相關(guān)．Guharay和Batista(2019)認(rèn)為SSW期間低頻潮汐波可以在平流層或MLT區(qū)域被行星波調(diào)制，通過潮汐波動的上傳進(jìn)而導(dǎo)致電離層中的潮汐振幅展現(xiàn)出行星波特征的擾動，而我們在本次事件期間MLT區(qū)域的8小時(shí)潮汐波中并未觀測到明顯的6.5天波調(diào)制特征．這意味著2018年SSW期間在低層大氣激發(fā)的6.5天波只可能有兩種方式作用于電離層中的8小時(shí)潮汐波，一是直接上傳至電離層高度對TEC產(chǎn)生調(diào)制作用，二是通過與潮汐波的非線性相互作用產(chǎn)生了以6.5天為周期的調(diào)制特征．由于中間過程區(qū)域缺少有效的觀測手段，究竟屬于哪種方式還需要應(yīng)用更多的模式分析手段來進(jìn)一步探索，這也是我們未來準(zhǔn)備研究的內(nèi)容．

圖7 北京站MLT區(qū)域經(jīng)向風(fēng)在SSW中心日期前20天(a)和后20天(b)的歸一化LS周期圖黑色實(shí)線表示95%的置信度.Fig.7 Normalized LS periodogram of the meridional wind in the period of 20 days before (a) and after (b) the central date of the 2018 SSWThe black solid line represents a 95% confidence level.

4 結(jié)論

基于東亞/東南亞電離層不均勻體/閃爍觀測網(wǎng)(IONISE)中北京中科院地質(zhì)與地球物理研究所站(BJGG, 40.0°N, 116.4°E)和北京懷柔站(BJHR, 40.3°N, 116.6°E)兩個(gè)站點(diǎn)的GNSS TEC接收機(jī)提供的北斗GEO VTEC數(shù)據(jù)、北緯40°的IGS GIM數(shù)據(jù)以及北京站流星雷達(dá)的風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)，我們對2018年SSW主增溫事件期間北京站上空電離層8小時(shí)潮汐波的變化過程進(jìn)行了研究，得到的主要結(jié)論如下：

(1)2018年SSW主增溫事件爆發(fā)后，BJGG和BJHR站上空電離層TEC中的8小時(shí)潮汐波振幅明顯增強(qiáng)，最大振幅均超過了1.5 TECu；

(2)通過分析北緯40°上不同經(jīng)度的IGS GIM數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)北京上空電離層8小時(shí)潮汐波在SSW爆發(fā)后的增強(qiáng)主要來源于8小時(shí)遷移潮汐波分量的貢獻(xiàn)；

(3)2018年SSW發(fā)生后，北京上空電離層8小時(shí)潮汐波波幅出現(xiàn)了明顯的周期為6.5天的振蕩．通過研究我們推測電離層中的8小時(shí)潮汐波很可能受到了來自中間層和低熱層區(qū)域的準(zhǔn)6.5天振蕩的調(diào)制．

本研究首次報(bào)道了中緯度電離層TEC中的8小時(shí)潮汐波對SSW事件的響應(yīng)過程，分析了其主要成分以及波動特征，研究結(jié)果初步表明SSW期間低層大氣所激發(fā)的行星波能夠影響電離層中的8小時(shí)潮汐波活動．未來將開展更多模式研究，進(jìn)一步揭示SSW期間中緯度大氣行星波對電離層潮汐波的作用機(jī)制．

致謝感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所為本研究提供了電離層TEC觀測數(shù)據(jù)和流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，感謝IGS提供的GIM數(shù)據(jù)，同時(shí)感謝美國國家航空航天局提供的再分析數(shù)據(jù)和太陽與地磁活動數(shù)據(jù)．