中低緯地區(qū)電離層對CIR和CME響應的統(tǒng)計分析

邱娜， 陳艷紅， 王文斌， 龔建村， 劉四清

1 中國科學院空間科學應用與研究中心， 北京 100190 2 中國科學院大學， 北京 100049 3 美國大氣研究中心， 博爾德 80307

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中低緯地區(qū)電離層對CIR和CME響應的統(tǒng)計分析

邱娜1,2， 陳艷紅1， 王文斌3， 龔建村1， 劉四清1

1 中國科學院空間科學應用與研究中心， 北京 100190 2 中國科學院大學， 北京 100049 3 美國大氣研究中心， 博爾德 80307

本文利用中低緯日本地區(qū)(131°E, 35°N)GPS-TEC格點化數(shù)據(jù),分析了2001—2009年間109個共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)(CIR)事件、45個日冕物質(zhì)拋射 (CME)事件引起的地磁擾動期間電離層的響應.結(jié)果表明，電離層暴的類型隨太陽活動的變化而有不同的變化，CIR事件引發(fā)的電離層正相暴、正負雙相暴多發(fā)生在太陽活動下降年，負相暴多發(fā)生在高年，負正雙相暴多發(fā)生在低年；CME事件引發(fā)的電離層正相暴和負相暴多發(fā)生在高年.CIR和CME引發(fā)的不同類型的電離層暴的季節(jié)性差異不大，在夏季多發(fā)生正負雙相暴.電離層暴發(fā)生時間相對地磁暴的時延大部分在-6～6 h之間，但CIR引發(fā)的電離層暴時延范圍更廣，在-12～24 h之間，而CME引發(fā)的電離層暴時延主要在-6～6 h之間.中低緯的電離層暴多發(fā)生在主相階段，其中CIR引發(fā)的雙相暴也會發(fā)生在初相階段.電離層負暴多發(fā)生在AE最大值為800～1200 nT之間.CIR引起的電離層擾動持續(xù)時間較長，一般在1～6天左右，而CME引起的電離層擾動持續(xù)時間一般在1～4天左右.

電離層暴； CIR； CME； 磁暴； 持續(xù)時間

1 引言

太陽活動引起地磁擾動，同時伴隨著全球范圍內(nèi)的電離層的變化，即電離層暴.電離層暴發(fā)生時電離層總電子含量(Total Electron Content, TEC)可能增加(正相電離層暴也稱正相暴)，也可能下降(負相電離層暴也稱負相暴)，也可能既有增加又有下降(雙相電離層暴.其中電子密度先增加后下降的擾動我們叫做正負雙相電離層暴也稱正負雙相暴，先下降后增加我們叫做負正雙相電離層暴也稱負正雙相暴).電離層暴的研究一直是電離層領域研究的熱點之一.

目前關于電離層暴的統(tǒng)計分析已有大量的工作，以前的結(jié)果給出了電離層的一些氣候?qū)W形態(tài)特征(Appleton et al.,1952; Martyn,1953; Matsushita,1959; Thomas and Venables,1966; Mendillo,1973; Balan and Rao,1990)，比如白天的正暴效應，夜間的負暴效應，冬季更容易出現(xiàn)正暴，夏季更容易出現(xiàn)負暴等.但是，這些只是一個非常平均的結(jié)果，實際上每一個地磁擾動在某一個時間、某一個地點對應的電離層擾動將如何表現(xiàn)，仍然很難回答.正因為如此，對于特定經(jīng)緯度的電離層擾動的統(tǒng)計研究,也受到了許多學者的關注(李春斌,2012; 張奇?zhèn)サ?1995; 占亮等,2007; 李利斌等,1996; Pr?lss et al.,1991; Adeniyi,1986; 趙必強,2006; 徐繼生等,2006; Zhao et al.,2012; Zhao et al., 2013).

電離層暴是伴隨著地磁暴發(fā)生的，而地磁暴的驅(qū)動源來自于太陽風擾動.引起地磁暴的源主要有兩種類型:一種是由太陽冕洞發(fā)出的高速流在行星際傳播過程中形成的共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)(Corotating Interaction Region, CIR)引起的地球磁場擾動(Crooker and Cliver,1994; Tsurutani et al.,1995)，這類磁暴為重現(xiàn)型磁暴.另一類是由于太陽爆發(fā)的日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection, CME)到達地球空間引起的地磁擾動效應，這類磁暴為突發(fā)型磁暴.

近年來，關于CIR和CME引起的地磁暴的分析有一些報道.CME主要來源是太陽活動區(qū)的爆發(fā)，其發(fā)生的頻次和太陽活動強弱關系密切，在太陽活動極大年發(fā)生頻繁(Webb,1991; Yashiro et al.,2004).CIR具有約 27 天的重現(xiàn)性，主導了太陽活動下降年及低年的地磁擾動(Richardson et al.,2001; Mursula and Zieger,1996).CIR與CME引發(fā)的地磁暴基本形態(tài)一樣存在著初相、主相 、恢復相，但每個階段的物理機制和引發(fā)的地磁暴形態(tài)特征存在著一定的差異(Tsurutani et al.,2006 ).Jian等介紹了CIR和CME在引發(fā)地磁暴過程中的不同作用(Jian L et al.,2006a; Jian L et al.,2006b).Borovsky和Denton(2010)利用多個衛(wèi)星和多臺儀器的觀測數(shù)據(jù)對CIR、CME引起的地磁擾動做了對比分析得出：CME引起磁擾期間等離子體片密度高、磁暴強度強，CIR引起磁擾期間的磁擾持續(xù)時間長.一些對CIR、CME進行分析的文章也指出由于CIR和CME引起的地磁暴具有不同的表現(xiàn)，如磁暴強度、恢復相的持續(xù)時間、電離層產(chǎn)生的響應等(Burns et al.,2012).

但是關于電離層對CIR和CME響應的具體比較研究極少，目前只有劉晶等給出了CME和CIR期間電離層存在的共性和差異(Liu et al.,2010).兩者相同點是引發(fā)的電離層暴具有季節(jié)和地方時差異特征，兩者區(qū)別是夏季CME引發(fā)的電離層暴為負相暴，CIR引發(fā)的為正負雙相暴，且CME期間電離層TEC變化的強度高于CIR期間的.在本文中，我們選擇了中低緯地區(qū)日本格點(131°E, 35°N)(地磁緯度為28.24°N)2001—2009年間的TEC數(shù)據(jù)來具體統(tǒng)計分析電離層在磁暴期間的擾動特征，著重對CIR事件和CME事件引起的地磁擾動期間的響應特征進行比較分析，得到在不同擾動源下的電離層暴類型的太陽活動高低年分布、季節(jié)分布、時延、持續(xù)時間等特性.CIR的出現(xiàn)具有重現(xiàn)性,引起的地磁擾動具有可預測性,CME具有突發(fā)性，引起的地磁擾動強.通過對這兩種不同類型擾動源引起的電離層響應的對比，讓我們能更加深入地了解電離層暴的形態(tài)變化和物理過程，為將來根據(jù)不同太陽風條件，提前預測電離層的擾動狀態(tài)提供參考.

2 數(shù)據(jù)及分析方法

2.1 地磁數(shù)據(jù)

本文根據(jù)Jian等制定的CIR、CME開始時間和結(jié)束時間的標準來選定不同源的事件引發(fā)的磁暴，并逐一確定該磁暴的主相開始時間和磁暴類型(Jian L et al.,2006a; Jian L et al.,2006b).

目前常用磁暴急始時間和主相開始時間表示磁暴開始時間.磁暴急始是行星際激波伴隨的高速等離子體突然壓縮磁層而引起的脈沖型擾動，一般在幾個小時之內(nèi)(Ogilvie et al.,1968; Siscoe et al.,1968).磁暴主相是由于赤道平面內(nèi)建立了一個新的由較低能量的帶電粒子組成的環(huán)電流引起的地磁擾動，主相開始時間對應著Dst指數(shù)開始持續(xù)的大幅度下降時刻(Akasofu and Chapman,1961).本文我們選擇磁暴主相開始時間作為磁暴開始時間，是因為地磁急始與顯著的磁層能量注入并沒有太大的關系而磁暴主相與極區(qū)的能量注入有關.在實際情況下地磁場一直處于復雜的擾動中，且磁暴初相持續(xù)時間在2～10 h不等，磁暴急始很難準確確定，極易帶來不可避免的人為誤差.

在本文中我們用Jian等確定的CIR和CME列表來進行研究，每一個CIR和CME事件都給出了開始時間、結(jié)束時間(Jian L et al.,2006a; Jian L et al.,2006b).但是，我們沒有直接將CIR、CME開始時間作為磁暴開始時間，因為磁暴的發(fā)生與CIR和CME之間存在一定的時間延遲.我們對磁暴主相開始時間與CIR、CME開始時間的時延做了統(tǒng)計.統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示.

圖1 地磁暴的開始時間和CIR、CME開始時間的延遲Fig.1 Time delay between the onset of magnetic storms and that of CIRs and CMEs

CIR、CME是位于日地空間拉格朗日L1點處的ACE衛(wèi)星和Wind衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)，距離磁層還存在一定的距離.太陽風從L1處到磁層有一定的時延.根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看到磁暴主相開始時間與CIR、CME開始時間的時延大于5h的比例為45.86%，CIR、CME開始時間并不能代替磁暴主相的開始時間.所以，最終我們選擇將磁暴主相開始時間作為地磁活動時間.

2.2 電離層數(shù)據(jù)

電離層擾動在各個地區(qū)并不相同，在統(tǒng)計分析前，首先要明確定義電離層擾動.這里我們確定的方法是計算TEC偏離靜日擾動的相對偏移量ΔTEC，如下式：

由于電離層靜日變化明顯，且目前對電離層靜日變化的標準沒有統(tǒng)一的看法，采用不同的標準分析電離層靜日擾動存在著一定的差別(Wrennetal.,1987;Belehakietal.,2000).有以磁暴發(fā)生前最近靜日1天或者5天的TEC均值為基準，也有以當月的月中值或月均值或28日(擾日前14個靜日，擾日后14個靜日)的平均值作為基準.這些方法各有優(yōu)缺點.我們采用前后7天共15天的滑動中值作為磁靜日擾動量.這樣盡量地避免了前后不同源引發(fā)的電離層擾動帶來的影響.

圖2 電離層TEC靜日擾動相對偏移量百分比的頻率分布圖Fig.2 Histogram of the relative percentages of ΔTEC

為了清楚地顯示地磁暴、電離層暴的選擇標準，圖3—6給出了正相暴、負相暴、正負雙相暴、負正雙相暴4個實例.縱軸從上到下依次是：行星際磁場南北向分量Bz、太陽風速度V、太陽風密度N、地磁指數(shù)Dst、極光電急流AE指數(shù)、TEC值、ΔTEC，橫軸為世界時.在這些事件中，紅色實線為CIR、CME列表中給出的發(fā)生時間，紅色虛線為CIR、CME結(jié)束時間，藍色實線為我們確定的磁暴主相開始時間，綠色實線為電離層暴開始時間，綠色虛線為電離層暴結(jié)束時間，綠色點虛線為雙相電離層暴的正負轉(zhuǎn)換時間.例如：圖3為CIR事件期間的一次正相暴事件.在這次事件中，CIR發(fā)生在2003年12月20日0時(紅色實線)，結(jié)束于2003年12月22日0時(紅色虛線)，磁暴主相開始于2003年12月20日7時(藍色實線)，而正相暴在2003年12月20日7時(綠色實線)開始，在2003年12月22日10.5時(綠色虛線)結(jié)束.

3 結(jié)果與討論

按照第2節(jié)介紹的磁暴開始時間和電離層暴分類確定方法，我們利用中低緯地區(qū)日本格點(131°E, 35°N)的TEC數(shù)據(jù)，選取2001—2009年磁暴發(fā)生在白天(8∶00LT—18∶00LT)的事例對不同行星際條件引發(fā)的地磁暴期間的電離層擾動形態(tài)進行統(tǒng)計分析，得到該地區(qū)電離層對CIR和CME響應的基本特征.在本文中我們用“P”表示正相暴，“N”表示負相暴，“P-N”表示正負雙相暴，“N-P”表示負正雙相暴.

高琴等(2008)利用1959—2006年磁暴事件得到中低緯地區(qū)電離層暴隨緯度、季節(jié)和地方時的分布特征，同時得到了電離層暴時延特征.我們跟高琴的統(tǒng)計方法和研究方向有一定的相似但也存在著差異.除了與高琴一樣分析電離層暴的季節(jié)變化和時延變化之外，我們主要研究發(fā)生在白天的磁暴事例，側(cè)重對不同行星際條件引發(fā)地磁暴期間的電離層暴的統(tǒng)計分析，且進一步研究了電離層暴類型與磁暴強度的關系及電離層的持續(xù)時間特征.

圖3 2003年12月19日CIR事件期間正相暴事件Fig.3 Example of a CIR-induced positive storm on Dec.19, 2003

圖4 2001年6月18日CIR事件期間負相暴事件Fig.4 Example of a CIR-induced negative storm on Jun.18, 2001

圖5 2002年7月11日CIR事件期間正負雙相暴事件Fig.5 Example of a CIR-induced positive-negative biphasic storm on Jul.11, 2002

圖6 2007年10月17日CIR事件期間負正雙相暴事件Fig.6 Example of a CIR-induced negative-positive biphasic storm on Oct.17, 2007

圖7 電離層暴的年份分布Fig.7 Year dependence of ionospheric storms

圖8 電離層暴的季節(jié)分布Fig.8 Seasonal dependence of ionospheric storms

3.1 電離層暴類型隨年份、季節(jié)的分布

CME在太陽活動高年發(fā)生頻次高，主導了高年的地磁活動，而CIR則主要在太陽活動下降年和低年主導地磁擾動.我們分析了第23太陽活動周電離層不同擾動形態(tài)在CME和CIR期間的異同，如圖7所示，其中橫軸為年份，縱軸為統(tǒng)計的數(shù)目.從圖中可以看出，中低緯電離層對于白天發(fā)生的地磁暴的響應主要表現(xiàn)為正相暴和雙相暴.正相暴在太陽活動周發(fā)生較均勻，但CIR事件引發(fā)的正相暴多發(fā)生在下降年，而CME事件引發(fā)的正相暴多發(fā)生在高年.負相暴均多發(fā)生在高年，低年2009年也會發(fā)生，在下降年期間幾乎不發(fā)生，CIR、CME引起的負相暴在年份上差別不是很大.正負雙相暴多在下降年發(fā)生，基本上都是由CIR源引起的，CME源引起的正負雙相暴在下降年和低年幾乎不發(fā)生.負正雙相暴在低年發(fā)生，基本上都是由CIR源引起的，CME源引起的負正雙相暴在低年幾乎不發(fā)生.

為了考查電離層暴的季節(jié)效應，我們將一年分為春秋季(3、4、9、10月)、夏季(5、6、7、8月)、冬季(1、2、11、12月)進行各類電離層暴的統(tǒng)計分析，如圖8所示，圖中橫軸為季節(jié)分布，縱軸為統(tǒng)計的數(shù)目.

從圖中可見，CIR和CME事件期間兩者引發(fā)的電離層響應沒有明顯的季節(jié)性差異，正相暴、負相暴、負正雙相暴在各個季節(jié)發(fā)生率差別不大，但正負雙相暴主要在夏季發(fā)生.以前的統(tǒng)計分析中夏季主要發(fā)生負相暴(李春斌,2012; 高琴等,2008; Matsushita,1959; Duncan,1969; Basu and Guhathakurta,1975)，而我們的結(jié)果有一定的差異，這可能與我們選取的地區(qū)為中低緯有關，也可能與電離層發(fā)生的地方時有關.

Thomas和Venables(1966)、Mendillo(1973)、Balan和Rao(1990)等研究了中低緯電離層暴的發(fā)生對于地方時的依賴.他們的研究結(jié)果顯示，夜間有利于負相暴的發(fā)生，而白天有利于正相暴的發(fā)生.我們統(tǒng)計的是起始于白天的地磁活動，在此時間段正相暴易于發(fā)生、負相暴受到抑制.所以，負相暴的統(tǒng)計結(jié)果跟以前的統(tǒng)計分析存在著一定的差異.

電離層暴的產(chǎn)生機制目前還沒有一致的解釋，正相暴的機制比較復雜，與中性風、穿透電場、大氣環(huán)流、TID等因素有關(Mendilo,2006).但對于中緯負相暴的機制目前沒有太大的爭議，主要跟氣體中性成分的改變有關.

Duncan(1969)在總結(jié)前人的基礎上提出了“暴時環(huán)流”理論.此后經(jīng)過不斷完善基本上可以用來解釋中高緯電離層負暴的季節(jié)分布和地方時分布特征.磁暴期間，極光粒子沉降、極光電急流在電離層中產(chǎn)生焦耳熱.極光橢圓區(qū)熱層底部大氣受熱上升，上升的N2增加.這些含有較多N2分子的氣體不斷地向外膨脹和擴散.同時被向赤道方向的中性風攜帶到中緯，F(xiàn)2層電子損失系數(shù)β正比于分子成分的密度，因此在中高緯產(chǎn)生負相電離層暴(趙必強,2006).中性風向赤道方向的傳輸受到背景風場的方向和強度的作用.不同季節(jié)背景風場的不同導致了電離層暴的季節(jié)效應.在冬季，極向背景風場強，在中低緯可以觀測到很強的電離層正相暴.在夏季，極向背景風場弱，在白天大部分為赤道向背景風場，則夏季白天夜晚都比較容易發(fā)生負相暴(Wang et al.,2010; Pr?lss,1993).從地方時上看，背景風場是白天為極向，夜間為赤道向.白天背景風場與中性風場相互抵制，導致白天電離層負相暴局限于較高的緯度地區(qū).夜間背景風場與中性風場共同作用，使中性風成分傳播到較低的緯度，因此在中低緯地區(qū)夜間易發(fā)生負相暴(Pr?lss,1993).

3.2 電離層暴的延遲

一般來說，當發(fā)生磁暴時電離層并不是馬上得到響應，而是經(jīng)過一段時間才會引起電離層的變化.電離層暴響應源不同，響應時間將有長有短；電離層擾動類型不同，響應時間也會有長有短.根據(jù)2.2節(jié)的介紹，我們將CIR和CME事件期間連續(xù)持續(xù)4 h以上的電離層擾動剛開始達到15%的時刻定為電離層暴的起始時間.統(tǒng)計電離層暴開始時間與地磁暴主相開始時間的延遲，結(jié)果如圖9所示，橫軸為時延時間，縱軸為統(tǒng)計的數(shù)目.從圖9可以看出，各類電離層暴開始時間與地磁暴的發(fā)生時間差主要在-6～6 h之間.從CIR和CME的比較來看，CIR引發(fā)的正相暴與CME引發(fā)的正相暴開始時間與磁暴主相的時延范圍在-6～24 h之間，但大部分都在-6～6 h之內(nèi).CIR引發(fā)的負相暴時延主要為-6～6 h，CME引發(fā)的負相暴延遲時間為0～12 h. CIR引發(fā)的正負雙相暴時延范圍為-12～12 h，而CME引發(fā)的正負雙相暴時延主要在0～6 h.負正電離層暴主要發(fā)生在CIR引起的地磁暴之間，一般在-24～12 h之間.總的來說，CME引起的正暴、負暴和正負雙相暴發(fā)生時間主要在磁暴發(fā)生后0～6 h，而CIR引起的電離層暴的開始時間范圍更廣.

為了更清楚了解電離層不同類型擾動在磁暴各個階段的出現(xiàn)情況，我們統(tǒng)計了電離層暴開始時間與磁暴不同階段之間的關系，如圖10所示，橫軸為電離層暴的類型，縱軸為統(tǒng)計的數(shù)目，其中初相、主相和恢復相是根據(jù)Dst在不同階段的形態(tài)而定義的(Danilov,2001).圖10中可以看出，對于CIR引發(fā)的電離層暴來說，電離層正相暴、負相暴多發(fā)生在磁暴的主相階段；正負雙相暴多發(fā)生在磁暴初相、主相階段；負正雙相暴多發(fā)生在磁暴初相階段.對于CME來說，電離層正相暴、負相暴、正負雙相暴多發(fā)生在磁暴主相階段.

圖9 電離層暴的開始時間與磁暴主相時間的時延Fig.9 Time delay between main phase onset and corresponding onset of ionospheric storms

圖10 電離層暴在磁暴不同階段的類型分布Fig.10 Different magnetic storm period dependence of ionospheric storms

電離層正暴和正負雙相暴開始于磁暴的初相和主相階段，這可能與磁暴期間行星際擾動引起的穿透電場有關，當行星際磁場南向分量變化時，會引起東向的穿透電場，穿透到中緯地區(qū)，將電離層抬升到復合率更小的高度，引起電子密度增加，在磁暴初主相期間的正暴一般認為穿透電場的作用更加明顯(Mendilo,2006; Wang et al.,2010; Lei et al.,2008).另外，小部分正暴和正負雙相暴是在磁暴恢復相期間開始發(fā)生的，主要體現(xiàn)在CIR引起的正暴和正負雙相暴中，恢復相期間CIR引起的行星際擾動一般能持續(xù)6～7天(Richardson et al.,2001)，這時行星際持續(xù)擾動引起的穿透電場也仍然可能是引起電離層正暴的原因.另外，中性風、熱層大氣環(huán)流引起的成份以及TID都可能是引起恢復相期間開始出現(xiàn)正暴的原因(Mendillo,1973).

從圖10中我們也可以看到，有些電離層暴也會在磁暴初相期間發(fā)生，特別是CIR引起的負正雙相電離層暴，圖9也表明了負正雙相電離層暴一般開始于磁暴主相前，有時甚至在12個小時之前，關于暴前的這種電離層擾動還很難解釋，一方面可能是由于其他的一些物理過程還不為人們所了解，另一方面也可能與我們的數(shù)據(jù)分析方法有關，因為我們以Dst擾動來作為磁層擾動的標志，但在Dst有反應之前，極光橢圓區(qū)粒子的加熱已經(jīng)存在，可能會引起全球電離層的擾動.

3.3 電離層暴類型與地磁暴強度之間的關系

我們選取的磁暴發(fā)生時間都是在白天，但同一地點電離層擾動的反映并不相同，這與電離層的逐日變化、季節(jié)和太陽活動都有一定的關系(如3.1節(jié))，另外，磁暴的級別也可能是引起電離層反映不同的原因之一.本文我們對電離層類型與磁暴級別、AE最大指數(shù)的關系做了統(tǒng)計.圖11為電離層暴類型與磁暴期間Dst最小值、AE指數(shù)最大值之間的關系的統(tǒng)計圖.

從圖11(a、c)中電離層暴隨Dst極值的分布可以看出，大部分的電離層擾動都發(fā)生在Dst為-50 nT～0之間，小于-50 nT的樣本很少，很難得到電離層暴類型與Dst大小之間的關系.但從AE最大值與電離層暴的類型來看(圖b、d)，可以看出電離層負暴和正負相暴多發(fā)生在較大的地磁擾動期間，特別是電離層負暴多發(fā)生在AE極大值為800～1200 nT之間.我們知道，Dst指數(shù)主要表征磁層環(huán)電流的大小，而AE指數(shù)主要表征極區(qū)地磁亞暴和極光電集流的大小，與電離層的關系更為密切.強磁暴期間中緯更容易出現(xiàn)負暴也與熱層的化學成份有關，極區(qū)焦耳加熱能量越高，成份擾動帶能擴展到更低的緯度，因此電離層負暴更容易在更低的緯度發(fā)生.

圖11 電離層暴類型與地磁暴強度之間的關系Fig.11 Geomantic storm intensity dependence of ionospheric storms

3.4 電離層暴的持續(xù)時間

電離層暴是有一定持續(xù)時間的電離層劇烈擾動現(xiàn)象的事件.在電離層暴期間，地面上短波無線電通信會受到破壞，因此了解電離層暴的持續(xù)時間很有必要.目前關于電離層暴持續(xù)時間的統(tǒng)計研究并不多.鄧忠新等(2012)對1999到2006年間青島站的電離層正負相暴擾動的持續(xù)時間和平均持續(xù)時間做了一些統(tǒng)計：正相暴和負相暴的正負相暴持續(xù)時間在6～11 h，其平均持續(xù)時間分別為10.9、10.5 h.Liu等(2010)指出電離層暴持續(xù)時間與季節(jié)、緯度和磁暴強度有關，在中高緯地區(qū)，電離層負相暴持續(xù)時間在9～16 h之間，在中低緯電離層負相暴持續(xù)時間短，為5～8 h.正相暴在冬季半球中高緯地區(qū)的白天和極區(qū)的夜間持續(xù)時間較長，而在中低緯地區(qū)的夜間持續(xù)時間較短.

在本文中，根據(jù)第2.2節(jié)中定義的電離層暴的開始時間和結(jié)束時間，我們將相同類型的電離層暴進行時序疊加，對不同源引發(fā)的電離層暴的持續(xù)時間進行統(tǒng)計分析.

圖12是CIR、CME引發(fā)的正相暴的持續(xù)時間.橫軸是持續(xù)時間(單位小時)，縱軸是靜日擾動的相對偏移量ΔTEC，開始時刻0是所有電離層暴開始的時刻，玫紅色粗線為多個電離層正暴疊加得到的ΔTEC中值.由圖很清楚地看到，CIR產(chǎn)生的正相暴持續(xù)時間大于CME產(chǎn)生的正相暴.CIR正相暴持續(xù)時間在1～6天、CME持續(xù)時間在1～4天.

圖13是2001—2009年CIR、CME負相暴的持續(xù)時間，可以看到CIR引發(fā)的負相暴事件持續(xù)時間一般在1～4天，但有時可以持續(xù)到5～6天，CME引發(fā)的負相暴持續(xù)在1～6天，但事例較少，結(jié)果不具有統(tǒng)計意義.

圖14是CIR、CME引發(fā)的雙相電離層暴的持續(xù)時間.CIR引發(fā)的雙相暴(正負雙相暴和負正雙相暴)持續(xù)時間為1～7天，CME引發(fā)的雙相暴由于統(tǒng)計樣本偏低沒有很大意義.但從圖中還是能看到CIR產(chǎn)生的雙相暴持續(xù)時間大于CME產(chǎn)生的雙相暴持續(xù)時間.

圖15給出了電離層暴所有類型的持續(xù)時間的統(tǒng)計.圖中很明顯地看出，正負雙相暴持續(xù)時間最長，一般在2～6天，負相暴和負正電離層暴持續(xù)時間居中，一般為1～5天，正相暴持續(xù)時間最短，一般為1～4天.CIR引發(fā)的電離層暴在正相暴、正負雙相暴和負正雙相暴持續(xù)時間都大于CME引發(fā)的電離層暴的.

從上面的結(jié)果可以得到，CIR引起的電離層擾動的持續(xù)時間比CME的要長，能夠達到6天左右，這可能與CIR和CME發(fā)生時行星際擾動的形式不同有關，CIR引起的太陽風高速流可持續(xù)很長時間，行星際磁場南向分量雖然極值不大(一般在-10 nT左右)，但磁場南北向的擾動持續(xù)時間很長，因此極區(qū)仍然有能量不斷注入，引起電離層的擾動.而CME發(fā)生時，磁場南向分量一般變化迅速而劇烈，但恢復期也較快，因此引起的電離層擾動時間也相對較短.但在我們分析的事例中，CME引起的電離層暴主要以正相暴為主，其他類型暴的事例都較少，還需要更多的事件進行統(tǒng)計分析.

基建檔案資料管理工作應該做到有計劃、有目標、有落實、有責任。承建單位管理層應該強化員工檔案資料管理意識，做好職責分配工作。建立完善的基建檔案管理制度。具體的管理工作可以通過以下方法進行：由副經(jīng)理或總工程師作為領導者，工程檔案部門作為專管人員，下級主管負責相應片區(qū)，具體事項由項目經(jīng)理和檔案管理人員負責，具體工作的落實由施工管理者來進行，明確劃分各級人員的職責權利，達到互相監(jiān)督的作用。對于大型的工程項目，要安排現(xiàn)場檔案管理人員，對于中小型項目部門，要有兼職人員對資料及時收集整理。

圖12 正相暴的持續(xù)時間Fig.12 The time duration of positive storms

圖14 雙相電離層暴的持續(xù)時間Fig.14 The time duration of biphasic storms

圖15 電離層暴的持續(xù)時間Fig.15 The time duration of ionospheric storms

4 結(jié)論

本文基于中低緯地區(qū)日本格點(135°E, 35°N)的GPS-TEC數(shù)據(jù)，分析了2001—2009年電離層TEC對CIR和CME 的響應.結(jié)果表明：

(1) 電離層暴分布存在著年份和季節(jié)性差異.電離層正暴在高低年出現(xiàn)概率差別不大，但高年主要由CME引起，低年主要由CIR引起.電離層負暴多發(fā)生在太陽活動高年.正負雙相暴多發(fā)生在太陽活動下降年，負正雙相暴多發(fā)生在低年，主要由CIR引起.季節(jié)分布上，夏季多發(fā)生正負雙相暴，其他類型電離層暴出現(xiàn)概率的季節(jié)性差異不大.

(2) 電離層暴對地磁暴的響應存在著一定的時延，主要分布在-6～6 h之間.CIR引起的電離層暴時延比CME引起的電離層暴時延范圍更廣.CIR引發(fā)的正相暴、負相暴多發(fā)生在磁暴的主相階段；正負雙相暴多發(fā)生在磁暴初相、主相階段；負正雙相暴多發(fā)生在磁暴初相階段.CME引發(fā)的正相暴、負相暴、正負雙相暴多發(fā)生在磁暴主相階段.

(3) 電離層暴的類型與地磁AE指數(shù)最大值間存在著一定的關系.電離層負相暴多發(fā)生在較強級別的地磁暴(AE最大值為800～1200 nT)之間.

(4) 對電離層擾動持續(xù)時間的分析表明，CIR引起的電離層擾動持續(xù)時間(1～6天)比CME的(1～4天)要長.這可能是CIR和CME在行星際擾動的形式不同而造成的.

關于電離層對行星際條件的響應有助于研究電離層的擾動.本文對2001—2009年間的電離層對CIR和CME響應的區(qū)別進行的相關分析進一步闡明了電離層變化與太陽活動、行星際條件、地磁條件之間的存在一定的關系，也為下一步更加細致地分析不同源下電離層暴的具體的形態(tài)打下基礎.

致謝 文中所采用的GPS-TEC、Dst和AE數(shù)據(jù)來自于世界數(shù)據(jù)中心日本電離層數(shù)據(jù)網(wǎng)站http:∥wdc.nict.go.jp/IONO/gps-tec/tecv/和地磁數(shù)據(jù)網(wǎng)站http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp.太陽風數(shù)據(jù)來自于http:∥omniweb.gsfc.nasa.gov.作者在此謹表感謝.

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(本文編輯 胡素芳)

Statistical analysis of the ionosphere response to the CIR and CME in Mid-latitude regions

QIU Na1,2, CHEN Yan-Hong1, WANG Wen-Bin3, GONG Jian-Cun1, LIU Si-Qing1

1CenterforSpaceScienceandAppliedResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3HighAltitudeObservatory,NationalCenterforAtmosphericResearch,Boulder80307,USA

The study of the ionosphere responses to Corotating Interaction Regions (CIRs) and Coronal Mass Ejections (CMEs) got much attentions in rencent years. With the comparison of different types of ionosphere response caused by different disturbance sources from solar activity and interplanetary solar wind, morphological changes and physical process of ionospheric storms can be understood more impressively and comprehensively. It provides a possibility to predict ionospheric disturbance states according to different solar wind conditions in advance as well.GPS-TEC data at a mid-latitude station (131°E, 35°N) are used to analyze the ionosphere response during geomagnetic disturbances induced by 109 CIRs and 45 CMEs over the period 2001 to 2009. Firstly, the TEC difference are determined to achieve the information of ionospheric positive or negative storms during the CIR and CME events. The definition of a ionospheric storms is relative TEC greater than or equal to 15% and persisting for more than 4 hours; Secondly, year dependence, seasonal dependence, time delay between ionospheric storms and geomagnetic storms, geomantic storm intensity dependence and time duration of ionospheric storms are analyzed in detail.Analysis results indicate that the types of ionospheric storms vary in different phases of a solar cycle. CIR-driven positive and positive-negative storms are more likely to occur in the declining phase of the solar cycle, while negative phase storms more in solar maximum and negative-positive storms mainly in solar minimum. CME-driven positive storms and negative storms mostly occur in solar maximum. There is no remarkable seasonal difference for the occurrence of different types of ionospheric storms except the positive-negative storms most likely to occur in summer. The time delays between geomagnetic disturbances and the start time of ionospheric storms are -6 to 6 hours in general, but CIR-driven ionopsheric storms involve in a wider range with a time delay of -12 to 24 hours and CME-driven storms is delayed from -6 to 6 hours. Moreover, for CIR-driven ionospheric storms, positive and negative storms mostly occur in main phase of magnetic storms, positive-negative storms mostly in initial and main phase, and negative-positive storms mainly in initial phase. For CME-driven storms, positive, negative and positive-negative storms basically occur in main phase. Our investigation also demonstrates certain correlation between the types of ionospheric storms and the AE maximum indices. Ionopsheric negative storms often occur in stronger geomagnetic activity, with the AE maximum intensity between 800 to 1200nT while positive-negative storms tend to occur with AE maximum intensity higher than 400 nT. Compared to CIR driven storms, AE maximum value during CME driven storms is higher. The duration of CIR-driven storms is longer (1 to 6 days) than that of CME-driven storms (1 to 4 days).The ionosphere response to interplanetary conditions contribute to the study the ionospheric disturbance. Statistical analysis of the ionosphere response to the CIR and CME in Mid-latitude regions indicate that there are some certain correlations among ionospheric changes, solar activities, interplanetary conditions and geomagnetic conditions. The ionospheric storms could be predicted more accurately and meticulously by distinguishing the different types of interplanetary conditions.

Ionospheric storm； CIR； CME； Geomagnetic storm； Time duration

10.6038/cjg20150704.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2012CB825606,2011CB811406)資助.

邱娜，女，碩士研究生，研究方向為電離層物理. E-mail: qiuna458317070@126.com

10.6038/cjg20150704

P352

2014-12-05，2015-06-09收修定稿

邱娜，陳艷紅，王文斌等. 2015. 中低緯地區(qū)電離層對CIR和CME響應的統(tǒng)計分析.地球物理學報，58(7):2250-2262,

Qiu N, Chen Y H, Wang W B, et al. 2015. Statistical analysis of the ionosphere response to the CIR and CME in Mid-latitude regions.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2250-2262,doi:10.6038/cjg20150704.