基于ZH-1卫星探测的太阳活动低年顶部电离层不规则结构的时空特征

王秀英，杨德贺，张学庆，何宏玮，郭峰，姜文亮，牛从达，申旭辉

1 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085 2 国防科技大学信息通信学院，武汉 430010 3 云南省地震局，昆明 650224

0 引言

电离层受多种因素的影响会产生不规则结构(Ionospheric Irregularities)，电波通过这些不规则结构传播时其幅度或相位会改变，一般称为电离层闪烁(Ionospheric Scintillation).电离层不规则结构会引起GPS信号折射、散射，进而降低系统的定位精度；在严重闪烁情况下，甚至可以使GPS接收机失锁，导致系统无法定位.由于电离层不规则结构对通讯、导航、定位等应用存在重大影响，因此对该现象的研究成为电离层研究中非常重要的内容，有很多这方面的研究工作(Basu et al.,1976,1988,2002;Tsunoda,1985;Aarons,1982,1993;Burke et al.,2004a,b;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Otsuka et al.,2012;Carter et al.,2013;Acharya and Majumdar,2019).

对电离层不规则结构的早期研究主要利用地基测高仪、雷达观测数据(Aarons,1982,1993;Abdu et al.,1981)，卫星到地基的闪烁观测数据(Basu et al.,1988;Aarons,1993;Basu et al.,2002;Nishioka et al.,2008)，基于卫星的顶部电离层探测数据(Maruyama and Matsuura,1984)，以及卫星原位观测数据(Basu et al.,1976;Watanabe and Oya,1986;Aarons,1993;Kil and Heelis,1998).由于早期卫星原位观测数据量较少，研究难以得到全球不规则结构的演化特征；之后卫星原位观测数据量大大增加，对赤道附近不规则结构的研究产出大量研究成果(Huang et al.,2002；Burke et al.,2004a,b;Su et al.,2008;Kil et al.,2009).2006年发射的COSMIC星座利用掩星(Radio Occultation)技术得到大批观测数据，由此出现很多基于掩星数据的电离层不规则结构的研究成果(Dymond,2012;Carter et al.,2013;Yu et al.,2017).

近年来随着电磁卫星数量增多，电离层原位观测数据量也迅速增加，利用原位观测数据研究电离层不规则结构的工作也在增加.由于很多卫星都是变化地方时观测，如CHAMP、C/NOFS、SWARM等卫星(星座)，而电离层本身也随地方时变化，这种情况下难以利用变化地方时卫星的观测数据进行电离层不规则结构精细特征以及气候特征的研究.DMSP卫星为固定地方时观测，主要集中于电离层不规则结构最为集中的日落时段，目前对这个时段不规则结构的研究已经有很多研究成果；相对而言，对午夜后不规则结构的详细时空特征的研究内容却很少.一些研究表明午夜前的闪烁可以一直延续到午夜后(Otsuka et al.,2012;Brahmanandam et al.,2012)，而Burke等(2009)利用C/NOFS卫星观测数据的研究结果以及Huba和Joyce(2010)模拟结果表明午夜后在赤道附近区域的电离层会产生新的不规则结构.因此，对午夜后电离层不规则结构的认识尚有待进一步展开研究工作.

2018年2月2日发射的我国首颗地震电磁试验卫星ZH-1为固定地方时观测，夜间观测时间约为02:00LT左右(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，对其夜间电离层原位观测数据的分析结果显示：即使在太阳活动低年，午夜后顶部电离层仍有相当数量的不规则结构存在.ZH-1卫星2018年7月完成在轨测试，至今已积累2年多的正式观测数据，为研究午夜后电离层不规则结构提供了宝贵的原位电子密度观测数据资源.前期，对ZH-1与Swarm数据的初步对比验证结果(Wang et al.,2019a)以及由ZH-1卫星2019年全年数据在中国及附近区域的电子密度时空分布特征的检验结果(王秀英等，2021)，都表明ZH-1卫星原位电子密度数据可以正确反映不同时空尺度的电离层相对变化现象，对于利用相对变化的研究是一个可用的数据集.

本文拟利用ZH-1卫星2019、2020连续两年产出的原位电子密度观测数据，检测卫星观测数据中的不规则结构，分析夜间电离层不规则结构的空间分布与季节变化规律，并与之前研究结果进行比较.本文研究结果有助于进一步认识午夜后顶部电离层不规则结构的变化特征，为更好地解决卫星通讯、导航以及定位等应用领域的问题提供参考信息.

1 数据和检测方法

1.1 数据

本文使用2019、2020连续2年的夜间原位电子密度观测数据，检测沿卫星观测轨道出现的电离层不规则结构，统计其时空变化特征.ZH-1卫星同一轨道白天和夜间观测数据分别存储在两个数据文件中(王秀英等，2021)，而电离层不规则结构主要发生在傍晚及夜间，所以这里仅需处理夜间数据文件.本文分析了2019年的4666个和2020年5319个观测轨道数据.

ZH-1卫星飞行速度约为7.8 km·s-1，观测范围为地理纬度南北65°之间(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，所需观测时间约为30 min.对于相距不远或者邻近数据间的观测时差，远小于30 min，如相距1000 km的观测数据，观测时差仅约2.1 min，这个时差完全可以忽略；即使对较大空间尺度的数据也可以认为是同时观测的，可以利用轨道观测数据间的相对变化剧烈程度检测电离层不规则结构.

ZH-1卫星在常规情况下采用巡查模式(Yan et al.,2018)，每3 s采样一次数据，对应的空间距离约为23.4 km，所以根据轨道数据检测到的最小不规则结构在空间上也有几十公里的空间距离.卫星在中国区及地震带飞行时采用详查模式，每1.5 s采样一次数据，可以提高不规则结构的空间分辨率.但这些区域在全球观测中占比很小，所以对全球观测数据而言，ZH-1卫星电子密度原位观测数据对不规则结构的空间分辨率约为23.4 km.

图1给出了两个相邻夜间轨道观测的电子密度数据随地理纬度的变化曲线，两个轨道的数据曲线都显示出从南纬到北纬存在一些大尺度的趋势性变化，而且这种趋势性变化随季节、太阳活动等影响而有所变化.图1中5096轨道的电子密度(electron density,Ne)观测数据总体上比较平稳，而5097轨道的观测数据在赤道附近存在非常明显的不规则结构.

图1 夜间电子密度数据随观测轨道地理纬度的变化图形右上角的数字表示轨道编号，观测日期为2019-01-03；其中5096轨道在赤道附近对应的地理经度约为-157°，5097轨道对应经度约为179°.Fig.1 Variations of the nighttime Ne along the orbiting geographical latitudesNumbers in the upper right corner of each plot indicate orbit number,and the observation date is 2019-01-03.The geographical longitude at the Equator region is about -157° for Orbit No 5096,and about 179° for Orbit No 5097.

鉴于卫星轨道观测数据的这些特点，为达到对全部数据进行不规则结构统一检测的目标，需要针对卫星原位观测数据的特点，设计专门的检测方法.

1.2 检测方法

根据以往研究，可以通过接收GNSS信号的S4指数(Fremouw et al.,1978)或通过计算TEC闪烁指数ROTI(Rate of TEC Index)(Pi et al.,1997)实现对电离层闪烁的检测.S4指数定义为信号强度标准偏差与信号均值的比值，即标准化后的信号标准偏差；而ROTI定义为TEC变化率(Rate of TEC,ROT)的标准差.

S4指数是通过电波信号的变化来反映电离层中的不规则结构，ROTI指数则通过电离层观测参数(电离层总电子含量)的变化来反映电离层中的不规则结构.相较于前两者，卫星原位观测数据的变化可直接反映不规则结构的空间位置、沿卫星轨道的分布形态以及波动幅度等更多信息.

由于卫星原位电子密度观测数据既不同于GNSS信号，也不同于TEC数据，需要根据前述卫星轨道观测数据的特点，研制不规则结构的常规检测方法.本文检测电离层不规则结构的基本方法：

(1)按轨道对观测数据进行标准化，以便于采用统一的判定标准.本文采用轨道数据的均值和标准差进行标准化，即观测数据减去轨道均值后除以标准差.

(2)对归一化数据进行一阶差分计算，以消除观测数据中存在的趋势性变化.

(3)计算差分数据的标准差，并以设定的检测门槛判断是否存在不规则结构.

为更直观展示本文的检测方法，这里以具体轨道观测数据为例，如图2所示，对电离层中不规则结构的检测过程进行说明.计算步骤如下：

(1)获取夜间轨道的原位电子密度观测数据，如图2a.

(2)对夜间轨道观测数据，以均值和方差进行归一化处理，结果如图2b所示.由于归一化不会改变数据间的相对变化关系，图2b归一化后数据随纬度的变化曲线与图2a原始数据的曲线在形态上完全一致.

(3)对归一化后的轨道数据进行一阶差分，结果如图2c所示.由图2c，差分后的数据可以消除趋势变化，原始数据中变化剧烈的地方，差分数据同样变化剧烈.

(4)以设定的窗长，计算窗口内数据序列的标准差；然后以设定的滑动步长移动到下一个窗口，继续计算标准差，形成一个标准差序列，结果如图2d所示.本文计算窗口长度为30个数据点、滑动步长为1个数据点，对于中间有多个缺数的情况，该轨道数据不参加计算.

(5)以设定值作为检测门槛，找出标准差序列中大于门槛值的点.对于大于门槛值的连续标准差，取连续值的平均纬度、平均经度作为一个不规则结构的空间位置.如图2d中所示情况，以0.3作为门槛值，检测到两个不规则结构.

这里对检测过程中某些参数的设置稍加说明.检测窗长和滑动步长，可以根据研究目的设定，更长的窗长可以检测更大空间尺度的不规则结构.本文以30个数据点为窗长，是为确保每个窗口内有足够的计算数据量，这个窗长对应的空间范围约为700 km.对于门槛值的选择，同样也可以根据检测目的自由设定.门槛值较大时，只能检测变化幅度较大或者连续变化较剧烈的不规则结构；门槛值较小时，则可检测变化幅度较小的不规则结构.

还需要说明的是，图2中的数据识别出2个不规则结构，实际上这两个事件可能对应的是一个非常大尺度(跨越地理纬度超过20°)的电子密度耗空区，如图2b中虚线所标示的区域，在该区域的两个边界电子密度剧烈变化，导致算法以两个事件识别.这种情况不会改变检测结果的总体统计特征.我们将在第3节对这种不规则结构继续讨论.

图2 电离层不规则结构检测方法图示从上至下依次为：(a)夜间轨道电子密度(单位：104·cm-3)观测数据随地理纬度的变化曲线；(b)轨道数据归一化后随地理纬度的变化曲线；(c)归一化数据的一阶差分随地理纬度的变化曲线；(d)一阶差分数据的标准差随地理纬度的变化曲线.Fig.2 Demonstration of the process for detecting the ionospheric irregularitiesFrom top to bottom,(a)Variation curve of the nighttime Ne (unit:104/cm3)with geographical latitude;(b)Variation curve of standardized nighttime Ne with geographical latitude;(c)Variation curve of first order difference of standardized Ne data with geographical latitude;(d)Variation curve of standard deviation of first order difference with geographical latitude.

图3给出了2019、2020年的地磁活动指数(Dst)和太阳活动指数(F10.7)的时序曲线，对研究时段内的太阳活动、地磁活动情况进行说明.图3 a 的地磁活动Dst指数表明这2年内没有大的地磁活动事件，图3b 的太阳活动F10.7指数则显示2019年全年以及2020年1到9月份，太阳活动水平一直较低，大概从2020年10月份开始太阳活动水平有所增强.

图3 2019和2020年Dst和F10.7指数时序曲线Fig.3 Time series of Dst and F10.7 indices in 2019 and 2020

由于2019、2020年处于太阳活动低年，没有大的空间天气事件，而且一些研究也指出地磁活动与不规则结构的相关性不大(Aarons,1982;Yu et al.,2017)，所以本文没有特别排除小的空间天气事件发生时的观测数据，而是对全部数据进行检测和分析.这样做是为了尽量达到每个统计单元内观测轨道均匀覆盖的目的，以消除观测数据分布不均匀可能对统计结果的影响.

2 检测结果

对2019、2020年的全部夜间轨道观测数据按1.2节中的方法检测不规则结构，检测结果的时空分布如图4所示，其中图4a为2019年数据，图4b为2020年数据.图4中，黑色实线为磁倾角为0的地磁赤道(后面称为磁赤道)；虚线为观测数据中提供的偶极场地磁纬度，其中黑色虚线为偶极场地磁赤道(后面称为偶极场磁赤道)，红色虚线为偶极场±20°纬度线，紫色虚线为偶极场±35°纬度线.

图4中，2019和2020年不规则结构呈现出明显的沿固定空间位置分布的特性，这是因为ZH-1卫星重返轨道与之前的轨道重合，即卫星在一个飞行周期内的轨道与上一个周期内的轨道重合(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，因此沿轨道检测的电离层不规则结构都分布在这些观测轨道的沿线上.

很明显图4中地理赤道附近区域不规则结构的分布跟磁赤道(黑色实线)符合得更好，而在南北半球地理纬度中纬度区，不规则结构的分布与偶极场纬度大致吻合.由于数据中没有与磁赤道配套的地磁坐标，仅提供了偶极场地磁坐标，所以后面的统计分析中主要以地理经度和偶极场地磁纬度展开.

2.1 空间分布特点

根据图4，全部检测事件在空间上明显集中在3个纬度区，即地磁赤道沿线、南半球地理纬度50°左右以及北半球地理纬度50°以上区域.其中在赤道附近区域的不规则结构明显与磁赤道(图中黑色实线)符合更好，而且沿磁赤道呈现出密集与稀疏相间的类似波形结构的分布形态.另外一个需要特别提及的分布区是，南北半球地理中纬度区，这个区域不规则结构分布与图中紫色虚线(偶极场磁纬±35°)大致符合，而且沿两个偶极场磁纬也显现出密集与稀疏相间的波形分布，但与磁赤道的波形结构似乎相反.

为得到这些不规则结构沿纬度分布更准确的信息，分别绘制2019年和2020年事件随偶极场磁纬的分布图，结果如图5所示.从图中可以明显看到事件主要集中在5个纬度区，即地磁赤道附近区域，南北磁纬度约35°～40°左右的区域，以及比南北偶极场磁纬35°～40°更高的两个纬度区，这两个区域分别对应图4中南北地理纬度50°以上的两个事件集中区.图5中，南半球中纬区的不规则结构明显比北半球中纬区多，2019年数据在地磁赤道两侧的分布规律较为明显，2020年数据在北半球中纬度区的峰值不是很明显，但两个年度数据对比结果表明这些事件在磁赤道两侧分布规律相似，2020年数据明显受到太阳活动增强的影响，第3节会讨论这个内容.

将图5中不规则结构在地磁赤道两侧的这种分布形态与白天电离层赤道异常(Equatorial Ionization Anomaly，EIA)沿地磁纬度的分布形态对比，会发现它们相似又不尽相同.地磁赤道附近区域为白天EIA谷值区，夜间不规则结构在这里却比较集中，呈现一个峰值区；白天EIA峰值区所在的位置，即南北地磁纬度±15°到±20°的位置，对应图5中地磁赤道与南北纬40°之间的谷值区，表明在白天EIA峰值区的位置夜间不规则结构反而相对较少，更多的不规则结构出现在距离地磁赤道更远的位置，即偶极场磁纬±40°附近.关于这个分布特点，我们将在第3节对此继续进行分析和讨论.

图5 不规则结构随偶极场磁纬的分布Fig.5 Distribution of irregularities with geomagnetic latitudes

按偶极场地磁纬度挑选上述5个纬度区，即地磁赤道附近区域、南北中纬度区以及南北2个较高纬度区的事件分别进行分析.在地磁赤道附近，由于偶极场磁赤道与磁赤道在某些区域(图4中非洲到美洲所在经度区)有较大差异，为尽量包含磁赤道附近的事件，这里以偶极场磁纬度±20°为标准(对应图4中的两条红色虚线)，即在偶极场磁纬-20～20°范围内筛选事件；而在地磁中纬区，按±20～±45°范围挑选事件；另外两个纬度区则分别按>45°和<-45°挑选事件.对5个磁纬区的筛选结果，绘制事件随地理经度的分布，结果如图6所示.这里以地理经度统计，以便于与图4联合分析不同磁纬区不规则结构的空间分布特点.

根据图6，不规则结构在几个磁纬区随地理经度分布的统计结果与图4呈现的分布特点一致，而且2019与2020年数据在几个纬度区随经度的分布形态也完全一致.从整体上看，不规则结构在不同磁纬区随地理经度的变化呈现出较为明显的分布规律.在南北半球两个较高磁纬区(图6a和6e)，不规则结构分别集中在各自地磁极所在地理经度区，两个区域的不规则结构在空间上的分布形态相似，但相位(空间位置)相反，呈现出2波结构的分布形态.在南北半球两个磁中纬区(图6b和6d)，虽然不规则结构随地理经度分布也呈现2波结构，但与较高纬度区的分布形态有较大差异，其中北半球这个区域的不规则结构存在一个明显的峰值集中区，即-80°E～-30°E经度区，对应图4中北大西洋不规则结构密集分布的区域，其他经度区的不规则结构则相对较少；而在南半球与此对应的磁中纬区，检测事件的分布形态则与北半球完全相反，除0～80°E经度区不规则结构相对较少外，其他区域的事件都比较多，这个区域的2波结构与北半球对应区域的2波结构在形态上具有反向(相)对称的特点.最后在地磁赤道附近区域(图6c)，不规则结构沿地理经度的分布出现两个明显的峰值区和两个谷值区，两个峰值区一个在经度约-20°E～50°E的大西洋东侧到非洲所在的地磁赤道沿线区域，另外一个在经度约-180°E～-100°E的东太平洋所在区域；谷值区夹在两个峰值区之间，一个在欧亚所在经度区，一个则在大西洋所在经度区，沿地磁赤道在分布形态上呈现4波结构.

图6 不同磁纬区不规则结构随地理经度的分布左侧为2019年数据，右侧为2020年数据；(a)偶极场坐标中磁纬大于45°的区域；(b)偶极场磁纬35°附近区域；(c)地磁赤道区；(d)偶极场磁纬-35°附近区域；(e)偶极场坐标中磁纬小于-45°的区域.Fig.6 Geographical longitude distribution of irregularities in different geomagnetic latitudesLeft panel represents data in 2019 and right panel data in 2020.(a)The region with geomagnetic dipole latitude >45°;(b)The region around geomagnetic latitude 35°;(c)The region near the geomagnetic equator;(d)The region around geomagnetic latitude -35°;(e)The region with geomagnetic latitude <-45°.

图6中全年不规则结构的空间分布，可以归纳如下空间演化特点：不规则结构在较高磁纬区集中分布于南北地磁极所在地理经度区，呈现2波结构分布形态；随着纬度降低，不规则结构虽然还是2波结构分布，但出现的空间位置逐渐偏离地磁极所在经度区，而且南北半球对应区域的变化具有反向/相对称的特性；最终汇集到地磁赤道区域，由南北半球较高及中纬度区的2波结构过度到赤道附近的4波结构.由此推测，地磁赤道附近的4波结构分布的产生可能与南北半球从高纬到中纬相似但相反的事件分布形态逐渐汇集、共同作用有关.

2.2 季节变化特点

分析图4的总体季节分布特征：南北半球在各自夏季检测到的不规则结构更多，而且各自夏季不规则结构的波动幅度也更大，赤道附近区域在所有季节都有不规则结构发生.北半球不规则结构发生季节存在明显的空间差异，其中西半球以夏季事件更多，而东半球则是所有季节都有发生，但数量上比西半球少得多，分布比较稀疏；南半球具有较大幅度变化的事件大都集中在较高纬度区，且多发生于该半球的夏季，而中纬度区的事件似乎更多发生于该半球的冬季，即北半球的夏季.鉴于南北半球不规则结构的季节变化比较复杂，有必要针对季节变化特性进行分析.

根据2.1节的分析结果，不规则结构在空间分布上呈现明显的规律性，因此对季节变化特征的分析需要针对不同空间区域分别展开.图7分别给出了2019、2020年数据在全部观测区、南北半球较高纬度区、南北半球中纬区以及地磁赤道区不规则结构的逐月统计结果.图8则给出了2019和2020年逐月观测轨道总数的统计结果，从图中可以看到ZH-1卫星在2019年2、9、10、11月观测轨道总数明显少于其他时间段；而2020年，卫星在所有时间段的观测轨道基本均匀分布.因此，为防止由于观测轨道不均匀覆盖可能导致的统计误差，图7同时给出了2020年检测事件的统计结果.后续统计分析中，两个年度数据有不一致之处时，两者汇总作为最终结果.

图7 不同磁纬区不规则结构随季节变化左侧为2019年数据，右侧为2020年数据；(a)全部观测区域；(b)北磁纬45°以上区域；(c)北磁纬35°附近区域；(d)磁赤道附近区域；(e)南磁纬35°附近区域；(f)南磁纬45°以上区域.Fig.7 Variations of irregularities with seasons in different geomagnetic latitudesLeft panel represents data in 2019 and right in 2020.(a)The region of all the observations;(b)The region with geomagnetic latitude >45°;(c)The region near geomagnetic latitude 35°;(d)The region near geomagnetic equator;(e)The region near geomagnetic latitude -35°;(f)The region with geomagnetic latitude <-45°.

图8 2019和2020年逐月观测轨道总数直方图Fig.8 Histogram of total orbit numbers in each month in 2019 and 2020

图7中，除个别纬度区，2019年和2020年不规则结构随季节的变化规律基本一致.为方便后文叙述及与其他研究结果比较，后文分析以季节作为时段.根据一般应用习惯，这里的春季对应2、3、4月，夏季对应5、6、7月，秋季对应8、9、10月，冬季对应11、12、1月，本文的1月份采用同一年度的1月份.后文中对季节的叙述和分析都以此为准，不再专门说明.

对于图7a所示的全部观测空间范围内的检测事件，2019年和2020年数据随季节的变化规律基本一致，但10、11月份的数据稍有差异，2020年10、11月事件检测结果明显多于2019年，应该与2019年这个时间段观测轨道数减少有关，但同时也应注意到1.2节图3所示的情况，从2020年10月份开始，太阳活动水平开始增强，导致从这个时间开始不规则结构数量突然增加.因此将两个年度的数据结果结合后，年度全部事件的季节变化特点可以归纳为：夏、冬季不规则结构数量明显多于春秋季，而冬季又明显多于夏季，秋季事件总数比春季稍多，不规则结构在秋季靠近冬季的月份开始增加一直延续到冬季结束.

对于南北半球两个较高纬度区(图7b和7f)的不规则结构，南北半球的季节规律基本呈反相变化.北半球的这个区域(图7b)，事件主要集中于春季接近夏季、夏季以及秋季靠近夏季的连续时段，峰值持续时间较长；而南半球该区域(图7f)的事件则主要集中于冬季及春季靠近冬季的连续时段.南北半球在变化规律的时间上基本是反相的，事件的峰值出现在各自的夏季；其中北半球的峰值区由夏季向秋季延长一个较长的时段，南半球则由冬季向春季延长一个较长的时段.这种事件峰值由夏季向后延续的特性在2019、2020两个年度的数据中都有表现，属于观测数据固有的特征，推测与太阳位置有关.我们将在第3节对此进行讨论.

对于南北半球中纬度区(图7c和7e)，2019年数据与2020年大致相似.图7c所示的北半球中纬区的事件主要集中在夏季，与图7b的较高纬度区相比，夏季峰值集中时段明显变窄，另外2019年数据在该区域还表现出了冬季(12、1月)事件有所增加的趋势；图7e给出的南半球中纬区，不规则结构除了冬季峰值集中时段，与图7f具有相似的季节规律外，还出现一个夏季次高峰的不规则结构集中时段，与北半球对应区域中2019年数据表现的冬季次高峰区域有所呼应.所以南北半球中纬区不规则结构的季节变化规律可以概括为：各半球的夏季为不规则结构的高峰时段，冬季有一个次高峰，春秋季事件数量则相对较少.

图7d所示地磁赤道附近区域，不规则结构的季节变化规律在2019年与2020年也大致相似，但2020年10、11、12连续3个月的事件数量远远超过2019年同期的事件数量，导致2020年数据的夏季峰值不明显，事件突然增加的时段与1.2节中图3显示的太阳活动增强时间一致，比较两个年度10月份之前的不规则结构，数量基本相当，所以2020年10月份开始的事件数量突然大幅增加的主要的原因应与太阳活动增强有关.综合两年的数据，在地磁赤道附近区域的不规则结构总体呈现两个峰值时段，分别出现在夏季和冬季，春秋季则相对较少.

图7中，2019年和2020年数据逐区域的季节变化规律基本一致，这种一致性表明数据所呈现的季节变化规律是真实存在的特征，而且这个特征可重复出现.从整体上分析，图7中几个磁纬区的季节变化规律具有随纬度逐渐变化、过渡的特点，从北半球较高纬度区以夏季峰值为主，随纬度降低，夏季峰值集中区逐渐变窄并开始出现冬季次峰值，到地磁赤道附近夏冬两个峰值大致相当，再到南半球较高纬度区夏季峰值消失，只有冬季峰值出现.不同纬度区季节变化的演化规律很明显与太阳的直射位置有关，我们将在第3节对此进行分析和讨论.

2.3 赤道区不规则结构

对赤道附近区域的不规则结构(亦或称之为电离层闪烁、等离子气泡等)已有很多研究结果，本文将这个区域单独分析，以便与其它研究结果比较.

根据前文定义，偶极场地磁纬度±20°范围划分为赤道区.另据前文对4个季节的规定，分别绘制赤道附近区域不规则结构的季节变化规律，结果如图9所示.

分析图9地磁赤道区不同季节不规则结构的地理经度分布，春季事件更多的区域在非洲经度区，夏季发生数量最多的区域在非洲和东太平洋经度区，秋季主要集中在东太平洋、南美洲以及非洲经度区，冬季则更多出现在太平洋经度区；太阳活动水平增强后，冬季不规则结构最多的区域则转移到大西洋经度区，其次才是太平洋经度区.由此可见，太阳活动强度可能会改变赤道区不规则结构的时空分布规律.

图9 赤道区不规则结构在不同季节的地理经度分布(a,b,c,d)分别代表春、夏、秋、冬.Fig.9 Geographical longitude distribution of equatorial irregularities in different seasons(a,b,c and d)represent the data in Spring,Summer,Autumn,and Winter respectively.

根据Brahmanandam等(2012)，将赤道划分为4个经度区，依次为：(1)亚洲区，60°E—160°E；(2)太平洋区，160°E—80°W；3)大西洋区，80°W—20°W；以及(4)非洲区，20°W—60°E .分别对4个区域的不规则结构做季节分析，结果如图10所示.

图10中，不同经度区的不规则结构随季节变化规律基本为夏冬季多于春秋季，同2.2节中图7d反映的季节规律一致，不同之处在于夏、冬季峰值的延续时间有差异.亚洲区和太平洋区(图10a和图10b)的夏冬季分明，夏季峰值一直延续到8、9月份，冬季相对持续时间较短；大西洋区(图10c)的冬季峰值明显向春季延伸，峰值持续时间较亚洲和太平洋区更长；非洲区冬季峰值仅出现在12月份，不规则结构主要出现在夏季.2020年数据由于受10月份开始的太阳活动水平增强影响，季节变化规律表现不甚明显.

图10 赤道附近不同地理经度区不规则结构的季节变化规律(a,b,c和d)分别表示亚洲、太平洋、大西洋以及非洲经度区.Fig.10 Seasonal variations of irregularities in different longitude sectors in equatorial region(a,b,c,and d)indicate Asian,Pacific,Atlantic,and African longitude sector,respectively.

3 分析与讨论

利用ZH-1卫星2019、2020连续2年原位电子密度观测数据，对卫星轨道观测范围，即地理纬度南北65°之间观测数据的电离层不规则结构进行检测和分析，获得了对顶部电离层午夜后不规则结构时空分布特征的进一步认识.由于ZH-1卫星为固定重访轨道、固定地方时观测，2年近10000个夜间轨道观测为这一研究提供了大量观测数据，得到一些不同以往的研究结果，有助于从更多角度认识和了解电离层.

一些研究结果认为：太阳活动低年，电离层闪烁主要集中在300～350 km及以下(Brahmanandam et al.,2012；Dymond,2012)区域，而卫星原位观测数据结果(Huang et al.,2002;Gentile et al.,2006)显示太阳活动低年电离层闪烁可出现在800 km以上的区域，本文设计的检测参数也可反映电离层闪烁现象，因此本文结果也证实了太阳活动低年顶部电离层仍有不规则结构出现；以往研究结果一般认为电离层不规则结构主要集中在日落后到午夜前，太阳活动低年的午夜后几乎没有不规则结构出现，本文研究结果却表明午夜后即使在太阳活动低年，顶部电离层仍有相当数量的不规则结构发生；以往研究结果认为在赤道附近的电离层闪烁季节变化规律为春秋季大于夏冬季，而且在不同经度区有不同的季节规律，本文结果却表明午夜后全球不规则结构的季节规律基本统一，都是夏冬季峰值，春秋季则相对较少.

针对这些问题，下面分别进行分析和讨论.

3.1 轨道高度与观测地方时

ZH-1卫星飞行高度为507 km，实际夜间观测轨道平均高度约为511.5 km.由于2019和2020年处于太阳活动水平较低时段，电离层在太阳活动低年时峰值高度较太阳活动高年更低(Basu et al.,1988;Huang et al.,2002)，相对而言，ZH-1卫星飞行高度更加远离F2层峰值高度区(hmF2)，处于电离层顶部区域.太阳活动低年时hmF2主要集中在200～300 km范围(Wang et al.,2020a)，距离卫星观测高度有较大差异，电离层顶部区域与F2层峰值区的不规则结构也会有差异.后续分析中应考虑观测数据所在高度差异可能引起的结果差异.

ZH-1卫星夜间固定观测时间主要集中于02∶00LT左右，为午夜后观测时段.相较于变化地方时的数据量，固定观测数据更为充分，因此本文结果能反映顶部电离层不规则结构更为精细的变化特征.卫星从地理南纬65°到北纬65°的时间间隔不超过30 min，沿卫星轨道的所有不规则结构可看作是同时观测的事件，由此得到的全部检测结果可反映全球不规则结构在02∶00LT前后的分布情况.连续2年的观测数据可反映这个时间电离层不规则结构的气候特征，相比于变化地方时观测数据的粗略气候特征统计结果，本文的细节特征更加丰富.因此，某些不同的研究结果也可能与数据展现细节的能力有关.

另外，由于本文使用的是午夜后观测数据，与之前主要聚焦于午夜前数据的研究结果比较时，也应考虑时间差异的问题.

3.2 检测标准

本文分析所用的检测结果以1.2节所述的0.3为检测阈值，即以归一化数据一阶差分序列的标准差大于0.3作为不规则结构的判定标准.为确认自动检测结果是否可信，通过人工方式核对大量检测事件，结果可信.以0.3为判定标准所选事件相对变化幅度较大，或者连续变化较为剧烈，该标准适用于太阳活动水平较低时不规则结构判定.2019和2020连续两年数据结果显示的空间分布和季节变化规律，具有一致性和重复性，可基本确认所得时空分布特性可信.

为确认检测阈值是否会影响统计结果，进一步以0.2为阈值标准再次检测全部数据，最终汇总结果为：2019年检测结果总数由阈值0.3的5916个增加到阈值0.2的11347个，2020年检测总数由阈值0.3的5637个增加到阈值0.2的9499.降低检测阈值后不规则结构的事件总数增长较快，但新检测结果的时空分布、随地磁纬度、地理经度的分布以及季节变化的统计特性与第2节的结果一致，可以确认前文中所述的检测标准不会改变总体分布特性的论述.因此，实际应用时可根据研究目标灵活选择判定标准而不会改变检测结果所反映的总体统计特性.

3.3 不规则结构形态

根据2.2节中对统计数据的空间分区，逐区检查不规则结构沿卫星轨道的分布形态，发现不同磁纬区不规则结构在形态上有较大差异.图11给出了几个纬度区典型不规则结构的形态，其中每个图右上角数字为绘图数据的轨道编号，图中虚线标示部分为所要反映的不规则结构的形态.

图11中，6748轨道反映的是北半球较高磁纬靠近地磁极所在经度区的不规则结构的典型形态，位于北半球电子密度较低(中纬槽)区向较高区过渡的位置；5387轨道则是北半球较高纬度远离地磁极所在经度区不规则结构的形态，位于北半球电子密度较高区向较低区(中纬槽)过渡的位置.将两者汇总，北半球较高纬度区的不规则结构可能与中纬槽有关，大致位于中纬槽两侧向较高电子密度区过渡的边缘位置，由于在过渡区的电子密度急速变化，导致不规则结构的产生.5091轨道为南半球较高纬度区不规则结构的主要表现形态，在轨道观测数据中表现为电子密度数据剧烈的上下波动.更多检测事件的数据分析结果表明，南半球较高纬度区的不规则结构基本上都表现为这种形态，大致也是处于由电子密度较低区向较高区或者反过来由较高区向较低区过渡的位置.

图11中，7041、8208、5409和5249轨道分别表示赤道附近在东太平洋、南美洲和大西洋、非洲以及亚洲所在经度区的典型不规则结构的形态.赤道附近，南美到非洲所在经度区，存在一些较大空间尺度(沿纬度超过1000 km以上)的等离子气泡(Plasma Bubble)，或者称之为等离子耗空区(Plasma Depletion)，如图11中8208、5409轨道所示情况，以及1.2节图2所示情况.Hei等(2005)利用AE-E卫星原位离子密度数据对赤道附近这个经度区的研究也发现这些大尺度不规则结构的存在，但他们所用数据大致在接近F层峰值高度处，而且观测数据的地方时限定在午夜前.比较他们给出的大尺度不规则结构与本文的结果，形态上相似，表明这种大尺度不规则结构可以从底部电离层一直延伸到顶部电离层，不仅出现在午夜前，而且可以出现在午夜后；Burke等(2009)对C/NOFS数据的研究结果也表明午夜后仍有大尺度的等离子气泡存在.这种大尺度不规则结构到底是午夜前生成，然后逐渐上升而出现在午夜后的顶部电离层，还是午夜后重新生成，现有研究结果没有统一说法.要确定这个问题，还需更多研究工作.

图11 不同磁纬区典型不规则结构形态每个图中右上角标注数字为卫星观测轨道编号；各图虚线标识部分为算法检测的不规则结构.Fig.11 Typical structures of irregularities in different geomagnetic latitudesNumbers in the upper right corner of each plot indicate orbit number；dashed line marked part in each plot indicates the irregularities detected by the algorithm.

图11中，6505轨道所示不规则结构代表北大西洋在中纬事件集中区的典型形态，这个区域的不规则结构在形态上与该经度区在靠近赤道位置的事件(8208、5409轨道)有差异，而且该集中区的事件主要出现在北半球夏季.图3中2019、2020连续2年检测结果都表明事件集中区真实存在，不是数据偶然误差造成.该区不规则结构形态与相同经度赤道区事件的差异进一步表明两者在形成机制上可能也有差异，关于这个问题我们还会在后续研究中继续关注.

图11中，7363轨道反映的是南半球中纬度区不规则结构的典型形态，这种不规则结构主要位于南半球中纬一个电子密度稍高条带向两侧电子密度较低区的过渡带，与北半球中纬槽区两侧出现不规则结构的情况类似，但在轨道数据形态上是相反的，即这些不规则结构出现在一个电子密度观测值较高条带两侧向较低值区过渡的位置.Wang等(2019b,2020b)对DEMETER卫星和SWARM星座原位观测数据的研究，发现在南半球中纬区存在电离层分层现象(Stratification)，分层现象的位置大致就在局部电子密度升高的区域，与图11的情况类似，存在一个电子密度升高的条带.所以，这个区域电离层的一些独特特性值得进一步关注.

通过对不同纬度区不规则结构形态的分析，赤道附近区域与其他区域的不规则结构在形态上存在较大差异，有关赤道附近的不规则结构的时空特征及成因研究很多，这里不再赘述.对赤道以外区域不规则结构的形态分析汇总，大致可归纳为：不规则结构大都出现在南北半球夜间电离层升高区域的上升或下降的过渡区，或者反之，出现在电子密度降低区域的下降或上升的边缘，由于在过渡区电子密度快速升高或降低，导致出现不规则结构.Su等(2006)利用ROCSAT卫星数据的检测结果也表明：中纬区存在不规则结构，但其形态与赤道区的气泡形态不同，他们认为中纬区不规则结构属于赤道不规则结构向中纬区延伸的残留部分.但本文结果似乎并不支持这种说法，关于中纬区不规则结构的研究内容极少，其成因问题尚需展开更深入的研究.

3.4 随太阳活动变化

根据1.2节图3所示太阳活动指数F10.7变化情况，2019到2020年10月之前太阳活动水平极低，2020年10月开始太阳活动水平增强，特别是10、11月，太阳活动水平明显高于其他时段，而该时段对应不规则结构数量，无论较同一年之前水平还是较2019年同时段水平，都表现为数量上突然增加，且大幅增加，即不规则结构数量增加与太阳活动水平增加同步发生.

很多前期研究结果都表明夜间电离层不规则结构数量随太阳活动水平增高而增加(DasGupta et al.,1981;Basu et al.,1988,2002;Huang et al.,2002;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Béniguel et al.,2009;Whalen,2009;Carter et al.,2013;Yu et al.,2017)，为进一步确认2020年10月开始的不规则结构数量突然增多的确切影响因素，对2019、2020两年度同期有不规则结构的轨道数与总轨道数的比例进行对比，以消除2019年几个月份中轨道总数偏少的影响.图12给出了总体观测以及5个磁纬区中有不规则结构的轨道数与总轨道数的逐月比值变化关系图.

由图12，在地磁赤道附近(图12d)和南半球中纬区(图12e)从2020年10月份开始，不规则结构发生率增加显著，北半球较高纬度区(图12b)、北半球中纬区(图12c)以及南半球较高纬度区(图12f)的增加并不明显.由于比例关系已消除2019年10、11月观测轨道数量少的问题，太阳活动水平增高是导致检测事件骤增的主要因素.10、11月太阳直射赤道及南半球低纬区，太阳活动水平提高对赤道及南半球中低纬的影响也最大，因此会导致赤道附近区域和南半球中纬区不规则结构的数量突然增加.由此，本文的研究结果也表明夜间电离层不规则结构与太阳活动水平密切相关，随太阳活动水平提高而增加.电离层不规则结构与太阳活动指数的同步变化也进一步表明：ZH-1卫星原位电子密度数据能正确反映电离层的相对变化，与王秀英等(2021)对这个数据集背景分析及数据质量评价的结论一致.

根据图12b和12c，北半球较高纬及中纬区不规则结构数量两个年度没有明显差异，因此推测太阳活动水平增强可能对赤道和夏季半球影响更大.另外，根据Nishioka等(2008)对赤道区不规则结构的研究结果：太阳活动水平对不同经度区不规则结构产生存在影响差异，大西洋、非洲和亚洲所在经度区影响最大.比较图3中2019年、2020年检测结果分布图，可以看到赤道附近的大西洋以及亚洲所在经度区2019年不规则结构数量普遍较少，但2020年增加了很多事件.这些增加的事件，尤其在大西洋经度区，使该区成为不规则结构发生最多的区域(图9)，所以2020年检测结果在赤道区沿经度的总体分布与前期研究结果基本一致，而2019年检测结果与之前研究结果不一致的情形可能与太阳活动水平低密切相关.另外，本文结果也进一步证实了Nishioka 等(2008)太阳活动水平对不同区域差异影响的结论.关于这个问题，待积累了不同太阳活动水平的观测数据后，我们会继续分析.

图12 2019和2020年有不规则结构轨道数与轨道总数比值的逐月变化曲线(a)全部观测；(b)偶极场磁纬>45°的区域；(c)偶极场磁纬20°到45°之间的区域；(d)偶极场磁纬-20°到20°的磁赤道附近区域；(e)偶极场磁纬-20°到-45°之间的区域；(f)偶极场磁纬<-45°的区域.Fig.12 Monthly variations of rates between orbits with irregularities and total orbits in 2019 and 2020(a)The regions with all the observations;(b)The regions with geomagnetic latitude >45°;(c)The regions with geomagnetic latitude between 20° and 45°;(d)The regions near the geomagnetic equator;(e)The regions with geomagnetic latitude between -20° and -45°;(f)The regions with geomagnetic latitude <-45°.

3.5 随季节变化

已有文献对不规则结构季节规律的研究主要集中在赤道地区日落后到午夜前时段，相对而言对中纬区不规则结构研究内容极少，可参考文献也较少.从本文2019和2020连续两年夜间检测结果的季节变化规律分析，无论全部数据，还是不同纬度区数据，午夜后不规则结构都呈现了随季节的规则变化，而且这种变化规律明显与太阳直射位置有关.具体表现：两半球较高纬度及中纬区都表现为夏季峰值的季节规律.这两个区比较，较高纬度区夏季峰值比中纬区延续更长时间，即较高纬度区夏季峰值开始时间早于而结束时间晚于中纬区峰值时段；然后逐渐过渡到赤道区夏冬季两个峰值、春秋季两个谷值的季节变化规律.另外，北半球夏季峰值向秋季延伸，南半球冬季峰值向春季延伸很明显，本文赤道区不规则结构表现的夏冬季峰值、春秋季谷值的季节变化规律与以往研究中得到的春秋季峰值、夏冬季谷值的季节规律(Aarons,1982;Huang et al.,2002;Burke et al.,2004a,b;Hei et al.,2005;Gentile et al.,2006;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Kil et al.,2009;Brahmanandam et al.,2012;Carter et al.,2013)完全相反.如何解释这种截然相反的季节变化规律？

首先，如前文所述，以往研究数据主要集中于日落后到午夜前时段，其季节变化规律主要表现为春秋季峰值，午夜后不规则结构是否继续延续午夜前的季节变化规律，现有研究内容尚不足以回答这个问题.虽然现有研究有些内容覆盖所有地方时(Carter et al.,2013;Yu et al.,2017)，但这种情况下对某个时段不规则结构季节变化的详细信息更少.因为午夜前有更多不规则结构产生，对所有地方时综合所得结果主要反映的是午夜前不规则结构的季节变化规律.其次，本文所用数据集中在太阳活动低年，虽然已有研究结果表明无论太阳活动高年还是低年，赤道区午夜前电离层不规则结构都是春秋季峰值(Huang et al.,2002;Gentile et al.,2006)，但午夜后是否能延续这种规律不得而知.根据DasGupta等(1981)对靠近赤道异常北峰区单台地基观测数据的研究结果：太阳活动低年时，夜间(包括午夜后)不规则结构仅出现在夏季及秋季部分时间；太阳活动高年时所有季节都有不规则结构出现，表现为春秋季大于夏冬季，即不规则结构的季节规律表现为由太阳活动低年的年周期规律逐渐过渡到太阳活动高年时的半年周期规律.另外，对ZH-1卫星原位电子密度数据的分析结果显示：太阳活动低年时会出现一些特殊空间气候现象，如夜间冬季异常现象(王秀英等，2021;Wang et al.,2021b)，类似于白天数据在太阳活动高年时的冬季异常现象(即冬季电子密度大于夏季).所以太阳活动水平较低时会有一些截然不同于活动水平较高时的规律，这种情况可能也会发生在电离层不规则结构季节规律的改变上.真实情况是否如此，还有待产出更多数据后继续进行更深入的研究.

根据太阳直射位置，对午夜后不规则结构的夏冬季峰值的季节规律给出一种解释.北/南半球夏季时，太阳直射北/南半球，较高纬度区白天时间较长，日落时间相应延后，日落后不规则结构增多的时段可以一直延续到午夜后，所以两个半球较高纬度区都有很长的夏季高峰时段.同理，这个解释也适用于两半球中纬区，但是相比于较高纬度区，中纬区只能在夏/冬至前后才会日落较晚，相应夏季峰值的持续时段比较高纬度区缩短.对于赤道区，根据已有研究(Carter et al.,2013；Yu et al.,2017)，赤道电离层不规则结构最为严重的时段发生在日落及之后的2～3个小时，赤道区的季节规律主要是这个时段的规律总结.本文夜间观测时段发生在02∶00LT前后，属于不规则结构数量开始减少的时段.根据Yu等(2017)以海口为中心对2007—2013年COSMIC星座S4指数的研究结果，无论太阳活动低年还是高年，02∶00LT时段不规则结构发生率都处于下降过程中.由于不同季节日落后不规则结构出现峰值的地方时有差异，春秋季峰值时间大致相当，夏季峰值时间晚于春秋季，冬季峰值时间最早，相应冬季峰值开始减少的时间也会比较早，其次为春秋季，最后为夏季，这种情况会导致午夜后不规则结构出现夏冬季峰值.另外，根据Su等(2006)对ROCSAT卫星原位数据的分析结果：太阳活动水平较高时，所有季节的不规则结构数量快速上升，21∶00—22∶00LT达到高峰，之后逐渐下降；与此不同的是，在太阳活动水平较低时夏季不规则结构的数量上升较缓慢，有一个比较宽的峰值区可一直延续到午夜后，这种情况也会导致午夜后不规则结构出现夏冬季峰值的季节变化规律.另外，由于夏季太阳直射对电离层影响具有滞后效应，所以北半球夏季峰值向秋季延伸，而南半球夏季峰值则向春季延伸.

最后，Dao等(2011)利用C/NOFS卫星原位观测数据研究后认为：太阳活动高年时，不规则结构可以升到更高的高度，所以消失得早；但在太阳活动低年时，不规则结构可以整晚都存在.他们的研究结果表明太阳活动会影响到午夜后顶部电离层不规则结构的季节变化规律，所以关于这个主题的研究待收集更多数据后还需要更深入的研究.

3.6 随空间变化

除明显的季节规律外，ZH-1卫星原位数据得到的不规则结构也呈现了明显的空间分布规律.

首先，不规则结构与地磁纬度密切相关，沿地磁纬度出现磁赤道、中纬区以及较高纬度区5个不规则结构的峰值区.以往研究认为不规则结构主要集中在赤道和极区，本文结果对此有不同认识，除赤道和极区外，中纬区太阳活动低年午夜后顶部电离层仍有一定数量的不规则结构存在.赤道附近的不规则结构沿磁纬近似呈正态分布，这种空间分布形态与利用AE-E卫星以及Alouette 1卫星数据的结果一致(McClure et al.,1977;Kil and Heelis,1998)，表明从总体上午夜前和午夜后不规则结构在空间分布上具有延续性，而且本文结果在赤道区的分布与之前研究结果基本一致，也表明向更高纬度延伸所得结果具有可信性.Su等(2006)利用ROCSAT卫星(观测高度约600 km，范围为南北地理纬度35°)原位等离子数据的研究结果，也发现中纬区有不规则结构存在.他们认为：赤道附近不规则结构随太阳活动增强而增加，但中纬区不规则结构可能主要发生在太阳活动水平较低的时间.本文研究数据正好处于太阳活动低年，根据图4和图5，中纬区在2019年存在一个小的峰值，而2020年数据受10月份太阳活动增强影响，北半球中纬区的峰值变得不明显，太阳活动在增强初期未对北半球(冬季半球)不规则结构产生明显影响.所以，本文结果支持Su等(2006)对不规则结构在空间分布上的推测，但3.3节对不规则结构形态分析结果不支持他们的“中纬区不规则结构是赤道区不规则结构在中纬区残留”的说法.具体情况如何，有待收集更多数据后的分析和研究才能确定.

其次，不规则结构的经度分布随磁纬也呈现了规则的空间演化规律.从两半球较高纬度区不规则结构主要集中在各自地磁极所在经度区的2波结构，到南北半球中纬区相位和数量相反变化的2波结构，逐渐过渡到赤道区的4波结构.这种空间分布的演化规律具有重复性，说明规律真实存在.根据空间演化规律，可进一步推测：赤道区4波结构可能由两个半球不同形态的2波结构叠加而形成.关于不同纬度区不规则结构的空间演化规律，没有可以参考的文献，以下主要分析赤道区不规则结构的经度分布与之前研究结果的异同.

赤道区不规则结构沿地理经度分布大致上与之前研究结果一致，即东太平洋到南美洲以及非洲区属于不规则结构较多的经度区；与之前研究结果不同之处在于大西洋经度区，图3中2019年数据显示这里的不规则结构较少，所以赤道区不规则结构的经度分布呈现为“东太平洋和非洲区为峰值，加在其间的亚洲和大西洋区为谷值”的4波结构.Li等(2007)利用ROCSAT和DMSP卫星原位数据的研究结果认为：非洲和大西洋经度区的不规则结构在夏季达到峰值，与2.3节图10结果一致.Kil和Heelis(1998)利用AE-E卫星原位数据的研究结果认为：大西洋-非洲所在经度区不规则结构数量最多，印度区最少；另外，Huang(2002)和Burke等(2004a，b)利用DMSP卫星数据以及Su等(2006)利用ROCSAT卫星数据的结果都认为：美洲到大西洋以及非洲区不规则结构最多.同这些研究结果相比，除大西洋外，本文数据在空间分布上基本与他们的结果一致，说明午夜前后电离层不规则结构在空间分布上具有延续性.但同时也应注意，Dao等(2011)利用C/NOFS卫星在太阳活动低年的数据也得到不规则结构沿经度分布的4波结构，他们推测：导致这种空间分布的控制因素不同于之前研究结果所支持的形成机制(Tsunoda,1985)，需要不同成因机制来解释；Burke等(2009)则认为：由于夜间赤道区电离层4波结构的分布受大气潮汐控制，反映电离层不规则结构的S4指数相应也会受到大气潮汐的控制和影响而呈4波结构.分析ZH-1卫星2019年夜间电子密度逐月全球分布，发现赤道附近的4波结构4—9月在大西洋经度区属于波谷区，而同时段东太平洋区、非洲区属于波峰区，与图3中不规则结构密集、稀疏分布的区域正好对应.这种空间分布支持Burke等(2009)对赤道区不规则结构沿经度分布的推测.

与赤道附近大西洋经度区不规则结构缺失相对应，在偏离赤道区的北大西洋中纬区出现一个不规则结构集中区.对这个区域轨道数据进一步核实，不规则结构出现的位置偏离赤道较远，北大西洋事件集中区真实存在.3.4节给出了这个区域不规则结构的典型形态，主要表现为电子密度观测数据变化比较剧烈，与赤道区的不规则结构形态上有差异.根据Ko和Yeh(2010)利用COSMIC数据对南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly，SAA)不规则结构的研究，他们认为：SAA区以及与SAA区对应的共轭区不规则结构比较集中，这个共轭区正好跟本文显示的北大西洋不规则结构集中区一致，由于SAA区的离子沉降会引起电离层的较大波动，继而导致其共轭区也会产生比较明显的扰动变化，出现不规则结构增多的情况.关于SAA区更进一步的讨论已超出本文范围，这里不再详述.

4 总结

本文利用ZH-1卫星2019、2020连续两年的原位电子密度观测数据，对卫星在南北地理纬度65°观测范围之间的顶部电离层在午夜后沿卫星轨道的不规则结构进行了研究.对卫星飞行高度的不规则结构的时空分布特征可以归纳为以下几点：

(1)不规则结构沿地磁纬度呈规律分布，其中地磁赤道、南北半球中纬区以及南北半球较高纬度区为不规则结构的峰值区，白天赤道异常峰值区为不规则结构的谷值区.

(2)不同纬度区不规则结构的地理经度分布呈现规律的空间演化过程，由南北半球较高纬度区峰值集中于各自地磁极所在经度区的2波结构，到南北半球中纬区相位和数量相反变化的2波结构，逐渐过渡到赤道区的4波结构.

(3)不同纬度区不规则结构的季节变化也呈现规律的空间演化过程，较高纬度区为当地夏季峰值，中纬区仍为夏季峰值，但持续时间缩短，到赤道区最终演变为夏冬季两个峰值、春秋季两个谷值的季节变化规律.

(4)赤道区，除季节变化规律与以往研究结果不同外，大西洋经度区的不规则结构较少，与以往研究结果也有差异.赤道区不规则结构沿经度分布呈现4波结构，与夜间电离层背景的4波结构分布一致.

(5)北大西洋中纬区有一个不规则结构集中的区域，与南大西洋异常区共轭，该区事件大都发生在北半球夏季，推测这里较多的不规则结构与SAA区有关.该区不规则结构较多与大西洋在赤道区不规则结构较少形成对比.

ZH-1卫星独特的观测地方时，为研究午夜后顶部电离层的不规则结构提供了一个很好的数据集.午夜后不规则结构在空间分布以及季节变化等方面既展现了与以往研究结果一致的一面，同时也呈现出了不同以往的时空变化规律，太阳活动水平和地方时可能会影响不规则结构的时空分布规律.对检测结果分析后，仍有一些问题没有得到解决，我们期望在积累更多观测数据后可以继续对这个主题进行更深入的研究.

致谢感谢审稿人的意见和建议，使本文得以完善.本工作使用了中国国家航天局和中国地震局支持的张衡一号的观测数据.本文使用的Dst指数数据从http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp下载，F10.7指数数据从ftp:∥ftp.swpc.noaa.gov/pub/indices/old_indices/下载.