地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (9): 3289-3300   PDF    
太阳活动高、低年东亚中、低纬地区扩展F特性比较研究
郭兵1,2, 肖赛冠1 , 史建魁1, 肖佐3, 王国军1, 程征伟1, 尚社平1, 王铮1, 索玉成4     
1. 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室, 北京 100190;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;
4. 中国电波传播研究所, 青岛 266107
摘要:扩展F(Spread-F)作为重要的电离层不规则结构之一,对电波传播、导航、通讯等有重要的影响,因此对其时、空特性的研究一直倍受重视.本文通过分析低纬海南台站和中纬长春与乌鲁木齐台站的测高仪数据,比较研究了太阳活动高、低年我国中、低纬地区夜间电离层扩展F的发生特性.扩展F发生率特性主要体现在:无论低纬还是中纬太阳活动低年扩展F发生率最大值高于太阳活动高年;无论太阳活动高年还是低年低纬站扩展F发生率最大值高于中纬站.细节特征主要体现在:首先,三台站在太阳活动高、低年扩展F发生率都存在双峰结构.太阳活动高年,低纬海南站双峰结构集中在春、秋分季节,而中纬站则集中在冬、夏季节,扩展F较容易发生的地方时低纬站主要集中在子夜前,而中纬站则偏向子夜后;在太阳活动低年,中、低纬双峰结构都出现在冬、夏季节,低纬海南站扩展F较突出的出现在子夜前后,而中纬台站则主要出现在子夜及子夜后.其次,双峰结构中的细节表现不同,如低纬海南站太阳活动高年扩展F较容易发生在春分季节,但2月和4月份发生率都比较高而且接近,而太阳活动低年扩展F较容易发生在夏季月份,但5月和7月的发生率也都比较高且接近,且太阳活动高、低年低纬主峰峰值非常接近,不像中纬地区有明显的差异等.本文针对实测数据进行了详细的分析并结合已有研究进行了细致的讨论.
关键词: 扩展F      中、低纬电离层      太阳活动      季节变化      地方时变化     
Comparative study on characteristics of spread-F at low-and mid-latitudes during high and low solar activities over East Asia
GUO Bing1,2, XIAO Sai-Guan1, SHI Jian-Kui1, XIAO Zuo3, WANG Guo-Jun1, CHENG Zheng-Wei1, SHANG She-Ping1, WANG Zheng1, SUO Yu-Cheng4     
1. State Key Laboratory of Space Weather, National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
4. China Research Institute of Radio Wave Propagation, Qingdao 266107, China
Abstract: In this work, we analyze the ionosonde data sets from the low-latitude station, Hainan, and mid-latitude stations, Changchun and Ürümqi. Then we conduct comparison of low-and mid-latitude spread-F occurrence rates during high and low solar activities. The results of spread-F occurrence rates include two aspects:(1) The maximum spread-F occurrence rates over both low-and mid-latitudes during low solar activity are larger than those during high solar activity. (2) During both high and low solar activities, the maximum occurrence rate over low-latitudes is greater than that over mid-latitudes. In addition, there are also some detailed characteristics of spread-F occurrence. (1) Double-peak structure exists in spread-F occurrence during high and low solar activities over all three stations. During the equinox months of the high solar activity, the two occurrence peaks over the low-latitude station occur in pre-midnight, whereas those during the solstices over mid-latitude stations of Changchun and Ürümqi occur in the post-midnight period. During low solar activity, the two peaks appear in the solstices over both low-and mid-latitude stations. Over Hainan, the main peak during summer occurs around midnight and the sub-peak during winter occurs at post-midnight. Over Changchun and Ürümqi, the two peaks occur at post-midnight. (2) Differences also exist in the detailed double-peak structure. First, the main peak over low-latitude occurs in vernal equinoctial months during high solar activity, but the maximum occurrence rates in February and April are relatively high and closer; the spread-F tends to occur in summer during low solar activity over Hainan, but the maximum occurrence rates in May and July are also relatively high and closer. During high and low solar activities, the main peak values over low-latitudes are very close, but have notable differences over mid-latitudes. In sum, a detailed analysis and comparison on characteristics of spread-F over the low-latitude station, Hainan and mid-latitude stations, Changchun and Ürümqi, are presented in this paper.
Key words: Spread-F      Low-and mid-latitude ionosphere      Solar activity      Seasonal variation      Local time variation     
1 引言

扩展F是电离层不规则结构的一种重要现象,当扩展F发生时会严重影响无线电通讯、卫星导航和雷达定位等,所以电离层扩展F特性的研究一直备受关注.Booker和Wells(1938)首次提出夜间赤道F区存在扩散回波,命名为赤道“Spread-F”(赤道扩展F).之后,通过不同的观测手段,如地基测高仪(Rastogi, 1977),非相干和相干性散射性雷达(Kelley and McClure, 1981; Mathews et al., 2001)、GPS-TEC映射图(Valladares et al., 2004)、在轨卫星和火箭探测(Basu and Basu, 1981, 1985)以及光学气辉观测(Weber et al., 1978)等,对扩展F特性进行了大量的研究,发现扩展F发生率具有明显的时空变化特性.

低纬地区在太阳活动高、低年,扩展F发生率特性存在明显不同:Kotadia(1959)研究太阳活动上升年(1954—1957年)Ahmedabad站(23°02′N, 72°38′E; 磁纬13.6°N)数据,发现扩展F活动最大出现在太阳活动低年的夏季和高年的两分季;韩馥芬和黄昌理(1988)罗发根(1995)分别对海口站(110.3°E, 20.0°N; 磁纬8.5°N)高、低年扩展F发生率随地方时和季节变化进行统计,结果表明太阳活动高年扩展F峰值出现在两分季的子夜前,低年峰值出现在夏季子夜及子夜后;Chandra等(2003)同样采用Ahmedabad站的观测数据(1983—1985年),研究表明频率扩展F在太阳活动低年的夏季频繁发生,区域扩展F在高年的两分季和冬季发生率最大;黄为权等(2009)比较两低纬站(Djibouti: 11.5°N, 42.8°E; Ouagadougou: 12.4°N, 358.5°E)高(1980)、低(1975) 年扩展F观测值与IRI-2007预测值,其中观测值给出两台站高年扩展F发生率集中在分季和冬季的子夜前,低年集中在夏季子夜后;Wang等(2010)对海南地区太阳活动下降阶段(2002-03—2008-02) 四种类型(频率型,区域型,混合型和强混合型)的扩展F进行比较,展示了各类扩展F的发生率、持续时间、所出现的地方时等在高、低年的不同;Li等(2011)利用不同经度区测高仪和GPS-TEC观测,研究了2000—2009年夏季不同经度区赤道扩展F(Equatorial Spread-F, ESF)在太阳活动高、低年的特性,在东南亚地区夏季扩展F与太阳活动反相关,太阳活动低年扩展F发生率高且主要出现在子夜及子夜后;Abdu(2012)结果表明在太阳活动极大年,赤道扩展F主要发生在日落后到子夜前,而在太阳活动极小年,则主要发生在子夜后;Zhu等(2015)分析了第24太阳活动周极大年(2012—2013年)期间,我国三亚地区(18°N, 109°E; 13°N dip latitude)扩展F的地方时和季节特性,以及扩展F与初始扰动源的统计关系.

中纬地区扩展F在太阳活动高、低年的发生特性也有明显差异:Igarashi和Kato(1993)对日本中纬地区的五个台站数据(1969—1989年)分析,结果表明太阳活动高年扩展F发生率峰值在子夜附近,低年在02:00LT(Local Time)附近,且低年峰值远大于高年;Bhaneja等(2009)进行了一个太阳周内(1996—2006年)中纬地区(37.95°N, 284.53°E; 磁倾角67.5°N)频率和区域扩展F特性随季节和太阳活动周变化研究,结果表明区域、频率扩展F发生率都在太阳活动低年(2005)显著增加,而高年(2002)出现极小值;Huang等(2011)利用长春和乌鲁木齐两站数据(1992—2001年)研究扩展F,发现在低年两站发生率的值明显高于高年,且长春站发生率总是大于乌鲁木齐站.

中、低纬扩展F发生特性也有所不同:Singleton(1968)研究太阳活动下降年(1958—1964年)高、中、低纬多个台站的频率扩展F形态特性,其中在太阳活动减小时低纬扩展F高发生率区可以向更高纬度扩展;Su等(2006)利用ROCSAT卫星对太阳活动中到高年(1999—2004年)数据研究赤道和中纬地区的密度分布,发现赤道不规则体峰值出现在子夜前,中纬地区峰值的发生在子夜后;Xu等(2010)统计分析了中国三个台站1978—1997年扩展F的发生特性:低纬海口站(20.0°N, 110.3°E)低年峰值发生在夏季子夜后,高年峰值出现在两分季日落后,而中纬重庆(29.5°N, 106.4°E)和兰州(36.1°N, 103.9°E)站,扩展F主要发生在子夜后.此外,关于中纬或低纬地区太阳活动高年或低年的扩展F特性研究还有很多(Lambert, 1988; 王国军等, 2006; Chu et al., 2011; Pezzopane et al., 2013).

综上所述,已有的研究主要集中在一定太阳活动条件下某一区域(中纬、低纬、高纬)的扩展F特性方面,虽然也有一些比较研究,但是,综合考虑太阳活动高、低年,进行中、低纬地区扩展F发生率随时间和空间的变化特性的比较研究并不多.本文通过分析低纬海南站和中纬长春与乌鲁木齐站的测高仪数据,分别对东亚中、低纬地区太阳活动高、低年的扩展F发生特性进行统计分析,以此获得扩展F发生特性随太阳活动、经纬度、季节、地方时的变化,并对中、低纬地区太阳活动高、低年扩展F的发生特性进行比较研究;接下来是本文所选用数据的详细介绍;文章第三部分是关于太阳活动高、低年中、低纬地区扩展F特性的详细分析与比较研究结果;对分析结果的讨论和总结安排在第四和第五部分.

2 数据及处理方法 2.1 数据来源及处理方法

在本文研究中,不区分扩展F类型且统计数据包含了磁静日和磁扰日,磁扰日对统计结果的影响在讨论部分会提到.低纬海南站扩展F数据来自于DPS-4电离层数字测高仪(Reinisch, 1997),该测高仪安装于2002年初,数据记录间隔为15 min,若某一时刻记录到扩展F且与其相邻的下一时刻也有扩展F的发生,则认为这两个扩展F为一个扩展F事件,其持续时间为15 min,以此类推.中纬长春和乌鲁木齐站数据来自电离层观测数字数据库,在该库给出的电离层F2区临频小时值中,凡标有“F”和“Q”字样的记为扩展F在该小时发生一次,并作为发生率随地方时的统计依据.为了便于与长春和乌鲁木齐站作比较,海南站选取持续时间大于等于一小时的扩展F事件,然后在选取的事件中以临频小时为基础,作为发生率随地方时的统计依据.

通常情况下,太阳活动高年或低年并不仅仅是指某一年,为了准确地反映太阳活动高、低年对电离层扩展F发生率的影响,我们以太阳射电流量F10.7(单位:sfu, 1 sfu=10-22W·m-2·Hz-1)的年平均值作参考,选取年平均F10.7值在峰顶或峰谷的年份作为太阳活动高或低年的选取依据,即本文中的太阳活动高、低年指的是峰、谷年.文中F10.7数据来自于美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)的OMNIWeb上的公开数据(ftp://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/low_res_omni/).由于所得数据的局限性,在太阳活动高、低年选取中,所选的高、低年时间段并不完全相同,但是,年平均的F10.7非常接近.在图 1中,太阳活动高年的选取:低纬海南站为2002年(年平均F10.7为179.4),中纬站为2000、2001和2002年(年平均F10.7为:180.0, 181.1, 179.4);太阳活动低年的选取:海南站为2007,2008和2009年(年平均F10.7为:73.1, 69.0和70.5);中纬站为1995,1996和1997年(年平均F10.7为:77.2, 72.1, 80.9).

图 1 1992年到2015年之间的年平均F10.7 Fig. 1 Annual average F10.7 from 1992 to 2015

本文中对于某月某地方时扩展F发生率定义(Xu et al., 2010)为:

(1)

其中,mh分别代表观测月份和地方时,r表示观测的某月某地方时扩展F的发生率,i=“1 or 3”表示对于太阳活动高年海南站i=“1”,其他情况下i=“3”,发生率值代表的是所选高或低年的平均,Ai表示所选高或低年中第i年该月该地方时扩展F出现次数,Bi表示高或低年中第i年该月该地方时的观测次数.另外,在季节的分类中,选取11, 12, 1, 2月为冬季;3, 4月为春季;5, 6, 7, 8月为夏季,9, 10月为秋季.

2.2 地方时选取

由于三台站所在的经度不同,如表 1所示,所以地方时存在差异.根据经度时区划分海南地方时LT=UT+7 h; 长春LT=UT+8 h; 乌鲁木齐LT=UT+6 h.

表 1 三台站地理地磁参数 Table 1 Geographic and geomagnetic parameters of three stations
2.3 数据缺失

海南站:

2002年总观测天数290天:1月份缺失31天, 10月份缺失15天, 11月份缺失16天, 其他月份共缺14天.

2007年总观测天数342天:7月缺6天, 11月缺8天, 其他月份缺9天.

2008年总观测天数339天:即3月缺17天, 其他月份共缺10天.

2009年总观测天数309天:即2月份缺15天, 11月份缺8天, 12月份缺31天.

乌鲁木齐站:

1995年缺6, 7, 8, 9月份.

1997年缺1, 2, 10, 11月份.

3 统计结果

对选取的数据进行了细致的分析研究,结果表明在不同的太阳活动条件下,扩展F的发生率存在不同的空间(经、纬度)和时间(地方时、季节)变化特性.为了清楚准确的反映其随地方时及季节的变化,我们选取了三维网格强度投影的方式,再加上粗略的等值线描绘,该方式不仅可以反映扩展F发生率特性的变化趋势,而且其随地方时及季节的变化更是精准的被揭示.详细结果如下.

3.1 太阳活动高年中、低纬扩展F特性比较

图 2给出太阳活动高年中、低纬地区扩展F发生率随地方时及季节变化.图中横坐标表示地方时,纵坐标表示月份.为了更加清楚的体现其季节特性,我们按照上述季节划分把冬季月份(11, 12, 1, 2月)集中放在一起.图中每个小网格中的颜色代表对应的地方时处该月份扩展F的发生率的大小,图中的白色等值线给出了发生率变化的整体趋势.在图 3图 4图 5中,横、纵坐标轴含义类似.

图 2 海南(a)、长春(b)和乌鲁木齐(c)站在太阳活动高年扩展F发生率逐月和地方时的变化 Fig. 2 Spread-F occurrence rates over Hainan (a), Changchun (b) and Vrümqi (c) varying with months and local time during high solar activity
图 3 海南(a)、长春(b)和乌鲁木齐(c)站在太阳活动低年扩展F发生率逐月和地方时的变化 Fig. 3 Spread-F occurrence rates over Hainan (a), Changchun (b) and Vrümqi (c) varying with months and local time during low solar activity
图 4 中纬长春(a, c)和乌鲁木齐站(b, d)在太阳活动高(a, b)、低年(c, d)扩展F特性 Fig. 4 Spread-F occurrence rates over two mid-latitude stations, Changchun and Vrümqi, varying with months and local time during high and low solar activities
图 5 低纬海南站太阳活动高年(2002, 2003)扩展F发生特性 Fig. 5 Spread-F occurrence rate over Hainan varies with months and local time during high solar activity(2002, 2003)

总体而言,图 2清楚可见在太阳活动高年,低纬海南站扩展F发生率最大值明显高于两个中纬台站,而中纬长春站则高于乌鲁木齐站.其季节变化趋势:低纬海南站集中在春、秋分季节,而两个中纬站则集中在冬、夏季节.扩展F较容易发生的地方时海南站主要集中在子夜前,而中纬站则偏向子夜后.

从细节结构上,在太阳活动高年中、低纬台站的差异将更为突出.低纬海南站扩展F发生率主要集中在2—4月和7—9月,但集中在2—4月份的扩展F发生率有两个月份表现突出,一个出现在2月另一个出现在4月(图 2a),这两个月份中发生率最大值非常接近分别为73.9%和76.7%,都出现在地方时22:00LT;集中在7—9月份的扩展F发生率只存在一个峰值,大小为50.0%,出现在9月份地方时22:00LT.低纬海南站扩展F发生率比较集中的两个时间段基本上是春、秋分季节,这与相关的研究结果是一致的(Zhu et al., 2015).鉴于春、秋分季节扩展F发生率最大值的差别较大,即分季异常(Liu et al., 2010; Ren et al., 2011; Chen et al., 2012; Sun et al., 2016),这里把4月份即春分季节笼统地称为扩展F发生率的主峰,而9月份即秋分季节则称为次峰.在下面的分析中我们将采用这样的说法,把扩展F发生比较集中的时间段发生率较高的称之为主峰,其次则为次峰.中纬长春站扩展F发生率主峰位于夏季8月份峰值为21.5%,次峰出现冬季1月份峰值为9.7%,均出现在地方时02:00LT(图 2b);乌鲁木齐站扩展F发生率的分布略显凌乱,但有两个明显的峰,一峰出现在冬季1月,另一峰出现在夏季8月份,峰值均为11.8%,但前者出现在地方时02:00LT附近,后者在00:00—01:00LT附近(图 2c),乌鲁木齐台站扩展F发生率在太阳活动高年也表现出两个最大值且出现在不同的月份,虽然两个值同样高,但出现的地方时略有不同.

3.2 太阳活动低年中、低纬扩展F特性比较

图 3所示为太阳活动低年中、低纬地区扩展F发生率随地方时及季节变化.总体而言,在太阳活动低年,低纬海南站扩展F发生率最大值很明显也高于两个中纬台站.而且,无论是低纬还是中纬台站都表现出来明显的双峰结构,这两个峰基本上都出现在夏、冬季节;低纬海南站扩展F较突出的出现在子夜前后,而中纬台站则主要出现在子夜及子夜后.

太阳活动低年扩展F具体的细节特征为:海南站扩展F主要集中发生在5—8月的夏季,但在冬季(12—1月)存在另一个扩展F发生率较小凸出结构,依据上述说明,我们把集中在夏季的扩展F发生率结构称为主峰结构,冬季的称为次峰结构.网格投影强度图中清晰可见在主峰结构中有两个月份扩展F发生率表现较为突出,一个出现在5月份,另一个出现在7月份,且这两个月的发生率最大值均出现在地方时子夜00:00LT,其值分别为78.5%和74.7%,所以夏季主峰峰值出现在5月份;次峰较为集中的区域出现在冬季1月份,其发生率峰值为35.6%,出现在地方时子夜后02:00LT(图 3a).已有研究主要表明太阳活动低年低纬扩展F主要出现在夏季且只有一个月份最为突出,即只有一个峰值,并且冬季的发生率比较凌乱并没有较为突出的部分(Kotadia, 1959; 韩馥芬和黄昌理,1988罗发根,1995Chandra et al., 2003; Xu et al., 2010; Abdu, 2012),而我们的结果表明,扩展F更容易发生在夏季(即主峰结构)但冬季也存在一个较为明显的峰值结构(即次峰结构).这样更为细致地揭示了扩展F发生率的季节及地方时特征.相比而言,中纬地区扩展F发生率就表现出较为明显的主、次双峰结构.中纬长春站主峰出现在冬季1月份02:00LT,峰值为44.1%,次峰在夏季7月,峰值为30.1%,出现在01:00LT附近(图 3b).虽然,中纬乌鲁木齐站扩展F主、次峰分布略显凌乱,但还可以看出其主峰出现在夏季的7月,峰值为38.7%,出现地方时为02:00LT,次峰出现在11月,峰值为26.7%,出现的地方时为04:00LT(图 3c).在太阳活动低年,低纬站主峰值很明显大于中纬站主峰值,并且两个中纬站中长春站的主、次峰值分别大于乌鲁木齐主、次峰值.

3.3 太阳活动高、低年低纬扩展F特性比较

图 2a3a分别表示低纬海南站太阳活动高、低年扩展F发生率随地方时和季节变化.就低纬台站而言,太阳活动高、低年扩展F发生率特性都具有明显的主、次峰结构,高、低年主峰峰值比较接近(分别为76.7%和78.5%),高年次峰峰值(50.0%)很明显大于低年次峰峰值(35.6%),然而主、次峰出现的季节和地方时有所不同.大体来讲,高年双峰主要位于两分季的子夜前,低年主要出现在夏季子夜附近,与已有研究结果一致(Kotadia, 1959; 韩馥芬和黄昌理,1988罗发根,1995Chandra et al., 2003; Xu et al., 2010; Abdu, 2012; Zhu et al., 2015).与已有研究相比,扩展F发生率随地方时及季节变化的精细结构存在更突出的特点:在太阳活动高年,集中在2—4月份的扩展F发生率虽然主峰出现在春分4月份,但在2月份的发生率表现的也很突出;与其相似的是在太阳活动低年,除了夏季的主峰出现在5月外,在夏季的7月份发生率同样表现的较为明显,而且在冬季1月份存在另一较为明显的次峰.总之,在太阳活动低年低纬海南站在扩展F发生率趋势上主要多发于夏季.

3.4 太阳活动高、低年中纬扩展F特性比较

从前面的分析中我们能够发现在太阳活动高、低年两个中纬台站扩展F发生率存在相似之处,也存在明显的不同,这里为了进一步比较两个中纬台站的异同,更为突出两站在不同太阳活动条件下扩展F发生率特性的精细结构,在统一的比较标尺下重新给出了太阳活动高、低年中纬两站扩展F发生率随地方时和季节的变化特性,如图 4所示,其中图 4a4b表示太阳活动高年长春和乌鲁木齐站扩展F特性,图 4c4d表示低年长春和乌鲁木齐扩展F特性.

首先,从图 4中可以看出,太阳活动低年中纬两站扩展F发生率明显高于高年(图 4a4c图 4b4d);在同等太阳活动条件下,长春站扩展F发生率峰值大于乌鲁木齐站(图 4a4b图 4c4d).其次,扩展F发生率随地方时变化方面,在太阳活动高、低年中纬两站发生率峰值都主要出现在子夜及子夜后.另外,扩展F发生率随季节变化,中纬两站在太阳活动高、低年都表现为双峰结构,且峰值都出现在冬、夏两季,但在峰的精细结构方面却有所不同:太阳活动高年长春站扩展F发生率双峰有明显主、次之分(图 4a),主峰出现在夏季8月次峰出现在冬季1月,而乌鲁木齐站双峰也出现在夏季8月和冬季1月,但无明显主、次之分(图 4b);在低年,两台站双峰存在主、次结构,但主、次峰出现的季节明显不同,长春站主峰出现在冬季1月次峰在夏季7月,乌鲁木齐站主峰出现在夏季7月,而次峰在冬季11月.

4 讨论

理论上,中、低纬地区扩展F的产生机制是不同的(Ossakow and Chaturvedi, 1978; Zalesak et al., 1982; Xiao and Zhang, 2001; Huba et al., 2009).对于赤道以及低纬方面,扩展F的发展一般认为与广义Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定机制(Dungey, 1956; Zalesak et al., 1982; Sultan, 1996; Martinis et al., 2005)有关,这种不稳定机制可以使低密度扰动向上延伸至F层顶部形成大尺度等离子体密度耗空结构,并在多级不稳定性过程作用下产生不同尺度的不规则体,从而出现扩展F等现象.中纬地区扩展F产生机制方面提法比较多,Perkins不稳定过程多被提及(Perkins, 1973; Kelley et al., 2003; Makela and Otsuka, 2012),通常情况下,中纬地区扩展F的产生机制更为复杂,且需要种子因素的触发等(Xiao et al., 2009; 肖赛冠等,2012).

影响中、低纬地区扩展F发生的因素有很多,包括太阳活动、地磁活动、背景等离子体密度,中性风,电场等(Perkins, 1973; Zalesak et al., 1982; Sultan, 1996; Martinis et al., 2005; Makela and Otsuka, 2012).有不少研究按不同的分类研究扩展F的特性,包括按区域、频率等的划分(罗智贤等,2010; Wang et al., 2010; Li et al., 2011; Zhu et al., 2015),以及按分季、夏季划分(Huang and Yeh, 1970)等.本文研究不区分扩展F类型,着重于研究不同的太阳活动条件(高、低年)对扩展F的影响,暂不考虑其他因素的效应.所以本文统计数据既包含了磁静日也包含了磁扰日,而地磁活动能抑制或触发中、低纬扩展F的发生(Li et al., 2009Zhang et al., 2012; 胡连欢等,2013).低纬海南站,在太阳活动高年扩展F主要集中在两分季的子夜前,虽然本文没有区分扩展F类型,但由Zhu等(2015)的结果,其两分季的扩展F类型主要是区域型扩展F(Range Spread F, RSF),罗智贤等(2010)给出高年磁暴对RSF有抑制作用,所以对于低纬海南站,地磁活动可能会抑制高年子夜前扩展F的发生(Fejer et al., 1999; 罗智贤等,2010).一般认为,在磁扰日子夜后扩展F受电离层发电机扰动电场(Disturbance Dynamo Electric Fields, DDEFs)影响(Martinis et al., 2005Li et al., 2010),其方向在子夜主要为东向,在太阳活动低年,夜间向下的漂移很小(Fejer et al., 1999Abdu, 2001; Li et al., 2010),在这种情况下垂直漂移很容易被东向DDEF反转,产生向上的速度,触发低纬子夜后扩展F的发生(Martinis et al., 2005).中纬地区扩展F对地磁活动的依赖很弱(Su et al., 2006).

低纬海南站扩展F发生率峰值在高年出现时刻(22:00LT)早于低年(00:00LT)2 h左右(图 2a3a).这种差异主要与垂直漂移速度增强出现的时间有关.太阳活动高年,垂直漂移速度增强主要出现在日落附近,也就是日落反转增强(Pre-reversal Enhancement in the Zonal Electric Field or in Vertical Drift, PRE)(Li et al., 2007Zhu et al., 2015),而在太阳活动低年,垂直漂移速度增强出现时间靠近午夜(Li et al., 2011).E×B漂移增强RT不稳定性,E增强出现的时间晚,相应的RT不稳定性发展产生扩展F的时间也晚.另外,高年发生率峰值早于低年的另一个可能原因是,高、低年扩展F的类型有所不同:在太阳活动高年区域扩展F在分季占主要(Zhu et al., 2015),在太阳活动低年混合扩展F在夏季占主要(Wang et al., 2010),由于扩展F的类型不同,则产生该类型的机制也有所不同(Wang et al., 2010; Zhu et al., 2015),可能就造成了高年发生率峰值出现时刻早于低年.

低纬及近磁赤道地区的地磁场结构更有利于不规则结构的产生,大量的观测研究(包括本文)也证明了低纬地区较之中纬更容易发生扩展F现象.我国的海南地区关于扩展F的研究也比较集中.已有的研究表明:扩展F在太阳活动不同条件下的发展趋势基本是一致的,但具体细节特征存在明显的差异,尤其体现在季节特性上.韩馥芬和黄昌理(1988)罗发根(1995)Xu等(2010)的研究表明:扩展F发生率,高年存在双峰结构主要位于两分季的子夜前,低年主要出现在夏季子夜附近.但韩馥芬和黄昌理(1988)的结果表明太阳活动高年两分季的双峰峰值大小近似,都为70%~80%,无主、次结构,而且太阳活动高、低年的峰值相差不大,均处于70%~80%;罗发根(1995)Xu等(2010)的结果显示太阳活动高年春季的峰值要小于秋季的峰值,且都明显小于太阳活动低年的峰值;另外,Zhu等(2015)的结果也展示出太阳活动高年2012和2013年海南三亚地区扩展F发生率都在两分季出现最大,且2012年两分季发生率峰值接近,2013年春季峰值要略大于秋季.而本文的研究表明海南站在太阳活动高年存在两个峰值,分别集中在春、秋分季节,这与上述报道是一致的;但春分季节的峰值明显高于秋分季节(分别为76.7%和50.0%)(图 2a),这既不同于韩馥芬和黄昌理(1988)Zhu等(2015)的研究也不同于罗发根(1995)Xu等(2010)的结论.在太阳活动高、低年海南台站扩展F的峰值分别为76.7%和78.5%(图 2a3a),这与韩馥芬和黄昌理(1988)的结果一致,而与罗发根(1995)Xu等(2010)的结论不同.在太阳活动低年,韩馥芬和黄昌理(1988)罗发根(1995)Xu等(2010)的结果都表明扩展F发生率只存在一个峰出现在夏季的子夜附近及子夜后,而本文研究表明海南地区扩展F发生率虽然主要集中在夏季(主峰)但在冬季也出现一个次峰.考虑到大家选取数据年份的不同,有些是单独一年的数据有些是多年的数据平均(其中,韩馥芬和黄昌理(1988)选取的高年是1959、1969、1980、1981,低年是1964、1965、1974、1975、1976;罗发根(1995)选取高年1959、1969、1979、1980、1981,低年1974、1975、1976;Xu等(2010)选取1990年为高年,1997为低年),我们尝试把海南站2002和2003年的结果进行平均来考察太阳活动高年的情况,如图 5所示,平均结果中高年的主峰峰值发生了明显的变化,此时高年峰值很明显小于低年峰值(如图 3a图 5所示),这个趋势与罗发根(1995)Xu等(2010)的研究相一致.所以,对于所统计结果出现的细节特征的不同不能排除与选取的高、低年年份不同,及单独一年或平均结果之间的关联.另一方面需要注意的是韩馥芬和黄昌理(1988)的统计结果主要是对频率型扩展F而言的.除了高、低年所选年份不同外,本文低纬海南地区高年和低年扩展F发生率表现的季节差异可以从以下几个方面考虑.

电离层分季异常现象可能是由中性风,热层的组成成分及密度,电场等的分季差异造成的,其具体异常可表现在电离层等离子体密度、等离子体垂直漂移、不规则体发生率等方面(Liu et al., 2010; Ren et al., 2011; Chen et al., 2012; Sun et al., 2016).低纬海南地区,太阳活动高年春季扩展F发生率大于秋季,其原因如下:Ren等(2011)研究1999—2004年ROCSAT-1卫星等离子体垂直漂移速度数据,结果显示在海南经度区(约110°E),春季的PRE峰值大于秋季;Chen等(2012)统计研究了电离层电离F2层峰值密度(Ionospheric F2 layer peak density, NmF2)和JPL TEC map (Jet Propulsion Laboratory Total Electron Content)数据,结果显示NmF2增长率的分季异常在日落后低纬地区最为显著,春季的TEC增长率在所有地方时都大于秋季,尤其在台北地区(25.0°N, 121.5°E; 地磁纬度14.2°N)日落后春季的NmF2和TEC都大于秋季;Zhu等(2015)统计结果显示,三亚地区在太阳活动高年(2012—2013年)两分季中,当RSF和卫星迹(Satellite Traces, STs)同时发生时,春季日落后抬升的电离F2层峰值高度(Ionospheric F2 layer peak height, hmF2)要高于秋季.总之,海南地区日落后春季的F层密度高于秋季(Chen et al., 2012)更容易在F层底部形成密度梯度,又由于春季的PRE和hmF2大于秋季(Ren et al., 2011; Zhu et al., 2015),都有利于R-T不稳定的增长,使得春季的扩展F发生率大于秋季.

南、北半球赤道向风和来自白天的东向风在子夜附近地理赤道上空汇聚,导致中性密度极大和子夜温度极大(Midnight Temperature Maximum, MTM)(Sastri et al., 1994; Niranjan et al., 2003; Yokoyama et al., 2011).当MTM出现后,由于压力膨胀会使赤道向风减弱,甚至反转成极向风(Sastri et al., 1994; Yokoyama et al., 2011).在太阳活动低年亚洲经度区,夏季的MTM出现时间(22:00—00:00LT)早于冬季(02:00—03:00LT)且其强度高于冬季(Niranjan et al., 2003; Yokoyama et al., 2011).夏季子夜前赤道附近较强的MTM的出现,会致使极向风产生,其结果使得低纬(如海南地区)F层高度降低(Sastri et al., 1994; Niranjan et al., 2003),减弱低纬地区R-T增长率,使子夜前的扩展F发生率降低;在子夜后MTM消失,赤道向中性风的重新汇聚(Yokoyama et al., 2011)以及延迟的背景等离子体垂直漂移增强(Li et al., 2011),有利于子夜后扩展F的出现.在冬季,子夜后(02:00—03:00LT)赤道附近出现的MTM可能会抑制子夜后扩展F的发生,但本文结果显示在太阳活动低年,低纬海南站冬季发生率主要集中在02:00—03:00LT附近,说明还存在一些其他因素,如重力波等(Abdu, 2012)在影响着冬季扩展F发生率的特性.总之,在太阳活动低年,虽然有一部分扩展F起始于日落后并延伸至子夜后,但大部分扩展F起始于子夜附近及子夜后(Li et al., 2011),其原因在夏季(尤其是亚洲经度区)可以用MTM解释,在冬季可能由多种因素控制.另外,在太阳活动低年,一部分中尺度电离层行进式扰动(Medium Scale Traveling Ionospheric Disturbances, MSTIDs)可能从中纬传播到赤道异常区(Equatorial Ionization Anomaly, EIA)或低纬(Candido et al., 2011; Chu et al., 2011; Abdu, 2012),负责低纬地区子夜后的不规则体发生.

中纬地区不规则体的来源主要有两种方式(Li et al., 2009):一种是赤道不规则体沿磁力线传播到中纬地区(Huang et al., 2007);另一种是在中纬地区局部产生的(Perkins, 1973).然而,仅由Perkins引起的线性不稳定增长率很弱,Cosgrove和Tsunoda(2003)提出突发E层(Sporadic E Layers, Es)的不稳定性通过E和F层的电动力学耦合过程也可以产生F层不规则结构,且其产生速率要高于Perkins不稳定性.在合适的条件下,Perkins和Es层不稳定性的耦合能够加强中纬地区电离层不规则体的增长率.另一方面,为了加强Perkins增长率,Huang和Kelley(1996)提出重力波(Gravity Wave, GW)耦合过程,在此过程中会产生副产品MSTIDs.Es和MSTIDs都在太阳活动低年更容易观测到(Bowman, 1985; Abdu, 2012),所以太阳活动低年中纬地区扩展F可能主要由GW-Perkins不稳定共振和Es-Perkins不稳定耦合控制(Li et al., 2009),使得低年扩展F发生率要高于高年,由此可以解释中纬长春和乌鲁木齐站低年发生率峰值大于高年.另外,在太阳活动高或低年,中纬长春和乌鲁木齐站扩展F发生率的季节差异与经度/季节变化有关(Aarons, 1993Kil and Heelis, 1998Li et al., 2007).对于几乎处于同一地磁纬度的中纬两站,其长春站的扩展F发生率大于乌鲁木齐站,对此,Huang等(2011)用两站地形地貌不同(长春站接近海岸线,乌鲁木齐站位于欧亚大陆中心)可能产生声重波(Acoustic Gravity Waves, AGWs)的源条件不同以至于影响扩展F发生特性来解释.另外,低纬站在高、低年的扩展F发生率峰值都大于中纬站,有研究表明与“磁倾角效应”(谢红和肖佐,1993Xiao and Zhang, 2001)有关.

5 结论

扩展F现象会严重影响无线电通讯,卫星导航和雷达定位等,为了减少不必要的损失,对扩展F的持续研究是必要的.本文通过分析太阳活动高、低年低纬海南站和中纬长春与乌鲁木齐站的测高仪数据,对我国三个台站扩展F不规则结构时间和空间变化特性,进行了初步统计分析.初步结果显示:

(1) 从太阳活动高年来看,低纬海南站扩展F发生率存在主、次双峰结构,主峰主要出现在春分4月份峰值为76.7%,不过2月份的发生率表现的也很突出,次峰主要出现在秋分季9月,其峰值为50.0%,均出现在地方时22:00LT;中纬长春站主峰位于夏季8月份其值为21.5%,而次峰出现在冬季1月份,峰值为9.7%,主、次峰的地方时都出现在02:00LT;中纬乌鲁木齐站两峰无主、次之分,一峰出现在冬季1月02:00LT,另一峰出现在夏8月00:00—01:00LT附近,峰值均为11.8%.低纬海南站峰值很明显大于两中纬站,而对两个中纬站则是长春站峰值大于乌鲁木齐站.

(2) 在太阳活动低年,虽然中、低纬站扩展F发生率都呈主、次峰结构,且主、次峰所出现的季节都在冬、夏两季,但具体峰的精细结构明显的不同:海南站主峰峰值出现在夏季5月份子夜附近,峰值为78.5%,但在夏季7月份发生率也很突出,次峰在冬季1月份02:00LT,值为35.6%;中纬长春站主峰出现在冬季1月份02:00LT,值为44.1%,次峰在夏季7月01:00LT附近值为30.1%;中纬乌鲁木齐站主峰主要在夏季7月02:00LT,峰值为38.7%,次峰出现在冬季11月04:00LT附近,值为26.7%.低纬站主峰值明显大于中纬站主峰值;两个中纬站中长春站的主、次峰值分别大于乌鲁木齐主、次峰值;另外,除低纬站主峰峰值出现在子夜附近外,其他峰值都主要出现在子夜后.

(3) 低纬海南站,太阳活动高、低年扩展F发生率特性都具有明显的主、次峰结构,且高、低年主峰值比较接近,而且主峰出现的季节均有两个月份的扩展F发生率表现突出,高年次峰峰值很明显大于低年次峰峰值,然而主、次峰出现的季节和地方时有所不同.

(4) 就中纬两站在太阳活动高低年方面:中纬两站扩展F发生率低年峰值很明显都大于高年峰值;在太阳活动情况一样的条件下,长春站扩展F发生率峰值大于乌鲁木齐站.中纬站峰值在太阳活动高、低年都主要出现在冬、夏两季的子夜后,但具体的精细结构方面却有所不同,可能与两台站的地形地貌不同产生AGWs的源条件不同以及经度不同有关.

致谢

本项成果使用国家重大科技基础设施子午工程数据(海南站测高仪数据)、中国电波传播研究所提供的长春和乌鲁木齐的测高仪数据、NASA的OMNIWeb上的F10.7数据,在此一并致谢.

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