基于2016-2018年IGS台网观测的美洲地区的低纬电离层特征分析

2024-01-16罗伟华冯睿耿令森

中南民族大学学报（自然科学版） 2024年1期

罗伟华，冯睿，耿令森

（中南民族大学电子信息工程学院，武汉 430074）

赤道电离异常（Equatorial Ionization Anomaly，EIA）是低纬电离层中非常著名的一种异常结构［1］.在低纬电离层中，电子密度通常在磁赤道上空存在一个极小值，而在离开磁赤道的±15～20°的区域出现两个极大，呈现一个沿纬度的窄的电子密度槽区［2］.一般情况下，EIA 会在地方时0600-0800 LT（Local Time）附近开始形成，在1400 LT 附近有一个极大，而在夜间2100-2300 LT 消失［3-4］，有时也可以持续至午夜之后［5］.

现在普遍认为，EIA 的形成与背景电离层中的东-西向电场（或等离子体垂直漂移）有关.由于E⇀×B⇀的作用，等离子体会向上运动至顶部电离层，导致磁赤道上空的等离子体密度减小，然后沿磁力线扩散到达磁赤道的南北两侧，在磁纬±15～20°的地方堆积，形成等离子体密度增加的两个峰，即“喷泉效应”［6］.另外，热层中性风场对EIA 的形成和发展也有着重要作用［6-8］.

EIA强度和南-北半球不对称是用于表征EIA变化特征的两个常用参数.一般用EIA 的峰-谷比值（Crest-to-Trough，CTR）表征EIA 的强度；EIA 的南北半球不对称性包括，南北驼峰处的电子密度大小表现为磁南-北半球不对称，南北峰所处的纬度也可能关于磁赤道不对称［9］.对EIA 强度和EIA 南-北半球不对称的研究可有助于我们进一步理解影响EIA生成和发展的物理因素.近年来，许多研究发现CTR存在日变化和季节变化特征以及对太阳活动的依赖.如CTR 值通常在1300-1400 LT 附近有一个极大；有时在2000-2100 LT 还会出现第二个极大.随着太阳活动的增强，正午期间的CTR 值可从1.14 增大为约1.43.春/秋季和冬季的CTR 值相对较大，而夏季的CTR 值最小［5，10-11］.有关EIA 南北半球不对称特征的研究相对较少.一些研究指出，EIA 的南北半球不对称也存在日变化和季节变化特征，但对太阳活动的依赖相对不明显［5，12］.

此外，EIA 的变化特征可与低纬电离层不规则结构（Equatorial Spread F，ESF）和电离层闪烁的出现联系起来.一些个例和统计研究表明［13-17］，在不同经度地区，EIA强度和南北半球不对称的变化与ESF和闪烁出现率都有较好的相关.例如，ESF更易于在EIA 强度（CTR 值）较大和EIA 较为对称时出现［18-19］.EIA 的强度和半球不对称可作为不规则结构和闪烁出现的一个前兆指标，这也有待进一步研究［19］.了解EIA 的强度和南北半球不对称性随地方时、季节和太阳活动的变化特征，有助于我们进一步了解低纬电离层中电动力学过程的变化特征，为进一步构建不规则结构和闪烁模型提供帮助.

本文利用国际导航服务组织（International GNSS Service，IGS）提供的地基GPS 观测数据，反演电离层总电子含量（Total Electron Content，TEC），分析美洲地区（300°E）的低纬电离层变化特征，重点研究赤道电离异常（EIA）和低纬电离异常（Low-latitude Ionization Anomaly，LIA）的强度和南-北半球不对称性随地方时、季节和年份的变化特性.本文结果将有助于我们进一步了解低纬电离层的变化特征及其中的电动力学过程，具有实际的科学意义.

1 数据来源及数据处理

在美洲地区，IGS 台站分布较为密集，数据易于获取.本文选取了2016—2018年美洲地区（300°E附近）南-北半球诸多台站中的部分低纬地区地基GPS观测数据，选用的观测台站分布如图1所示，台站的具体地理位置信息如表1 所示.本文所用IGS 数据从Madrigal 数据库获得（http：//madrigal.haystack.mit.edu/madrigal/index.html），数据的时间采样频率为30 s.其中，LMMF 和LPGS 两个台站的2017 年数据缺失.TEC的反演方法可参考文献［20］.

表1 选用IGS台站的地理位置和数据信息Tab.1 The longitude and latitude of the stations

图1 美洲地区，IGS台站地理位置分布Fig.1 The geographical distribution of the ground-based IGS stations in America sector

图2给出了2012-2018年期间，太阳黑子数的逐日变化.由图2 可注意到，2016-2018 年期间，太阳活动整体处于较低水平，只有偶尔几天，太阳黑子数超过100.此外，随着年份的增加，太阳活动也逐渐减弱.

图2 2012-2018年，太阳黑子数的逐日变化Fig.2 The daily variations of sun spot number during 2012-2018

为分析赤道电离异常（EIA）和低纬地区的电离异常（LIA）特征，包括EIA 和LIA 强度、以及EIA 和LIA 的南北半球不对称性，我们对同一经度区的南北半球纬度相近的不同台站导出的TEC 进行处理.类似文献［5］和［11］，分别定义可表征EIA 和LIA 的强度和南-北半球不对称性的计算公式如下：

式（1）-（3）中，TECN代表北半球的TEC 值（如BOGT、LMMF 台站），TECS代表南半球的TEC 值（如UNSA、LPGS 台站）.TECA表示南北半球两站台的TEC 平均值，可用于表征EIA（LIA）的强度.当TECA的值越大，意味着EIA（LIA）的强度越大.TECB和TECC用于表征EIA（LIA）的南-北半球不对称性.当TECB的值大于0，说明北半球的值大于南半球的值；当TECC的值越大，说明EIA 和LIA 的南-北半球不对称性越显著.

2 EIA强度和南-北半球不对称性特征

图3 给出根据近赤道地区的BOGT 和UNSA 台站观测数据导出的EIA 强度TECA在2016 年（a）、2017 年（b）和2018 年（c）随世界时（Universal Time，UT=LT+5）和日期的变化特征.其中，TECA由式（1）计算得到.

图3 地磁纬度±15°附近，2016（a）、2017（b）、2018（c）年，TECA随时间的逐日变化（LT=UT-5）Fig.3 Around ±15° geomagnetic latitude，the variations of TECA with times and days in 2016（a）、2017（b）、2018（c）respectively.（LT=UT-5）

由图3 可以看出，在地磁纬度±15°的近赤道区，TECA的值存在明显随时间、季节、年份的变化规律，具体可总结如下：

（1）EIA强度存在日变化特征.EIA强度在1800-2200 UT（1300-1700 LT）期间较大，在2000 UT（1500 LT）附近达到极大；在0200-1100 UT（2100-0600 LT）期间较小，在1000 UT附近达到极小.例如在2016年10月，2000 UT，TECA有极大值，约为80 TECU，在1000 UT附近，TECA有极小值，约为5 TECU.

（2）EIA 强度存在季节变化特征.EIA 强度在春、秋季（3-5 月和9-11 月）较大，在7-8 月较小.其中，最大值一般出现在春季或秋季，最大值可达到约85 TECU；夏季（7-8 月）的EIA 强度最小，TECA极大值约为20 TECU.

（3）EIA 强度存在年变化特征.随着太阳活动的减弱，EIA 强度逐渐减小.在太阳活动较强的2016年，EIA 强度要明显大于太阳活动较弱的年份.例如在2016年3月，TECA的极大值可达约80 TECU，在2017年3月和2018年3月，极大值分别约为50 TECU和30 TECU.

图4 给出EIA 的南-北半球不对称性（TECB和TECC）在2016年（a、b）、2017年（c、d）和2018年（e、f）期间随时间和日期的变化特征.其中，图4（a、c、e）由公式（2）计算得到，图4（b、d、f）由公式（3）计算得到.由图4 可以看出，EIA 的南北半球不对称性也存在显著的随时间和季节的变化特征，具体包括：

图4 地磁纬度±15°附近，2016-2018年，TECB、TECC随时间的逐日变化Fig.4 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECB and TECC with times and days in 2016-2018，respectively

（1）EIA的南北半球不对称性存在日变化特征.EIA 南北半球不对称性通常在2200-0200 UT（1700-2100 LT）期间变得更为显著，TECC值均在0.5以上.

（2）EIA 的南北半球不对称性存在季节变化特征.在不同年份，EIA 的半球不对称性在夏季（5—8月）期间最为显著，TECC均值可达0.7 以上.最大值出现在5—7 月，最大可到1.2 左右.而在其余季节，南北半球不对称性相对较弱.另外，整体上看，在夏季期间，TECB的值大于0，即北半球的值大于南半球的值；在冬季期间（12-1 月），会出现南半球的值大于北半球的值.

（3）EIA 南北半球不对称性随年份的变化特征并不显著.如在太阳活动较强的年份（2016 年），夏季期间TECC的最大值约为1.19，而在太阳活动较弱的年份（2018 年），夏季期间TECC的值约为1.21，由此说明，南北半球不对称性随年份变化不明显.

3 LIA强度和南-北半球不对称性特征

图5给出根据低纬地区LMMF-LPGS台站观测数据导出的LIA 强度（TECA值）在2016年（a）和2018年（b）随时间和日期的变化特征.

图5 地磁纬度±25°附近，2016年（a）和2018年（b），TECA随时间的逐日变化（LT=UT-5）Fig.5 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECA with times and days in 2016（a）and 2018（b），respectively.（LT=UT-5）

由图5 可以看到，在地磁纬度±25°的低纬度地区TCEA值也存在明显的随时间和季节的变化规律，具体可总结如下：

（1）LIA强度也存在显著的日变化特征.TECA在1600-2200 UT（1200-1800 LT）期间较大，在1800 UT（1300 LT）达到极大；在0200-1100 UT（2200-0700 LT）期间达到极小.

（2）LIA 强度也存在显著的季节变化特征.与EIA 强度的季节变化特征相似，LIA 在春、秋季期间（3-5月和9-11月）达到极大，冬季期间的LIA强度相对较弱，在夏季（5-8月）达到极小.

（3）LIA强度也存在年变化特征.随着太阳活动的减弱，LIA强度逐渐减小.

比较图3 和图5，可以注意到，LIA 强度的日变化、季节变化和年特征与EIA 的日变化和季节变化特征相似.如，EIA 强度和LIA 强度的极大值出现在1300-1500 LT 附近，EIA 强度和LIA 强度通常在春/秋季（3-5 月/9-11 月）达到极大，与其他经度区（如40°E、120°E 经度区）的EIA 特征一致［4-5，10-11］，这主要是与背景纬圈电场（等离子体垂直漂移）有关［6］.但它们也存在一定的差异.例如，与EIA强度相比，LIA强度相对较弱；但LIA强度的极大值出现时间要稍早于EIA极大值出现时间，这意味着低纬地区的等离子体更早达到运动平衡，使电子密度处于稳定状态.例如在2016年，EIA强度的极大值出现在2000 UT（1500 LT）附近，可达约85 TECU，如图3（a）所示，而在1800 UT（1300 LT）附近，LIA 强度的极大值约为60 TECU（如图5（a）所示）.冬季期间（12—1月），LIA强度仍比较明显，而EIA 强度则偏弱.这也表明，除了纬圈电场，其他因素也会影响等离子体运动，进而影响EIA和LIA的强度，如中性风场［4，6］、光化学反应［21］等.

图6 给出2016 年（a、c）和2018 年（b、d）期间，LIA 的南-北半球不对称性（TECB和TECC）随时间和天数的变化特征.

图6 地磁纬度±25°附近，2016年和2018年，TECB、TECC随时间的逐日变化Fig.6 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECB and TECC with times and days in 2016 and 2018 respectively

由图6可以看出，LIA南北半球不对称性也存在明显随时间和季节的变化规律.TECB、TECC极大值出现在2100-1000 UT（1700-0600 LT）期间，TECB、TECC的值在5-8月期间相对较大，即夏季期间的LIA南北半球不对称性更为明显.在大部分季节，LIA 南北半球不对称性随年份的变化特征也不显著；在冬季期间（1-2 月），太阳活动低年（2018 年）的半球不对称性相对更为显著，这意味着除了中性风场，还有其它因素可能影响南北半球不对称特征.

此外，由图6 还可以看到，在冬季期间（1-2月），TECB的值为负，即南半球的TEC 值相对较大；而在春/秋季和夏季期间，北半球的TEC 值要大于南半球的TEC 值.这与EIA 的南北半球不对称性相似，如图4所示.

比较图6和图4可发现，与EIA的南北半球不对称特征相似的是，LIA 的南-北半球不对称性也是在夏季期间更为显著，EIA 和LIA 的南北半球不对称性随年份的变化均不显著，这可能与热层中性风有关［6，8］.但整体上看，LIA 的南-北半球不对称特征较EIA 的南北半球不对称特征更为显著，特别是在春/秋季，这意味着EIA 和LIA 的南北半球不对称还可能与其他因素有关，如光化学反应［21］.