电离层中纬槽极小的位置变化及其控制因素研究

刘裔文，徐继生，徐良，尹凡

武汉大学电子信息学院，武汉 430072

1 引言

电离层中纬槽特指亚极光区电离层等离子体浓度的耗尽结构，出现在几乎所有的经度但纬度很窄的区域（Moffett and Quegan，1983；Rodger et al.，1992）.这一结构最早由Muldrew和Sharp报道 （Muldrew，1965；Sharp，1966）.中纬槽基本上是一种夜间现象（Moffett and Quegan，1983），但也有许多昼侧中纬槽的观测证据 （Kersley et al.，1997；Whalen，1989；Voiculescu et al.，2006）.一般认为，电离层中纬槽的形成和维持是磁层等离子体对流的结果（Knudsen，1974；Knudsen et al.，1977）.另外，H＋上行、氮分子浓度增加或中性风压低F层导致的复合速率增加，对电离层中纬槽的形成也有一定贡献（Schunk and Banks，1975；Schunk et al.，1976）.还有研究表明，亚极光区快速离子流（SAID）与中纬槽的形成也存在关联 （Rodger et al.，1992；Mishin et al.，2004；Voiculescu and Roth，2008）.

由于地球空间环境条件的变化，中纬槽位置经常处于运动变化状态.在地磁平静期，中纬槽位置的变化与磁地方时、经度和季节等因素有关.磁扰动期间，中纬槽经常出现赤道向运动.此前，已有许多研究者利用来自多种技术手段的观测数据，研究了中纬槽位置的变化及其影响因素.大量的研究关注中纬槽的运动与地磁活动的关系.表征地磁活动最常用的指标是Kp指数，很多作者研究了Kp指数与中纬槽极小位置变化的联系，给出了各种中纬槽极小位置与Kp指数变化的经验关系式（Köhnlein and Raitt，1977；Spiro et al.，1978；Dudeney et al.，1983；Collis and Höggström，1988）.不过，Werner和Prölss认为，用AE6指数来表征暴时中纬槽的运动更合适（Werner and Prölss，1997）.此外，也有研究者认为，DR 指数（Deminov et al.，1996）和 AL 指数（Zou et al.，2011）更适用于表征暴时中纬槽运动特征.鉴于中纬槽与高纬电离层对流图像存在密切联系，而对流图像主要受太阳风电场和行星际磁场的控制，Voiculescu等曾详细地研究过中纬槽发生率与IMF－Bz和IMF－By极性之间的关系（Voiculescu et al.，2006；Voiculescu and Nygrén，2007）.He等（2011）利用COSMICNmF2和hmF2观测数据发现，夜间中纬槽出现的纬度存在一个9天的波动周期，且与太阳风速度存在明显的对应关系，他们认为太阳风速度可能更适合用来预测中纬槽出现的位置.还有一些作者研究了暴时中纬槽的运动与磁暴暴相的联系.利用EISCAT 雷达观测数据，Collis和 Höggström（1991）得到1987年3月25日磁暴期间中纬槽在磁暴急始后的两小时内往低纬移动超过10°.Deminov等（1992，1996）分析1978—1979年间的14个磁暴，发现中纬槽在初相未结束时就开始往赤道运动.利用CIT技术，Bust等（1997）对1993年11月磁暴主相极大期间与磁暴前一天（磁静日）近似相同时段中纬槽所在位置进行了比较，发现在暴时中纬槽显著往赤道方向移动.

本文利用2000年至2010年近10年间CHAMP卫星朗缪尔探针实地测量的电子密度数据，首先分析了地磁平静期中纬槽位置的变化对磁地方时和地理经度的依赖.然后，通过统计分析，考察了中纬槽的运动与磁情指数和太阳风速度以及太阳风电场的关联.本文的研究结果对中纬槽建模有重要的参考价值.

2 数据和中纬槽识别方法

2.1 数据

本文用于分析电离层中纬槽特征的数据来自CHAMP卫星载朗缪尔探针（Planar Langmuir Probe，简称PLP）的电子密度测量.CHAMP卫星于2000年7月15日发射升空，于2010年9月19日停止飞行，轨道倾角为87.3°，轨道运行周期约为1.57h，轨道初始高度为454km.CHAMP卫星PLP电子密度测量的范围为108～1012m－3，时间分辨率为15s.CHAMP卫星载PLP电子密度测量数据已经过验证，表明测量数据是可靠的（McNamara et al.，2007）.

为了研究暴时中纬槽运动的控制因素，本文用到太阳风和行星际磁场数据，这些数据由ACE（Advanced Composition Explorer）卫星测量得到.ACE卫星于1997年8月25日发射升空，轨道中心位于日地之间的拉格朗日点L1，距离地球约235.5RE，轨道运行周期约6个月.本文所用的数据主要包括磁场测量仪MAG提供的行星际磁场数据，和太阳风电子、质子、alpha粒子监测仪SWEPAM提供的太阳风速度和密度数据.MAG和SWEPAM采集数据的时间分辨率分别为16s和64s.按照Weimer等（2003）给出的方法，太阳风和行星际磁场数据经过了适当的时延处理.时延后，太阳风和行星际磁场数据都近似地投影到XGSE轴上距地球10RE处的地球磁层顶的位置.

2.2 中纬槽识别方法

为了从CHAMP卫星载PLP的海量测量数据中自动识别中纬槽，我们基于槽的基本特征，编写了一个中纬槽自动识别程序.首先把每条完整轨道分成4段，每段均从赤道到极区或从极区到赤道.从赤道到极区，电离层经常存在三种典型的大尺度结构，即电离赤道异常、中纬槽和高纬槽.我们假定中纬槽的低纬边界最低在不变量磁纬40°以上，这样，在绝大多数情况下，可以有效地区分电离赤道异常和中纬槽.在很多情况下，中纬槽和高纬槽同时被检测到，并且其位置的可变性很大，很难完全区分.为了尽量区分两者，我们假定中纬槽的极侧边界最高在不变量磁纬75°以下，且当两个槽状结构同时出现时，我们选赤道侧的槽作为中纬槽.

利用中纬槽自动识别程序，处理了2000年至2010年CHAMP卫星载PLP测量数据，总共识别出33695个中纬槽，其中北半球共20554个，南半球共13141个.对每个识别出的中纬槽结构，分别确定槽的赤道侧边界、槽的极小和槽的极侧边界的位置以及对应的电子密度值.基于这些中纬槽数据，分析地磁平静期和扰动期中纬槽位置的变化及其控制因素.

图1是静日夜间典型的中纬槽示例.如图1所示，槽的基本特征是在中纬和高纬之间一个较窄的纬度带上，电离密度显著低于其两侧的背景电子密度，即出现电离密度耗尽（depletion）.图1中，南半球中纬槽区位于不变量纬度约57°S—67°S之间，北半球中纬槽区位于不变量纬度约55°N—65°N之间.在槽的赤道侧边界和极侧边界之外，电离密度随纬度的变化相对平缓，在两者之内的纬度带，电子密度出现很陡的正梯度和负梯度.在大多数情况下，可以较准确地识别槽极小的位置，而槽的极侧边界和赤道侧边界有时不容易准确识别.因此，本文主要用中纬槽极小来表征中纬槽的位置.

图1 静日夜间南半球（a）和北半球（b）中纬槽示例.图中箭头所指分别是槽的赤道侧边界、极小位置和极侧边界Fig.1 Examples of mid－latitude trough at midnight in（a）southern hemisphere and （b）northern hemisphere during quiet time.The arrows point out the equator－side boundary，the minimum，and the polar－side boundary of mid－latitude trough respectively

3 地磁平静期中纬槽位置随磁地方时和地理经度的变化

图2 由CHAMP卫星载PLP测量数据识别的中纬槽极小位置的磁地方时分布.上图为北半球，下图为南半球Fig.2 Scatter plot of mid－latitude trough minimum position with magnetic local time based on CHAMP PLP measurements.The upper plot represents northern hemisphere，and the lower plot represents southern hemisphere

图2 是2000年至2009年近10年间地磁平静期（Kp＜3）中纬槽极小对应的不变量磁纬的地方时分布.由图2可以看到，电离层中纬槽基本上是一种夜间现象，从磁地方时较早的黄昏开始频繁出现，直至黎明前，白天出现较少.从黄昏到午夜前，电离层中纬槽对应的纬度逐渐降低，午夜前至黎明前，槽极小所在的纬度最低，但随磁地方时的变化较小.南北半球槽的位置随磁地方时变化的特征基本相同.早晨至午后，槽出现较少，主要集中在较高的纬度上，更像是高纬槽.

为了定量地分析中纬槽位置对磁地方时的依赖关系，我们以30min间隔把一天内中纬槽位置分成48份，然后求每个时间间隔内中纬槽位置的平均值.在此基础上，利用多项式拟合技术，得到南北半球平均中纬槽位置随磁地方时变化的拟合关系式分别为

式中t代表磁地方时，N和S分别表示北半球和南半球.

图3是2000年至2009年地磁平静期平均中纬槽位置随磁地方时变化及其多项式拟合曲线.图中散点是每30min间隔内平均的中纬槽位置，短竖线表示其标准差.如图所示，中午前后中纬槽位置对应的纬度最高，在南北半球，不变量磁纬均达到70°附近，而在午夜前后，中纬槽位置对应的纬度最低，在南北半球，均位于不变量磁纬60°附近，南半球比北半球平均约高1.7°.此外，还可以看到，南北半球中纬槽位置随磁地方时变化具有很好的对称性.此前，利用早期的AE－C等卫星观测数据以及地基台站观测数据，科学家们对中纬槽位置随磁地方时的变化做了大量研究（Moffett and Quegan，1983；Köhnlein and Raitt，1977；Spiro et al.，1978），本文的结果与前人的研究结果基本一致.

图3 地磁平静期中纬槽位置随磁地方时的变化.实线是多项式拟合曲线，散点和短竖线分别是对应时刻的平均中纬槽位置和标准差Fig.3 Variation of mid－latitude trough minimum position with magnetic local time during geomagnetic quiet time.The solid curve is obtained by polynomial fitting.The scatter and short vertical line show average position and standard deviation respectively

图4是2000年至2009年地磁平静期午夜前后（2300—0100MLT），平均中纬槽位置随地理经度的变化.图4中的虚线表示经度平均的中纬槽位置，其中北半球平均中纬槽位置位于不变量磁纬约60.4°N，南半球位于不变量磁纬约60.9°S.如图4所示，南北两个半球中纬槽位置随地理经度呈现大致相同的变化趋势，即整体上西半球中纬槽所处纬度高于东半球.在北半球30°W附近，中纬槽位置达到约65°N，120°E附近中纬槽位置降低至约55°N，最大相差约10°.在南半球约60°W附近中纬槽位置达到64°S左右，在140°E附近降低至约58°N，最大相差约6°.

图4 地磁平静期2300—0100MLT中纬槽位置随经度的变化.实线是多项式拟合曲线，散点和短竖线分别是对应时刻的平均中纬槽位置和标准差Fig.4 Variation of mid－latitude trough minimum position with geographic longitude between 23MLT and 01MLT during geomagnetic quiet time.The solid curve is obtained by polynomial fitting.The scatter and short vertical line show average position and standard deviation respectively

通过多项式拟合，得到南北半球平均中纬槽位置随经度变化的拟合关系式分别为需要指出，中纬槽位置随磁地方时和地理经度变化是2000年至2009年近10年观测数据的统计结果，季节和太阳活动周期对中纬槽位置变化可能有潜在的影响.为此，我们统计分析了中纬槽位置随月份的变化和逐年变化.图5给出2000年至2009年地磁平静期中纬槽位置随月份的变化.从图5可以看出，在两分点月份中纬槽位置稍高于两至点月份.不过，两分点月份和两至点月份中纬槽位置变化幅度很小，最大变幅不超过1.5°.图6给出2000年至2009年地磁平静期中纬槽位置的逐年变化.从图6可以看出，从太阳活动高年到太阳活动低年，中纬槽位置所在纬度稍微升高，但升高幅度很小，基本不超过1°.由于季节和太阳活动周期对中纬槽位置的影响很小，本文忽略季节和太阳活动周期的影响.

4 中纬槽运动的控制因素

大量研究表明，磁扰动条件下，中纬槽经常显著地朝赤道方向运动.下面，我们将利用2000—2009年近10年夜间（21—06MLT）中纬槽极小位置数据、地磁数据以及ACE卫星的行星际磁场和太阳风测量数据，通过统计分析，探讨中纬槽运动的控制因素.

图5 地磁平静期中纬槽位置随月份变化，空心圆圈代表北半球，实心十字代表南半球Fig.5 Variation of mid－latitude trough minimum position with month during geomagnetic quiet time.The hollow circle represents northern hemisphere，and the solid cross represents southern hemisphere

图6 地磁平静期中纬槽位置逐年变化，空心圆圈代表北半球，实心十字代表南半球Fig.6 Variation of mid－latitude trough minimum position with month during geomagnetic quiet time.The hollow circle represents northern hemisphere，and the solid cross represents southern hemisphere

4.1 中纬槽运动与AE和SYM－H指数的联系

此前，已经有许多研究者考察了中纬槽与地磁扰动的联系（Köhnlein and Raitt，1977；Spiro et al.，1978；Dudeney et al.，1983；Collis and Häggström，1988；Werner and Prölss，1997；Deminov et al.，1996；Zou et al.，2011）.大部分研究都用Kp指数表征地磁扰动水平，得到中纬槽极小位置随Kp指数变化的经验关系式.AE指数和SYM－H指数也是表征地磁活动性的常用指数，其中，AE指数表征极光电集流活动性，反映极区磁亚暴的强度；SYM－H指数反映磁层中赤道环电流强度，一般用于表征磁暴的强度.本文以极光电集流指数AE和环电流指数SYM－H作为地磁扰动的指标，统计分析AE指数和SYM－H指数与中纬槽极小位置变化的联系.

图7是2000年至2009年平均中纬槽极小对应的不变量磁纬Λ随环电流指数SYM－H变化的散点图.图中散点代表在给定SYM－H间隔内中纬槽极小位置的平均值，最右边的散点代表SYM－H指数大于等于150nT统计得到的所有平均中纬槽极小位置，垂直竖短线表示标准差的范围，实线是对散点的线性拟合.

如图7所示，随着SYM－H指数减小，中纬槽极小明显向更低纬度移动，平均中纬槽极小对应的不变量磁纬Λ与SYM－H之间存在显著线性相关.线性回归式为

Λ（°N）＝0.04×SYM－H＋59.70，

图7 中纬槽极小位置随SYM－H指数变化散点图.（a）北半球；（b）南半球Fig.7 Variation of mid－latitude trough minimum position with SYM－Hindex.（a）Northern hemisphere；（b）Southern hemisphere

SYM－H指数单位为nT.

SYM－H指数表征赤道环电流的变化.图7的统计结果表明，中纬槽极小的位置与赤道环电流的变化密切相关.增强的磁扰动导致增强的等离子体片离子注入，增强的离子注入使赤道环电流增强，并可能使赤道环电流位置更靠近地表，进而引起中纬槽向更低纬度移动.

图8是2000年至2009年平均中纬槽极小对应的不变量磁纬Λ随AE指数变化的散点图.图中每个散点代表在给定AE间隔内中纬槽极小位置的平均值，最右边的散点代表AE指数大于等于1200nT统计得到的全部平均中纬槽极小位置，垂直竖短线表示标准差的范围，实线是对散点的线性拟合.

如图8所示，在地磁相对平静期，AE指数很低，南北半球平均中纬槽极小的位置在不变量磁纬61°上下.随着AE指数增加，平均中纬槽极小的位置向更低纬度移动.整体上，南北半球中纬槽极小从61°左右移动到52°左右.平均中纬槽极小对应的不变量磁纬与AE指数之间也存在很好的线性相关.线性拟合得到

AE指数单位为nT.

AE指数表征极光电集流的强度.随地磁扰动增强，极光椭圆和极光电集流都向较低的纬度移动，极光卵的赤道侧边界也随之向更低的纬度移动，挤压中纬槽向更低纬度移动.

此前，已有许多研究者尝试利用磁情指数来预测中纬槽位置.早期的研究者普遍采用Kp指数，例如，Collis和Häggström利用1986年4月至1987年4月EISCAT雷达的观测数据，建立了中纬槽位置随Kp指数的经验关系式（Collis and Häggström，1988）.不过，Rodger等认为，Kp指数不适合用于预测中纬槽位置（Rodger et al.，1986）.Werner和Prölss定义了一个修正的AE指数，称作AE6.他们利用1981年8月至1983年2月DE－2卫星700km以下的电子密度观测数据进行统计分析，指出AE6指数可能更适合用来预测电离层槽出现位置（Werner and Prölss，1997）.不过，中纬槽位置与SYM－H指数的统计分析此前还未见报道.本文的统计结果表明，中纬槽位置与SYM－H指数存在密切联系，也可以用来预测中纬槽位置.

图8 中纬槽极小位置随AE指数变化散点图.（a）北半球；（b）南半球Fig.8 Variation of mid－latitude trough minimum position with AE index.（a）Northern hemisphere；（b）Southern hemisphere

4.2 中纬槽运动与太阳风速度和电场变化的联系

如上所述，中纬槽极小对应的不变量磁纬的变化与AE指数和SYM－H指数的变化呈显著线性相关.不过，AE指数和SYM－H指数的变化与行星际磁场和太阳风的变化有关，是太阳风能量、动量和粒子进入地球空间的结果.下面进一步分析太阳风速度Vx分量和太阳风电场Ey分量的变化与中纬槽运动的联系.

图9给出统计得到的2000年至2009年平均中纬槽极小位置随太阳风速度Vx分量变化的散点图.图中，当Vx较小时是以20km·s－1间隔对中纬槽极小位置进行统计平均，而当Vx量值较大时，由于样本点较少，因此采取不均匀间距进行统计平均，南北半球最右侧散点代表Vx＞1000km·s－1对应的统计平均值.从图9可以看出，随着太阳风速度Vx从300km·s－1增加至1000km·s－1，南北半球中纬槽极小均从62°左右移动到51°左右.且从统计平均角度看，南北半球中纬槽极小位置与太阳风速度Vx分量都呈显著相关.关于中纬槽极小的位置与太阳风的联系，此前He等（2011）的研究发现，伴随太阳风速度的9天周期性变化，夜间中纬槽极小所在磁纬也存在一个9天的周期性变化，其变化幅度约为1°～1.5°.本文利用近10年的观测数据进行统计分析，证实太阳风能量对中纬槽位置存在显著的控制作用.

图9 北半球（a）和南半球（b）平均中纬槽极小位置随Vx变化散点图Fig．9 Variation of mid－latitude trough minimum position with xcomponent of solar wind velocity（Vx）．（a）Northern hemisphere，（b）Southern hemisphere

由于太阳风是无碰撞等离子体，太阳风电场可以理解为太阳风速度和行星际磁场的矢积.忽略Vz和Bx，太阳风电场晨－昏分量Ey≈Vx×Bz.可见，Ey的大小主要依赖Vx和Bz乘积的大小，其极性主要依赖Bz的极性.图10是2000年至2009年平均中纬槽极小的位置随太阳风电场Ey分量变化的散点图.同样地，当Ey绝对值较小时（｜Ey｜＜6时）取均匀间隔（0.5mV／m）进行统计平均，而当Ey绝对值较大时采取不均匀间距进行统计平均，图中最左侧和最右侧的散点代表｜Ey｜＞12对应的平均中纬槽极小位置.

从图10可以看出，太阳风电场Ey分量无论是晨－昏向（正值）还是昏－晨向（负值），随着Ey绝对值增加，中纬槽均明显倾向于出现在更低的纬度.Ey＝0时，南北半球中纬槽极小均位于不变量磁纬60°左右.在北半球，Ey≥12时中纬槽极小移动到49°左右，Ey≤－12时，中纬槽极小移动到51°左右，在南半球，Ey≥12时中纬槽极小移动到47°左右，Ey≤－12时，中纬槽极小移动到50°左右.这意味着晨－昏向Ey对中纬槽极小位置的影响似乎比昏－晨向Ey稍强.统计分析表明，南北半球中纬槽极小位置与｜Ey｜呈显著线性相关.线性拟合得到

图10 平均中纬槽极小位置随太阳风电场Ey变化散点图.（a）北半球，（b）南半球结果Fig.10 Variation of mid－latitude trough minimum position with dawn－dark component of solar wind electric field （Ey）.（a）Northern hemisphere，（b）Southern hemisphere

此前，关于中纬槽极小的位置随太阳风电场变化的研究结果很少.有研究指出，Dst小于－100nT的强磁暴与持续3h以上的IMF－Bz南向存在很好的一一对应关系（Rodger et al.，1986），这暗示太阳风电场的极性对中纬槽极小的位置变化有某种程度的控制作用.与Rodger等（1986）的研究结果稍有不同，本文的统计结果表明，对中纬槽极小的位置变化起主要控制作用的不是太阳风电场的极性，而是太阳风电场的大小.这说明控制中纬槽运动的因素可能很复杂.也许晨－昏向Ey会导致中纬槽在磁暴主相期间显著往赤道方向运动，而昏－晨向Ey则可能在磁暴恢复相等条件下对中纬槽出现位置起控制作用.对此还有待进一步研究.

5 总结

本文利用2000年至2009年近10年间CHAMP卫星朗缪尔探针实地测量的电子密度数据，分析了中纬槽的位置变化以及引起中纬槽的位置变化的控制因素，首次考察了中纬槽的位置对地理经度的依赖和太阳风晨昏电场对中纬槽位置变化的控制作用.研究结果表明，在地磁平静期，磁地方时和地理经度是引起中纬槽位置变化的主要因素，磁地方时的控制作用在南北半球基本对称，而中纬槽位置变化的经度效应表现为，整体上西半球槽的位置高于东半球，北半球中纬槽位置随经度变化的幅度稍高于南半球.统计分析表明，AE指数和SYM－H指数与中纬槽位置的变化显著相关，表明极光电集流和环电流是中纬槽位置变化的重要控制因素.太阳风晨昏电场与中纬槽位置变化的统计分析发现，中纬槽位置的变化主要受太阳风晨昏电场的量值变化的影响，而其极性的影响相对较弱.

本文分析结果表明太阳风晨昏电场的极性对中纬槽位置变化没有明显的控制作用，这是一个与此前的研究不同的结果，其相关物理过程需要进一步的研究.

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