电波科学学报  2019, Vol. 34 Issue (3): 336-346  DOI: 10.13443/j.cjors.2018091701.   PDF    
基于多手段观测的海口站电离层闪烁对地磁暴响应研究
余侯芳 , 於晓 , 甄卫民     
中国电波传播研究所, 青岛 266107
摘要:联合利用CHAMP卫星等离子体密度就位观测数据和海口站GPS电离层闪烁监测仪数据,分析了2004年1月、2月和11月三次地磁暴期间海口站的电离层闪烁特征.我们发现海口站电离层对3次磁暴事件的响应特征明显不同.就磁暴期间Bz分量和Dst指数的观测值来说,2004年11月的磁暴事件最强,其次是1月的,2月的最弱.而地基闪烁监测仪的观测结果表明:1月磁暴事件期间,L波段电离层闪烁最强,闪烁指数S4最大值接近于1.0,闪烁出现率的最大值超过80%;2月磁暴事件期间,电离层闪烁持续时间最长,S4最大值接近于1.0,闪烁出现率的最大值接近63%;11月磁暴主相和恢复相期间,无电离层闪烁现象出现.CHAMP卫星和地面闪烁监测仪观测到的结果一致,表明多重尺度的电离层不均匀体通常同时存在,但是小尺度的电离层不规则体通常会先消失.对比上述三次实验的观测结果,我们推断造成电离层响应特征差异的原因与环电流的影响有关,Aarons准则可较好地解释电离层对3次磁暴事件的响应.同时跨赤道风场可能也有贡献,它通过增加沿场向积分的Pedersen电导率,降低了R-T不稳定性,从而抑制了电离层闪烁的发生.
关键词电离层闪烁    电离层不规则体    电离层暴    R-T不稳定性    闪烁出现率    
Response of ionospheric scintillation of Haikou station to geomagnetic storms based on multi-technique observations
China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266107, China
Abstract: The response of ionospheric scintillation to 3 geomagnetic storms in year 2004 are analyzed by using plasma density in-situ observations onboard CHAMP satellite and GPS ionospheric scintillation monitor (ISM) at Haikou. It is found that the characteristics of the ionosphere are quite different. In terms of Bz component and Dst observation, the strength of geomagnetic storm in November is the strongest, followed by it in January, and the geomagnetic storm in February is the weakest. However, the observations from the ISM show that, the L-band ionosphere scintillation is strongest during the January geomagnetic storm, the peak S4 value and peak scintillation occurrence is close to 1.0 and 80%, respectively. The duration of ionospheric scintillation is the longest during the February geomagnetic storm, with the peak S4 value and scintillation occurrence close to 1.0 and 63%, respectively. During the main phase and recovery phase of the November magnetic storm, there is no ionospheric scintillation. The observation derived from CHAMP satellite is in consistent with that from ISM. The results show that the large scale ionospheric irregularities tend to appear when the small scale irregularities are present, but the small scale ionospheric irregularities usually disappear first. We conclude that the differences in the response of ionospheric are mainly related to the effect of ring current, which could be well explained by Aarons' criterion. The neutral wind may also have contributions to these differences.
Keywords: ionospheric scintillation    irregularities    ionospheric storms    R-T instability    scintillation occurrence    
引言

实验表明, 电离层中经常充满着多重尺度、不断移动和变化的不均匀体.当无线电波传播经过这些不均匀体到达地面时, 其振幅、相位等会产生快速随机起伏, 这种现象称为电离层闪烁, 其能对卫星通信、卫星导航定位等应用产生不利影响.对于卫星通信来说, 电离层闪烁会导致信号快速衰落, 当信号幅度衰落至超过接收系统的动态范围时, 将造成通信障碍和误码率增加, 严重时甚至通信链路中断.对于卫星导航定位应用来说, 与闪烁有关的电离层不均匀体会引起电波折射指数起伏, 使得信号传播路径和时间改变; 此外, 电离层闪烁事件一般伴随有电子密度/TEC的空间梯度; 无论是信号传播路径和/或传播时间的变化还是电子密度/TEC的梯度, 均会造成电离层TEC相对于背景值的背离, 进而降低导航定位的精度[1].近年来, 随着通信和导航系统对空间环境的依赖日益增长, 电离层闪烁的监测与预报成为空间天气研究的重要课题.

源于太阳活动爆发的地磁暴发生期间, 全球范围的电离层都会产生偏离正常水平的剧烈扰动, 即电离层暴.伴随电离层暴的发生, 赤道和低纬地区电离层不均匀体也可能发展起来, 引起穿越电离层传播的无线电波振幅闪烁活动的增强.尚社平等[2]和王国军[3]分析表明, 闪烁主要发生于磁静日的春秋分附近, 也可能发生于夏冬季的磁扰/暴期间.王国军[3]还发现在冬夏季, 磁暴对海南地区各种类型扩展F不均匀体均有触发作用, 但是究竟产生何种作用则依赖于磁暴的相位和地方时.磁暴对赤道电离层不均匀体/闪烁的影响主要与赤道纬向电场强度的变化有关[3-8].与地磁暴有关的赤道电场的变化主要依赖于快速穿透电场、穿透电场与扰动发电机电场的强度.在磁暴的主相阶段, 快速穿透电场占主导作用, 其时间尺度一般小于2 h.以往研究结果表明:开始于下午偏日落时分的地磁活动, 倾向于增加午夜前扩展F、VHF和UHF幅度闪烁以及大尺度等离子体耗空的发生率; 开始于中午时分的地磁扰动, 将倾向于抑制不均匀体和等离子体泡的产生[4-5].胡连欢等[7]发现2010年10月11日磁暴事件触发了11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不均匀体事件, 其产生分别与磁暴主相期间快速穿透电场和磁暴恢复相期间的扰动发电机电场的作用有关, 此外, 恢复相期间伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.李国主[9]分析了2002—2006年磁暴期间武汉和三亚地区的电离层闪烁发生情况, 结果显示磁暴对赤道电离层不均匀体的影响主要受控于Dst指数的变化率(dDst/dt)最大值出现的地方时.若该地方时接近于日落时分, 磁暴的发生将有利于电离层不均匀体的产生, 可能引起电波信号闪烁.

地磁活动对低纬/赤道区域电离层闪烁的影响与观测站的地理位置、观测季节和磁暴不同发展阶段的地方时有关[10-12].本文将联合利用CHAMP卫星等离子体密度就位测量数据和海口站地基电离层闪烁监测仪(ionospheric scintillation monitor, ISM)数据, 分析海口站电离层对地磁暴活动的响应.

1 观测数据

CHAMP卫星由德国地学研究中心为主研发, 于2000年7月15日发射升空, 2010年9月19日停止飞行.卫星轨道平面倾角为87.3°, 初始高度为454 km.主要星载仪器有磁力计、加速度仪、GPS接收机、离子漂移计等.本文所用数据来自离子漂移计的朗缪尔探针单元, 来提供电子密度和电子温度的卫星就位测量.其中, 电子密度的测量范围为108~1012 el/m3, 时间分辨率为15 s.在2010年2月22日CHAMP卫星翻转前, 朗缪尔探针每天提供30轨左右的全球近似均匀覆盖的电子密度观测数据, 其中升轨和降轨各约占一半.在地球上任意一点(如海口站), 一天期间仅有1~2轨的卫星轨迹经过该点附近.

本文所用地基电离层闪烁监测仪数据来自海口(地理纬度20.0°N, 地理经度110.3°E).该设备由中国电波传播研究所研发并于2003年7月15日架设, 此后开展常规连续观测, 现已积累起超过1个太阳活动周的数据.考虑到卫星观测仰角较低时, 数据易受到多径及其他环境影响, 下面研究所用的GPS数据卫星观测仰角不低于25°.假定电离层高度为350 km, 海口站GPS观测电离层穿透点的覆盖范围为95°E~125°E, 14°N~25°N.在分析海口站闪烁数据时, 我们发现在电离层平静时, 闪烁指数S4值通常都很小, 不会超过0.1;而有电离层闪烁出现时, S4值迅速增加并超过0.1, 通常一次闪烁事件期间S4最大值大于0.2.这里, 我们将S4的闪烁门限值取为0.1.

2 观测结果

图 1给出海口站2004年1—12月电离层闪烁发生率随地方时的变化, 每条曲线对应一天内闪烁监测仪接收到的所有GPS卫星信号S4>0.1的百分比(电离层闪烁出现率), 时间分辨率为1 h.总体来说:春秋分季(3—4月, 9—10月)的电离层闪烁出现率明显比夏季(5—8月)和冬季(11—12月, 1—2月)高, 且持续时间长, 约有超过半数的夜间(18:00—03:00LT)闪烁出现率较高, 最大值接近80%;夏季的闪烁出现率普遍较低, 最大值很少超过20%;冬季的闪烁出现率也较低, 但在1月、2月和11月有零星的几天闪烁率出现率却很高.我们猜测这可能与太阳/行星际活动引起的地磁扰动有关.下面将联合利用CHAMP卫星等离子体密度就位观测数据和海口站GPS电离层闪烁监测仪数据, 分析2004年1月、2月和11月地磁暴期间的电离层闪烁特征.

图 1 2004年海口站电离层闪烁发生率随时间的变化 Fig. 1 Daily ionospheric scintillation occurrence vs. LT at Haikou station
2.1 电离层对2004年2月地磁暴事件的响应

图 2给出2004年2月10—16日行星际磁场和地磁活动指数随地方时的变化时序.从上至下依次为行星际磁场BxByBz分量, AE指数, Dst指数与Kp指数.2月10日期间, 行星际磁场和地磁活动均处于平静状态, IMF BxByBz分量与Dst指数值变化不大且幅值较小, AE指数不超过650 nT, Kp指数不超过3.2月11日15:00LT左右, IMF Bz分量由北向南翻转, 此后持续南向且幅值逐渐增大, 在21:30LT左右达到南向最大值-15.39 nT, 至12日01:00LT左右再次北向翻转, 在09:00—17:00LT期间再次剧烈起伏, 此后逐渐恢复平静.AE指数值在11日17:15—12日02:00LT期间较大, 最大值达到1 263 nT, 表明有显著的太阳风能量从极区注入到电离层中.Dst指数在11日08:00LT突然增加到9 nT, 标志着磁暴急始, 从18:00LT开始迅速下降, 在12日00:00LT达到极小值-93 nT, Kp指数达到极大值6.3, 此后磁暴进入恢复相阶段.因此, 2004年2月磁暴事件伴随有明显的磁暴急始发生, 属于中强等级磁暴事件.

图 2 2004年2月10-16日行星际磁场和地磁活动指数随地方时的变化 Fig. 2 Time series of IMF and geomagnetic indices during Feb 10-16, 2004

图 3给出2004年2月10—16日海口站闪烁监测仪观测到的指数S4(上)与闪烁出现率(下)随地方时的变化序列.可见, 2月10日夜间到11日凌晨与13—16日期间, 电离层非常平静, S4很少超过0.1, 闪烁出现率也极少超过2%.作为对比, 2月11日夜间到12日凌晨, 海口站出现强的电离层闪烁事件:S4最大值接近1.0, 闪烁出现率在11日19:00LT开始上升, 在20:00—23:00LT幅值较大, 超过40%, 最大值达到63%;在12日00:00—05:00LT较大, 幅值在8%~20%范围变化, 到12日06LT, 幅值仍为4.3%.

图 3 2004年2月10-16日海口站闪烁监测仪观测到的闪烁指数与闪烁出现率变化 Fig. 3 Time series of S4 and scintillation occurrence (S4>0.1) observed by ISM at Haikou station during Feb 10-16, 2004

在2004年2月11日下午到12日凌晨, CHAMP卫星恰巧有两次飞经海口站附近.两轨卫星等离子体密度的就位观测(上)的结果在图 4给出, 左列和右列分别对应2月11日下午和12日凌晨.11日下午, CHAMP卫星从南向北飞, 经过磁赤道时的地理经度为102.66°E, 时间为15:24LT, 电子密度呈现典型的赤道电离异常结构, 南北驼峰近似对称分布, 电子密度峰值接近2.2×1012/m3.12日凌晨, CHAMP卫星从北向南飞, 经过磁赤道时的地理经度为109.02°E, 时间为03:22LT.我们发现, 在磁赤道南北两侧均出现显著的电子密度起伏, 意味着电子密度在该区域出现一定程度的耗空(等离子体泡), 南北两侧电子密度的峰值分别接近0.83×1012/m3和0.61×1012/m3.参考熊超[13]的做法, 我们将CHAMP卫星等离子体密度经高通滤波后再取绝对值, 其结果在图 4下行给出, 每个图上方给出了该轨卫星经过磁赤道时的地方时和地理经度.可见, 2月11日下午, 在地磁纬度16.09°S和11.20°N附近, 滤波后电子密度的绝对值幅值较小, 不超过0.03×1012/m3.12日凌晨, 在地磁纬度15.53°S和7.87°N附近, 滤波后电子密度的绝对值出现了两个强的尖峰, 其南北两侧峰值分别接近0.17×1012/m3和0.18×1012/m3, 意味着该区域的电子密度含有较多较强的高频分量(等离子体泡).需要指出的是, CHAMP卫星观测到大的等离子体泡出现的时间, 恰好对应图 3海口站闪烁监测仪观测到电离层闪烁的时间.

图 4 2004年2月11日—12日CHAMP卫星电子密度数据及其经高通滤波后取绝对值的结果 Fig. 4 Electron density measured by CHAMP and its absolute values after high-pass filting during Feb. 11-12, 2004
2.2 电离层对2004年1月地磁暴事件的响应

图 5给出2004年1月21—27日行星际磁场和地磁活动指数随地方时的变化时序.1月21日期间, 行星际磁场和地磁活动均处于平静状态, IMF BxByBz分量以及Dst指数值在零上下起伏且幅值较小, AE指数不超过1 000 nT, Kp指数不超过4.1月22日08:30LT开始IMF Bz分量在零上下剧烈起伏, 在15:20LT左右南向翻转, 在18:00LT达到南向最大值-20.3 nT, 至24日再次翻转为北向.AE指数值在22—23日较大, 最大值达到1 896 nT.Dst指数在22日09:00LT突然增加到26 nT, 标志着磁暴急始, 然后下降, 在20:00LT达到极小值-130 nT, Kp指数达到极大值7, 此后磁暴缓慢进入恢复相阶段.因此, 2004年1月磁暴事件伴随有明显的磁暴急始发生, 属于强磁暴事件.

图 5 2004年1月21-27日行星际磁场和地磁活动指数变化 Fig. 5 Time series of IMF and geomagnetic indices during Jan. 21-27, 2004

图 6给出2004年1月21—27日海口站闪烁监测仪观测到的S4指数(上)与闪烁出现率(下)随时间的变化.可见, 1月21日与23—27日期间, 电离层较为平静, S4值很少超过0.1, 闪烁出现率也极少超过5%.作为对比, 1月22日夜间, 海口站出现强的电离层闪烁事件:S4最大值接近1.0, 闪烁出现率在22日20:00—23:00LT幅值较大, 超过40%, 最大值达到81.8%, 此后迅速减小.

图 6 2004年1月21-27日海口站闪烁监测仪观测到的闪烁指数与闪烁出现率变化 Fig. 6 Time series of S4 and scintillation occurrence (S4>0.1) observed by ISM at Haikou station during Jan. 21-27, 2004

在2004年1月22日下午到23日日出前, CHAMP卫星恰巧有两次飞经海口站附近.图 7给出两轨卫星等离子体密度的就位观测(上)及其经高通滤波后取绝对值(下)的结果.左列和右列分别对应1月22日黄昏和22日日出前.1月22日黄昏, CHAMP卫星从南向北飞, 经过磁赤道的地理经度为104.34°E, 时间为17:14LT.在此经度区, 电子密度在磁赤道附近最强, 峰值接近1.7×1012/m3.23日日出前, CHAMP卫星从北向南飞, 经过磁赤道的地理经度为110.66°E, 时间为05:11LT.该轨电子密度在磁赤道南北两侧也呈现大的起伏, 意味着该区域电子密度也出现一定程度的耗空.与2月12日日出前(图 4)相比, 1月23日日出前的磁赤道南北两侧的电子密度值要小很多, 最大值接近0.28×1012/m3, 但是16°N附近的电子密度耗空要强得多, 超过0.2×1012/m3.22日黄昏, 滤波后电子密度的绝对值较小, 幅值约为0~0.1×1012/m3.23日日出前, 在地磁纬度21°S和14.09°N附近, 滤波后的电子密度绝对值出现了两个比较弱的尖峰, 其南北两侧峰值分别接近0.04×1012/m3和0.025×1012/m3.结合图 6, 我们猜测在1月22日夜间海口站上空有电离层等离子体泡出现, 但在日出前已经衰减的比较弱; 20:00LT开始海口站闪烁监测仪观测到强电离层闪烁事件, 但持续时间较短, 在子夜前已经消失.

图 7 2004年1月22-23日CHAMP卫星电子密度数据及其经高通滤波并取绝对值的结果 Fig. 7 Electron density measured by CHAMP and its absolute values after high-pass filting during Jan. 22-23, 2004
2.3 电离层对2004年11月地磁暴事件的响应

图 8给出2004年11月6—12日行星际磁场和地磁活动指数随地方时的变化时序.11月6日期间, 行星际磁场和地磁活动均处于平静状态, IMF BxByBz分量以及Dst指数值在零上下起伏且幅值较小, AE指数不超过100 nT, Kp指数不超过1.11月7日22:00LT左右, IMF Bz开始南向翻转, 然后剧烈起伏, 在8日06:30LT左右达到南向最大值-50.2 nT, 至19:20LT再次翻转为北向, 此后起伏较小.在10日02:00LT左右Bz再次剧烈南向翻转, 然后剧烈起伏, 到11日缓慢恢复.AE指数值在8—10日较大, 最大值达到3 534 nT.Dst指数在7日19:00LT增加到55 nT, 随后起伏变化, 进入初相, 至8日02:00LT出现61 nT的尖峰, 然后迅速下降, 进入主相, 在13:00LT达到极小值-374 nT(巨型磁暴), Kp指数达到极大值8.7, 随后逐渐回升, 进入恢复相.9—10日又出现一些波动, 至10日17:00LT再次出现极小值-263 nT.因此, 2004年11月的磁暴事件比较复杂, 属于双主相急始型强磁暴.

图 8 2004年11月6-12日行星际磁场和地磁活动指数变化 Fig. 8 Time series of IMF and geomagnetic indices during Nov. 6-12, 2004

图 9给出2004年11月6—12日海口站闪烁监测仪观测到的S4指数(上)与闪烁出现率(下)的变化.可见, 磁暴主相出现的前一天(11月7日)夜间, 海口站出现较强的电离层闪烁事件:S4最大值接近0.6, 闪烁出现率在11日19:00—23:00LT幅值较大, 接近或超过6%, 最大值达50.7%, 此后迅速减小.作为对比, 11月6日与8—12日(含磁暴主相及恢复相)期间, 电离层较为平静, S4值很少超过0.1, 闪烁出现率极少超过2%.

图 9 2004年11月6-12日海口站闪烁监测仪观测到的闪烁指数与闪烁出现率变化 Fig. 9 Time series of S4 and scintillation occurrence (S4>0.1) observed by ISM at Haikou station during Nov. 6-12, 2004

图 10给出2004年11月8日凌晨(左)和9日凌晨(右), CHAMP卫星飞经海口站附近的卫星等离子体密度就位观测(上)及其经高通滤波后取绝对值(下)的结果.11月8日凌晨, CHAMP卫星从北向南飞, 经过磁赤道时的地理经度为103.52°E, 时间为02:34LT.在此经度区, 电子密度呈现典型的赤道电离异常, 南驼峰强于北驼峰, 电子密度峰值分别接近0.89×1012/m3和0.43×1012/m3.两轨经高通滤波后的电子密度绝对值均较小, 幅值约为0~0.1×1012/m3.11月9日凌晨, CHAMP卫星也是从北向南飞, 经过磁赤道时的地理经度为117.24°E, 时间为02:29LT.在此经度区, 南半球电子密度值较小, 不超过0.15×1012/m3, 北半球随纬度的增加而增大, 20°N的电子密度值接近0.3×1012/m3.两轨经高通滤波后的电子密度绝对值均较小, 幅值约为0~0.02×1012/m3.

图 10 2004年11月8日和9日凌晨CHAMP卫星电子密度数据及其经高通滤波后取绝对值的结果 Fig. 10 Electron density measured by CHAMP and its absolute values after high-pass filting for Nov. 8 and 9, 2004
3 讨论与结论

本文分析了2004年1—12月, 海口站电离层闪烁发生率随地方时的变化, 发现春秋分季(3—4月, 9—10月)的电离层闪烁出现率明显比夏季(5—8月)和冬季(11—12月, 1—2月)高, 且持续时间较长; 夏季和冬季的闪烁出现率普遍较低, 但在1月、2月和11月有零星的几天闪烁出现率却很高.然后联合利用CHAMP卫星等离子体密度就位观测数据和地面GPS电离层闪烁监测仪数据, 分析了2004年1月、2月和11月三次地磁暴期间海口站的电离层闪烁特征.我们将三次磁暴事件期间, 行星际磁场、地磁活动指数与电离层闪烁的观测结果进行了小结, 结果见表 1.

表 1 2004年三次磁暴事件期间行星际磁场、地磁活动指数与海口站电离层闪烁的观测结果 Tab. 1 Observations of IMF, geomagnetic indices and ionospheric scintillation at Haikou station during 3 geomagnetic storms in 2004

表 1可以看出海口站电离层对2004年3次磁暴事件的响应特征明显不同.就磁暴期间Bz分量和Dst指数的最小值绝对值来说, 2004年11月的磁暴事件最强, 其次是1月的, 2月的最弱.而地基闪烁监测仪的观测结果表明:2004年1月磁暴主相期间, L波段电离层闪烁最强, S4最大值接近于1.0, 闪烁出现率的最大值超过80%;2月磁暴初相期间, 已经观测到L波段强电离层闪烁事件, 并持续到磁暴主相期间, S4最大值接近于1.0, 闪烁出现率的最大值接近63%;11月磁暴主相开始的前一天(7日), 观测到L波段强电离层闪烁事件, S4最大值接近于0.6, 闪烁出现率的最大值接近50%;但是磁暴主相和恢复相期间, 无电离层闪烁现象出现.

以往的观测结果表明, 多重尺度的电离层不均匀体通常同时存在, 但是小尺度的电离层不规则体通常会先消失[7, 14].本文分析的三次磁暴主相极小值出现的当天及11月7日日落后到子夜期间, 缺少海口站上空附近的直接观测.若我们假定在观测到小尺度的电离层不均匀体(即L波段的电离层闪烁)时, 大尺度的等离子体泡也同时存在, 只是消失地更快, 那么CHAMP卫星和地面闪烁监测仪观测到的结果就非常一致, 即2004年2月11日、1月22日夜间和11月7日夜间, 都有多重尺度的电离层不均匀体存在, 且出现时间较为一致:2月11日夜间, 小尺度的电离层不均匀体持续至06:00LT, 它们造成了地面观测到的L波段闪烁现象, CHAMP卫星朗缪尔探针在电离层闪烁持续期间(03:20LT)观测到较强的大尺度电离层不均匀体; 1月22日夜间, 小尺度的电离层不规则体持续至23:00LT, 然后消失, 但是大尺度不均匀体持续时间更长, CHAMP卫星在05:00LT仍探测到较弱的大尺度结构; 11月7日, 小尺度的不均匀体持续至23:00LT, 然后消失, 大尺度不均匀体持续时间更长, 但不会超过02:34LT; 11月8日, 多重尺度的电离层不均匀体均不存在.

徐继生等[15]分析了2004年11月强磁暴期间武汉站的振幅闪烁特征, 发现在磁暴期间特别是10日期间, 与静日相比, 无论是闪烁出现率还是闪烁强度都有显著的增强.在11月8日夜间, 闪烁活动较静日只有较小的增强.李国主[9]发现2004年1月22日磁暴期间, 伴随行星际磁场的南向翻转, 武汉地区日落后F层峰高和虚高明显增加.F层的抬升导致了扩展F(频高图长时间呈现弥散的一片)的产生, 并引起强烈的GPS幅度和相位闪烁, 幅度闪烁最大值甚至超过了1, 这种引起电离层TEC扰动和强闪烁的大小尺度不规则体一直持续到午夜后.Fejer等[16]分析了2004年11月强磁暴期间赤道电离层扰动电场的变化, 探测结果表明:与磁静日相比, 在整个磁暴期间太平洋扇区赤道垂直漂移(东西向电场)出现了大的扰动, 可能是由于暴时赤道电离层电场出现了大的扰动.11月7—8日, 磁暴主相前电离层等离子体短暂向上扰动漂移, 随后快速下降并转为向下漂移, 这一过程持续了很长时间.Fejer认为这一现象与西向扰动发电机电场有关, 该西向电场可能对ESF的发展起到了抑制作用.这与我们的观测结果较为一致, 海口站恰好在Dst指数取极小值的前一天夜间观测到电离层闪烁现象, 而磁暴主相和恢复相期间都没有电离层不均匀体和闪烁出现.

我们推断造成2004年三次磁暴事件期间电离层响应特征差异的原因, 首先与环电流的影响有关.按照Aarons (1991)准则[4], 环电流对赤道F层不均匀体的产生/抑制作用与磁暴期间Dst指数最小值的出现时间有关:当Dst指数最小值出现于10:00—16:00LT、00:00—06:00LT和18:00—22:00LT, 环电流倾向于抑制不均匀体的产生, 没有显著影响和促进不均匀体的产生.2004年2月11日子夜前电离层闪烁已经发生, Dst指数最小值出现于00:00LT, 环电流对电离层闪烁事件无显著作用, 此次闪烁事件持续至次日凌晨, 是三次事件中电离层闪烁持续时间最长的.2004年1月磁暴期间, Dst指数最小值出现于22日20:00LT, 环电流倾向于促进电离层不均匀体的产生.1月22日20:00—23:00LT, 地面GPS闪烁监测仪观测到电离层闪烁事件的发生, 磁暴期间东向快速穿透电场的作用有关, 其方向与日落时的预翻转电场方向相同, 增强了电离层的向上抬升作用, 促进了电离层闪烁的发生.对比3次CHAMP卫星的观测, 可以发现1月22日夜间, 20°N附近的电子密度耗空(ΔNe)最为明显, 此次电离层闪烁的强度和出现率也都最大.2004年11月7日, 海口站出现电离层闪烁事件, Dst指数最小值出现于8日13:00LT, 环电流对电离层不均匀体的产生倾向于起到抑制作用.因此, 磁暴主相出现的夜间(8日)及以后一周内, 无电离层闪烁发生.Aarons (1991)准则可较好地用作解释电离层对3次磁暴事件的响应.

为进一步分析电离层对3次磁暴事件的响应, 图 11给出了三次磁暴期间, 电离层F层h′F随时间的变化.黑色曲线为海口站测高仪实测数据, 蓝色为月平均结果.由图 11可见, 2月和1月磁暴Dst达到最小值时(2月12日00:00LT和1月22日20:00LT), F层虚高有明显抬升, 相比前一时刻分别从235 km和255 km增加到305 km, 可以粗略估算出等离子体垂直漂移速度为19 m/s和14 m/s.而电离层的向上抬升, 会引起瑞利-泰勒不稳定性(R-T不稳定性)的增加, 从而产生扩展F不均匀体结构而使得穿越其中的电波信号闪烁.11月8日13:00LT, 磁暴Dst达到最小值时(11月), F层虚高相比前一时刻从245 km增加到255 km, 等离子体垂直漂移速度小于3 m/s, 故对电离层不均匀体的产生无明显促进作用.

图 11 2004年三次磁暴期间, 海口站电离层h′F的变化 Fig. 11 Time series of h′F during 3 geomagnetic storms at Haikou station in 2004

电离层的抬升其实是电场和风场共同作用的结果, 可以称其为“等效风场”[17-18].我们猜测这些差异也与风场的作用有关.Huba和Krall[19]基于美国海军实验室的3维赤道扩展F模型(SAMI3/ESF模型)仿真计算了经向风对扩展F发展的促进/抑制作用, 提出经向风场的作用可能能够部分解释赤道扩展F随经度的变化和逐日变化.他们的计算结果表明, 当风场随纬度变化的梯度为正值时, 它对扩展F起抑制作用; 当风场随纬度变化的梯度为负值时, 它对扩展F起促进作用.不考虑风场随纬度的变化, 跨赤道风场沿磁力线的分量会导致沿场向积分的Pedersen电导率的增加, 从而降低了R-T不稳定性.本文对CHAMP卫星等离子体密度就位测量的分析显示, 2004年1月22日和2月11日下午, 南北半球电离层电子密度近似呈对称分布; 而在11月8日下午, 南北半球电离层电子密度呈非对称分布, 北半球要明显强于南半球, 两者比值为1.35.我们猜测电离层电子密度的南北不对称性可能是受到跨赤道风场的作用, 它通过增加沿场向积分的Pedersen电导率, 降低了R-T不稳定性, 从而抑制了电离层闪烁的发生.

参考文献
[1]
於晓.电离层模型在卫星导航系统中的应用研究[D].武汉: 武汉大学, 2018.
YU X. Application of ionospheric models in the Global Navigation Satellite System[D]. Wuhan: Wuhan University, 2018. (in Chinese)
[2]
尚社平, 史建魁, 甄卫民, 等. 赤道地区L-波段电离层闪烁的形态特性[J]. 电波科学学报, 2006, 21(3): 410-415.
SHANG S P, SHI J K, ZHEN W M, et al. Morphological study of L-band ionospheric scintillations in the equatorial region[J]. Chinese journal of radio science, 2006, 21(3): 410-415. (in Chinese) DOI:10.3969/j.issn.1005-0388.2006.03.020
[3]
王国军.低纬(海南)地区电离层不规则体观测特性研究[D].北京: 中科院空间科学与应用研究中心, 2007.
WANG G J. Research on ionospheric irregularities observed in low latitude (Hainan) region[D]. Beijing: Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, 2007. (in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-80073-2007128451.htm
[4]
AARONS J. The role of the ring current in the generation or inhibition of equatorial F-layer irregularities during magnetic storms[J]. Radio science, 1991, 26: 1131-1149. DOI:10.1029/91RS00473
[5]
SAHAI Y, FAGUNDES P R, BITTENCOURT J A, et al. Occurrence of large scale equatorial F-region depletions during geo-magnetic disturbances[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 1998, 60(16): 1593-1604. DOI:10.1016/S1364-6826(98)00097-2
[6]
CARTER B A, ZHANG K, NORMAN R, et al. On the occurrence of equatorial F-region irregularities during solar minimum using radio occultation measurements[J]. Journal of geophysical research:space physics, 2013, 118(2): 892-904. DOI:10.1002/jgra.50089
[7]
胡连欢, 宁百齐, 李国主, 等. 暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测[J]. 地球物理学报, 2013, 56(2): 365-373.
HU L H, NING B Q, LI G Z, et al. Multi-instruments observations of low latitude ionosphereic irregularities response to Oct 2010 storm[J]. Chinese journal of geophysics, 2013, 56(2): 365-373. (in Chinese)
[8]
杨升高, 方涵先, 李刚, 等. 磁暴对赤道地区L波段电离层闪烁的影响研究[J]. 空间科学学报, 2012, 32(6): 812-817.
YANG S G, FANG H X, LI G, et al. Impact of geomagnetic storms on L-band ionospheric scintillation over equatorial region[J]. Chinese journal of space science, 2012, 32(6): 812-817. (in Chinese)
[9]
李国主.中国中低纬电离层闪烁监测、分析与应用研究[D].武汉: 中国科学院地质与地球物理研究所, 2007.
LI G Z. Studies on monitoring, analysis and application of mid-and low-latitude ionospheric scintillation in China[D]. Wuhan: Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, 2007. (in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-80020-2007137242.htm
[10]
CHANDRA H, VYAS G D, PATHAN B M, et al. Spectral characteristics of magnetic storm induced F-region scintillations extending into daytime[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 1995, 57(11): 1273-1285. DOI:10.1016/0021-9169(94)00119-9
[11]
KUMAR S, GWAL A K. VHF ionospheric scintillations near the equatorial anomaly crest:solar and magnetic activity effects[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 2000, 62(3): 157-167. DOI:10.1016/S1364-6826(99)00090-5
[12]
BASU S, BASU S, VALLADARES C E, et al. Ionospheric effects of major magnetic storms during the international space weather period of September and October 1999:GPS observations, VHF/UHF scintillations, and in situ density structures at middle and equatorial latitudes[J]. Journal of geophysics research, 2001, 106(A12): 30389-30414. DOI:10.1029/2001JA001116
[13]
熊超.中/低纬电离层多尺度结构形态学与机理[D].武汉: 武汉大学, 2012.
XIONG C. Morphology and mechanism of multi-scale structures in the mid-and low-latitude ionosphere[D]. Wuhan: Wuhan University, 2012. (in Chinese)
[14]
ZHANG Y, WAN W, LI G, et al. A comparative study of GPS ionospheric scintillations and ionogram spread F over Sanya[J]. Annales geophysicae, 2015, 33(11): 1421-1430. DOI:10.5194/angeo-33-1421-2015
[15]
徐继生, 朱劼, 程光晖. 2004年11月强磁暴期间武汉电离层TEC的响应和振幅闪烁特征的GPS观测[J]. 地球物理学报, 2004, 49(4): 950-956.
XU J S, ZHU J, CHENG G H. GPS observations of ionospheric effects of the major storm of Nov. 7-10, 2004[J]. Chinese journal of geophysics, 2004, 49(4): 950-956. (in Chinese)
[16]
FEJER B G, JENSEN J W, KIKUCHI T, et al. Equatorial Ionospheric electric fields during the November 2004 magnetic storm[J]. Journal of geophysics research, 2007, 112.
[17]
刘立波, 涂剑南, 保宗悌. 中性风对夜间低纬电离层参数的影响[J]. 空间科学学报, 1998, 18(4): 308-312.
LIU L B, TU J N, BAO Z T. Effects of neutral winds on nighttime low-latitude ionosphere[J]. Chinese journal of space science, 1998, 18(4): 308-312. (in Chinese)
[18]
刘立波, 万卫星, 涂剑南, 等. 中性风和垂直漂移对低纬F区电离层影响分析[J]. 空间科学学报, 2000, 20(1): 23-31.
LIU L B, WAN W X, TU J N, et al. Effects of neutral winds and vertical drifts on low-latitude ionosphere[J]. Chinese journal of space science, 2000, 20(1): 23-31. (in Chinese) DOI:10.3969/j.issn.0254-6124.2000.01.004
[19]
HUBA J D, KRALL J. Impact of meridional winds on equatorial spread F:revisited[J]. Geophysics research letters, 2013, 40(7): 1268-1272. DOI:10.1002/grl.50292