超强磁暴期间中低纬电离层扰动的统计分析

超强磁暴期间中低纬电离层扰动的统计分析

孙树计王保健赵振维刘玉梅陈春

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

摘要利用1957-2005年72次超强磁暴期间的电离层观测数据,分析了北半球120°E附近中低纬电离层的扰动特征．结果表明,电离层的扰动形态随磁暴发生季节和开始时间的不同而异．在冬季,负相扰动主要发生在中纬,低纬以正相扰动为主,分界线在满洲里和北京之间;在中纬,下午开始的磁暴所引起的电离层扰动持续时间较长,而在低纬,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长．夏季超强磁暴所引起的电离层扰动以负相为主,下午开始的磁暴所引起的扰动最强,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长．在分季,虽然各台站电离层仍以负扰动为主,但扰动强度和持续时间随磁暴开始时间不同有明显差异．分析表明,上述电离层扰动特征与暴时环流的影响密切相关．

关键词超强磁暴;电离层扰动;暴时环流

中图分类号P352

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0764-08

AbstractUsing ionospheric data near 120°E in the northern hemisphere during 72 super magnetic storms between 1957 and 2005,we studied the statistical characteristics of the ionospheric disturbances. The results showed that,the morphology varies with the onset season and local time of the storms. In winter, the negative disturbances are limited at middle latitude mostly,while the positive disturbances prevail at low latitude,with a separatrix between Manzhouli and Beijing. When the onset time of the storms is restrained in local afternoon at middle latitude,the resulted ionospheric disturbances last longer. At low latitude the super magnetic storm occurred at night can cause negative ionospheric disturbances with whose duration time are much longer. In summer,the negative disturbances can reach to lower latitude,and the events occurred in local afternoon can caused more intense ionospheric disturbances. The duration time is much longer for the events corresponding to the magnetic storms occurred before midnight. In equinoxes,the disturbances are mostly negative,though the intense and the duration time depend much on the local time distribution of the commence time. Preliminary analysis showed that the statistic results achieved above are much related with storm-time thermospheric circulations.

收稿日期：2014-10-11

作者简介

A statistical study on ionospheric disturbances at middle

and low latitude caused by super magnetic storms

SUN ShujiWANG BaojianZHAO ZhenweiLIU YumeiCHEN Chun

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,QingdaoShandong266107,China)

联系人： 王保健 E-mail:wangbaojian111@126.com

Key words super magnetic storm; ionospheric disturbance; storm-time circulation

引言

磁暴期间,电离层电子密度会出现复杂而剧烈的变化,称为电离层暴．电离层暴能对依赖电离层传播的无线电系统产生重要影响,严重时可导致短波通信长时间中断、卫星的目标跟踪和定位精度能力大幅度下降．

经过数十年的研究,人们对电离层暴的基本形态有了一定的认识[1-6]．例如,电离层暴的发生不仅与纬度和季节有关,还与地方时和磁暴的开始时间有关[7]．在高纬,来自太阳和行星际的物质和能量注入到极光区热层中,受热膨胀后的热层大气产生水平梯度压力,形成赤道向传播的热层大气环流,即暴时环流[8]．该环流与背景大气环流方向相互叠加,在向低纬传播过程中将电离层F层抬高到复合率较低的高度,形成正相电离层暴．随后,该环流携带的大量分子成分则导致沿途区域电子损失率增加,形成负相电离层暴．在低纬,磁暴初期行星际和磁层对流电场能穿透到赤道附近电离层[9-11],在日间能引起等离子体向上漂移,并在较高纬度沉降,导致赤道异常的极向扩展[12]．而由中性扰动成分引起的发电机电场影响与前者大致相反[9,11]．在电离层暴的区域特性研究方面,文献[13]给出了主相单步发展的磁暴事件期间东亚扇区电离层暴的类型、开始时间等随纬度、季节和地方时的变化．文献[14]指出电离层对地磁扰动的响应特征在不同扇区有所不同．目前,一些数值模型[15-18]也被用于电离层暴物理过程的模拟并取得较好效果．

由日冕物质抛射或行星际激波产生的超强磁暴(Dst<-200 nT)[19],往往能在较短时间内引起剧烈的电离层扰动(中纬地区的电子浓度巨变[20]和低纬地区的“超级喷泉效应”[21-22]),也是吸引众多专家开展事件演化特征研究的重要内容．受观测数据的限制,目前对超强磁暴期间电离层扰动的统计特征研究还比较少．

基于以上考虑,本文利用北半球120°E附近的雅库茨克、满洲里、北京、重庆、广州站电离层foF2历史数据,研究超强磁暴期间电离层扰动的统计特征,得到其平均特征．各台站的位置见表1.

表1　电离层观测台站的位置

1数据与分析方法

选取1957-2005年期间72次超强磁暴事件,表2给出了这些事件的具体日期和Dst极小值．根据文献[13, 23]的建议,把磁暴主相开始(Main Phase Onset, MPO)时间确定为磁暴开始时间．为了研究超强磁暴期间电离层的扰动,需要从foF2的观测数据中扣除背景电离层变化．本文选取月中值作为宁静背景值foF2m,电离层的相对变化定义为df=(foF2-foF2m)/foF2m．当df≥15%(或df≤-15%)且持续4 h及以上时,认为发生正相(或负相)电离层扰动．

当磁暴所处的季节和地方时不同时,暴时环流及其引起的电离层扰动会存在差异．为此,将一年分为冬季(11～2月)、夏季(5～8月)和分季(3、4、9、10月),分别以字母A～C表示;将一天分为午夜后(1～6 LT)、上午(7～12 LT)、下午(13～18 LT)、午夜前(19～0 LT)4个时段,以数字1～ 4表示．在分析电离层的扰动特征时,以超强磁暴的开始时刻为零时刻,把磁暴前24 h和后72 h的数据进行时序叠加,以获得电离层扰动的平均特征．

2结果

2.1电离层扰动的统计规律

表2给出了磁暴期间各站电离层的扰动情况,其中“+”表示正扰动,“-”表示负扰动,“O”表示基本平静,“M”表示数据缺失．从表2中可以看出,在冬季,磁暴引起的负相电离层扰动主要发生在中高纬(本文中为磁纬38.5°以上),而低纬的电离层扰动以正相为主;在夏季,除广州站外,几乎每次超强磁暴都能引起负相电离层扰动(数据缺失的事件除外);而在分季,绝大部分事件中均发生了负相电离层扰动,尤以中高纬地区最为明显．例如,在冬季的全部16次事件中,雅库茨克站电离层共发生了5次负扰动,1次正扰动,另有10次数据缺失;满洲里站电离层共发生7次负扰动,2次正扰动,2次双向扰动,另有5次数据缺失;北京站电离层共发生1次负扰动,7次正扰动,1次未扰动,另有5次数据缺失;重庆站电离层共发生1次负扰动,5次正扰动,2次双向扰动,另有8次数据缺失;广州站电离层共发生2次负扰动,6次正扰动,2次双向扰动,1次未扰动,另有5次数据缺失．

以上规律基本上可以用传统的暴时环流理论[8]解释．在冬季,暴时环流与背景环流反向,其引起的负相电离层扰动主要出现在中高纬,低纬出现的正相电离层扰动可能与暴时环流的下降流有关;在夏季,暴时环流与背景环流同向,其影响能扩展到低纬,甚至到冬季半球;在分季,由于只考虑了超强磁暴事件,较强的暴时环流也能影响到低纬电离层．值得注意的是,即使在超强磁暴期间,电离层扰动仍有可能背离其统计规律,与统计规律不相符的少数事件往往发生在最有利于(负相扰动)或最不利于(正相扰动)暴时环流传播的时刻．例如,1974年7月6日开始的磁暴触发了白天的暴时环流,后者在约30 h后的白天影响到低纬,广州站发生的正相电离层扰动很可能与发电机电场的效应有关．

表2　磁暴期间各台站电离层扰动

(续表)

2.2电离层扰动平均特征

基于以上强磁暴期间电离层扰动特性的统计结果,图1～3分别给出了冬季、夏季和分季超强磁暴期间不同时间段(午夜后:1～6 LT、上午:7～12 LT、下午:13～18 LT、午夜前:19～0 LT)电离层扰动的平均特征,图片自上而下分别表示Dst指数变化、雅库茨克站、满洲里站、北京站、重庆站和广州站的df变化曲线;其中,零时刻表示磁暴的开始时间,即虚线的位置．

如图1所示,在冬季不同地方时发生的超强磁暴,其引起的电离层扰动也存在差别．例如在满洲里站(由于雅库茨克站数据缺失严重,此处不详细讨论),午夜后、上午、下午和午夜前开始的事件造成的负相电离层扰动开始时间存在明显差异．发生在夜间的磁暴事件,其引起的负相电离层扰动延迟不超过5 h;在白天,负相电离层扰动存在明显延迟．同时,不同地方时区间的扰动分别持续到磁暴开始后28 h、44 h、62 h和28 h．可见,下午开始的事件,其影响持续时间达2～3天,明显长于其他时段开始的事件．对北京站而言,发生在冬季午夜前后和上午的超强磁暴均引起了正相电离层扰动,其扰动幅度、延迟和持续时间存在差别．在重庆站,发生在白天的磁暴所引起的电离层扰动以正相为主,而在夜间则恰好相反,特别是在午夜后．而在广州站,尽管磁暴期间电离层绝大多数以正相扰动为主,但午夜后发生的事件仍能造成明显的负相扰动．其中,在该站部分时刻出现的短时强正扰动可能与穿透电场或发电机电场引起的等离子体漂移效应增强[9,11]有关．

图1　冬季的磁暴及相应的电离层扰动

图2给出了夏季超强磁暴期间各站电离层扰动的平均特征．可以看出,各站电离层扰动均以负相为主,中低纬电离层扰动的开始时间存在明显延迟．此外,发生在下午的事件引起的负相扰动最强,夜间开始的事件引起的负相电离层扰动持续时间较长．例如,在广州站,四个时段发生的磁暴期间电离层扰动峰值依次为-31%、-45%、-59%和-38%,持续时间依次为磁暴开始后26 h、19 h、15 h和32 h．在雅库茨克站,磁暴开始后的72 h内,电离层几乎始终处于负扰动状态．特别地,发生在午夜前的磁暴,其引起的负相电离层扰动几乎没有延迟,且其峰值超过了-40%．而纬度较低的北京站和重庆站,磁暴开始后48 h,电离层扰动基本恢复,且上午开始的磁暴,其引起的电离层扰动最弱．纬度稍高的满洲里站,电离层扰动结束时间要比北京站稍晚一点．

如前所述,分季超强磁暴引起的电离层扰动仍以负相为主．但对于不同台站,扰动的持续时间和强度存在明显差别,如图3所示．例如,在雅库茨克站,磁暴开始后72 h内始终伴随着电离层扰动,这也跟所处的纬度有关;而在其余3站,电离层扰动一般不超过44 h,仅当磁暴开始时间位于下午时扰动持续时间较长．对统一地方时区间的事件而言,随着纬度的降低,电离层扰动的强度逐渐减弱,到重庆站时几乎处于平静状态．

图2　夏季的磁暴及相应的电离层扰动

图3　分季发生的磁暴及各站电离层扰动

3结论与讨论

本文研究了超强磁暴期间位于120°E附近中低纬的雅库茨克、满洲里、北京、重庆、广州站电离层扰动的统计特征．结果表明,超强磁暴所引起的电离层扰动随季节存在一定差异．在冬季,超强磁暴引起的负相电离层扰动只能扩展到中纬,低纬电离层扰动以正相为主;在其他季节,绝大多数超强磁暴都能引起大面积的负相电离层扰动,尤其以夏季最为明显．磁暴开始的地方时差异也会影响电离层的扰动特征．在冬季,中纬下午开始的磁暴事件所引起的电离层扰动时间较长,低纬则夜间．在夏季,下午发生的磁暴事件所引起的中低纬负相电离层扰动较强,午夜前发生的磁暴事件所引起的中低纬负相电离层扰动持续时间较长．在分季,负相电离层扰动的强度随着纬度的降低逐渐减弱．

超强磁暴往往是由快速日冕物质抛射与地球磁场相互作用后形成的,其传输的总能量和速率较高,由此导致的热层暴时环流也较强,这可能是除冬季外中低纬电离层出现大范围负相扰动的主要原因．根据热层大气环流理论[8],背景环流在夜间有较强的赤道向分量,有利于暴时环流的赤道向传播,由此导致夜间磁暴引起的负相电离层扰动较为明显,特别是在午夜前．特别地,由于暴环流具有较强的区域特征,在不同扇区内电离层暴的表现不尽相同．与文献[13]对东亚扇区电离层暴事件的统计结果相比,超强磁暴期间电离层扰动的统计规律更加明显．另外,磁暴期间扰动发电机电场会阻碍赤道异常驼峰的形成[24],这也是广州站发生负相电离层扰动的原因之一．

本文成果有助于加强对超强磁暴期间电离层扰动的定量化认识,这对相关电子信息系统的建设和应用具有较强的参考价值．

致谢:作者感谢世界数据kyoto京都中心(WDC-2C)提供的地磁数据,世界数据中心Bolder中心(WDC-B)和中国电波传播研究所数据中心提供的电离层数据.

参考文献

[1] BUONSANTO M J. Ionospheric storm-a review[J]. Space Sci Rev,1999,88:563-601.

[2] DANILOV A D. F2-region response to geomagnetic disturbances[J]. J Atmos Solar-Terr Phys,2001,63:441-449.

[3] MENDILLO M. Storms in the ionosphere: patterns and processes for total electron content[J]. Rev Geophys,2006,44:RG4001.doi:10.1029/2005RG00013.

[4] 沈长寿,资民筠,高玉芬,等. 磁暴期内中低纬电离层扰动实例分析[J]. 电波科学学报,1998,13(1):69-73.

SHEN Changshou,ZI Minjun,GAO Yufen,et al. A case study of the ionospheric disturbance during a magn-etic storm in low and middle regions[J]. Chinese Journal of Radio Science,1998,13(1):69-73. (in Chinese)

[5] 蒋和荣,杨美华,刘玉玲，等. 电离层暴的全球形态[J]. 电波科学学报,1993,8(1):50-56.

JIANG Herong,YANG Meihua,LIU Yuling,et al. Global morphology of ionospheric storm[J]. Chinese Journal of Radio Science,1993,8(1):50-56. (in Chinese)

[6] 沈长寿,资民筠. 电离层扰动与磁层耦合[J]. 电波科学学报,1997,12(2):181-189.

SHEN Changshou,ZI Minjun. Ionospheric disturbances and magneto sphere-ionosphere Coupling[J]. Chinese Journal of Radio Science,1997,12(2):181-189. (in Chinese)

[7] PROLSS G W. On explaining the local time variation of ionospheric storm effects[J]. Ann Geophys,1993,11:1-9.

[8] RISHBETH H. How the thermospheric circulation affects the ionospheric F2-layer[J]. J Atmos Solar-Terr Phys,1998,60:1385-1402.

[9] FEJER B G. Low latitude storm time ionospheric electrodynamics[J]. J Atmo Solar-Terr Phys,2002,64:1401-1408.

[10]HUANG C S,SAZYKIN S,CHAO J. Penetration electric fields: efficiency and characteristic time scale[J]. J Atmos Solar-Terr Phys,2007,69(10):1135-1146.

[11]FEJER B G,SCHERLIESS L. Time dependent response of equatorial ionospheric electric fields to Magnetospheric disturbances[J].Geophys Res Lett,1995,22:851-854.

[12]HUBA J D,JOYCE G,SAZYKIN S. Simulation study of penetration electric field effects on the low-to mid-latitude ionosphere[J]. Geophys Res Lett,2005,32.doi: 10.1029/2005GL024162.

[13]高琴,刘立波,赵必强,等. 东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析[J]. 地球物理学报,2008,51(3):626-634.

GAO Qin,LIU Libo,ZHAO Biqiang,et al. study of the storm effects in middle and low latitude ionosphere in the east-Asian sector[J]. Chinese Journal of geophysics,2008,51(3):626-634. (in Chinese)

[14]马瑞平,徐寄遥,吴明亮,等. F2层对地磁扰动的响应[J]. 空间科学学报,2003,23(2):118-126.

MA Ruiping,XU Jiyao,WU Mingliang,et al. F2-layer response to geomagnetic disturbances[J]. Chin J Space Sci,2003,23(2):118-126.(in Chinese)

[15]HUBA J D, JOYCE G, FEDDER J A, et al. Sam2 is another model of the ionosphere(SAMI2): a new low latitude ionospheric model[J].J Geophys Res,2000,105(23):35-53.doi:10.1029/2000JA000035.

[16]RICHMOND A D,E C RIDLEY,R G ROBLE,et al. A thermosphere/ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics[J]. Geophys Res Lett,1992,19:601-604.

[17]乐新安,万卫星,刘立波,等. 中低纬电离层理论模式的构建和一个观测系统数据同化实验[J]. 科学通报,2007,52(18):2180-2186.

[18]FULLER-ROWELL T J,REES D,QUEGAN S. A coupled thermosphere-ionosphere model (CTIM)[M]//SCHUNK R W. Handbook of Ionospheric Models. Bolder, 1996: 239-279.

[19]TSURUTANI B T,GONZALEZ W D. The interplanetary causes of magnetic storms: a review[M]//TSURUTANI B T, GONZALEZ W D. Magnetic Storm Geophys Monogr, Ser 98. Washington D C: AGU,1997:77-89.

[20]CROWLEY G, HACKERT C L, MEIER R R, et al. the Global thermosphere-ionosphere response to onset of 20 November 2003 magnetic storm[J]. J Geophys Res,2006,111:A10S18. doi:10.1029/2005JA011518.

[21]VLASOV M,KELLEY M C,KIL H. Analysis of ground-based and satellite observations of F-region behavior during the great magnetic storms of 15 July[J]. J Atmos Solar-Terr Phys,2003,65:1223-1234.

[22]ZHAO B,WAN W,LIU L. Responses of equatorial anomaly to the October-November 2003 superstorms[J].Ann Geophys,2005,23(3):693-706.

[23]KAMIDE Y,BAUMJOHANN W. Cur-rent understanding of magnetic storm: storm-substorm relationships[J]. J Geophys Res,1998,103:17705-17728.

[24]BLANC M,RICHMOND A D. The ionospheric disturbance dynamo[J]. J Geophys Res,1980,85:1669-1686.

孙树计(1981-),男,河南人,博士,高级工程师,主要研究方向为空间物理和空间环境.

王保健(1985-),男,河南人,在读硕士研究生,研究方向为电离层骚扰预报.

赵振维(1965-),男,河北人,博士,研究员,中国电子科技集团首席专家,中国电波传播研究所总工程师,长期从事电波环境及传播特性的研究和国际标准的制定,部分成果已被ITU-R采纳,形成国际标准.

刘玉梅(1978-),女,山东人,硕士,高级工程师,研究方向为电波传播与信息服务.

陈春(1970-),男,河南人,博士,高级工程师,研究方向为电离层电波传播.

闻彰,徐跃杭,徐锐敏. 氮化镓功率器件小信号模型参数提取算法研究[J]. 电波科学学报,2015,30(4):772-776. doi:10.13443/j.cjors. 2014090802

WEN Zhang, XU Yuehang, XU Ruimin. Research on parameter extraction method for GaN HEMTs small signal equivalent circuit model[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(4):772-776. (in Chinese). doi:10.13443/j.cjors. 2014090802