2004号台风“黑格比”路径电离层TEC的异常分析

吴梦瑶，李仲勤，张瑞鹏，李 伟,5

（1.兰州交通大学 测绘与地理信息学院，兰州 730070；2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，兰州 730070；3.甘肃省地理国情监测工程实验室，兰州 730070；4.西安铁路职业技术学院 土木工程学院，西安 7100004；5.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070）

0 引言

电离层与人类的生产生活息息相关，是被部分电离的地球大气，也是人类赖以生存的地球环境中的重要组份。全球垂直总电子含量（vertical total electron content, VTEC）常常被用来描述电离层形态和表征电离层的变化[1]。电离层的状态受到多种因素的影响和制约，如太阳辐射、地磁风暴等均可导致电离层出现不规则的扰动[2]。然而，研究者渐渐发现，在排除空间环境的影响外，仍有一部分电离层异常不能够被清楚合理地解释。20世纪50年代，文献[3]首次发现了台风过程会对电离层的状态产生不可忽视的影响。文献[4]率先提出中低层大气，通过声重力波影响电离层的理论。自此，电离层与中、低层大气气象活动之间的影响机制，越来越受到更多学者的关注。文献[5]提出低层大气的气象活动，主要通过大气波动的动力学过程，来产生电离层形态变化的相关理论。研究者采用不同的数据，就众多台风事件中发生的电离层扰动进行了广泛讨论。文献[6-10]利用电离层多普勒资料、文献[11]利用全球定位系统（global positioning system, GPS）台站的观测资料、文献[12]利用电离层频高图数据、文献[13-14]采用总电子含量、文献[15]采用电子密度数据，对台风发生发展期间电离层的变化进行了研究，证实台风发生发展期间会导致电离层产生形扰。

台风是发生在热带或副热带区域的一种非常强大且典型的天气现象，从目前的研究情况来看，如若想清楚地描述台风活动对电离层的影响机制，仍需进一步在分析台风事件的基础上进行探寻。本文采用国际全球卫星导航定位系统服务组织（The International global navigation satellite systems (GNSS) Service, IGS）发布的全球垂直总电子含量数据，通过双线性内插，获得2020年4号台风“黑格比”路径特征点处电离层VTEC数值，并通过滑动四分位距的方法加以处理并提取异常值，分析台风“黑格比”发生前后路径特征点区域的电离层总电子含量（total electron content,TEC）的异常时空分布特征。

1 数据来源

本文所采用的全球垂直总电子含量格网数据，由 IGS发布数据空间分辨率为 5°（经线）×2.5°（纬线），时间分辨率为2 h；台风事件选自中国气象局热带气旋资料中心[16]；采用赤道地磁指数Dst和全球地磁指数 Kp 表征地磁活动强度，数据来源于日本京都地磁数据中心[17]；采用太阳F10.7射电通量来表征太阳活动强度，数据来源于美国国家海洋和大气管理局（The National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）[18]。

2 电离层异常提取

台风“黑格比”于世界协调时（Coordinated Universal Time,UTC）2020年8月1日20时被命名，国际编号“2004”，于8月3日发展成为台风，并于8月4日凌晨3时30分前后，以近巅峰强度在中国浙江省乐清市沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有13级，风速38 m·s-1，随后其纵穿浙江省及江苏省，于8月5日6时许，由江苏省盐城市移入黄海海面并再度增强，最终在 8月 6日消失。由于电离层受到太阳辐射和地磁扰动的影响，在分析台风发生期间的电离层异常时，需要综合判断这段时间内空间天气是否平静。表 1为空间环境指数的活动水平。选取2020年年积日第200—220天，即2020年7月18日至8月7日，共计21天的太阳及地磁活动水平数据变化情况，涵盖了台风“黑格比”发生前14天、发生时及消失后一天的全部时段。

表1 空间环境指数的活动水平

2020年7月18日至8月7日的太阳及地磁活动水平数据变化情况如图1所示，由图1可以看到，太阳射电通量 F10.7在这期间均保持在100个sfu以下，在整体研究时段内均处于低活动水平，状态保持相对平静，sfu（solar flux unit）为太阳流量单位，1 个 sfu 为 1×10-22m-2·Hz-1；地磁活动 Kp指数只在2020年年积日第206—207天即2020年7月24—25日超过了4 nT，Dst指数也由7月24日当日最大值12 nT骤降到-40 nT左右，7月25日最小值在-54 nT，地磁活动条件有微小的活跃，认为有可能发生了弱小磁暴，其余的 20天内地磁场整体较平静。

图1 2020年7月18日至8月8日，F10.7、Dst、Kp指数的变化

为更准确地表达台风中心位置处电子浓度含量，本文以IGS发布的数据为依托，采用双线性插值的方法，来获得任意一点的TEC值。为了弥补类似平均值法、中位数法等静态探测方法在提取异常中存在的不足，文献[9]提出了动态探测四分位距法，四分位距法（inter quartile rang, IQR）是目前分析电离层异常最常使用到的算法之一。具体来讲，一个数列中的四分位数分别为下四分位数、中位数和上四分位数，这三个四分位数就把整个数列分成了4个部分。若一项数列包含14个元素，从小到大的顺序依次排列为X1, X2,…,X14，则有：

式中：Q1为上四分位数，表示在该数值以下的元素占总数的 25%；Q2为中位数，表示在该数值以下的元素占 50%；Q3为下四分位数，表示在该数值以下的元素占总数的75%；IQR为四分位距。在统计学上，IQR=1.34σ，即四分位距的期望值是标准差的1.34倍，该方法探测阈值约为标准差的两倍,异常检验的置信度为95%。本文采用Q2=±1.5×IQR作为TEC是否出现异常的判定标准，即

式中：UB为观测序列上界，观测值大于上界限视为出现正异常；LB为观测序列下界，观测值小于下界限视为出现负异常。本文选取的时间窗口为15天，即取被分析日前14天无异常的电离层 TEC为背景值，对 2020年 7月 25日至 8月7日期间，台风路径参考点的TEC数据进行异常检测，采用式（5）、式（6）探测上下限。选取台风移动路径过程中，部分强度变化点及台风中心风速最大点也是台风登陆点为参考点，具体地理位置、时间（北京时间）、风速及强度信息如表2所示。

表2 台风“黑格比”路径特征点数据

绘制5个参考点在2020年7月18日至8月8日期间，台风中心电离层TEC变化时间序列曲线（以台风起编日为横坐标轴 0点，台风起编日之前用负号表示），异常提取结果如图2所示。

图2 台风“黑格比”路径特征点TEC异常变化曲线

由图2可知：5个参考点处电离层均出现了数值不等的正异常，最早在台风形成前7天（7月25日）就出现了扰动，但强度极其微弱，数值约为0.2个TECU（1 个 TECU 表示“1×1016个电子/平方米”），结合空间天气分析，该日异常可能与当日发生弱小磁暴有关。除此之外，研究时段中也有零散异常出现，在台风起编日前一天（7月31日）和发生第三天（8月 4日），部分参考点上空出现电离层的扰动情况，但数值较小基本保持在0.2个TECU左右，本文不将这些微小扰动作为台风对电离层影响的依据。在台风发生前三天（7月29日）的2:00—8:00 UTC、台风发生的第二天（8月 2日）的2:00—10:00 UTC及台风停编后一天（8月7日）的 2:00—4:00 UTC，TEC的异常最为集中、持续时间长且幅度明显，异常值均超过了1.8个TECU，其中在发生前三天出现研究时段的峰值，数值达4.0个TECU。7月29日6:00—12:00 UTC，分别出现了数值最高为 3.71、3.36、2.64、2.26、2.46 个 TECU的异常；8月3日2:00—10:00 UTC，分别出现了数值最高为3.31、2.64、3.15、2.9、3.8个 TECU左右的异常；8月7日6:00—10:00 UTC，分别出现了数值最高为 1.44、2.18、2.37、2.76、1.92 个 TECU左右的异常。综上所述，电离层异常集中出现在台风起编前第三日、起编后第三日及停编后第一日，时间更多集中在 6:00—10:00 UTC 之间，数值较其他研究时段更大，影响效果更强，且异常属性均属正异常。排除空间天气的影响，可以确定该时段内的电子总含量的剧烈变化与台风“黑格比”之间存在一定联系。

3 台风路径电离层异常空间分布

基于对电离层TEC异常的时间分布分析，为进一步确定TEC异常是否由台风引起，选择经度范围（100°E～150°E），纬度范围（10°N～50°N）为研究区域，选取7月29日、8月3日及8月7日三天的垂直总电子含量数据，以 2 h为时间间隔作两维电离层异常图，来分析电离层TEC异常的空间分布。图3为利用14个地磁平静日各网格测量得到的TEC 中值（即背景值）所作的电离层图，红色线条代表台风路径，黑色五角星代表台风中心位置，为后续TEC变化提供参考。

图3 地磁平静日的电离层

图4至图6分别为台风在7月29日、8月3日及8月6日的TEC异常图。由图4可知：7月29日全部为正异常，异常区域在台风路径东侧自东向西移动，异常变化率逐渐增大至巅峰值后开始减小，最后消失。在2:00—4:00 UTC时间段内，台风路径以东出现异常，TEC的最大变化率出现在（130°E，25°N）处，数值达15.92%；在4:00—10:00 UTC的时间段内，异常区域西移向内陆推进，渐渐与台风路径区域高度附和，集中在北纬（15°N～30°N）、东经（120°E～150°E）内，TEC 变化率最大值增加到当日峰值19.72%，随后异常区域范围逐渐缩小且强度逐渐减弱直至12:00 UTC，扰动消失。

图4 台风路径上的7月29日的异常日电离层

由图5可知：8月3日全部为正异常，集中扰动区域出现在时间段2:00—8:00 UTC，强度较7月29日有所增大且为三天中强度最大、范围最广的一天。异常区域均集中出现在台风路径附近上空，具体位置在北纬 （ 10°N～30°N ）、 东 经（105°E～140°E），TEC 变化率峰值达 24.89%。在8:00 UTC时强度大幅减弱，最后在台风路径以西消失。

图5 台风路径上的8月3日的异常日电离层

由图6可知：8月7日4:00 UTC时，在东经（130°E～135°E），北纬（25°N～32.5°N）内出现了变化率为 7.53%的异常。随着时间推移，异常范围先扩大后减小并逐渐向西北推进，台风路径附近出现大面积正异常，在 6:00 UTC时，异常位于北纬（17.5°N～30°N）、东经（115°E～145°E）处，TEC 变化率峰值达 23.01%。随后异常消失。在16:00—20:00 UTC时，台风路径北方出现强度较小的正异常，异常分别位于北纬（45°N～47.5°N）、东经（100°E～120°E）、北纬（40°N～45°N）、东经（115°E～120°E）和北纬（45°N～47.5°N）、东经（105°E～120°E），TEC 的最大变化率为 5.43%。

图6 台风路径上的8月7日的异常日电离层

4 结束语

本文以2004号台风“黑格比”为例，利用台风发生前14天无异常的VTEC数据，研究台风向内陆推进过程前后，对电离层产生的影响并对其时空分布特征进行分析，得出以下结论：

1）在时间分布上，取被分析日前14天无异常的电离层 TEC为背景值，对台风路径参考点的TEC数据，根据上下限进行异常检测，提取出与本次台风可能有关的异常，分别在7月25日、7月29日、8月2日及8月7日的台风路径上空电离层发生扰动，在台风起编后第二天（8月3日）扰动最为明显，峰值达4个TECU。异常属性均为正异常，异常主要发生在6:00—10:00 UTC 之间。

2）在空间分布上，多日有局部异常发生，大面积异常集中发生在台风起编前的第三天、台风登陆后的第二天和台风停编后的第一天，异常区域运动轨迹大多呈自西向东移动，与台风风向和行进方向一致，且当日TEC变化率最大值出现的空间位置与台风路径位置区域高度重合，TEC异常变化率随着时间的推移，以先增大、后减小、直至消失的方式运行，正异常幅度峰值为 24.89%，而停编后第一日对电离层状态的影响依然存在，考虑与电离层延迟有关，在今后的进一步研究中，可进行深入探讨。

目前，台风-电离层耦合关系并没有得到明确的解释，要清楚地了解台风-电离层耦合机制，还需要在分析大量统计事件的基础上，找出可能存在的规律，通过对台风发生前后电离层扰动信息的探测，可为探寻台风与电离层扰动之间的规律的提供一定帮助，也为今后开展进一步的研究工作做些准备。