太阳表面发生剧烈活动(耀斑、日冕物质抛射事件等)会引发电离层暴.有关电离层暴的物理机制，不同学者提出不同理论(Prölss，1995; Buonsanto，1999).Duncan(1969)提出暴环流理论，经过许多学者不断完善，该理论日趋成熟(Rishbeth，1975)，并在电离层模式发展中很好地解释中纬电离层暴的很多特征(Fuller-Rowell et al.，1994，1996).受磁场构型约束，低纬及赤道电离层受暴时电场的影响可分为两类：(1)快速穿透电场(Prompt Penetration Electric Field，PPEF)，持续时间较短，约为1到2 h(e.g.，Nishida，1968; Fejer et al.，1979)，有时也能形成长时间的穿透事件(Huang et al.，2005; Wei et al.，2008; Zhao et al.，2008)；(2)扰动发电机电场(Disturbance Dynamo Electric Field，DDEF)，持续时间一般在3 h以上(Blanc and Richmond，1980)，Huang等(2005)模拟结果表明这种扰动电场的方向反转的时间在不同的经度有2~3 h的差异.

通过电离层暴个例分析认识到在不同磁暴以及磁暴不同阶段的电离层特征具有多样性，这种多样性体现在不同电离层暴常常显著偏离其平均统计形态.正因如此，个例研究特别是超级磁暴期间的电离层变化及其机制一直备受学者关注.对超级磁暴事件的研究，得到了许多重要结果，如发现在超级磁暴期间，快速穿透电场引起赤道电离层剧烈抬升，造成了超级喷泉效应(Tsurutani et al.，2004)，在垂直结构上形成了暴时F3层(Zhao et al.，2005)，在纬度分布上形成了等离子体耗空、脊和穹顶等特征(Lin et al.，2009)，顶部和底部电离层的暴时响应存在显著差异等(Zhao et al.，2012; Lei et al.，2015).另外，发生在日落的快速穿透电场能通过增强电离层等离子体瑞利-泰勒不稳定性，在低纬赤道甚至中纬地区触发产生明显的电离层F层不均匀体和GPS电离层闪烁现象(e.g.，Ledvina et al.，2002; Li et al.，2009).而扰动发电机电场在白天(西向)会抑制赤道地区的喷泉效应，造成赤道地区的正相暴和低纬地区的负相暴，其作用通常发生在磁暴发生后的1到2天.午夜后扰动发电机电场东向，结合日落快速穿透电场能影响很大的经度范围，如2004年7月25—27日磁暴在美洲至东亚超过半个地球的经度区触发产生了强烈的低纬F层不均匀体和电离层闪烁现象(Li et al.，2010).除电场的影响外，暴时经向风引起的漂移也会阻止等离子体沿磁力线向低纬的扩散，抑制赤道双峰的形成，进而造成低纬地区的负相暴效应和赤道槽区的正相暴效应.另外，中性成分的改变也是引起低纬地区电子浓度变化的因素，这一机制是中纬暴产生机制在低纬的扩展.

传统的电离层暴观测研究方法主要基于电离层测高仪f_oF₂数据.张奇伟等(1995)利用东亚地区12个中低纬度电离层台站的电离层测高仪数据，研究了中低纬电离层对不同类型磁暴事件的响应.但电离层测高仪在大的电离层负相暴期间可能接收不到F₂层回波，不能提供有效的暴时数据.随着GPS等卫星系统的投入使用，其在电离层TEC探测方面表现出极大的优势.夏淳亮等(2005)利用武汉电离层观象台研制的GPS TEC的现报方法和现报系统，对2000年7月14—18日和2003年10月28日至11月1日的两次特大磁暴进行了分析，揭示了TEC赤道异常峰的压缩和移动以及赤道异常随时间的压缩-反弹-恢复的过程，发现磁暴期间电离层TEC的变化直接与太阳扰动发生的时间及其对高纬电离层的耦合有关.由于GPS卫星轨道与地球不同步，单颗卫星观测数据在时间上不连续，一般是利用多站点的数据拟合成TEC地图网格数据后使用.国际GPS服务电离层工作组自1998年定期发布电离层垂直电子浓度图，其数据产品全球电离层图由5个IGS关联分析中心制作.但IGS提供的GPS TEC地图在中国地区使用的台站较少，且在绘制TEC地图时中纬地区对应的权重较小，这些电离层改正模式不能很好地反应中国地区的电离层分布(毛田等，2007).我国北斗卫星导航系统(BDS)的建立和完善极大地增强和丰富了中国地区电离层研究的观测资料.特别是我国的北斗卫星系统在亚太区域分布着数颗同步轨道卫星，对于同一地点的电离层长期监测有重要意义，弥补了GPS卫星在固定位置上时间分辨率不高的缺点.由中科院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室研发的BG2 GNSS电离层监测仪可同时接收GPS、GLONASS和BDS三个卫星系统的信号，并获得基于GNSS三系统观测的电离层TEC等参量，在电离层各种扰动的研究中具有极大的优势.

2015年3月17日发生了第24太阳活动周最大的地磁暴，Dst指数达到-233 nT，Kp指数达到8-，此次磁暴被归类于G4级.磁暴造成了强烈的电离层和热层扰动，引起了空间物理学家的广泛关注(e.g.，Cherniak et al.，2015 ; Singh et al.，2015; Liu et al.，2016; Yue et al.，2016)，但针对中国地区的观测研究较少.本文利用分布在北京、武汉、邵阳和三亚的电离层测高仪f_oF₂和h_mF₂数据以及BG2 GNSS电离层监测仪通过接收北斗同步卫星信号反演的TEC数据分析了此次磁暴期间各纬度台站的电离层变化，对此次磁暴引发我国中低纬电离层暴和电离层闪烁的有关物理机制进行探讨.

行星际磁场分量B_z、B_y和太阳风速度SW、动压Pressure为ACE卫星数据，从OMNI数据库下载得到，其时间分辨率均为1 min；Kp指数和SYM-H数据来自世界数据中心WDC-2.SYM-H时间分辨率为1 min，可看作高时间分辨率的Dst指数.ΔH来自东南亚的Phu Thuy地磁观测站(PHU，21.03°N，105.95° E)和Dalat地磁观测站(DLT，11.93°N，108.48°E)，ΔH为两站地磁H分量的差值(H_PHU-H_DLT).

电离层F₂层临频f_oF₂和峰高h_mF₂数据分别由中国科学院地质与地球物理研究所在北京、武汉、邵阳和三亚台站的电离层测高仪测得.原始数据为15 min一张的GRM频高图文件，用SAOExplorer软件经过人工标定后再提取f_oF₂和h_mF₂数据.其中北京、武汉和三亚的电离层测高仪型号为DPS4D，邵阳电离层测高仪为研究所自主研发的PDI2.N_mF₂数据由电离层测高仪f_oF₂数据根据公式N_mF₂=1.24×10¹⁰×(f_oF₂)²计算后再通过线性插值填补缺值后得到.电离层闪烁指数S4值由邵阳和三亚台站的GPS双频接收机测得.

北斗同步卫星(BDS GEO)TEC由研究所研发的BG2 GNSS电离层监测仪测得.该仪器可同时接收GPS、GLONASS和北斗(BDS)三个卫星系统的信号，通过载波相位平滑伪距观测量反演得到斜测TEC，再将斜测TEC转化为穿透点的垂直TEC，数据时间分辨率为30 s.熊波等(2014)对BG2 GNSS电离层监测仪做了详细介绍.北斗同步卫星TEC选取布站于北京、武汉、邵阳和三亚的四个站点数据.由于北斗同步卫星观测TEC时间连续性较好，故选取在四个观测站仰角均较高的北斗3号同步卫星数据.各站北斗3号同步卫星信号穿透点经纬度和仰角以及电离层测高仪台站经纬度如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 各台站北斗3号同步卫星穿透点经纬度和电离层测高仪台站经纬度 Table 1 Longitudes and latitudes of ionosonde stations and the ionosphere pierce points of BDS GEO 3 站点 北斗3号同步卫星穿透点经纬度 电离层测高仪台站经纬度 北京 35.9°N，115.6°E，仰角46.04° 40.3 °N，116.2 °E 武汉 27.9°N，114.0°E，仰角57.60° 30.5 °N，114.4 °E 邵阳 24.6°N，111.3°E，仰角60.79° 27.1 °N，111.3 °E 三亚 17.0°N，109.7°E，仰角71.37° 18.3 °N，109.4 °E

表 1 各台站北斗3号同步卫星穿透点经纬度和电离层测高仪台站经纬度 Table 1 Longitudes and latitudes of ionosonde stations and the ionosphere pierce points of BDS GEO 3

以上数据资料的时间范围为：行星际与地磁参量，2015年3月16—19日；f_oF₂、h_mF₂和 BDS TEC，2015年3月12—19日，其中3月12—16日地磁活动平静，所以对该五天数据取平均值作为磁静日数据和磁暴期间数据进行对比.f_oF₂和h_mF₂时间分辨率均为15 min；BG2 GNSS电离层监测仪原始数据时间分辨率为30 s，为与电离层测高仪探测参数时间分辨率一致，每小时选取第0、15、30和45 min的数据.

图 1示出了2015年3月16—19日期间行星际参量和地磁参量的变化.3月16日，太阳风活动及地磁环境处于平静状态，IMF B_z分量基本处于北向，IMF B_y分量在东西向之间波动，幅度在10 nT以内.太阳风速度逐渐从300 km·s^-1上升至430 km·s^-1，动压处于10 nPa以下.3月17日0450UT，太阳风速度突增至500 km·s^-1，动压突增至20 nPa以上，并引发磁暴急始(SSC).3月17日0600UT，IMF B_z由北向转为南向，之后在南北向之间振动，直至0730UT，稳定在南向.磁暴主相持续至3月17日2300UT，恢复相持续2～3天.在磁暴主相及恢复相期间，太阳风持续600 km·s^-1左右的高速.3月17日磁暴主相期间，IMF B_z于1000UT由南向翻转为北向，并持续至1200UT，在此期间，SYM-H具有上升趋势，之后伴随着IMF B_z再次转为南向，SYM-H开始下降，并在3月17日2300UT左右达到最低值-233 nT.此次地磁暴由两个日冕物质抛射相互作用导致，并伴随后续高速太阳风的压缩.磁暴呈现出明显的多步发展特征(Kamide et al.，1998).

图 1

Fig. 1

图 1 2015年3月16—19日期间行星际参量和地磁参量 Fig. 1 Interplanetary and geomagnetic conditions during 16—19 March 2015

图 2示出了3月17—19日期间北京、武汉、邵阳和三亚四个观测站电离层测高仪临界频率f_oF₂的变化情况，其中虚线为磁静日数据.由图可知四个台站在磁暴主相和恢复相期间均发生了以负相暴(f_oF₂减小)为主的电离层暴.各台站电离层f_oF₂演化过程如下：北京，3月17日1030—1500UT电离层f_oF₂相比磁静日增加了2.2 MHz，随后f_oF₂开始减小，最大差值达到7 MHz；与磁静日相比，武汉未发生明显的f_oF₂增加，从3月17日1230UT开始f_oF₂明显低于磁静日观测，最大差值达到6.5 MHz；邵阳，3月17日0700UT至1030UT，电离层f_oF₂相比磁静日增加了2 MHz，之后持续24 h以上f_oF₂低于磁静日，最大差值达到10 MHz，3月19日0300UT至1000UT f_oF₂相比磁静日增加3 MHz；三亚，3月17日1100UT至1230UT，电离层f_oF₂相比磁静日明显突增，幅度达到5 MHz，与北京和邵阳的不同是三亚f_oF₂增加发生在日落后，且持续时间短，仅有1.5 h，三亚随后持续一天以上f_oF₂比磁静日偏小，最大差值达到9 MHz.四台站负相暴均主要发生在3月18日磁暴恢复相期间.但四台站数据在磁暴期间均有不同程度的缺失，其中武汉数据缺失情况最严重，最大缺失长度达到7 h，数据缺失原因为磁暴期间电离层F₂层电子浓度过低，回波信噪比低，电离层测高仪无法接收到有效反射回波.

图 2

Fig. 2

图 2 磁暴期间各台站电离层测高仪临界频率逐日变化 Fig. 2 Day-to-day variation of foF2 during the magnetic storm in March 2015

图 3为磁暴期间(3月17—19日)北斗同步卫星TEC(BDS GEO TEC)变化曲线，其中虚线为磁静日数据.由图 3可知此次磁暴在北京、武汉、邵阳和三亚的TEC变化中均有体现.在磁暴急始后各台站均有不同程度的正相暴，随后是强烈的长时间负相暴.为了更详细地分析此次磁暴所引发的电离层TEC变化，将磁暴期间各台站的电离层TEC与磁静日TEC相减，得到ΔTEC，图 4为ΔTEC逐日变化曲线.由图 4可知，ΔTEC变化主要分以下三个阶段：

图 3

Fig. 3

图 3 磁暴期间北斗同步卫星TEC逐日变化 Fig. 3 Day-to-day variation of BDS GEO TEC during the magnetic storm in March 2015

图 4

Fig. 4

图 4 磁暴期间北斗同步卫星ΔTEC逐日变化 Fig. 4 Day-to-day variation of BDS GEO ΔTEC during the magnetic storm in March 2015

(1) 3月17日下午至午夜以后：武汉、邵阳最先出现正相暴(0700—1100UT)，北京稍晚但持续时间最长(0800—1900UT)，三亚最晚(1030—1230UT).其中邵阳正相暴最强，ΔTEC达到38 TECU，而三亚持续时间最短，为2 h.邵阳ΔTEC在1100UT最先由正相暴转为负相暴，且幅度最大(-36 TECU)，并持续到午夜以后.武汉和三亚的ΔTEC负相暴滞后1~1.5 h发生，但结束时间与邵阳相同.

(2) 3月18日：北京白天ΔTEC小于0，达到-21 TECU，体现为负相暴，夜间恢复磁静日状态；武汉、邵阳和三亚ΔTEC负相暴从日出后一直持续到午夜，且负相暴强度远大于3月17日夜间，邵阳达到-60 TECU.

(3) 3月19日：北京白天ΔTEC小于0，夜间恢复磁静日水平；武汉和邵阳白天ΔTEC大于0且邵阳增幅可达30 TECU，日落后ΔTEC小于0，午夜后恢复磁静日水平；三亚全天ΔTEC基本维持在磁静日水平.

图 5为磁暴前一天(3月16日)及磁暴期间(3月17—19日)邵阳和三亚观测站夜间GPS电离层闪烁S4指数的变化情况.GPS电离层闪烁主要由电离层F层百米尺度(菲涅尔尺度约400 m)不均匀体导致.为消除低仰角引起的多路径效应等影响，对观测数据设定了30°仰角门限，超过30°的数据才被利用.由图 5可知，磁暴发生前，邵阳和三亚观测到长时间明显的夜间电离层闪烁现象，闪烁指数最大值接近甚至超过1.在 3月17日和18日，邵阳和三亚无电离层闪烁发生.图 6为3月16日、17日和18日三天1230UT、1300UT和1330UT时刻的频高图.由图 5和图 6可知，3月16日1200—1800UT，三亚发生明显的电离层闪烁期间，其上空有扩展F的出现，而3月17日和18日1200—1800UT三亚上空未出现扩展F，也无电离层闪烁发生.在3月19日，三亚观测到持续时间较短的电离层闪烁.

图 5

Fig. 5

图 5 磁暴前后邵阳和三亚S4值变化(3月16—19日) Fig. 5 S4 values observed over Shaoyang and Sanya During 16—19 March 2015

图 6

Fig. 6

图 6 三亚2015年3月16、17和18日1230UT、1300UT和1330UT时刻频高图 Fig. 6 Ionogram of Sanya on 16，17 and 18 March 2015(1230UT，1300UT and 1330UT)

图 7

Fig. 7

图 7 磁暴期间TEC、ΔTEC、ΔhmF2和ΔNmF2纬度分布 Fig. 7 Latitudinal and day-to-day variation of TEC，ΔTEC，ΔhmF2 and ΔNmF2 during 17—19 March 2015

图 7列出了磁暴期间(3月17—19日)TEC、ΔTEC、Δh_mF₂和ΔN_mF₂随纬度分布情况，由北京、武汉、邵阳和三亚数据经过线性插值得到.(a)为BDS GEO TEC，(b)为BDS GEO ΔTEC，其中白色粗线是ΔTEC为0的等值线，(c)为Δh_mF₂，(d)为ΔN_mF₂，(e)为IMF B_z变化曲线，(f)为ΔH变化曲线，黑线为磁静日数据.

由图 7(a，b)可知，20°N—30°N所对应的赤道北驼峰区域在3月17日白天呈现出明显的正相暴，在3月17日夜间呈现出明显的负相暴；3月18日全天表现为明显的负相暴，赤道北驼峰被抑制；3月19日与3月17日情况类似，也是在北驼峰区白天呈现出明显的正相暴，夜间呈现出明显的负相暴，不同的是与3月17日相比，正相暴时间更长，而负相暴时间更短.

与图 7e和图 7f相结合，可发现磁暴期间电离层TEC变化与ΔH变化有很好的对应关系.3月17日0600UT和0730UT，IMF B_z两次突转南向翻转，ΔH突然增加显示低纬附加了两次东向穿透电场，特别是第二次翻转产生的电场增强导致驼峰地区N_mF₂和TEC出现正相暴.3月17日0930UT至1130UT，ΔH显示为负值表明日落电场此时受到西向扰动发电机电场的抑制(Abdu，1997)，该效应导致喷泉效应减弱，从而使驼峰内侧20°N以下更低纬度地区h_mF₂的突然下降和N_mF₂/TEC的增加.3月17日驼峰区负相暴过程除了受到西向扰动发电机电场减弱喷泉效应所导致，还可能源于赤道向中性风抑制了等离子体沿磁力线向高纬的扩散，驼峰及低纬地区峰高h_mF₂显示日落后至凌晨增幅达200 km.35°N附近区域的TEC正相暴发生在3月17日下午至夜间段，最大增幅出现在日落附近，原因是暴时赤道向中性风抬升电离层导致复合率减少，风场的影响要滞后于电场，所以35°N附近区域正相暴发生时间要晚于低纬地区，这在图 4所示的北京ΔTEC变化中也有体现.值得注意的是此时TEC和N_mF₂增加并不同步，TEC开始增加时N_mF₂保持不变，这与峰高h_mF₂增加不大有关(10~15 km).TEC是整个电子浓度的积分值而N_mF₂反映峰值处的变化，TEC增加而N_mF₂保持不变说明电子浓度的增加主要集中于顶部电离层，这与以往的研究成果相似(Zhao et al.，2012).

3月18日白天，图 7f 中ΔH所示电场为西向，由于该西向电场持续时间覆盖了整个白天，而在此期间IMF B_z近于平静，所以此西向电场为扰动发电机电场.图 7(c，d)显示从中纬40°N至低纬18°N的广大区域内h_mF₂都出现不同程度的下降，且在中纬和低纬各有两个低值区，同时伴随N_mF₂的大幅下降，可能是分子气体成分扰动扩散至驼峰地区所致.所以东亚中低纬地区白天长时间的负相暴效应由强西向扰动发电机电场和成分扰动共同作用形成.3月18日日落后至午夜驼峰及低纬地区的电离层负相暴演化形态及机制与3月17日负相暴过程类似.

上述分析显示，在3月17日和18日夜间，低纬赤道电离层受暴时西向扰动发电机电场影响.由于低纬赤道F层不均匀体产生的一个必要条件是赤道F层被抬升到足够高的高度，在瑞利-泰勒不稳定性作用下产生赤道F层不均匀体(赤道扩展F/等离子体泡)并引起穿越扩展F的电波闪烁现象.赤道扩展F/等离子体泡在随高度上升的过程中能沿着磁力线映射(map)到低纬，低纬(如三亚)扩展F和GPS闪烁现象主要受赤道扩展F发生影响(Liu et al.，2015).在东西向电场E×B漂移作用下，暴时西向扰动发电机电场可抑制F层抬升，削弱瑞利-泰勒不稳定性，不利于低纬赤道日落F层不均匀体和电离层闪烁的发生.相比磁静日(3月16日)，3月17日和18日三亚和邵阳没有出现电离层闪烁，可能是因为日落时，西向扰动发电机电场占主导地位，其通过影响赤道F层抬升和等离子体瑞利-泰勒不稳定性过程抑制了F层不均匀体和电离层闪烁的发生.3月19日，三亚观测到电离层闪烁但纬度相对高的邵阳没有闪烁，与引起GPS闪烁的赤道扩展F上升高度相关.

3月19日白天，中纬地区如北京仍观测有负相暴扰动，但幅度较小，驼峰区TEC和N_mF₂增加，说明成分扰动引起的负相暴仅限于中高纬地区.此时行星际和地磁活动趋于平静，ΔH较参考静日有所增加，低纬地区峰高h_mF₂小幅增加，说明19日的F区东向电场有所增强，这可能与低纬电离层潮汐发电机过程的逐日变化有关.

本文利用电离层测高仪、北斗同步卫星TEC和GPS电离层闪烁数据对2015年3月磁暴期间中国中低纬地区的电离层f_oF₂、TEC和GPS闪烁变化进行了分析，并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨，主要得到如下结论.

(1) 3月17日的地磁暴伴随有明显的电离层暴，该电离层暴在各项电离层参数中均有明显的体现.f_oF₂与TEC均体现为正相暴之后长时间的负相暴.3月17日夜间，中纬北京体现为正相暴，低纬武汉、邵阳和三亚在短暂正相暴后转为负相暴，驼峰区邵阳正相暴强度达到38 TECU；3月18日，中纬北京在白天体现为负相暴，夜间平静，低纬武汉、邵阳和三亚全天体现为负相暴，负相暴强度达到-60 TECU，负相暴期间，赤道北驼峰被抑制.Nava等(2016)对此次磁暴期间各个经度区域(亚洲、非洲、美洲和太平洋地区)的电离层响应进行了观测分析，发现美洲地区正相暴效应最明显而亚洲地区负相暴效应最明显.本文所讨论的电离层暴发展过程与Nava等(2016)对亚洲(110°E)中低纬地区的分析一致.Singh等(2015)利用印度不同纬度的电离层测高仪数据和GPS TEC数据对此次磁暴期间印度地区的电离层响应进行了分析，其正负相暴开始与结束时间比本文对中国地区电离层暴的分析晚3~4个小时，这主要是经度效应所引起的地方时差异所致.总体来看，该次磁暴为典型的急始型强主相磁暴，其所引发的中国中低纬地区的电离层正相暴紧随磁暴急始，其负相扰动的开始和结束时间与磁暴主相也有着很好的对应关系.磁暴期间低纬邵阳和三亚无闪烁发生.

(2) 分析表明，低纬地区的电离层暴主要受电场的影响.此次电离层暴可能的形成机制为：3月17日白天发生在磁暴急始后的正相暴是由行星际磁场2次南向翻转产生的东向穿透电场所引起；3月18日白天长时间的负相暴是西向扰动发电机电场和成分扰动所引起；3月17日与18日夜间的负相暴是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致；3月17日与18日夜间西向扰动发电机电场可能抑制了赤道扩展F(及其引起的电离层闪烁)的发生.Kuai等(2016)利用GPS TEC地图数据对电场在此次磁暴期间对电离层的影响进行了分析，发现低纬及赤道地区的电离层暴主要是电场的作用结果，亚洲—澳大利亚地区的强负相暴主要受扰动发电机电场影响，而美洲地区的电离层反复性抬升与EIA增强主要受穿透电场的影响.

(3) 北斗同步卫星TEC数据可以很好地体现此次地磁暴期间电离层变化情况.由于同步卫星与接收机相对位置固定，所以单颗卫星数据连续，时间分辨率高(可达30 s)，在分析暴时电离层快速变化时具有很大优势.

本文部分数据来自国家重大科技基础设施子午工程.