2001 号台风“黄蜂”路径电离层TEC 异常分析

吴梦瑶，张瑞鹏

（1.陕西铁路工程职业技术学院测绘与检测学院，陕西 渭南 714000；2.西安铁路职业技术学院土木工程学院，西安 710000）

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，研究者们渐渐发现，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。二十世纪五十年代，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]又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]提出了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。研究者们采用不同的数据，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，充分运用理论研究、实验观测、数值模拟等方法得出的大量结果也均证实台风发生发展期间会导致电离层发生形扰。

台风是发生在热带或副热带的一种非常强大且典型的天气系统，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探寻。本文采用国际GNSS 服务组织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1 号强台风“黄蜂”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，分析台风“黄蜂”发生前后路径特征点区域的电离层总电子含量（Total Electron Content，TEC）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GNSS 服务（International GNSS Services，IGS）组织发布，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局（NOAA）[18]。

2 电离层异常提取

台风“黄蜂”于Coordinated Universal Time（世界协调时，以下简称UTC），2020 年5 月12 日21 时被命名，国际编号“2001”，于5 月13 日发展成为台风，14日2 时向西西北方向推进并升格为强台风，当日12 时15 分在菲律宾沿海登陆，登陆时中心最大风力为14级（45 m/s）的，最终在5 月16 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。空间环境指数的活动水平见表1。选取2020年年积日119—138（2020 年4 月28 日—5 月17 日）共计20 d 的太阳及地磁活动水平数据变化情况，涵盖了强台风“黄蜂”发生前14 d、发生及消失后1 d 的全部时段。由图1 可以看到，地磁指数Kp、赤道地磁指数Dst以及太阳射电通量F10.7 在整体研究时段内均处于低活动水平，空间天气保持相对平静。

图1 2020 年4 月28 日—5 月17 日F10.7、Dst、Kp 指数变化

表1 空间环境指数的活动水平

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获得任意一点的TEC 数值。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，刘正彦教授提出了动态探测四分位距法[17]，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3个四分位数就把整个数列分成了4 个部分。以包含14项元素的数列为例，将元素按照从小到大的顺序进行排列，为X1，X2，…，X14，则

其中：Q1表示在该数值以下的元素占总数的25%，Q2表示在该数值以下的元素占50%，Q3表示在该数值以下的元素占总数的75%。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2 倍，异常检验的置信度为95%[18]。本文采用Q2=±1.5IQR作为TEC 是否出现异常的判定标准，即

本文选取的时间窗口为15 d，即取被分析日前14 d 无异常的电离层TEC 为背景值，对2020 年4月28 日—5 月17 日的台风路径参考点TEC 数据进行异常检测，采用上式探测上下限，观测值大于上界限UB视为出现正异常，小于下界限LB视为出现负异常。本文以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、风速及强度信息见表2。

表2 台风“黄蜂”路径特征点数据

绘制5 个参考点在2020 年4 月28 日—5 月17日台风中心电离层TEC 变化时间序列曲线，异常提取结果如图2 所示，图中横坐标0 代表5 月12 日台风起编日，3 条曲线从上往下分别代表上界限，台风中心上空电子浓度总含量在研究时段内的实际数值，下界限。

图2 台风“黄蜂”路径参考点电离层TEC 异常变化曲线

总体来看，5 个参考点处电离层均出现了数值不等的负异常，最早在台风形成前10 d（5 月2 日）就出现了扰动，但强度极其微弱。5 月5 日16：00—18：00UTC 间分别出现了数值为0.26 个TECU、0.39 个TECU、0.39 个TECU、0.67 个TECU、0.53 个TECU 的异常；8 日8：00—10：00UTC 分别出现了数值为0.13个TECU、0.53 个TECU、0.67 个TECU、0.53 个TECU、0.26 个TECU 和左右的异常，持续时间约2 h。台风发生前一日（5 月11 日）的0：00—4：00UTC、发生当日（5月12 日）的2：00—4：00UTC 及后一日（5 月13 日）的2：00—4：00UTC TEC 负异常最为集中且幅度明显，异常值均超过了1TECU，其中出现研究阶段的峰值，数值达2.0 个TECU，持续时间长达4 h。有3 个参考点5月15 日的6：00—8：00UTC 出现了值为0.39 个TECU、0.78 个TECU、1.04 个TECU 的异常。除此之外，在5 月7 日、9 日、10 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。

综上所述，电离层异常从台风形成前10 d 就已经出现但影响强度较小，随着台风发展的大部分时间有零散的异常出现，异常值集中出现在台风形成当天及前后一天，具体时间在0：00—4：00 UTC 之间，数值较其他研究时段更大影响效果更强，且异常属性均属负异常，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“黄蜂”之间存在一定联系。

3 结论

本文以2020 年太平洋台风季首个被命名的风暴——2001 号强台风“黄蜂”为例，采用国际GNSS 服务组织发布的全球垂直总电子含量数据，结合双线性插值、四分位距和滑动时窗的方法，分析台风路径特征点及附近区域在台风发生前后的电离层TEC 异常情况发现，取被分析日前14 d 无异常的电离层TEC 为背景值，对台风路径参考点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5月5 日、8 日、11 日、12 日及13 日的台风路径上空电离层发生扰动，在台风发生前一日（5 月11）扰动最为明显，峰值达2 个TECU。异常属性均为负异常，异常主要发生时间段在0：00 UTC 至10：00 UTC 之间。

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-电离层耦合机制解需要建立在大量统计事件的基础上分析可能存在的规律，根据台风发生前后电离层扰动信息的探测可对规律的探寻提供一定帮助并为今后的研究做铺垫。