2023, Vol. 43
磁暴期间太阳风-磁层-电离层的耦合作用会导致电离层发生剧烈扰动，对卫星通讯、导航定位、高压输电等造成严重影响。2017-09-06以来爆发的X9.3级等一系列特大耀斑对处在活动平静期的太阳是不同寻常的，同时也导致2017-09-07~08地球发生强磁暴和剧烈的电离层扰动。前人针对本次强磁暴期间电离层扰动进行了大量研究[1-8]，不过大多局限于单站或区域性数据分析，缺少全球尺度的电离层扰动三维变化研究；同时研究重点多集中于电子密度值和地磁活动值等信息上，缺少对相应变化值的讨论。针对以上不足，本文基于电离层层析技术分析本次磁暴期间全球性电离层电子密度的三维变化情况。
1 数据与方法 1.1 数据来源本研究数据来自中国CMONOC、美国UNAVCO、欧洲EPNCB、澳大利亚ARGN、非洲AFREF、巴西IBGE等6个CORS系统和IGS的观测文件，根据测站数据质量和位置分布情况，挑选出2 645个站点参与实验，站点分布见图 1。可见，站点在亚洲、澳洲、欧洲、美洲等区域分布密集，在非洲、中东和海洋等区域分布稀疏。采用布设虚拟观测站的方法解决测站分布不均的问题。在全球范围布设纬度1.5°、经度3°分辨率的虚拟观测站，根据精密星历文件提供的卫星位置信息和GIM数据内插得到各穿刺点的VTEC值，通过投影函数转换为STEC虚拟观测值，以弥补观测数据的缺失。
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图 1 GNSS观测站分布 Fig. 1 Distribution of GNSS observation stations |
从CORS系统和IGS分别获取各站点的观测值文件、GPS导航电文文件、精密星历和差分码偏差文件，根据地面站的GPS观测数据推导STEC的观测值[9]。
为提取出电子密度的变化量，在建立层析方程时选用dSTEC实现残差电离层层析。
| $ \mathrm{STEC}_m=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n \mathrm{STEC}_{\mathrm{obs}}^i $ | (1) |
| $ d_{\mathrm{STEC}}=\mathrm{STEC}_{\mathrm{obs}}-\mathrm{STEC}_m $ | (2) |
式中，STECm为背景值；STECobsi为该射线同一穿刺点在第i天同一时刻的倾斜路径总电子含量，由GIM文件内插后投影计算得到；n为用于计算背景值的地磁活动平静天, 本文挑选磁暴前共17 d的数据作为背景；STECobs为观测值。
然后在层析区域建立格网模型，并假设每个体格网中的电子密度相同，则有：
| $ \boldsymbol{d}_{\mathrm{STEC}_{m \times 1}}=\boldsymbol{A}_{m \times n} \cdot \Delta \boldsymbol{x}_{n \times 1}+\boldsymbol{\varepsilon}_{m \times 1} $ | (3) |
式中，m是STEC的测量次数，n是重建区域的体素格网个数；矩阵A由各条射线在对应格网中的截距组成；Δx为格网内电子密度的变化量；ε为随机噪声。
采用同时代数重构算法(simultaneous algebraic reconstruction technique, SART)求解层析方程组，该算法通过迭代逐步修正体素网格内的电子密度变化量。对于第k+1次迭代，SART算法计算的第j个格网的电子密度变化量为：
| $ \left\{\begin{array}{l} \Delta x_j^{k+1}=\Delta x_j^k+\frac{1}{P} \sum\limits_{i=1}^P \lambda D W \\ D=y_i-\sum\limits_{j=1}^n A_{i, j} \Delta x_j^k \\ W=\frac{A_{i, j} \mathrm{IED}_j}{\sum\limits_{j=1}^n A_{i, j}^2 \mathrm{IED}_j} \end{array}\right. $ | (4) |
式中，Δxjk+1为第j个格网经过k+1次迭代后的电子密度变化值；P为第j个格网内经过的射线数；λ为松弛因子，用于控制算法的收敛性，其取值为0 < λ < 1; yi为第i条射线的dSTEC值；Ai, j为第i条射线在第j个格网的截距；IEDj为第j个格网的电子密度IRI模型值；D为第i条射线上的修正量；W为第i条射线上第j个格网的dSTEC修正权重。
通过以上迭代算法即可得到层析区域内各体素格网中电子密度的变化情况。本实验格网分辨率为经度3°、纬度1.5°、高程50 km，研究范围为87°N~87°S、180°W~180°E、高程100~1 000 km，时间分辨率为1 h。采用两步法思想[10]进行计算，首先利用虚拟观测站的虚拟观测值按照dSTEC计算方式求得虚拟电离层残差，以SART算法进行残差电离层层析；在计算结果的基础上，用实际测站观测数据按同样方法再次进行层析计算，可有效避免因缺少观测数据导致的计算结果不佳和空值的问题。
2 地磁活动情况分析磁暴期间的电离层扰动特征首先需要关注磁暴期间的太阳和地磁活动情况[5]。图 2为2017-08-25~09-11磁暴环电流指数Dst、行星性等效3 h幅度Ap、行星际磁场指数IMF-Bz以及太阳辐射指数F10.7的变化情况。图中，水平点线为地磁活动指数的磁暴判定标准，下图为上图虚线框部分的详细情况，3条垂直虚线分别对应09-07 20:00、09-08 01:00和09-08 11:00(如无特殊说明，本文时间均为UTC时)。
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图 2 2017-08-25~09-11太阳和地磁活动 Fig. 2 Solar and geomagnetic activities from August 25 to September 11, 2017 |
从图 2可以看到，09-04和09-06太阳发生剧烈活动，F10.7指数分别高达140 sfu和133 sfu。根据空间环境预报中心(Space Environment Prediction Center, SEPC)的报告可知，上述时间太阳爆发了一系列特大耀斑，随后地球发生磁暴。第1次磁暴于09-07 20:00开始，Dst指数快速减小，Ap指数突然增加，IMF-Bz分量迅速向南转向。日冕物质抛射(coronal mass ejection, CME)抵达地球后，09-08 01:00 Dst指数和Ap指数分别达到最小值和最大值，分别为-124 nT和207 nT，IMF-Bz分量也稍早达到最小值-31.0 nT。IMF-Bz在恢复正常后，于09-08 11:00再次转向南向，并迅速达到最小值-15.7 nT，同时Dst和Ap指数也发生突变并在相近时间内达到峰值，分别为-109 nT和236 nT，表明第2次磁暴爆发。十数个小时之后，地磁场逐渐恢复平静，各指数恢复正常。
3 电离层扰动分析 3.1 电离层扰动二维分析根据CODE发布的GIM文件，采用滑动四分位法探测电离层TEC变化的二维异常情况，结果见图 3、4。可以看到，2次磁暴期间均出现明显的全球尺度的电离层扰动。第1次电离层扰动始于09-07 21:00，稍晚于地磁场异常，在地磁活动达到最剧烈的09-08 01:00，电离层扰动也达到最大，持续约3 h后逐渐恢复平静；而在平静期，低纬非洲地区仍存在电离层扰动，这可能是由磁暴恢复相期间某种特性引起的，可能与之后发生的第2次磁暴有关。最初扰动主要发生在南极、太平洋西部、南部及北美北部地区，之后逐步扩散至亚洲、澳洲及非洲，产生全球尺度的电离层扰动。极地虽然也存在扰动现象，但总体来看，低纬度地区的扰动强度(4.1~16.6 TECu)和范围均大于中高纬度地区(1.8~14.2 TECu)，不过这并不能说明磁暴在低纬度地区的影响更大，因为低纬度地区太阳辐射的能量远大于中高纬度地区，即使是地磁平静期间，低纬度地区的TEC值也要更高一些。在电离层扰动恢复期间，即09-08 04:00~06:00，100°~160°W北极区域ΔTEC呈现负值，这可能是自由电子在电离层中移动造成的。
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图 3 2017-09-07电离层扰动二维分布 Fig. 3 Two-dimensional distribution of ionospheric disturbances on September 7, 2017 |
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图 4 2017-09-08电离层扰动二维分布 Fig. 4 Two-dimensional distribution of ionospheric disturbances on September 8, 2017 |
第2次电离层扰动始于09-08 13:00，同样稍晚于磁暴发生时间，13:00~15:00电离层扰动逐渐剧烈，持续2 h后，于18:00变小并渐渐趋于平静。大西洋中部、澳洲西部及南极洲地区首先出现电离层扰动，之后扰动范围扩散至全球尺度，亚洲西部、非洲北部、南美洲地区均出现强烈的电离层扰动。在扰动恢复期间，欧洲地区出现较为明显的负异常，之后异常区域逐渐向西移动。值得注意的是，同时南半球电子密度明显增加，可能是第2次磁暴磁场变化产生电场，使电子在电离层中发生移动所致。2次电离层扰动在赤道附近南北纬均存在双峰现象，第2次扰动在南美洲及大西洋中部区域更加明显，可能是磁暴加剧了喷泉效应的作用。
3.2 电离层扰动三维分析图 5为残差电离层层析方法重构所得2次磁暴期间电离层扰动造成的电子密度变化情况，分别展示层析结果的高度和经度分层剖面，x轴表示经度，y轴表示纬度，z轴表示高程。可以发现，电子密度变化主要发生在中低纬度地区，在高程方向上主要发生在100~600 km的电离层中，并集中于300~450 km处，其他高度处电子变化不明显，这与平静时期电离层中电子密度的实际分布情况相符。由此判断，电离层扰动的强度与电离层本身在平静时的自由电子分布情况紧密相关，平静时电子密度越密集，扰动时强度越大。375 km高程处电子密度变化情况相较于其他高度处更加剧烈，变化量可达(3.7~9.4)×105 el/cm3，同时观察到在第1次磁暴初始相和恢复相期间，即09-07 20:00~09-08 05:00存在明显的赤道电离层异常；第2次磁暴的整个发展过程中，375 km高程处一直存在赤道电离层异常现象。以下详细分析2次磁暴期间375 km高度处电离层电子密度的变化情况(图 6)。
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图 5 2次磁暴期间电离层扰动导致的电子密度三维变化 Fig. 5 Three-dimensional variations of electron density caused by ionospheric disturbance during two geomagnetic storms |
如图 6(a)所示，在磁暴初始相09-07 21:00~23:00和恢复相09-08 04:00~07:00存在明显的赤道电离层异常现象，在南北纬0°~36°区间内，电子密度变化值高达(3.7~9.4)×105 el/cm3，同时电子密度变化在南北半球呈现不对称分布。磁暴初始相期间，在澳大利亚南部存在电子密度负异常，375 km高程处电子密度变化量在(－0.08~－0.74)×105 el/cm3之间。磁暴恢复相期间，在北美南部和加勒比海区域存在电子密度负异常，变化量在(－0.04~－0.92)×105 el/cm3之间。Yin等[8]采用层析技术重点探测北美地区电离层扰动，发现09-08 00:00~02:00出现横贯美国西南的TEC增加现象，电离层扰动时间和分布与本文探测结果一致。
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图 6 磁暴期间375 km高程处电子密度变化 Fig. 6 Variations of electron density at 375 km height during the geomagnetic storm |
图 6(b)展示了第2次磁暴期间09-08 13:00~21:00电离层电子密度在375 km高程处的变化情况。可见，赤道电离层异常现象始终存在，在南北纬0°~30°区间内，电子密度变化值达到(3.3~8.2)×105 el/cm3；电离层异常集中在赤道附近，赤道双峰虽然存在，但不如第1次磁暴明显。在磁暴恢复相期间，南北半球电子密度变化存在显著差异，北半球电子密度下降，南半球电子密度上升，与前文根据GIM数据探测的结果吻合。
在磁暴恢复相期间，电离层扰动呈现南北半球不对称现象，原因除了南北半球能量不对称耗散和热层夏冬季节环流的作用外[11]，推测磁暴恢复时地磁场的迅速变化产生的感应电场也会对自由电子的传播运动产生重要影响。同时注意到，电离层扰动整体呈现自东向西的运动趋势，这与太阳辐射和地球自转有关。电离层在受到直接太阳辐射时电离作用才能够充分发挥，磁暴产生的影响才有作用的客体，而地球自西向东转动导致太阳辐射在地球上的位置自东向西移动。
电离层层析技术的优势在于可以反演电子密度的三维变化情况。图 7(a)展示了第1次磁暴期间沿115.5°E剖面的电离层电子密度变化情况。可以看出，09-07 21:00电子密度变化逐渐加剧，纬度向从南极区域和赤道低纬度21°N~16.5°S区域附近逐步扩散至全部纬度，仅北极区域72°~87°N稍显平静。尹汇民等[1]根据极区的GNSS观测站数据同样发现南极地区电离层扰动强度大于北极地区。扰动高度范围由200~400 km扩散至100~700 km，变化平均值也从1.6×105 el/cm3增加至5.7×105 el/cm3。在经过约3 h的全球尺度扰动后，09-08 04:00电离层逐渐恢复平静，不过在低纬度地区仍然存在电离层扰动，可能与几小时之后的第2次磁暴有关。22.5°~40.5°S区域在磁暴初始相21:00~22:00存在负异常，与图 6中澳洲地区负异常相呼应，可能与其他地球活动有关。
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图 7 磁暴期间电离层电子密度变化经度剖面图 Fig. 7 Longitude profiles of ionospheric electron density changes during geomagnetic storm |
图 7(b)为第2次磁暴期间沿46.5°W剖面的电离层电子密度变化。从图中可以看出，在09-08 13:00中低纬度地区已经存在明显的电离层扰动，电子密度变化量达4.3×105 el/cm3，高度分布在200~400 km之间，且呈现出赤道双峰现象，这可能是第2次磁暴期间电离层扰动的残余影响。之后电离层扰动范围扩大，高度向扩散至100~600 km，纬度向扩散至全部纬度。09-08 18:00~24:00磁暴恢复相电离层扰动减小的过程中，电子密度在20°~60°N出现下降变化，而在南半球出现上升趋势，即电离层扰动呈现南北半球不对称现象。Blagoveshchensky等[2]通过分析多源数据，证明第1次磁暴恢复后、第2次磁暴发生前存在电离层扰动，同时北半球中高纬度地区TEC在第1次磁暴期间增加，在第2次磁暴期间减少。
从经度剖面图可以发现，磁暴期间电离层扰动在磁赤道南北两侧存在明显的双峰现象，这是因为磁暴期间电离层电导率变化和中性风扰动产生的发电机电场和磁层对流电场会影响自由电子产生E×B漂移，加剧喷泉效应的发生。同时注意到，磁暴引发的电离层扰动通常首先发现于极地和低纬度地区，之后扩散至全球。这是因为太阳活动辐射的能量首先从极地输入磁层，导致极地地区的电离层首先出现扰动，之后赤道向风场和晨昏穿透电场等将扰动成分传播至低纬度地区。而低纬度地区本身电离层电子密度较高，发生扰动时更容易被探测出来。
4 结语本文研究2017-09-07~08磁暴造成的全球性电离层扰动，分别采用滑动四分位法和电离层层析技术分析电离层电子密度的二维和三维变化，得到如下结论：
1) 2次电离层扰动与2次磁暴之间有很强的相关性，扰动始于磁暴发生后约1 h，磁暴达到正相时扰动最剧烈，电子密度变化量可达9.4×105 el/cm3，之后扰动随着磁暴恢复而逐渐减弱。
2) 电离层扰动初始局限于赤道或低纬度区域，之后随着磁暴的加剧而扩散至中高纬度地区，且低纬度地区电离层扰动强度大于中高纬度地区。电离层扰动的高度分布与电子密度的实际分布情况相关，初始发生在200~400 km高度处，之后向上、向下扩散。
3) 第1次磁暴恢复相期间，电离层扰动总体减小，不过在低纬度地区仍存在较强扰动，这可能是紧随其后的第2次磁暴造成的。
4) 电离层扰动期间同样存在赤道电离层异常现象，赤道双峰明显，同时南北半球电离层扰动呈现不对称性，甚至出现北半球电子密度减少、南半球电子密度增加，可能是因为磁场变化导致自由电子发生转移。
本文虽然采用布设虚拟观测站的方法来克服海洋观测数据缺失的问题，但计算虚拟观测站的虚拟观测值采用GIM内插的方法，而GIM数据本身在海洋区域的精度有限。想要获得更加准确的反演结果，可以考虑建立高精度的全球电离层模型获取虚拟观测值。南北半球电离层扰动的不对称现象可能与磁暴恢复相期间地磁场的迅速变化产生的感应电场有关，对此还需要进一步深入研究。
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