极区电离层在磁坐标系下的世界时变化特征研究

武业文 刘瑞源 张北辰 胡红桥 慈颖 姜明波 吕建永

研究论文

极区电离层在磁坐标系下的世界时变化特征研究

武业文1刘瑞源2张北辰2胡红桥2慈颖3姜明波4吕建永1

(1南京信息工程大学数学与统计学院, 空间天气研究所, 江苏 南京 210044;2中国极地研究中心, 极地科学重点实验室, 上海 200136;3北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100089;4北京应用气象研究所, 北京 100000)

利用太阳活动低年2007—2010共计4年的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite)掩星观测数据, 在修正地磁纬度-磁地方时标系下(地磁坐标系), 计算了极区电离层平均电子含量(mPEC)表征极区电离层的世界时(UT)变化特征。结果表明地磁坐标系下南北极区电离层UT变化特征明显, 主要是由于极区的太阳光致电离区域随UT变化所致。以mPEC表征的极区电离层电子密度UT变化规律呈正余弦型, 在南北极约有12小时的相位差; 南极的UT变化强度要大于北极, 约是北极的2~3倍, 这些特征主要归因于地理轴与地磁轴的夹角在南极大于北极。通过与地理纬度-地方时坐标系下mPEC的UT变化特征对比, 发现地磁坐标系下的UT变化强度更大, 原因是地磁坐标系下极区电离层的UT变化是太阳光致电离叠加水平输运调制共同作用的结果, 而地理坐标系下极区电离层UT变化主要由水平输运产生。

极区电离层 总电子含量 世界时变化 水平输运

0 引言

电离层的世界时(UT)变化, 通常将其定义为电离层参数在某一固定纬度不同经度的均值的日变化[1]。它是一种真实存在的电离层特征, 在电离层数值模拟及建立经验模型时都必须予以考虑[2], 而且它在研究电离层中物理与化学过程、电离层与其他圈层耦合关系等方向都是十分重要的[2-3]。

极区电离层与磁层在地球磁场位形的影响下强烈地耦合在一起, 使得极区电离层电子密度除了受太阳光致电离的影响之外, 还受水平输运、粒子沉降这两个物理过程的影响, 因此极区电离层具有很多中低纬电离层不具有的一些特征, 如 “磁中午异常”现象[4-7]、E层占优电离层[8-9]、极区等离子体云块[10-11]等, 同时极区电离层的UT变化特征也格外显著[12-15]。

在极区电离层UT变化的研究中, 最早是在分析极区测高仪数据时发现: 在南极的某些地区, 电离层foF2的最大值通常不出现在地方时正午以后, 而是在6UT左右; 其他台站即使最大值出现在午后约2点, 但在6UT附近依然会存在一个明显的次峰结构。说明南极地区电离层foF2存在较强的“世界时控制(universal control)”[12], 并将其归因于地理轴与地磁轴的偏离[12-13]。同时还发现北极地区仅在冬季存在UT变化, 与南极全年均存在该现象不同[12,15]。de la Beaujardière等[16]基于欧洲非相关散射雷达的观测, 也发现了北极电离层F层电子密度的夜间增强现象存在明显的UT依赖特征。David等[17]基于2009—2015年的GPS-TEC数据研究极区电离层等立体云块的出现不仅随季节变化, 也具有很强的UT分布特征。由于对UT变化的研究需要同纬度的各个时区均有观测数据[2], 因此, 受限于观测数据, 早期极区电离层的UT变化都是一种UT效应, 并不是严格的UT变化的定义。基于物理模式也开展了很多相关研究[2-3,18-19], 模型结果都显示了极区电离层电子密度存在明显的UT效应, 而且结合物理模式讨论了行星际磁场对极区电离层的UT变化的调制作用[18]、极区电离层主要电子密度源在地磁坐标系下对极区电离层的贡献跟台站具体位置和UT有关[3]。不过, 基于模型对极区电离层UT变化的研究存在着输入模型的准确性及适用性问题[3,19]。因此, 在基于物理模型对极区电离层开展UT变化研究时, 也需要进一步提高物理模型的精度。

近期, 随着GPS等导航系统的建立, 特别是无线电掩星这一观测技术的应用, 能获得覆盖极区的有效观测数据, 为电离层电子密度的观测及相关研究开辟了新途径。近年来, 基于GPS-TEC观测, 提出了电离层GEC(Global Electron Content)[20-21]、全球平均电离层TEC[22]以及不同纬度带的平均电离层TEC[23]等参数, 它们通过计算全球的电子含量、某半球或某一纬度带的电子总含量可以较好地来分析电离层的整体变化特征。借鉴这些参数, Wu等[15]也提出了极区电离层平均电子含量(mPEC)来研究极区电离层的UT变化。文中首次基于观测定量给出了南北两极电离层的UT变化强度及相对变化强度的季节分布, 指出南极UT变化强度大于北极, 主要归因于南极的地理轴与地磁轴分离较大, 导致了水平输运过程引起的电子密度变化在地理坐标系下的南极更大。

考虑实际的极区物理过程, 模拟研究大多是在修正地磁纬度-磁地方时坐标系(下文简称地磁坐标系)下开展的, Wu等[15]仅基于UT变化的定义研究了地理纬度-地方时坐标系(下文简称地理坐标系)下的结果, 尚未开展地磁坐标系下极区电离层的UT变化特征研究。同时, 在地理坐标系下极区电离层UT变化主要是由输运过程引起的, 无法获得电离层的另一重要影响因素太阳的贡献, 因为地理坐标系下太阳对电离层电子密度的直接贡献不随UT变化。可是太阳的贡献一直是中低纬电离层的主要电离源, 因此考虑到极区地磁坐标系下的太阳光致电离是随UT变化的, 本文推广电离层UT变化的定义, 计算地磁坐标系下的极区电离层mPEC, 进一步深入分析极区电离层UT的特征及其成因, 探讨极区电离层电子密度主要影响因素的贡献, 结合南北极电离层UT变化差异的对比, 加深对极区电离层形成的认知。

1 数据及分析方法

1.1 观测数据

本文使用的数据为COSMIC掩星在2007—2010年观测的电离层电子密度数据。无线电掩星技术具有全天候、全球覆盖、高分辨率等特点, 其精度很高[24-26], 可用于全球电离层的物理研究, 包括在扰动条件下[8-9,27]的应用, 这大大增加了电离层观测的数据积累, 为电离层电子密度的观测开辟了新途径。COSMIC掩星星座由6颗低轨卫星组成, 早期一天可以获得大约2 000多个大气垂直剖面数据, 它们可较好地覆盖极区, 用来深入细致地研究极区电离层[9,28], 包括其UT变化特征[15]。

COSMIC掩星观测的电离层电子密度剖面数据由COSMIC Data Analysis and Archive Center提供。首先, 本文对这些观测数据进行了筛选[9,15], 要求:

(1)观测到的峰值电子密度值要小于1.1×107cm–3, 这一条件等价于掩星点处电离层的临界频率小于30 MHz;

(2)峰值电子密度所在的高度要大于90 kｍ;

(3)电离层峰值电子密度以上要有足够多的观测反映顶部电离层电子密度的变化, 这里要求一次掩星观测中, 其最高观测高度上的电子密度要小于电离层峰值电子密度的五分之一。

然后对观测到的电子密度剖面进行积分, 获得电离层TEC。文中先对电离层电子密度剖面按公式(1)进行指数外推至1 000 km高度, 再将电子密度沿高度从观测最低高度积分至1 000 km, 获得电离层TEC[9,15]。

式中, h0是一次掩星事件中有电子密度观测的最高高度, A是高度为h0处的电子密度,()为高度为时的电子密度, 系数c由观测的顶部电离层电子密度拟合得到。

最后, 确定观测位置。掩星观测的地理经纬度以一次观测反演的电子密度剖面中最大电子密度所在的地理经纬度为准, 即(1)式获得电离层TEC位置。将这一地理位置采用高度调整的修正地磁模型换算成地磁纬度(Mlat)及磁地方时(MLT)。最终获得下文所用数据集。

本文使用2007—2010年的COSMIC掩星数据, 经上述筛选之后, 获得约40万个电离层TEC数据点。另外, 2007—2010这4年的太阳F107指数均值分别为72.9 SFU、68.8 SFU、70.6 SFU和79.8 SFU; Kp指数的年平均值为1.51、1.45、0.9和1.25。很明显, 这4年是太阳活动低年, 且地磁活动也较为平静。结合本文的统计方法, 文中结果主要表征太阳活动低年、地磁活动平静情况下的极区电离层一般特征。

1.2 分析方法

根据UT变化的定义, 借鉴地理坐标系下极区电离层mPEC的定义, 计算地磁坐标下极区电离层平均电子含量mPEC:

其中, UT为世界时, Si,j与TECi,j,UT分别是网格(i, j)的面积及该网格内UT时的电离层TEC值。文中, 极区是定义为地磁纬度60°以上的高纬地区, 网格的划分为: 地磁坐标系下, 2.5Mlat×1MLT。电离层TEC值为某UT时对应网格内由COSMIC掩星观测获得的电离层TEC的中值。本文分别以南北半球的分日和至日为中心、共计3个月为时长, 将2007—2010年的数据在南极和北极各自划分4个季节。为保证足够的数据, 统计时将UT–1、UT、UT＋1这三个时刻的数据统一为UT时刻的数据集。作为例子, 图1给出了南北极区18UT时COSMIC掩星的观测数量。在磁纬度约60°~70°的范围里, 观测次数大多超过30次, 甚至达到50次以上, 80°以上区域大概有10次左右。在其他季节、其他UT时, 观测数据量的分布基本同图1所示。

Fig.1. The number of COSMIC observations at 18UT in winter in the Antarctic (left) and Arctic (right) in geomagnetic coordinates. The red circles show the locations of the geographic poles in each hemisphere, respectively; the white grids indicate no COSMIC observations

2 结果

基于上文的电离层TEC计算及数据划分方法, 可以得到电离层TEC地图。图2作为例子, 给出了南极冬季在0UT、3UT、6UT…, 直到21UT的电离层TEC分布。由图2可见, 电离层TEC分布呈现明显的UT变化特征, 特别是在12MLT附近, 电离层TEC从0UT开始逐渐增大, 增大到9UT之后开始减小, 在~18UT达到最小值之后又开始逐渐增大。

图3作为例子, 给出了北极冬季在0UT、3UT、…、21UT的电离层TEC地图。北极冬季的电离层TEC也具有明显的随UT变化的特征, 只不过是在~18UT前后取得TEC的最大值, 在~3UT取得最小值。电离层TEC在南北极的其他季节也基本与图2和图3一致, 均具有明显的UT变化特征。

为进一步细致研究极区电离层UT变化特征, 用mPEC来表征极区电离层TEC地图, 进而实现对极区电离层UT变化的定量化研究。图4是按第1节所述计算出的地磁坐标系下南北极区平均电子含量(mPEC)在4个季节的UT变化, 误差棒为3倍标准差; 蓝色曲线表示南极, 红色曲线表示北极; 各子图的粗实线表示mPEC在对应季节的均值。由图可见 mPEC随UT的变化趋势。南北极区的mPEC在地磁坐标系下都存在明显的UT变化, 呈三角函数的“正弦”形状, 相位约差12 h(半个周期), 即: mPEC在南极的最大值通常出现在~5UT, 最小值在~16UT; 在北极则是在~18UT出现最大值, 在~5UT出现最小值, 详见表1。

图2 南极冬季在0UT、3UT、…、21UT的电离层TEC地图. 红点是南极地理轴极点

Fig.2. TEC maps in Antarctic winter for 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, and 21UT, respectively. The red circle is the location of the geographic pole in the southern hemisphere

图3 北极冬季在0UT、3UT、…、21UT的电离层TEC地图. 红点是北极地理轴极点

Fig.3. TEC maps in Arctic winter for 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, and 21UT, respectively. The red circle is the location of the geographic pole in the northern hemisphere

由图4还可以看到mPEC的均值变化。对同一半球、不同季节: mPEC的均值在夏季最大, 冬季最小, 秋季略大于春季; 对同一季节、不同半球: 在夏、秋两季节, 南极mPEC的均值要大于北极, 而在春、冬两季则是北极大于南极。具体数值详见表1。

基于图4中mPEC的变化, 计算一个季节内的mPEC的标准差和变异系数来分析mPEC在各季节的UT变化强度。变异系数定义为标准差与平均值的比值。具体的数值结果如表1所示。由表1可以看到, 南极mPEC在春冬两季UT变化的标准差约为1TECu(1TECu=1016个·m–2), 基本都是北极的2倍, 在夏秋两季则接近2TECu, 为北极3倍以上。以变异系数(CV: Coefficient of Variation)表征的南极电离层UT变化相对强度在南极的冬季为0.57, 春、夏、秋三个季节依次为0.29、0.20和0.28; 在北极的冬季为0.33, 春、夏、秋三季则分别为0.19、0.11和0.17。南极的CV值在各季节也约是北极的2倍。这些说明了南极地区mPEC的UT变化强度要远大于北极地区。

3 讨论

3.1 极区电离层地磁坐标系下UT变化的原因

图5是南极地磁坐标系下4UT(左图)和16UT(右图)时的电离层TEC的分布图。图中的红色圆圈表示地理轴南极的位置, 阴影部分表示太阳天顶角为负值, 无太阳光照。由图可见: 4UT时南极极区的电离层TEC要明显大于16UT, 特别是在日侧, 因此按照(2)式计算的电离层mPEC, 在4UT就会大于16UT。而4UT的电离层TEC整体上大于16UT, 主要有以下三个原因。(1)太阳的光照范围。由图5可见, 太阳的光照范围在4UT明显大于16UT, 因此太阳光致电离产生的电子含量就会增大。(2)输运过程的调制。太阳光照的原因使得4UT日侧的电子浓度显著增大, 此时水平电场就会输运更多的等离子体进入高纬的极盖区, 甚至到达夜侧的极光区, 进而引起整个极区电离层电子含量的增加。(3)粒子沉降基本不变。粒子沉降主要集中在极光卵区域。在地磁坐标系下, 极光卵的位形基本不随UT变化, 且粒子沉降的强度在统计上也不随UT变化, 不同UT时, 粒子沉降引起的电离层电子密度变化可认为不变。因此, 总的来说, 对于地磁坐标系下极区电离层的UT变化特征, 太阳光致电离起主导作用, 输运过程在前者的基础上起次要作用。

图4 地磁坐标系下南北极区4个季节电离层mPEC的UT变化

Fig.4. The UT variation of the mPEC in four seasons in the Arctic and Antarctic in geomagnetic coordinates

表1 极区mPEC在4个季节的UT变化参数(南半球: SH, 北半球: NH; 表中带有下划线的数字为该表格位置处的地理坐标系下mPEC的变化参数[15])

太阳光照范围的变化, 则主要是因为地磁轴与地理轴的分离。由图5可见, 4UT时, 地理轴极点位于逆阳方向的最大位置, 而16UT时则是地理轴极点相对于地磁轴向阳的最大位置处, 导致太阳光照范围的变化。实际上, 通过考察其他UT时刻的电离层TEC分布图, 可以发现地理轴极点越靠近0MLT, 电离层TEC越大, mPEC也越大。所以在~4UT, 地理轴极点最远离太阳时mPEC取得最大值, 反之在最靠近太阳的~16UT时mPEC取得最小值。南极的其他季节也是如此。

在北极, 同样以冬季为例进行说明。图6是北极冬季5UT(左)和18UT(右)时电离层TEC在地磁坐标系下的分布图。图中的红色圆圈表示地理轴北极的位置, 阴影部分表示无太阳光照范围。同南极的情况(图5), 在北极, 地理轴极点最靠近太阳的~5UT时电离层TEC最小, 在地理轴远离太阳的~18UT时电离层TEC最大。这也是由于在极区, 粒子沉降对电离层的影响基本不随UT变化, 而太阳光致电离区域随UT变化, 并导致光致电离及水平输运过程对极区电子密度的贡献也随着UT变化, 在它们的综合作用下使得极区电离层mPEC出现了明显的UT变化。

图5 南极冬季地磁坐标系下4UT(左)和16UT(右)的电离层TEC地图

Fig.5. The TEC map at 4UT and 16UT in winter in the Antarctic

图6 北极冬季地磁坐标系下5UT(左)和18UT(右)的电离层TEC地图

Fig.6. The TEC map at 4UT and 16UT in winter in the Arctic

3.2 南北极UT变化差异的原因

由3.1可知, 因为太阳光致电离范围在随UT变化, 同时在输运过程的调制下, 进一步扩大了太阳光致电离对极区电离层电子密度(mPEC)的贡献, 从而导致了南北极区电离层具有明显的UT变化特征。但是, 对比图4及表1中南极和北极电离层UT变化的趋势及相关的数据结果可以发现, 南北极区电离层的UT变化特征还存在一些差异。

首先, mPEC表征的南北极电离层UT变化虽然都呈现出类似三角函数的形态, 但是存在约12 h的“相位差”, 即: 南极mPEC取得最大值时, 北极mPEC取得最小值; 南极取得最小值时, 北极取得最大值。这一现象主要是因为地理轴与地磁轴分离, 当一个半球的极区电离层受到最多的太阳光照而产生更多电子的时候, 在另一半球必然会出现该半球的极区受到一天中最少的太阳光照, 从而使得该时刻的极区电离层电子密度最小。因为地理轴与地磁轴两者是异面的, 再加上输运过程的调制, 因此, 两者的相位差不是绝对的12 h (如表1所示)。

其次, 南极的UT变化强度大于北极。从上述的分析可以看出, 极区电离层电子密度UT变化的本质原因是地理轴与地磁轴的分离, 使得地磁坐标系下极区电离层的光致电离范围随着UT变化。而地理轴与地磁轴的分离在南极约为15°, 在北极约为7°。很明显两个轴在南极的夹角大于北极。这样就使得南极的电离层电子密度变化更大。从图2—图6中都能看到, 在同一个季节, 南极电子密度的最大值要大于北极电子密度的最大值, 南极电子密度的最小值要小于北极电子密度的最小值, 南极的UT变化强度要大于北极。特别是对比图5和图6, 可以明显看出太阳光照范围随UT的变化范围在南极更大, 导致电离层TEC和mPEC为代表的电离层电子含量参数的更大变化。

最后, mPEC的季节均值, 南极在夏秋季大于北极, 北极是在冬春季略大于南极。这一观测特征可能主要与电离层年度异常有关[15], 但是也可能与中性成分等其他因素有关。这与电离层UT变化无本质关系, 后续会针对这一问题进行进一步探讨。

3.3 与地理坐标系下极区UT变化的对比

基于地理坐标系下计算的mPEC, Wu等[15]也研究了极区电离层的UT变化。与之比较, 可以发现, 地理与地磁坐标系下的UT变化都一致地反应出南极的UT变化强度要大于北极的UT变化强度, 这与地理与地磁轴在南极的夹角更大有关; 两者的相对变化强度, 都是冬季较大, 这与冬季电离层背景值较小、更容易被调制有关。

比较不同坐标系下mPEC的UT变化强度(表1后两列, 下划线数字是地理坐标系下的结果), 还可以清楚地看到, 地磁坐标系下的极区电离层UT变化强度明显大于地理坐标系下的UT变化强度。地理坐标系下的UT变化, 主要是水平电场位置的变化引起输运进高纬地区的等离子体数量的变化; 而地磁坐标系下的结果则是太阳光致电离范围的直接变化引起的电子密度的变化, 同时也间接地影响了水平电场输运进高纬地区等离子数量的变化。虽然两种坐标系下输运进极区的等离子体数量变化不一致, 但是近似的可以认为地磁坐标系下的UT变化是两种物理过程的叠加, 因此就大于了地理坐标系下的UT变化强度。

4 结论

本文基于COSMIC在2007—2010年观测的电离层电子密度数据, 计算获得了修正地磁纬度-磁地方时标系下的极区电离层平均电子含量mPEC, 然后基于mPEC研究了南北极区电离层的UT变化特征, 具体如下。

1. 南北极电离层的UT变化明显, 均呈现出正余弦函数的变化趋势, 不过两者相差约12 h。在南极, mPEC取得最大值约在5UT, 最小值约在16UT; 在北极则分别是~18UT和~5UT。

2.南极电离层的UT变化强度大于北极。南极电离层UT变化强度(标准差)在春冬两季UT变化的标准差约为1 TECu, 在夏秋两季则接近2 TECu, 约是北极电离层UT变化强度的2~3倍。以变异系数表征的电离层UT变化的相对强度也表明, 南极UT变化相对强度约是北极的2倍。

3. 地磁坐标系下的极区电离层UT变化的原因主要是地理轴与地磁轴分离, 引起太阳光致电离范围在随UT变化, 间接地调整了水平输运的贡献; 同时, 导致了南北极UT变化相差约12 h, 且分离角度大的南半球, 其UT变化强度更强。

致谢:感谢两位审稿人审阅论文并提供很有价值的修改建议。本文所用的COSMIC掩星数据由COSMIC Data Analysis and Archive Center提供(http://cosmic-io.cosmic.ucar.edu/cdaac/index.html),和 F107 指数从CelesTrak 网站(http://cele­strak.com/SpaceData/)下载, 在此表示感谢!

1 KUZNETSOV V V, PLOTKIN V V, NESTEROVA I I, et al. Universal diurnal variation of F2-layer critical frequency[J]. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, 1990, 42(10): 1237-1240.

2 KUZNETSOV V V, PLOTKIN, V V, NESTEROVA G V, et al. Universal variation of the F2-layer critical frequency and solar activity[J]. Earth Planets Space, 1998, 50(1): 57-61

3 DAVID M, SOJKA J J, SCHUNK R W, et al. Relative solar and auroral contribution to the polar F region: Implications for National Space Weather Program[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2002, 107(A10): 1310.

4 XU Z H, LIU R Y, LIU S L, et al. Variations of the ionospheric F2 layer critical frequency at Zhongshan Station, Antarctica[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2006, 49 (1): 1-8.

5 MOEN J, QIU X C, CARLSON H C, et al. On the diurnal variability in F2-region plasma density above the EISCAT Svalbard radar[J]. Annales Geophysicae, 2008, 26(8): 2427-2433.

6 XU S, ZHANG B C, LIU R Y, et al. Comparative studies on ionospheric climatological features of NmF2among the Arctic and Antarctic stations[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2014(119): 63-70.

7 CAI H T, MA S Y, FAN Y, et al. Climatological features of electron density in the polar ionosphere from long-term observations of EISCAT/ESR radar[J]. Annales Geophysicae, 2007, 25(12): 2561-2569.

8 MAYER C, JAKOWSKI N. Enhanced E-layer ionization in the auroral zones observed by radio occultation measurements onboard CHAMP and Formosat-3/COSMIC[J]. Annales Geophysicae, 2009, 27(3): 1207-1212.

9 武业文, 刘瑞源, 张北辰, 等. 极区极夜期间E层占优电离层的分布特征[J].极地研究, 2013, 25(2): 28-37.

10 ZHANG Q H, ZHANG B C, LOCKWOOD M, et al. Direct observations of the evolution of polar cap ionization patches[J]. Science, 2013, 339(6127): 1597-1600.

11 DAVID M, SOJKA J J, SCHUNK R W, et al. Polar cap patches and the tongue of ionization: A survey of GPS TEC maps from 2009 to 2015[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(6): 2422-2428.

12 DUNCAN R A. Universal-time control of the Arctic and Antarctic F region[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1962, 67(5): 1823-1830.

13 BESPROZVANNAYA A S. Empiric modelling of the polar foF2 in the Northern and Southern Hemispheres[J]. Advances in Space Research, 1995, 16(1): 27-36.

14 XU J Y, WANG W B, GAO H, et al. The longitudinal variation of the daily mean thermospheric mass density[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2013, 118(1): 515-523.

15 WU Y W, LIU R Y, ZHANG B C, et al. The UT variation of the polar ionosphere based on COSMIC observations[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2019, 124(4): 3139-3148.

16 DE LA BEAUJARDIÈRE O, WICKWAR V B, CAUDAL G, et al. Universal time dependence of nighttime F region densities at high latitudes[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1985, 90(A5): 4319.

17 DAVID M, SOJKA J J, SCHUNK R W, et al. Polar cap patches and the tongue of ionization: A survey of GPS TEC maps from 2009 to 2015[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(6): 2422-2428.

18 LIU J, WANG W B, BURNS A, et al. A TIEGCM numerical study of the source and evolution of ionospheric F-region tongues of ionization: Universal time and interplanetary magnetic field dependence[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2017(156): 87-96.

19 FULLER-ROWELL T J, REES D, QUEGAN S, et al. Simulations of the seasonal and universal time variations of the high-latitude thermosphere and ionosphere using a coupled, three-dimensional, model[J]. Pure and Applied Geophysics, 1988(127): 189-217.

20 AFRAIMOVICH E L, ASTAFYEVA E I, OINATS A V, et al. Global electron content: A new conception to track solar activity[J]. Annales Geophysicae, 2008, 26(2): 335-344.

21 AATAFYEVA E I, AFRAIMOVICH E L, OINATS A V, et al. Dynamics of global electron content in 1998—2005 derived from global GPS data and IRI modeling[J]. Advances in Space Research, 2008, 42(4): 763-769.

22 HOCKE K. Oscillations of global mean TEC[J]. Journal of Geophysical Research, 2008, 113(A4): A04302.

23 LIU L B, WAN W X, NING B Q, et al. Climatology of the mean total electron content derived from GPS global ionospheric maps[J]. Journal of Geophysical Research, 2009, 114(A6): A06308.

24 LEI J H, SYNDERGAARD S, BURNS A G, et al. Comparison of COSMIC ionospheric measurements with ground-based observations and model predictions: Preliminary results[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics , 2007, 112(A7): A07038.

25 YUE X, SCHREINER W S, LEI J, et al. Error analysis of Abel retrieved electron density profiles from radio occultation measurements[J]. Annales Geophysicae, 2010, 28(1): 217-222.DOI: 10.5194/angeo-28-217-2010.

26 YUE X N, SCHREINER W S, KUO Y H, et al. GNSS radio occultation (RO) derived electron density quality in high latitude and polar region: NCAR-TIEGCM simulation and real data evaluation[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2013(98): 39-49.DOI: 10.1016/j.jastp.2013.03.009.

27 WU Y W, LIU R Y, ZHANG B C, et al. Multi-instrument observations of plasma features in the Arctic ionosphere during the main phase of a geomagnetic storm in December 2006[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2013, 105/106(1): 358-366.

28 LUAN X, WANG W, DOU X, et al. Longitudinal variations of the nighttime E layer electron density in the auroral zone[J]. Journal of Geophysical Research, 2015, 120(1): 825-833.

THE CHARACTERIsTICS OF THE POLAR IONOSPHERE IN THE GEOMAGNETIC COORDINATES SYSTEM

Wu Yewen1, Liu Ruiyuan2, Zhang Beichen2, Hu Hongqiao2, Ci Ying3, Jiang Mingbo4, Lv Jianyong1

(1Institute of Space Weather, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;2SOA Key Laboratory for Polar Science, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;3Beijing Institute of Tracking and Communication Technology, Beijing 100089, China;4Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100000, China)

The mean Polar Electron Content (mPEC) over the low solar activity years 2007–2010 in Corrected Geomagnetic Latitude and Magnetic Local Time Coordinates (CGLMLT) is calculated to investigate the Universal Time (UT) variations of the polar ionosphere based on the observation of Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite (COSMIC). The results show clear UT variations on mPEC both in the Arctic and Antarctic when seen in the geomagnetic coordinate system. The UT variation of the mPEC changed in a sinusoidal way, with the phase difference about 12 hours between the Arctic and Antarctica. In addition, the UT variation is about 2~3 times larger in the Antarctic than in the Arctic. These features should result from the separation between the geographic pole and the geomagnetic pole. Actually in geographic coordinate system, the UT variation of the mPEC is rather small. The reason should be that the UT variations of mPEC come from solar radiation as well as horizontal transportation in geomagnetic coordinates but only horizontal transportation in geographic coordinate systems.

polar ionosphere, total electron content, universal time variations, horizontal transportation

2020年9月收到来稿, 2020年9月收到修改稿

国家重点研发项目(2018YFC1407304, 2018YFF01013706)、基础性科研院所稳定支持项目(A131901W14,A131902W03)、电波环境特性及模化技术重点实验室专项资金(201801003)资助

武业文, 男, 1983年生。博士, 主要从事电离层物理及预报研究。E-mail: ywwu@nuist.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200064