2018-08-25～29期間全球電離層TEC對地磁暴的響應分析

朱軍桃 劉玉升 林知宇 代程遠 毛志鋒

1 桂林理工大學測繪地理信息學院，桂林市雁山街319號，541006 2 廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林市建干路12號，541004

電離層是地球高層大氣，常受日地相互作用產(chǎn)生的空間天氣事件(如磁暴等)影響。在地磁暴期間，電離層狀態(tài)發(fā)生大幅度擾動，稱為電離層暴，電離層暴會對航空航天、導航、通訊等多個領域造成影響[1-2]。研究表明，磁暴期間電離層響應受磁暴強度、磁暴起始時間、電離層背景值、地方時、緯度、季節(jié)等因素共同控制，這使得電離層暴的機制十分復雜[3-8]。通常認為，在地磁暴期間，高緯粒子沉降產(chǎn)生的焦耳加熱作用使中性氣體膨脹，高緯電離層發(fā)生負暴[3-8]；同時受赤道向風場的作用，熱層中性氣體變化引起的電離層負暴會向中低緯度地區(qū)延伸，中低緯度電離層在電場、風場和地磁場的共同作用下容易引發(fā)電離層正暴[3-8]。雖然有大量研究對電離層暴事件進行過統(tǒng)計[3-4]與個例分析[5-8]，但目前對電離層暴的過程及機制的認識仍存在不足，對典型個例進行分析有助于驗證或補充以往電離層暴的發(fā)展規(guī)律，并促進對電離層擾動機制的理解。

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)不斷完善，分析地磁暴時電離層電子總含量(total electron content, TEC)的演變過程成為研究電離層暴的一種重要途徑。本文首先分析磁暴期間全球電離層TEC的大致變化，然后采用滑動四分位距法提取磁暴期間全球電離層TEC的異常擾動特征，并對可能的擾動機制進行探討。2018年為太陽活動低年，穩(wěn)定的太陽輻射為本次研究提供了良好條件。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文分析磁暴前后日地空間環(huán)境變化時使用的10.7 cm射電流量(F10.7)、太陽風速(Vsw)、星際磁場(interplanetary magnetic field, IMF)Bz分量、星際電場(interplanetary electric field, IEF)Ey分量、地磁Dst、Kp指數(shù)等數(shù)據(jù)均來源于美國宇航局戈達德太空飛行中心(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html)，時間分辨率為1 h。電離層TEC數(shù)據(jù)是由國際GNSS服務(international GNSS service, IGS)提供的最終電離層產(chǎn)品(https:∥cddis.nasa.gov/archive/gnss/products/ionex/)，時間分辨率為2 h，經(jīng)緯度分布間隔為5°×2.5°；IGSG-GIM數(shù)據(jù)根據(jù)CODE、UPC、ESA、JPL提供的最終電離層產(chǎn)品加權(quán)平均求得，在低緯度地區(qū)和海洋區(qū)域具有相對較高的精度[9-10]。熱層成分O/N2數(shù)據(jù)產(chǎn)品參考約翰霍普金斯大學應用物理實驗室使用TIMED航天器搭載全球紫外線成像儀(GUVI)對全球熱層觀測得到的平滑結(jié)果(http:∥guvitimed.jhuapl.edu/data_products)。

本文采用滑動四分位距法來判定每個格網(wǎng)點TEC在磁暴環(huán)境下的擾動程度。四分位距法[11]是一種基于穩(wěn)健統(tǒng)計技術(shù)的數(shù)據(jù)異常檢測方法，在很多領域的異常數(shù)據(jù)識別與提取方面都有應用[11-12]。具體實施過程如下：選取前16 d不受太陽、地磁影響的TEC值作為滑動起始背景值，將同一時刻的TEC值按照從小到大升序排列，得到x1、x2、x3…x15、x16，計算上四分位數(shù)Q1、中位數(shù)Q2和下四分位數(shù)Q3：

四分位距為：

IQR=Q3-Q1

判定異常值的上界(up)和下界(low)為：

式中，上四分位數(shù)Q1、中位數(shù)Q2和下四分位數(shù)Q3分別表示小于該分位數(shù)的數(shù)值占25%、50%、75%，四分位距IQR可反映數(shù)據(jù)的分散情況；up和low分別表示某一時刻TEC的上下限，實驗取k值為1.5，以95%的置信度進行判定。若該時刻的TEC值超過上下限，則認為是本次磁暴事件引起的擾動。TEC的擾動程度可用絕對變化和相對變化進行衡量，正負擾動絕對變化量ΔTEC為TEC-up或TEC-low，則相對于正常范圍的擾動幅度為ΔTEC/up或|ΔTEC|/low。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽-地磁環(huán)境分析

2018-08-26UT，全球發(fā)生大地磁暴事件(Kp最大值為7.3，Dst最小值為-174 nT)。根據(jù)我國空間環(huán)境預報中心(space environment prediction center, SEPC)月報概述(http:∥www.sepc.ac.cn/archive2.php)可知，此次磁暴事件主要受08-19～20日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejections, CME)和日冕洞高速流(coronal hole high speed stream, CHH)共同影響而形成。為分析磁暴前后日地空間環(huán)境的變化情況，本文繪制出08-22～30太陽輻射、太陽風速、星際磁場分量、星際電場分量及地磁指數(shù)的時間序列變化情況，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，F(xiàn)10.7整體相對平穩(wěn)，08-24～27略微升高，但不足以引起全球電離層的大幅擾動。從08-22起，太陽風速開始降低，至08-25降低至328 km/s，該時間段太陽風速較高是受08-15～18日冕洞高速流的影響，但太陽風基本未攜帶南向分量磁場，地球磁場活動也相對平穩(wěn)。08-25～26太陽風速度達到第1個小高峰444 km/s，并于08-25 UT14:00左右攜帶南向星際磁場IMF-Bz分量到達地球，與地球磁場發(fā)生磁重聯(lián)，太陽風攜帶的高能粒子進入地球磁層，與地球熱層、磁層發(fā)生一系列耦合作用而使地環(huán)電流增強，Dst指數(shù)開始迅速降低，磁暴進入主相階段。08-26 UT04:00左右，IMF-Bz最強達-14.7 nT；UT06:00～07:00 Dst降至最低，Kp指數(shù)最高為7.3，并持續(xù)3 h；磁暴在UT08:00左右進入恢復相階段，Dst指數(shù)回升。太陽風速于08-27 UT17:00達到第2個高峰619 km/s，Kp指數(shù)峰值為5.7，Dst指數(shù)略有降低，表明此時處于地磁亞暴階段，對高緯地區(qū)的地磁影響較大。此后，太陽風速持續(xù)下降，至08-30午后降至400 km/s以下，IMF-Bz分量基本穩(wěn)定，地磁Dst、Kp指數(shù)逐漸恢復至地磁平靜范圍。綜上所述，此次磁暴事件過程為：08-19～20太陽日冕物質(zhì)拋射和日冕洞高速流向日地空間發(fā)射大量粒子，經(jīng)過4～5 d太陽風攜帶高能粒子和南向星際磁場到達地球磁層，磁重聯(lián)后大量能量注入地球，從而產(chǎn)生08-25～26的大地磁暴(Dst≤-100 nT)，隨后持續(xù)發(fā)生1 d中等磁暴(-100 nT

圖1 2018-08-22～30近地空間環(huán)境變化Fig.1 Near-earth space environment changes from 2018-08-22 to 2018-08-30

2.2 全球電離層對磁暴的響應

為研究磁暴期間全球電離層TEC的變化情況，選取70°W、20°E、120°E范圍分別代表美洲扇區(qū)、歐洲-非洲扇區(qū)和東亞-澳洲扇區(qū)，并繪制不同緯度的時序變化圖，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，全球電離層TEC出現(xiàn)明顯的不對稱現(xiàn)象，北半球TEC含量整體高于南半球，中高緯度地區(qū)尤其明顯。在磁暴主相期間，美洲扇區(qū)和東亞-澳洲扇區(qū)日間電離層TEC出現(xiàn)明顯的正相擾動，處于夜間的歐洲-非洲扇區(qū)擾動并不顯著。在恢復相期間，北美扇區(qū)白天和夜間均出現(xiàn)負相擾動，而南美扇區(qū)均為正擾。東亞-澳洲扇區(qū)和歐洲-非洲扇區(qū)在低緯度地區(qū)出現(xiàn)明顯的正相擾動，而中高緯度地區(qū)響應不顯著，這可能是由于電離層背景較弱，導致電離層TEC的響應不敏感。

圖2 磁暴期間全球電離層TEC變化Fig.2 Global ionospheric TEC changes during the geomagnetic storm

為進一步研究磁暴期間電離層的響應情況，采用滑動四分位距法的上限和下限作為背景值，依次判定71×73個TEC格網(wǎng)的擾動程度，然后使用雙調(diào)和樣條插值法對異常值進行加密，該插值方法在曲面插值中具有優(yōu)勢，具體可參見文獻[13-14]；最后根據(jù)插值結(jié)果繪制出08-25～30期間全球電離層TEC擾動情況，結(jié)果如圖3～8所示，圖中黑色曲線表示磁赤道，紅色和藍色虛線表示大致晨昏線，紅線以東表示日半球。

圖3 08-25電離層TEC擾動情況Fig.3 Ionospheric TEC disturbance on August 25

圖4 08-26電離層TEC擾動情況Fig.4 Ionospheric TEC disturbance on August 26

圖5 08-27電離層TEC擾動情況Fig.5 Ionospheric TEC disturbance on August 27

圖6 08-28電離層TEC擾動情況Fig.6 Ionospheric TEC disturbance on August 28

圖7 08-29電離層TEC擾動情況Fig.7 Ionospheric TEC disturbance on August 29

圖8 08-30電離層TEC擾動情況Fig.8 Ionospheric TEC disturbance on August 30

08-25 UT00:00～14:00，全球電離層TEC基本正常，在日半球低緯度地區(qū)存在微小擾動，并逐漸向西移動；UT14:00開始，磁暴進入主相階段，日半球北側(cè)高緯度地區(qū)發(fā)生約2 TECu的微小擾動，并逐步向北美上空移動，赤道低緯度地區(qū)的TEC異常開始增強。UT18:00～22:00，日半球低緯度地區(qū)電離層TCE呈現(xiàn)約7～12 TECu的南北共軛正相擾動，相對擾動達30%～70%，并逐步向中高緯度地區(qū)擴散，北極地區(qū)出現(xiàn)電離層TEC負相擾動，擾動程度為10%～30%，但南極地區(qū)并未發(fā)現(xiàn)電離層TEC負相擾動；夜半球電離層TEC則逐步出現(xiàn)正相擾動。

08-26地磁Dst指數(shù)、Kp指數(shù)在UT08:00左右達到極值，說明此時磁暴發(fā)展至全盛狀態(tài)。UT00:00～08:00全球電離層TEC擾動持續(xù)增強，北半球高緯度極地地區(qū)電離層TEC出現(xiàn)間斷負相擾動。中低緯度地區(qū)電離層TEC正相擾動最大高于背景值20 TECu，日間相對擾動集中在30%～90%，夜間低緯度地區(qū)正擾可達180%，并在磁暴最盛期間電離層正暴發(fā)展至最盛狀態(tài)；該時間段TEC擾動仍然大致呈現(xiàn)南北對稱分布，全球均出現(xiàn)不同程度的擾動，且日半球電離層TEC正相擾動程度強于夜半球。UT08:00以后，磁暴進入恢復相階段，全球電離層TEC正相擾動程度逐漸降低，且逐漸向低緯地區(qū)縮??；中低緯度地區(qū)的TEC正向擾動逐步向西南方向偏移至南半球，北半球TEC負相擾動沿西南方向向低緯地區(qū)移動，而南半球TEC在中緯度地區(qū)出現(xiàn)輕微負相擾動。至UT22:00，北半球電離層TEC出現(xiàn)不同程度的負相擾動，最大擾動出現(xiàn)在北美低緯度地區(qū)，高達10 TECu，相對擾動為20%～40%；而南半球出現(xiàn)TEC正相擾動，僅在中緯度地區(qū)出現(xiàn)少量輕微的負相擾動。

08-27地磁Dst指數(shù)持續(xù)上升，偶爾伴隨IMF-Bz分量輕微下降，當日全天達到中等磁暴，Kp指數(shù)在UT16:00左右達到第2個峰值。UT00:00～12:00北半球電離層TEC呈現(xiàn)不同程度的負相擾動，相對最大擾動達60%；而南半球電離層TEC依然僅在中低緯度地區(qū)出現(xiàn)少量負相擾動。UT12:00以后，電離層TEC負擾主要分布在夜半球，日半球正相擾動再次加強，且明顯向南半球移動，擾動程度為40%～80%；至UT20:00后正擾開始擴散并逐漸消失，隨后北美低緯度地區(qū)出現(xiàn)負擾，擾動程度約為30%。

08-28全天基本處于小磁暴狀態(tài)。北半球電離層TEC相對于背景值存在約20%的負相擾動，并逐步向西移動，負相擾動最大的區(qū)域仍為美洲扇區(qū)，全球電離層TEC正相擾動基本出現(xiàn)在低緯赤道地區(qū)；UT14:00以后，低緯度地區(qū)的TEC正相擾動向西南方向移動。

08-29全天基本處于小磁暴狀態(tài)。全球電離層TEC負相擾動基本消失，日半球低緯度地區(qū)仍然存在正相擾動；UT14:00以后，電離層TEC正相擾動仍然向西南方向飄移，夜半球基本恢復正常。

08-30地磁Dst和Kp指數(shù)基本恢復正常，全球電離層TEC僅在日半球低緯度地區(qū)出現(xiàn)較大的正相擾動；與08-29相比，異常范圍明顯減小，基本可認為是電離層TEC在赤道地區(qū)的異?，F(xiàn)象。

綜上所述，本次磁暴引起的電離層擾動具有以下特點：1)在磁暴主相期間，從緯度分布來看，北半球高緯極區(qū)電離層TEC存在間斷的正負相擾動，而南半球高緯極區(qū)出現(xiàn)持續(xù)的正相擾動，中低緯度地區(qū)電離層TEC存在大幅正相擾動，擾動幅度最大可高于滑動背景值20 TECu，相對擾動集中在30%～90%，并呈現(xiàn)大致對稱的共軛形狀；從經(jīng)度分布來看，電離層TEC擾動先在日半球響應，并逐漸向夜半球延伸，同時夜半球逐漸開始出現(xiàn)電離層TEC正相擾動，大范圍的電離層異常大多向西移動。2)在磁暴恢復相期間，從緯度分布來看，南北半球?qū)﹄婋x層TEC的響應存在差異，北半球不同緯度地區(qū)電離層TEC出現(xiàn)持續(xù)的大幅負相擾動，相對負擾最大達60%，而南半球僅在中緯度地區(qū)出現(xiàn)少量負相擾動，主要表現(xiàn)為電離層TEC的正相擾動，赤道低緯度地區(qū)電離層TEC的正相擾動并非對稱分布，而是向南半球偏移；從經(jīng)度分布來看，日半球電離層TEC的正負異常擾動幅度強于夜半球，北半球電離層TEC負相擾動主要從夜半球的高緯度地區(qū)飄移至日半球的低緯度地區(qū)，隨后逐漸恢復到中高緯度地區(qū)。電離層TEC異常正相擾動區(qū)從歐洲-非洲扇區(qū)向西南方向飄移至美洲扇區(qū)。在此次磁暴過程中，中低緯度開始發(fā)生大幅TEC正負相擾動的地區(qū)均在美洲扇區(qū)。

3 電離層擾動機制探討

電離層是以熱層為背景的，兩者在動量、能量及化學過程上相互耦合。熱層暴環(huán)流引起的全球大氣中性成分變化多次被用來解釋電離層暴事件，熱層成分變化可用O/N2表示，其中O原子與電離率成正比。從圖9熱層成分O/N2觀測結(jié)果可以看出，08-23～24 O/N2較低的位置處于高緯度地區(qū)，中低緯度地區(qū)O/N2較高，約為0.5。08-26～28電離層TEC擾動相對劇烈，全球O/N2分布與磁暴前后相比有所變化，高緯度低值區(qū)在赤道向風場的作用下移動至中低緯度地區(qū)，這與北半球電離層TEC負擾的分布和飄移具有明顯的一致性，南半球澳洲和印度洋上空的電離層TEC負擾也出現(xiàn)在O/N2低值區(qū)。此外，中低緯度地區(qū)電離層正暴與O/N2高值區(qū)的分布及飄移也具有一致性，說明此次電離層TEC擾動與熱層暴環(huán)流引起的熱層成分O/N2的改變有關(guān)。

在南半球高緯極區(qū)與北半球高緯度部分地區(qū)出現(xiàn)電離層TEC正擾，這與熱層暴環(huán)流理論不符。結(jié)合圖1和圖3～5也可以看出，高緯度地區(qū)電離層TEC擾動均發(fā)生在IMF-Bz分量較大的時間段。Mansilla[5]通過對極地地區(qū)數(shù)次強磁暴條件下的電離層TEC擾動進行研究發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)比南極地區(qū)更容易發(fā)生負擾，這種負擾有時會被正擾打斷，而處于冬季的南半球更容易發(fā)生正擾；此外，南極低緯度地區(qū)的磁暴可能是由O/N2升高和東向快速穿透電場(prompt penetration electric field, PPEF)抬升所致。從圖9可以看出，O/N2高值區(qū)可延伸到南極地區(qū)，因此本次磁暴中北半球高緯度地區(qū)的正暴可能是由高能粒子沉降和東向快速穿透電場抬升所致，而南半球高緯度地區(qū)的正暴除粒子沉降和東向快速穿透電場抬升外，還與熱層成分O/N2的升高有關(guān)。

Balan等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在星際磁場南向期間，日間東向快速穿透電場(PPEF)的出現(xiàn)會加強中低緯度地區(qū)的電離層正暴。在赤道經(jīng)向風對電離層進行驅(qū)使與抬升的前提下，東向電場可將赤道的電離層駝峰區(qū)移動至緯度±30°區(qū)域。行星際電場的穿透作用作為低緯度地區(qū)電離層電場的來源之一，其穿透到低緯度地區(qū)的過程十分迅速[16-17]。魏勇等[16]研究認為，行星際電場日間穿透效率可維持在10%左右；周云良等[17]利用多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)對星際電場穿透與電離層效應進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，行星際電場的穿透效率約為13～19%，日間東向快速穿透電場會引起電離層離子向上飄移。高緯赤道向風場即使按照強磁暴產(chǎn)生1 000 m/s的初始速度進行傳播，也需要約5 h，而實際速度隨著傳播距離的增大衰減，傳播到中低緯度地區(qū)時約為200～400 m/s[18]。結(jié)合圖2～4可知，08-25 UT20:00～08-26 UT08:00期間，在星際磁場IMF-Bz、星際電場IEF-Ey較強的時間段，日半球中低緯度地區(qū)電離層異常大致呈對稱分布，具有明顯的電離層噴泉加強現(xiàn)象；隨著IMF-Bz恢復和IEF-Ey減小，電離層TEC正擾分布范圍逐漸縮小，同時赤道向風場已改變中低緯度地區(qū)電離層的異常分布，使其不再呈磁暴初期的對稱分布形態(tài)。這說明在此次磁暴初期，日半球中低緯度地區(qū)電離層TEC擾動與東向快速穿透電場有關(guān)，且其很有可能占主導作用。

在此次磁暴恢復相期間，電離層TEC響應出現(xiàn)明顯的南北半球不對稱現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象曾多次在磁暴中出現(xiàn)[6,8,19]。Astafyeva等[19]認為，中性成分O/N2變化、地磁場、1區(qū)場向電流(極地區(qū)域)的半球不對稱性及季節(jié)性環(huán)流均可能導致電離層TEC響應的南北不對稱。從圖9可以看出，O/N2分布呈明顯的不對稱狀態(tài)；此外，磁暴發(fā)生時，北半球為夏季，存在吹向南半球的中性風，大氣環(huán)流更有利于赤道向熱層風對大氣成分進行輸送[20]。entürk[6]研究認為，夏季至冬季環(huán)流可能是主導電離層擾動南北半球不對稱的因素。地磁場、1區(qū)場向電流的影響及不同因素的貢獻程度還需作進一步研究，但可以確定的是，此次電離層暴的不對稱主要與南北半球大氣O/N2變化有關(guān)，同時夏冬半球季節(jié)差異引起的環(huán)流模式也會促進這種改變。

4 結(jié) 語

本文基于滑動四分位距法對2018-08-25～29地磁暴期間電離層TEC的擾動進行研究，并對擾動機制進行初步探討，得到以下結(jié)論：

1)在磁暴主相階段，電離層TEC除北極地區(qū)出現(xiàn)負相擾動外，全球均呈正相擾動，日半球中低緯度地區(qū)的擾動大多高于背景值30%～90%，并大致呈共軛分布。在磁暴恢復相階段，電離層TEC出現(xiàn)明顯的南北半球不對稱現(xiàn)象，北半球出現(xiàn)長期的負擾狀態(tài)，最大相對負擾達60%，南半球則主要為正擾。日半球電離層TEC正負擾動分布范圍大于夜半球。

2)此次磁暴引起的電離層TEC擾動與熱層暴環(huán)流引起的熱層成分O/N2變化有關(guān)。在星際磁場南向期間，日間東向快速穿透電場(PPEF)會促進全球日間電離層正暴，并很可能在磁暴初期占主導作用；高能粒子的沉降可能導致高緯和極區(qū)電離層TEC出現(xiàn)正擾。在磁暴恢復相期間，南北半球電離層TEC響應的不對稱與大氣O/N2變化有關(guān)，同時夏冬半球季節(jié)差異引起的環(huán)流模式也會促進大氣成分的改變。