2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析

冯健　邓忠新　甄卫民　吴振森

(1.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071;2.中国电波传播研究所,青岛 266107)



2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析

冯健1邓忠新2甄卫民2吴振森1

(1.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071;2.中国电波传播研究所,青岛 266107)

摘要利用28个全球定位系统(Global Positioning System,GPS)观测站获取的电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)测量数据,分析了2004年11月一次强磁暴期间的中国中低纬地区电离层TEC暴扰动特性,结果表明:电离层TEC以正相暴扰动响应为主,中纬地区的暴变扰动要强于低纬,以北纬35°附近扰动最为强烈;暴时电离层空间相关性变强,电离层相关距离由宁静日的约5 500 km提升到暴变日的约8 000 km;在8日的主暴扰动期间,发现伴有自东北向西南的电离层TEC暴扰动传播,自东向西的经向传播速度约为120 m/s,要高于纬向传播. 初步探讨表明,向赤道中性风、日侧东向急剧穿透电场以及喷泉效应等可能是导致此次电离层TEC正相暴在北纬35°附近扰动最为强烈的关键因素,也进一步揭示了电离层与太阳风、磁层之间以及电离层不同纬度区之间有着复杂的耦合过程.

关键词电离层;总电子含量;电离层暴;地磁暴

DOI10.13443/j.cjors.2015020501

Ionospheric TEC disturbances over China during the intense magnetic storm of November, 2004

FENG Jian1DENG Zhongxin2ZHEN Weimin2WU Zhensen1

(1.SchoolofPhysicsandOptoelectronicengineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

AbstractIonospheric total electron content(TEC) disturbance characteristics are obtained during a strong geomagnetic storm in November 2004 based on the TEC data from 28 GPS observation stations in China. It is shown that the responses of the ionospheric TEC are mainly positive phase disturbances with the most intensity in the vicinity of latitude 35°N. It is found that the spatial correlation of TEC becomes stronger on disturbed days than on quiet days, and the correlative distance increases from 5 500 km on November 2nd to 8 000 on November 8th. During the main phase of the storm on the 8th, an accompanied TEC disturbance spread from northeast to southwest, with a meridian velocity about 120m/s, much higher than that of the zonal speed. Preliminary study has shown that the neutral wind, the dayside eastward penetrating electric field and the fountain effect may be the key factors to cause this positive disturbance with the most intensity in the vicinity of latitude 35°N. It is also revealed the complex coupling processes among the ionosphere, the solar wind and the magnetosphere, and also among the different latitude zones of the ionosphere.

Keywords ionosphere; total electron content(TEC); ionospheric storm; geomagnetic storm

引言

电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的时空变化对地空无线电通信、卫星导航定位、雷达等无线电信息系统电波信号传播有着重要影响[1-4],特别是对于穿越电离层的电波信号,电离层引起的传播效应直接正比于TEC的数值. 因此,TEC是表征电离层电波传播特性的最重要的环境参数之一[5].

随着无线电卫星信标应用技术发展, 特别是全球定位系统(Global Positioning System,GPS)等的广泛应用,利用相干双频卫星信标信号可以获取星地路径上电离层TEC值. 相较于电离层测高仪等传统探测技术而言,GPS TEC测量具有全球覆盖、数据连续、时空分辨率和测量精度高、运行方便等显著优势,使得TEC已成为开展电离层及其扰动的特性和预报等电离层天气研究的有力工具[6-11]. Jakowski 等人提出了基于TEC参数发展一种新型电离层活动指数来服务于空间天气系统[12]. 电离层暴是最重要的空间天气现象之一, 它具有剧烈的扰动幅度和较长的持续时间. Michael曾对TEC在电离层暴研究方面的进展和前景进行了综述,建议加强电离层TEC暴扰动的形态特性、产生机理及预报方法等研究[13-14]. 邓忠新等人基于中国地区电离层TEC观测数据, 分析了电离层TEC扰动变化特性, 并提出了电离层TEC暴事件的判定依据[15].

太阳爆发所辐射的巨大能量使得地球空间磁场产生剧烈扰动现象(即磁暴), 伴随强磁暴的发生,电离层中将出现强烈的暴变事件,因此电离层暴与强磁暴活动有着紧密的相关性. Mangalathayil等人研究了2003年10月大磁暴事件期间中低纬电离层的经度响应特性[16]. 夏淳亮等人基于GPS观测数据讨论了大磁暴期间东亚地区中低纬电离层TEC的响应特性[17]. 徐继生等人分析了2004年11月强磁暴期间武汉地区电离层TEC的响应变化[18]. Balan等人探讨了中低纬地区电离层正相暴产生的物理机制[19]. Erickson等人也曾针对2004年11月强磁暴事件中北美扇区电离层和热层响应的动力学机制进行了探讨[20].

本文利用GPS观测网获取电离层TEC测量数据,分析研究了2004年11月一次强磁暴期间的中国地区电离层TEC暴扰动的变化特征,并初步探讨了其可能的扰动产生机理.

1数据和分析方法

地面GPS双频接收机在每一时间历元能接收到多颗卫星信号,原始观测数据采样时间为30 s. 为了减少低仰角带来的电离层TEC测量误差,本文所用观测数据限定仰角大于45°. 电离层TEC数据获取主要过程如下:首先,采用载波相位方法计算出每一时间历元各星地路径上的电离层斜向TEC(sTEC);然后,依据电离层薄壳模型,取电离层电子密度质心高度为400 km,将sTEC转换为星下点电离层垂直TEC(vTEC);最后,将每15 min时间间隔内的所有时间历元星下点电离层vTEC,采用高斯方法拟合出GPS观测站上空每15 min的电离层vTEC.

采用电离层vTEC的相对变化(dTEC)和绝对变化(ΔTEC)来描述电离层TEC扰动特征,其表达式为:

(1)

式中: TECobs(t)为t时刻的电离层vTEC的观测值； TECmed(t)为该月去除磁暴期间观测数据后的对应时刻月中值.

对中国及周边地区28个GPS观测站的测量数据按上述方法进行处理,获得了各站15 min时间间隔的电离层vTEC、ΔTEC和dTEC数据.在做区域电离层TEC变化分析时,采用Kriging插值方法来获取各网格点(1°×1°)的相应电离层TEC值[11, 21-23]. 表1给出了各GPS观测站的地理位置分布情况.

表1　中国及周边地区GPS观测站位置分布

2分析结果

2.1暴时电离层TEC扰动响应

2004年11月7-11日发生了一次双主相强磁暴事件,Dst指数在8日07:00UT和9日10:00UT左右分别达到极小值-373 nT和-289 nT,见图1(a). 图1(b)给出了磁暴期间沿115°E经度线上不同纬度电离层vTEC随时间的发展变化. 可以看出,电离层vTEC仍呈现出周日变化一般特征,在北京时间午后(BJT=UT+8h)为极大,最大电离层vTEC值达到了90 TECu(1 TECu=1016m-2). 图1(c)和(d)分别给出了沿115°E经度线上和沿37°N纬度线上的电离层ΔTEC的发展变化,总体上表现为正相扰动响应. 8日电离层ΔTEC出现了两个增强峰,前一个位于06:00 UT前,后一个处于11:00 UT前后,最大增强约为50 TECu, 且电离层ΔTEC增强在中国东部地区持续时间要长于西部地区. 图1(e)和(f)分别给出了沿115°E经度线上和沿37°N纬度线上的电离层dTEC的发展变化. 图1(e)显示出在8日11:00UT和10日13:00UT前后分别发生了强电离层TEC暴扰动,前者最大扰动强度达到了600%,后者也接近450%,两个暴变最强扰动中心位置均出现在北纬35°附近. 若以50%的相对变化值来考察,8日电离层暴变事件的开始时间在低纬度赤道异常区要早于中纬度区,且在低、中纬过渡区的暴变持续时间超过了24 h. 图1(f)可以看出在8日东部地区暴变扰动的开始时间要早于西部,自东向西有响应时间上的延迟,且在持续时间上也要长于西部地区.

图2给出了四个相近纬度带(39.6°N～43.8°N,36.2°N～37.3°N,28.9°N～31.2°N及23.2°N～25.0°N)上不同经度区(121.2°E～127.1°E,113.3°E～117.1°E及100.2°E～105.4°E)3个站共12站的电离层dTEC在7日12：00 UT至9日12:00 UT期间变化曲线.可以看出: 1) 中纬度台站的最大电离层TEC暴变扰动强度随经度自东向西有先增强后减弱,如图2中的上两排. 而低纬度台站的最大电离层TEC暴变扰动强度随经度自东向西逐渐减弱,如图2中的下两排. 2) 三个相近经度带上不同纬度4站的最大电离层TEC暴变扰动强度随纬度从北到南均表现出先增强后减弱,以36.2°N～37.3°N纬度带内的扰动最强,且中纬度区扰动强度总体上要高于低纬度区. 3) 低纬度台站在8日存在两个明显区隔的电离层TEC暴扰动增强峰,前一个处于00:00 UT-06:00 UT间的日侧,后一个处于11:00 UT前后的日落时段,并随着纬度升高两个暴变扰动逐渐合一. 4) 在中国东北部的CHUN站在日落前后却出现两个区隔明显的电离层TEC暴扰动响应峰,且随着经度向西(如BJFS站)和随纬度向南(如SUWN站)两个暴变响应峰合二为一. 5) 12个观测站中以TAIN站电离层TEC暴变扰动强度为最大,相对变化达到了600%,以KMIN站为最小,但其最大扰动强度值也达到了100%.

图1　2004年11月强磁暴期间电离层TEC扰动响应

图2　相近经(纬)度带内不同纬(经)度观测站电离层dTEC变化

2.2暴时电离层TEC空间相关性

考虑到电离层参数经、纬向的空间变化差异,引入电离层距离d[11]为

d=

(2)

式中:Lon和Lat分别表示观测站A和B的地理经纬度;SF为描述纬经向差异的尺度因子,体现了局部区域内电离层参量之间的相关距离. 对电离层TEC参数通常取SF=5, 它反映了纬/经度向上的空间距离对电离层TEC影响的相关度. 式中电离层距离单位为度,对处于中低纬度的中国地区而言,在电离层质心高度上相隔1度的空间距离大约为100 km,本文采用100 km作为电离层距离单位.

(3)

(4)按照上述方法,可以计算出中国地区所有28个观测站两两之间的电离层距离和相关系数. 图3给出了宁静日(2日)和暴变日(8日)的相关系数随电离层距离变化的比较图,图中小圆圈和虚线分别表示宁静日的观测和线性拟合结果,小黑块和实线分别表示暴变日的观测和线性拟合结果. 取相关系数等于0.8对应的电离层距离为空间相关距离[24]. 可以看出: 宁静日的空间相关距离约为 5 500km. 由于电离层TEC的纬经向差异尺度因子取值为5, 表示相应于经向的相关距离为5 500km,而纬向的相关距离为1 100km;但在暴变日的空间相关距离约为8 000km,即相应于经向的相关距离为8 000km,而纬向的相关距离为1 600km. 这不仅表明此

图3　宁静日和暴变日电离层空间相关距离比较

次强磁暴期间是一种大尺度的电离层正相暴扰动事件, 也预示着期间电离层TEC的空间相关性有所增强.

2.3暴时电离层TEC扰动传播

为了考察磁暴期间电离层暴扰动传播特性,图4给出了11月8日电离层TEC暴期间09:00 UT-15:00 UT时段间每15 min的电离层dTEC变化曲线.

图4(a)为115°E经度线上不同纬度电离层dTEC随时间演变,曲线间在垂直轴依次作了等间隔的平移.可以看出在此期间电离层TEC暴变扰动峰呈现出随时间从中纬向低纬区的似波状传播,期间扰动峰由38°N到达32°N附近,其平均传播速度约为30 m/s.

图4　8日09:00 UT-15:00 UT期间电离层TEC暴扰动传播

图4(b)为37°N纬度线上不同经度电离层dTEC随时间演变,曲线间在垂直轴依次作了等间隔的平移.可以看出在此期间电离层TEC暴变扰动也呈现出似波状结构,且其扰动峰随时间自东向西移动,经估算经向平均传播速度约为120 m/s,明显要大于纬向传播.

3讨论

图5分别给出了7日12:00 UT至9日12:00 UT期间的太阳风速度、行星际磁场Bz分量、极光电集流AE指数以及较高中纬度地区的CHUN、HLAR和URUM三站电离层dTEC的变化曲线.可以看出,在太阳风速度在7日18:00 UT左右有一个急遽大幅度提升,由约450 km/s剧增到了约650 km/s,随后太阳风速度一直处于550 km/s以上,并在7日22:00 UT和8日04:00 UT前后各有一次小幅度增强,其峰值速度均超过了700 km/s,如图5(a);紧随太阳风速度剧变后,行星际磁场Bz分量也发生了剧烈变化,约在7日19:30 UT前后Bz南向翻转并持续了约1 h.Bz分量在22:00UT前后再次南向翻转,随后南向持续时间长达近12 h,

且在7日22:30 UT后有近6 h时间维持在-40 nT上下,如图5(b);极光电集流AE指数在8日01:00 UT-12:00 UT期间也出现强烈扰动,在04:00 UT和10:00 UT前后分别超过了2 500 nT,如图5(c).

在2.1节中,注意到CHUN站(43.8°N,125.4°E)电离层TEC呈现出两个区隔明显的强扰动峰,分别位于8日的08:00 UT和13:00 UT前后.从图5(d)中看出,处于相近经度带内的更高纬度地区的HLAR站(49.3°N, 119.7°E)的电离层dTEC与CHUN站有着相似的变化趋势,也表现出区隔明显的两个强扰动峰;而处于同纬度有着较大经度差异的西部地区URUM站(43.8°N,87.6°E)却只出现了13:00 UT前后的单峰结构. 从AE指数变化上能够看出在04:00 UT-10:00 UT之间曾出现了一个由强烈扰动回复到平静趋势的过程,这与CHUN和HLAR两站电离层dTEC扰动的双峰结构极为相似,意味着中国东北部较高中纬度地区的电离层TEC扰动与极区电离层扰动有着密切联系, 也暗示着电离层与太阳风、磁层以及不同纬度区电离层之间有着复杂的耦合过程.

图5　太阳风速度、IMF-Bz分量、极光AE指数及较高中纬台站电离层dTEC的变化

图6　不同纬度电离层vTEC和dTEC随时间演变曲线

图6(a)和(b)分别给出了11月2日和8日00:30 UT-06:30 UT期间115°E经度线上不同纬度的电离层vTEC随时间的变化曲线,曲线间在垂直轴依次作了等间隔的平移.可以看出,在2日的电离层宁静条件下,赤道异常北驼峰区大致处于地理北纬17°附近;而在8日的扰动情况下,其驼峰区位置向北侧移动到了北纬25°附近. 图6(c)给出了8日00:30 UT-06:30 UT期间115°E经度线上不同纬度的电离层dTEC随时间演变曲线,曲线间在垂直轴依次作了等间隔的平移. 可以看出,期间dTEC也呈现出似波状结构,并伴有从较低纬度向中纬度区的较缓慢传播过程.

综合上述分析,太阳活动爆发增强了吹向地球磁层的太阳风粒子的速度和浓度,行星际磁场引起地磁场剧变发生磁暴. 伴随地磁暴的大量能量以增强的电场、电流和能量粒子沉降等方式影响到高层大气,从而导致电离层暴扰动事件发生. 在此过程中,极区电场穿透到赤道低纬地区,在日侧东向急剧穿透电场(Prompt Penetration Electric Field, PPEF)和向赤道中性风作用下,喷泉效应得到了进一步增强,使得等离子体向更高的纬度区堆积和赤道异常北驼峰向北侧移动,这可能是导致此次电离层TEC正相暴在35°N附近扰动最为强烈的主要原因.

4结论

2004年11月强磁暴期间,中国地区电离层TEC暴事件的主要扰动特性总结如下:

1) 总体上以电离层TEC正相暴扰动为主,中纬地区的暴变扰动要强于低纬,以北纬35°附近扰动最为强烈,电离层TEC暴扰动的最大绝对偏差超过了50 TECu,相对偏差达到600%.

2) 发现此次电离层TEC暴是一次大尺度扰动事件,暴时电离层TEC空间相关性变强,电离层经向相关距离由约5 500 km提升到约8 000 km,相应的纬向相关距离由1 100 km增强到1 600 km.

3) 期间伴有电离层TEC暴扰动传播现象,在北京时的黄昏-子夜时段有自东向西的经向传播和自中纬到低纬的纬向传播,经向扰动传播速度约为120 m/s,要明显高于纬向传播,且在日侧时段有从低纬向中纬的缓慢扰动传播.

4) 向赤道中性风、日侧东向急剧穿透电场以及喷泉效应等可能是导致在北纬35°附近扰动最为强烈的关键因素. 此次电离层TEC正相暴扰动事件也揭示了电离层与太阳风、磁层以及电离层不同纬度区之间有着复杂的耦合过程.

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冯健 (1981-)，男，山东人，高级工程师，西安电子科技大学在读博士研究生，主要从事电离层物理及电波传播应用方面的研究.

邓忠新 (1971-)，男，湖南人，博士，高级工程师，主要从事电离层物理及电波传播应用方面的研究.

甄卫民(1963-)，男，河北人，中国电波传播研究所研究员，博士生导师. 现任中国GPS协会理事，中国空间学会空间物理专业委员会委员，《全球定位系统》杂志编委等.主要从事空间环境、电磁环境和卫星导航领域的研究.

吴振森(1946-)，男，湖北人，西安电子科技大学教授，博士生导师，主要从事随机介质中电磁(光)波传播和散射、目标激光散射特性研究.

作者简介

中图分类号P352

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)01-0157-09

收稿日期：2015-02-05

冯健, 邓忠新, 甄卫民, 等. 2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析[J]. 电波科学学报,2016,31(1):157-165. DOI: 10.13443/j.cjors.2015020501

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资助项目: 国家国际科技合作专项(2011DFA22270)

联系人： 冯健 E-mail: fengjian428@163.com