基于地基GPS研究臺風(fēng)引起電離層TEC的變化特征

許九靖,柯福陽，趙興旺

(1.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.南京信息工程大學(xué) 遙感與測繪工程學(xué)院,江蘇 南京 210044)

0 引 言

早期的大量研究表明,電離層與低層大氣氣象活動是存在相互聯(lián)系的,低層大氣氣象活動會引起電離層結(jié)構(gòu)和物理特性的變化,產(chǎn)生小尺度的電離層擾動[1].臺風(fēng)便是一種典型且復(fù)雜的低層大氣氣象活動.1958年Bauer[2]首次發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)過境時電離層會產(chǎn)生擾動:當颶風(fēng)向臺站靠近時,F2層臨界頻率foF2開始增加;當颶風(fēng)最接近臺站時,地面氣壓降到最低,foF2增加到最大;同時,他假設(shè)性地提出了大氣輻散/輻合模式是颶風(fēng)產(chǎn)生電離層擾動的機理.1978年美國NASA的Hung等[3]利用高頻多普勒探測儀觀測到龍卷風(fēng)爆發(fā)期間電離層F層存在重力波并發(fā)生中尺度擾動,并以此認為重力波可能是產(chǎn)生電離層擾動的主要原因.臺灣的Huang等[4]研究發(fā)現(xiàn)高頻多普勒探測儀對由臺風(fēng)激發(fā)的能夠?qū)﹄婋x層產(chǎn)生擾動的聲重力波有效探測性較差.但是,肖冠賽等[5]通過北京大學(xué)高頻多普勒臺站,對24次臺風(fēng)事件進行了分析,其中有明顯擾動的記錄高達22次.1982年,沈長壽[6]統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn):臺風(fēng)對電離層foF2的變化有顯著影響,且因臺風(fēng)的遠近而不同,臺風(fēng)登陸前后電離層foF2明顯下降,并假設(shè)性地提出了湍流層頂移動是中低層大氣活動與電離層耦合的可能機理.劉依謀等[7]采用一維電離層模型驗證了沈長壽認為的臺風(fēng)期間湍流層頂?shù)奶赡苁桥_風(fēng)影響電離層F2區(qū)的一種有效機理的觀點.余濤等[8]通過對登陸廈門的一次臺風(fēng)分析認為:由于臺風(fēng)登陸前后,強烈的海氣、陸氣相互作用可能影響到電離層高度,從而導(dǎo)致電離層foF2、Es、和擴展F等參量的變化.隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始借助GPS-TEC來研究臺風(fēng)與電離層異常的耦合問題.毛田等[9]利用GPS臺站資料,研究了臺風(fēng)“麥莎”對電離層電子濃度總含量(TEC)的影響.Rice等[10]分析GPS觀測的電離層TEC發(fā)現(xiàn):Melor臺風(fēng)期間TEC顯著增強,很可能是由臺風(fēng)引起的.Lin等[11]認為臺風(fēng)期間的電離層異常是由垂直聲重力波引起的,且利用非線性主成分分析法可以準確探測出TEC異常在地圖中的位置.Kong等[12]提出臺風(fēng)激發(fā)的聲重力波引起了電離層行進式擾動(TID),并給出了擾動的速度和方向.

關(guān)于臺風(fēng)過程電離層擾動形態(tài)特征,不同學(xué)者的研究結(jié)果仍存在一些差異.這主要是由臺風(fēng)路徑上方監(jiān)測的電離層數(shù)據(jù)精度不高、可靠性低、不連續(xù)及缺失造成的[13].本文利用中國氣象局布設(shè)在廣州、福建等地的GPS氣象臺站提取區(qū)域電離層TEC,并結(jié)合IGS提供的全球電離層地理(GIM)數(shù)據(jù),借助滑動四分位距法[14]建立TEC的背景值與異常探測區(qū)間.綜合分析超級臺風(fēng)莫蘭蒂登陸對廈門地區(qū)電離層TEC的影響.

1 數(shù)據(jù)與方法

本文以1614號超級臺風(fēng)“莫蘭蒂”為研究對象,“莫蘭蒂”于2016年9月10日14時,在西北太平洋生產(chǎn),9月13日晚間風(fēng)速達到極值(75 m/s),9月15日3時5分登陸廈門,登陸時中心最大風(fēng)速52 m/s.9月16日凌晨,臺風(fēng)消散.圖1中粗實線表示臺風(fēng)“莫蘭蒂”經(jīng)過的路徑.

圖2為9月1日—9月19日空間環(huán)境指數(shù)F10.7、Kp和Dst的變化圖,虛線范圍內(nèi)為臺風(fēng)生成到消散的時間段.圖中所示時間段內(nèi)的F10.7指數(shù)均小于100,尤其在臺風(fēng)期間,F10.7指數(shù)均小于90.雖然在9月1日—9月10日,臺風(fēng)生成之前的這段時間,Kp指數(shù)大部分都大于3,且Dst指數(shù)也均小于-30.但是臺風(fēng)生成期間,Kp指數(shù)均小于3,且Dst指數(shù)絕大部分都大于-30(只有9月15日有一段時間小于-30).通常認為,F10.7指數(shù)小于100,太陽活動水平較低;Kp指數(shù)小于等于3和Dst指數(shù)大于-30,地磁活動較平靜.因此在臺風(fēng)“莫蘭蒂”生成到消散的這一時間段內(nèi),太陽和地磁活動都較為平靜.

本文所用數(shù)據(jù)為中國氣象局布設(shè)于廣東、福建、廣西、云南和貴州的GPS氣象站資料,站點分布如圖1所示.其中正三角標記為提取廈門地區(qū)TEC所用的GPS站點,倒三角為提取參照地區(qū)TEC所用的GPS站點.已有研究表明TEC的緯度效應(yīng)明顯,經(jīng)度效應(yīng)較小[15].即同緯度地區(qū),經(jīng)度變化對TEC產(chǎn)生的影響較小.因此本文利用廈門區(qū)域和參照GPS站點分別提取TEC,圖1中實心圓標記為臺風(fēng)登陸廈門點(24.5°N,118.3°E)與參考點(24.5°N,110.3°E)位置.臺風(fēng)期間兩地區(qū)的TEC變化差異有可能就是臺風(fēng)對廈門地區(qū)TEC的影響.

基于雙頻GPS數(shù)據(jù),利用雙頻P碼之差消去衛(wèi)星、接收機的鐘差和對流層延遲可得:

(1)

帶入頻率f可得接收機至衛(wèi)星路徑上的TEC觀測方程為

(2)

采用電離層單層模型(SLM)可將接收機至衛(wèi)星路徑上的TEC投影到穿刺點的天頂方向:

(3)

式中:R為地球半徑;h為電離層薄層高度,一般取450 km;α為衛(wèi)星的地平高度角.

因此,提取TEC的關(guān)鍵就是偽距差的優(yōu)化和接收機、衛(wèi)星硬件延遲的準確獲取.本文采用載波平滑偽距[16]的方法來得到較高精度的偽距差;然后利用區(qū)域球諧函數(shù)[17]方法進行接收機、衛(wèi)星硬件延遲估計.

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(4)

聯(lián)合式(3)和式(4)即可建立穿刺點的VTEC方程.因為每個測站每天有約20 000個觀測值,聯(lián)立方程組,基于最小二乘原理即可求出接收機、衛(wèi)星硬件延遲和球諧函數(shù)的系數(shù)[18].從而準確提取區(qū)域內(nèi)任意點的VTEC.

2 結(jié)果與分析

2.1 本文方法獲取的電離層VTEC與IGS提供的VTEC精度對比

利用圖1所示站點的GPS雙頻數(shù)據(jù),采用本文方法提取廈門和參考點上空的VTEC時間序列,并與IGS提供的GIM數(shù)據(jù)內(nèi)插得到的VTEC時間序列比較.如圖3所示,兩種方法得到的VTEC變化趨勢一致,其均方差分別為4.12 TECU、3.58 TECU.因此采用本文方法,通過區(qū)域建模得到的VTEC的精度較好,能夠用于臺風(fēng)影響電離層TEC的研究.

2.2 臺風(fēng)引起電離層擾動分析

為分析臺風(fēng)“莫蘭蒂”對廈門區(qū)域電離層TEC的影響,利用本文提取TEC的方法,建立廈門與同緯度不同經(jīng)度的參照地區(qū),從臺風(fēng)生成到消失的TEC時間序列如圖4所示,虛線為臺風(fēng)登陸時刻.

圖4顯示,廈門地區(qū)和參照地區(qū)的TEC時序圖趨勢基本相同,這進一步說明了TEC的經(jīng)度效應(yīng)不明顯.在臺風(fēng)登陸前,兩地的電離層TEC都較背景值有所上升.尤其是9月13日的上午(世界時),上升最明顯,這一時刻臺風(fēng)正好開始達到風(fēng)速極值.隨著臺風(fēng)的不斷臨近,兩地的TEC都開始趨于背景值.在臺風(fēng)登陸后的第二天,兩地的TEC又較背景值有所上升.圖4(c)為兩地TEC與背景值之差,從中可以看出,廈門地區(qū)的TEC變化在臺風(fēng)登陸前要大于參照地區(qū),而在臺風(fēng)登陸后的第二天里,廈門地區(qū)的TEC變化又小于參照地區(qū).之后兩地變化趨于相同.這正說明廈門地區(qū)TEC受臺風(fēng)影響,先上升后降低.

利用IGS提供的GIM數(shù)據(jù)建立臺風(fēng)路徑區(qū)域的電離層TEC與其背景值之差的分布如圖5所示，背景值的建立方法為滑動四分位距法.

臺風(fēng)登陸前一天,即世界時9月13日6：00,福建、臺灣地區(qū)上空電離層TEC值相較于其背景值有15～20 TECU的正擾動,且越靠近臺風(fēng)中心,擾動強度越大.這時臺風(fēng)開始影響臺灣島,且臺風(fēng)風(fēng)速達到極值(75 m/s).同一天的12:00,TEC異常值的范圍在12～15 TECU.9月14日6:00,臺風(fēng)登陸臺灣島,此時臺風(fēng)影響區(qū)域上空的電離層TEC相較其背景值的正擾動為1 TECU左右.而12:00時的TEC相較其背景值出現(xiàn)了1 TECU左右的負擾動,這時臺風(fēng)已經(jīng)離開臺灣島.

世界時9月14日18:00臺風(fēng)登陸福建廈門,此時福建、臺灣地區(qū)上空電離層TEC值并沒有出現(xiàn)較大的擾動,其與背景值的差值在1～2 TECU.

借助滑動四分位距法,以1.5倍四分位距為限差,對2016年9月13日全球電離層TEC異常進行探測.如圖6所示,6:00時臺風(fēng)周邊區(qū)域上空的電離層TEC異常已經(jīng)形成,10:00和12:00異常有所降低.16:00和18:00時,TEC異常降低到8～10 TECU,圖6中，當臺風(fēng)區(qū)域上空產(chǎn)生電離層擾動時，其赤道共軛區(qū)域也產(chǎn)生了電離層擾動，但是持續(xù)時間較短，形成原因還需要進一步的深入研究.

綜上,臺風(fēng)“莫蘭蒂”登陸臺灣島前一天,電離層TEC表現(xiàn)為較強的正擾動,隨著臺風(fēng)的臨近,TEC逐漸恢復(fù)到背景值,之后又出現(xiàn)了小尺度的負擾動.

2.3 可能機制分析

當臺風(fēng)臨近臺灣島時,臺灣地區(qū)和廈門地區(qū)上空電離層都出現(xiàn)了強烈的正擾動;當臺風(fēng)登陸廈門時,電離層TEC并沒有像臺風(fēng)臨近臺灣島那樣出現(xiàn)明顯異常.一方面是由于臺風(fēng)先經(jīng)過臺灣島后登陸廈門,所以廈門上空電離層TEC在臺風(fēng)臨近臺灣島時就發(fā)生了異常擾動.另一方面,當臺風(fēng)臨近臺灣島時,強烈的風(fēng)暴遭遇臺灣中央山脈的阻攔,為聲重力波的產(chǎn)生創(chuàng)造了一個絕佳的條件.之后,聲重力波向上傳播,并影響到電離層高度.而廈門地區(qū)的地形條件沒有起到這樣的阻攔作用.

3 結(jié)束語

本文基于雙頻GPS數(shù)據(jù)提取的區(qū)域電離層TEC,結(jié)合IGS提供的GIM數(shù)據(jù),共同分析了臺風(fēng)“莫蘭蒂”對TEC的影響.得出結(jié)論:

1)臺風(fēng)登陸廈門前一天,即世界時9月13日,廈門區(qū)域電離層TEC相較于其背景值和同緯度的參考區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的正異常擾動.

2)臺風(fēng)引起的區(qū)域電離層異常擾動,在其臨近臺灣島前就已經(jīng)出現(xiàn).9月13日的6：00異常值在15～20 TECU之間.隨著時間的推移,異常值逐漸降低,10小時后,異常消失;在世界范圍內(nèi),9月13日這一天,只有臺風(fēng)影響區(qū)域及其赤道共軛區(qū)出現(xiàn)了電離層TEC的異常.這一天的太陽和地磁活動都比較平靜,所以此次電離層異常擾動應(yīng)該是臺風(fēng)引起的.考慮到臺灣島的特殊地形(中央山脈縱貫全島,長約320 km,有62座山峰高度在3 000 m以上),當臺風(fēng)臨近時,強烈的對流風(fēng)暴遭遇中央山脈的阻攔,由此產(chǎn)生的聲重力波向上傳播,造成了電離層的異常擾動.