2. 武汉大学空间环境与大地测量教育部重点实验室, 武汉 430072
2. Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, CNEM, Wuhan University, Wuhan 430072, China
1 引言
电离层电子密度的连续性方程可表示为
式中,q和L分别是电子生成项和消失项,方程(1)右边第三项为等离子体输运项.在较低的高度,比如E层和F1层,是光化学平衡区域,生成和消失过程对电子密度的垂直分布起支配作用.E层的主要初级离子是NO+,N2+,N2+2.在中低纬地区,太阳EUV辐射为E层的主要电离来源.随着高度增高,输运过程的重要性逐步赶上并最终超过复合消失过程,成为起控制作用的过程.F2层则以扩散为主,包括双击扩散、热层风感应的磁力线漂移以及 E × B 电动力学漂移在内的输运过程对电子密度的分布起主导作用.
一般来说,F层的峰值电子密度要远大于E层的峰值电子密度,电离层电子密度垂直剖面的峰值出现在F2层(涂传诒,1988).在高纬电离层,从磁层沉降的高能粒子成为除太阳辐射之外的一个主要的附加电离源,同时热层中性大气的耦合、磁层过程以及磁层-电离层耦合对高纬电离层电离复合的影响也很大,这些都有可能会增强E层的电子密度(Kelley,1989; 沈长寿等,2005; 沈长寿等,1989; 蔡红涛和马淑英,2007).当E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度时,就称之为E层占优电离层(ELDI)(Mayer and Jakowski, 2009; 武业文等,2013). Mayer和Jakowski(2009)利用COSMIC和CHAMP掩星数据,率先对ELDI这一电离层异常垂直结构的空间分布特征进行了统计分析.他们发现ELDI高发区呈现为一个椭圆形带状结构,发生率可高达80%,似乎是极区夜间的一个常见现象.利用2007—2010年冬季的COSMIC掩星数据,武业文等(2013)在修正磁纬度-磁地方时坐标系下对比研究了ELDI在南、北极区极夜的空间分布特征.他们发现,虽然ELDI空间分布特征在南北半球略有差异,但其高发区域与极光椭圆区基本吻合;ELDI在夜侧的发生率高达90%.
目前,我们对ELDI的认识主要来源于卫星观测,集中在其空间分布特征方面,对ELDI随时间变化特征的了解知之甚少.卫星观测数据对空间某一具体区域重访时间间隔一般较长,不能满足开展ELDI时间变化特征研究的需要,这严重制约着我们对该电离层异常垂直结构认识的进一步深入.地面非相干散射雷达可对某一固定区域进行高时间分辨的连续探测,能够实现对ELDI事件发生、演化及消失的全过程进行连续观测.因此,利用多年非相干散射雷达数据,对ELDI事件的时间变化特征进行统计研究,有望加深我们对ELDI的认识和理解.
本文利用位于极光椭圆区纬度的EISCAT Troms UHF(地理纬度69.6°N,地磁纬度66°N)雷达和位于极尖/极隙区纬度的EISCAT Svalbard(ESR,地理纬度78.2°N,地磁纬度75°N)雷达2009—2011年间的场向电子密度数据,对低太阳活动期间极区ELDI事件的发生及其特性开展统计研究,并初步探讨其形成机制.
2 数据和分析方法本文选用了2009—2011年EISCAT Troms UHF和ESR雷达的沿场观测数据.其中EISCAT雷达夜晚位于极光椭圆区内,工作在CP-1模式下,时间分辨率为2 min,高度测量范围为67~586 km.ESR雷达白天穿过极尖/极隙区,夜晚进入极盖区,其雷达波束固定沿当地磁力线向上,时间分辨率2 min(Cai et al., 2007).在2009—2011年期间,ESICAT雷达有295天的场向观测数据;ESR雷达有183天的场向观测数据.
图 1a给出了两个雷达进行场向观测的天数随 月份的分布.可以看到EISCAT雷达数据覆盖全年12个月份,其中1、3、11、12月观测天数较多;在绝大多数月份里,雷达观测天数达到或超过15天.ESR雷达在除6月份以外的其他月份都有观测,观测天数相对较少,11月观测天数最多.图 1b为雷达在每个小时段内进行场向观测的天数.不难发现,EISCAT/ESR雷达在各时间段内观测天数略有变化.其中,EISCAT雷达在0500—0700 UT期间的观测天数最少,接近50天,在1200—1300 UT期间的观测天数最多,超过了160天;ESR雷达0300—0500 UT 期间的观测天数最少,约50天,在0900—1000 UT的观测天数最多,达到109天.
本文中,如果雷达观测到的电子密度剖面完全满足以下条件,则被认定为一次ELDI事件:
(1)E层峰值电子密度大于F2峰值电子密度(NmE>NmF2);
(2)NmE所在的高度(HmE)在90~140 km区间内,NmF2所在高度(HmF2)位于160~500 km区间内(Cai et al., 2007);
(3)NmE>NmF2持续6 min以上.
前两个条件与其他学者依据无线电掩星观测判定ELDI事件的标准(Mayer and Jakowski, 2009; 武业文等,2013)基本一致.根据地面非相干散射雷达观测数据的优势,本文附加引入了ELDI事件最小持续时间的约束(条件(3)),其目的是为了排除因观测数据中随机误差导致的伪ELDI事件.在某种程度上,条件(3)中ELDI事件最小持续时间阈值的选取有些随意,不过从实际效果来看是合理的,在论文后续章节中我们会详细讨论.
我们先利用Chapman-α函数(种小燕等,2013)对雷达实测电子密度高度剖面进行曲线拟合,然后根据拟合剖面进行ELDI事件的辨别工作.公式
给出了Chapman-α函数的表达式.在EISCAT/ESR雷达数据中,包含了数据质量标识位.因此,在开展函数拟合之前,我们根据该质量标识先剔除了不可信的雷达数据,然后,根据最小二乘判据,在电离层E、F层高度区间(具体高度参见上文条件(2))分别独立地进行拟合.图 2给出了一个EISCAT雷达实测电子密度剖面和曲线拟合结果的示例.容易看出,曲线拟合消除了雷达实测剖面中的一些微小的结构/扰动,更清晰地刻画了电离层的垂直结构特征.ELDI事件被认定后,我们可以确定其一些重要属性参数,包括电子密度峰值NmE、NmF2及峰高度HmE、HmF2,ELDI事件发生和结束的时间等.除 此之外,本文分析研究中,还涉及到以下两个统计量:
(1)ELDI事件期间NmE/NmF2的比值.在本文中,将ELDI事件期间每个观测时刻的NmE/NmF2比值的中值作为该事件的比值,该比值在一定程度上刻画了ELDI事件的显著程度.根据ELDI事件的定义,该比值至少大于1.
(2)ELDI事件期间的E层厚度.在本文中,E层厚度定义为峰高HmE上下两侧电子密度降至峰值NmE的0.7倍处的高度间隔.
在下面章节中,论文将主要围绕ELDI事件的上述特征参数进行统计分析.
3 统计结果根据本文确定的ELDI事件判定标准,在2009—2011年间,EISCAT雷达共观测到415个ELDI事件;ESR雷达共观测到164个ELDI事件.
3.1 ELDI发生率本文中ELDI的发生率定义为一天内观测到ELDI事件的次数.图 3给出了EISCAT和ESR两个雷达所观测到各月份ELDI事件的发生率.考虑到两雷达观测在各月份都有较好的覆盖,尤其是EISCAT雷达(图 1a),因此,图 3在很大程度上刻画了ELDI事件的季节变化规律.
不难发现,两雷达观测到的ELDI事件表现出明显的季节变化特征:ELDI在冬季及早春(1—3月和11、12月)的发生率较高,而在其他季节的发生率较低.其中,ESR雷达5月份ELDI的高发生率可信度较低,原因是在该月份雷达的观测天数只有4天(图 1a).
本研究中地磁活动对ELDI发生率的影响可以忽略.在所采用的3年雷达数据中,只有EISCAT雷达观测到共8个与磁暴相伴随的ELDI事件,仅占其观测到ELDI事件总数的2%.从出现月份看,这8个与磁暴相伴随的ELDI事件分布在3个月里:三月份5个,八月份2个和11月份1个,分别占该月内EISCAT雷达观测ELDI事件总数的8.5%,1.2%和1.8%,不会对其发生率的季节变化产生实质性影响.
需要指出的是,ESR雷达的观测天数,尤其是 在夏季的观测相对较少(图 1),这在一定程度上影响了该处ELDI事件发生率的估计.
EISCAT和ESR雷达在冬季和早春观测到的ELDI事件数分别为389和114,分别占其全年总数的93.7%和87.8%.因此,在下面的分析和讨论中,仅集中分析两雷达处高发季节(即冬季和早春)期间的ELDI事件特征.
3.2 ELDI持续时间ELDI事件的持续时间定义为在雷达视野中ELDI从发生到消失的时间差.图 4为EISCAT和ESR雷达在各持续时间段内观测到的ELDI事件个数.图中横轴时间段的间隔为2 min,与雷达观测数 据的时间分辨率相匹配.不难发现,在EISCAT雷 达处,约三分之一的ELDI事件的持续时间落在6~18 min区间;另有约三分之一的事件持续时间超过 了30 min.在ESR雷达处,绝大部分ELDI的持续时间少于22 min.EISCAT雷达(极光椭圆纬度)观测到ELDI事件的平均持续时间为30 min;ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到ELDI的平均持续时间仅为14 min,这表明ELDI事件的平均持续时间表现出显著的地域属性.
如图 4所示,EISCAT雷达还观测到一些持续了1 h甚至更长时间ELDI事件.这些事件主要出现在冬季(1—2月和12月)的磁午夜扇区(1800—0200 UT,2100—0500 MLT).
EISCAT/ESR雷达处观测到ELDI事件的平均持续时间都比判定ELDI事件时预设的最小阈值(6 min)高出了至少一倍,表明本文阈值的选取是合理的,没有对最终统计结果产生重要影响.
3.3 HmE图 5给出了EISCAT和ESR雷达观测到的 ELDI事件次数随HmE的分布.图中横轴HmE的间隔为3 km,与雷达在E层高度上的垂直分辨率一致.图 5同时给出了根据雷达数据进行高斯拟合的结果.可以看出,EISCAT雷达观测到的ELDI事件在HmE=119.7 km处出现峰值;ESR雷达观测到的ELDI事件在HmE各区间的分布不如EISCAT雷达结果那么集中,拟合结果在HmE= 119.2 km出现一个微弱的峰值.因此,可认为ELDI期间,EISCAT和ESR雷达观测到的HmE均值基本一致.
图 6给出了EISCAT/ESR雷达观测到的ELDI 事件数随E层厚度的分布,图中横轴的间隔同样为3 km,并同时给出了高斯拟合曲线.图中拟合结果表明,EISCAT雷达观测到的ELDI事件数在 32.9 km处出现峰值;ESR雷达的峰值出现在38.2 km 处.高斯拟合的标准方差(参数c)表明EISCAT雷达在ELDI期间观测到E层厚度的1倍σ置信区间几乎全部落入ESR雷达的相同置信区间内.考虑到雷达在E层的高度分辨率为3 km,两雷达在ELDI期间观测到的E层平均厚度基本上一致.
取各时刻NmE/NmF2的中值作为该ELDI事件 的NmE/NmF2值.图 7给出了ELDI事件次数随NmE/NmF2 比值的分布,比值间隔为0.1.为方便对比,图中同时给出了高斯拟合结果.容易看出,两雷达都观测到的绝大部分ELDI事件均落在NmE/NmF2小于2的区间里,也观测到少部分NmE/NmF2>3的ELDI事件.拟合结果表明,EISAT雷达观测到ELDI事件在NmE/NmF2=1.3处出现峰值,ESR雷达的峰值出现在NmE/NmF2=1.1处.如果考虑1倍σ置信区间,两雷达在ELDI期间观测到NmE/NmF2比值的差异并不明显.
EISCAT雷达在ELDI期间观测到的NmE 平均比NmF2高出30%,说明ELDI这种电离层的异常垂直结构非常显著,暗示其背后存在一些起支配作用的物理过程.
4 讨论 4.1 ELDI日变化武业文等(2013)在修正磁纬度-磁地方时坐标系下对比研究了南北半球极区ELDI事件的时空分布规律.他们发现,ELDI主要发生在夜侧的极光椭圆区,白天侧ELDI的发生率都非常低.
图 8给出了EISCAT和ESR雷达观测到ELDI 事件相对频次的日变化.我们定义EISCAT/ESR雷达1h内所观测到的ELDI事件的相对频次为
如图 8所示,EISCAT雷达观测到的ELDI事件主要高频次地出现在夜侧1700—0300 UT(2000—0600 MLT)期间,这与武业文等(2013)中ELDI主要发生在 磁子夜扇区的结论相一致.除此之外,EISCAT雷达观测到ELDI的相对频次在晨侧0600 UT(0900 MLT)时段内也出现了一个次峰.不幸的是,该时段内EISCAT雷达的场向观测天数最少(图 1),需要在后续工作中积累更多的观测数据加以证实.ESR雷达观测到的ELDI事件则多出现 在磁正午扇区,其相对频次在0700 UT(1000 MLT)时段内达到最 大值,表现出与之前掩星观测结果不同的日变化特征.
需要指出的是,在0900—1400 UT(1200—1700 MLT)期间EISCAT雷达的场向观测天数达到最大值(图 1b),然而,如图 8所示,此时段内EISCAT雷达观测到的ELDI相对频次近乎为零.
Mayer等(2009)通过对低轨道卫星无线电掩星数据的分析,发现ELDI事件的发生率在夜间高达80%以上,据此认为ELDI是冬季极区夜间一个常见现象.武业文等(2013)也发现在南北极区极夜期间ELDI发生率较高,特别是在南极夜间,高达90%.
在图 3中,ESICAT雷达在冬季(1、2、12月)观 测到ELDI事件的频率最高,平均为4次/天.考虑 到COSMIC和CHAMP卫星飞行速度非常快,其观测到的电子密度剖面可看成一次卫星过境路径上电离层垂直结构的一次快照.如果卫星对某一区域的重访周期稳定,那么,由COSMIC/CHAMP无线电掩星观测估算出的ELDI发生率可近似理解为一天内ELDI累计持续时间所占的比例.这样,为方便将本文结果与无线电掩星结果进行简单对比,我们将地面雷达观测到的ELDI事件的频率转换为一天内ELDI事件的持续时间.这样,EISCAT雷达在冬 季一天之内能观测到ELDI事件的平均时间为120 min(4×30 min),其所占比例仅为8.3%(120 min=24×60 min),远远低于无线电掩星的观测结果.本文对ELDI事件的最小持续时间进行了限定,这在一定程度上会减少ELDI事件的次数,进而降低其发生率.然而,由此造成ELDI发生率的低估似乎很难合 理解释地面雷达(8.3%)与无线电掩星观测结果(80%)间的巨大差异.因此,地面非相干散射雷达观测到的极区ELDI事件发生率远没有卫星观测的那么高,似乎并不常见.
图 9给出了EISCAT和ESR雷达观测到的ELDI事件次数随UT和天数的二维分布.从ELDI 的日变化和季节变化来看,两处雷达观测到的ELDI事件并没有表现出明显的周期性.
与中低纬电离层主要受太阳紫外辐射电离控制不同,高能沉降粒子是高纬电离层的一个重要电离源(沈长寿等,2005).高能的沉降粒子能够在E层高度上引起显著的电离增强,进而有利于ELDI这种电离层异常垂直结构的形成,这是武业文等(2013)推断是粒子沉降引起ELDI的主要依据.事实上,雷达的确观测到E层电离增强造成的ELDI事例,如图 10a所示.图 10给出了EISCAT和ESR雷达所观测到的3种典型ELDI事件期间电子密度中值剖面.玫红色线、蓝色线分别表示ELDI事件前/后与其持续时间相同时间段内的电子密度中值剖面.图 10a中,与背景电子密度中值剖面相比,ELDI期间的NmF2基本上没有明显变化,NmE却增加了近130%.这从观测事例的角度有力地支持了武业文等(2013)的推断,我们称之为类型1.
理论上,NmE保持基本不变的情况下,F层的电子密度耗空也会形成ELDI.图 10b给出了雷达观测的一个事例,与图 10a恰恰相反,ELDI的出现伴随着NmF2的显著降低,NmE却基本没变化,我们称之为类型2.显然,该类型的ELDI是由F层的电离耗空单独造成的.
除此之外,雷达还观测到有别于上述两种类型的ELDI,我们称之为类型3,如图 10c所示.其特征是,ELDI的出现伴随着明显的NmE增强和NmF2耗空.
我们对EISCAT/ESR雷达观测到的所有ELDI事件进行了一一辨认,以确定三种类型ELDI的比例.在辨认过程中,类型1和类型2的ELDI事件确认要求比较严格:E/F层峰值变化必须超过20%且误差棒不重合.统计结果如表 1所示.不难发现,两雷达观测到类型1的ELDI事件都要多于类型2.EISCAT雷达观测到的ELDI多出现在子夜扇区的极光椭圆区,来自磁层的粒子沉降将引起E层高度上显著的电离增强,这有利于类型1 ELDI的形成.ESR雷达观测到的ELDI事件多出现在正午扇区,极尖/极隙区的软电子沉降会在F层高度上形成附加电离,这可能是ESR雷达观测到类型2 ELDI的比例最少的一个原因.
此外,我们对EISCAT/ESR雷达在ELDI期间和非ELDI期间观测到的电子密度剖面特征参量NmE和NmF2的均值进行了分析,结果如表 2所示.其中,数值单位为1010m-3,同时给出标准差.不难看出,ELDI期间NmE增加了200%~250%,同时NmF2降低了约40%~60%.从统计结果看,无论是在EISCAT雷达处(极光椭圆纬度)还是在ESR雷达处(极尖/极隙区纬度),单独的E层电离增强或F层电离耗空都无法形成ELDI这种异常的垂直结构.以EISCAT雷达为例,如果只是NmE从6.8×1010 m-3增加到18.1×1010 m-3,而NmF2=24.5×1010 m-3保持不变,很显然不满足NmE>NmF2这个基本条件.反之亦然.表 1中,两雷达观测到的类型1 ELDI事件的比例都没有超过50%,类型2的比例也低于30%.这说明,E层电离增强或F层电离耗 空都无法单独解释2009—2011年间EICAT/ESR 雷达所观测到的ELDI事件.因此,我们认为E层电离增强以及F层电离耗空在ELDI形成过程中都起着不可或缺的重要作用.
本文利用2009—2011年间EISCAT/ESR雷达场向电子密度观测数据,对太阳活动低年极区ELDI的发生规律及其特征进行了统计分析,主要结果如下:
(1)ELDI在极区冬季和早春更容易被观测到,表现出明显的季节变化特征.
(2)EISCAT观测到的ELDI主要发生在磁子夜扇区;ESR雷达则主要在磁正午扇区,表现出与之前无线电掩星观测结果不同的日变化特征.
(3)ELDI事件的持续时间表现出明显的地域特性:EISCAT雷达观测到ELDI的平均持续时间约为30 min,而ESR则只有14 min.ELDI事件的其他特性,包括HmE、E层厚度以及NmE/NmF2都没有表现出显著的空间差异.
(4)地面非相干散射雷达观测表明,极区ELDI事件的发生率远没有无线电掩星结果那么高,且在年的时间尺度内没有表现出明显的周期性.
(5)事例分析证实,E层电离增强或F层电离耗空都可以单独引发ELDI事件.然而统计分析表明二者在ELDI的形成过程中都起着不可或缺的重要作用.
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