2019, Vol. 62
电离层F区电子密度的最大值在白天通常位于磁赤道两侧，这一现象被称为赤道电离异常(EIA)(Appleton，1946).通常认为，热层中的中性风在电离层E区拖拽等离子体横越磁力线，由于大气发电机效应产生电场，这一电场在白天方向向东，在地球磁场中推动等离子体向上漂移(E×B)，此后等离子体在高处受重力、压力梯度力等作用下沿磁力线向南北两侧扩散，在磁赤道两侧形成电子密度峰值，即为EIA的双峰结构(Rishbeth, 2000等).
由于白天大气发电机的作用显著，EIA现象在午间到日落前这段时间内比较明显(Xiong et al., 2013等).到了夜间，通过气辉可以观测到EIA表现出经度上的四波结构(Sagawa et al., 2005)，Immel等(2006)进一步研究认为这是由于非迁移潮上传到电离层E区高度，通过调制风场影响大气发电机，导致东向电场强度和E×B漂移速度的改变，最终影响EIA的形成.陈泽宇和吕达仁(2007)利用卫星遥感温度资料研究了中间层和低热层大气潮汐的主要分量，发现非迁移性潮汐成分可明显影响迁移性成分的分布.此后，大量的工作研究了大气潮汐对热层-电离层的影响.在电离层TEC(Lin et al., 2007)、等离子体漂移(Hartman and Heelis, 2007)、赤道电集流(EEJ)(Lühr et al., 2008)、热层风场(Lühr et al., 2007；Häusler et al., 2007, 2010)等参量的观测中，均发现了四波结构的存在.此外，Lühr等(2008)发现在夏至、冬至前后EEJ密度显示出三波结构.从电离层的观测中可提取多种迁移和非迁移潮汐的分量，并研究其随季节和太阳活动的变化特性(参见周惟琦等(2018)及其中的引用文献).一般认为，大气非迁移潮中幅度最大的两个分量--DE2和DE3--分别是电离层三波结构和四波结构的主要驱动源.
对EIA结构特征的深入研究，已成为揭示大气层-电离层耦合现象和机制的重要手段.如EIA双峰所处的纬度位置变化，可与行星尺度波、月球潮汐的影响建立联系(Mo et al., 2014, 2017；Mo and Zhang, 2018).当这些大气波动调制背景大气发电机时，其电场被加强或减弱，就会观测到喷泉效应和EIA双峰结构的相应变化.当大气发电机电场较弱时，不足以驱动喷泉效应形成双峰，就会观测到单峰结构.利用GPS TEC数据, Huang等(2014)分析了地方时14:00-16:00间发生于120°E附近的单峰现象，认为赤道向的中性风可能会促进单峰的形成.Fathy和Ghamry(2017)利用Swarm卫星2013年12月至2015年12月间的电子密度数据，统计了单峰的地方时规律.发现单峰主要出现在地方时8到10点，在喷泉效应弱的时候更容易观测到单峰现象.
考虑到非迁移潮调制发电机电场和喷泉效应，它对单峰现象的发生是否有影响呢？是否由此导致单峰现象的发生也存在经度上的多波数分布？本研究利用了CHAllenging Minisatellite Payload(CHAMP)卫星(Reigber et al., 2002)2001年5月至2010年2月的电子密度观测，覆盖不同地方时、季节和太阳活动性水平，从中提取单峰现象并分析其发生规律，由此探讨非迁移潮对EIA和单峰现象的影响.
1 数据选取和预处理CHAMP卫星于2000年7月1日发射，轨道倾角87.3°，轨道高度初期约440 km，末期降低到约310 km.轨道所处地方时缓慢进动，覆盖所有地方时约需130天.星上的离子漂移计包含朗缪尔探针(Planar Langmuir Probe, PLP)，它每15 s测量一次局地电子密度(Cooke et al., 2003).本次研究使用的数据从2001年5月14日到2010年2月21日.
为排除地磁扰动的影响，去除了Dst < -30 nT或Kp>3时的观测.图 1显示了半轨数量的分布，可很好地覆盖从太阳活动高年到低年的所有季节和地方时.在分季节统计时，按月份分为三个季节：1、2、11、12月为冬至季，5、6、7、8月为夏至季，3、4、9、10月为分季.按年份将数据分为2001-2005年和2006-2010年两部分，分别对应太阳活动较高和较低两种状态，前者半轨数总计33237条，后者半轨数总计40985条.
|
图 1 半轨数据样本的分布，横轴为年份(每格2个月)，纵轴为地方时，灰色深浅代表样本数量 Fig. 1 Distribution of half orbit measurements versus local time and year. The shade of gray represents the number of half orbits |
为提取EIA的结构，对每条半轨截取南北磁纬50°之间的数据段进行分析.几种典型的电子密度随纬度变化的形状如图 2.为准确提取EIA峰值结构，用Savitzky-Golay滤波对曲线平滑除噪，之后通过程序判读该曲线中存在几个电子密度的极大值；以所有观测值排序后的2/3分位数为阈值，大于阈值的极大值，程序判定为峰；若高纬度电子密度超过阈值，则表示低纬度区域电子密度较低，不存在峰的结构.据此判别方法，主要会有以下四种情况：
|
图 2 从电子密度的半轨数据中提取EIA的结构特征，主要有四种情况：(a)无峰、(b)单峰、(c)双峰、(d)多峰.横坐标为地理纬度，纵坐标为电子密度取对数，圆圈为原始观测值，曲线为平滑的结果，横线表示所有观测值的2/3分位数 Fig. 2 Half orbit electron density measurements showing 4 typical latitudinal structures of EIA: (a) 0 crest, (b) 1 crest, (c) 2 crest, (d) multi-crest. The open circles denote original measurements, and the solid curves are smoothed profiles. The straight line is the 2/3 quantile of the electron density values |
(1) 在低纬度区域电子密度较低，不存在峰的结构；
(2) 在低纬度区域存在一个峰结构；
(3) 在低纬度区域存在两个幅度均较大的峰；
(4) 存在多个峰，且都超过了2/3分位数的阈值.
其中(3)是典型的EIA双峰结构，其他情况则代表EIA发展到不同阶段或状态.这四种半轨曲线在后文中分别记为无峰、单峰、双峰、多峰.
2 结果 2.1 四种类型半轨曲线的统计对无峰、单峰、双峰、多峰四种类型的半轨曲线，分季节、地方时统计其发生率，则得到图 3.可以看出，在地方时8:00-24:00点以单峰和双峰的情形为主，而在地方时0:00-8:00点，以无峰为主.太阳活动高年时，双峰的发生率高，存在时间长；太阳活动低年时，在20:00之后无峰和多峰比例显著增高，多峰时电子密度曲线抖动剧烈，可能与电离层不规则体有关(Stolle et al., 2006).上述观测特征与对EIA结构的已有认识相符，即在日间，低纬电离层多表现为双峰结构，且在太阳活动高年双峰持续时间更长，表明本文对数据的处理和分类分析方法是可靠的.
|
图 3 无峰、单峰、双峰、多峰的发生频率随地方时的变化.左边一列为高年统计结果，右边一列为低年统计结果；第一行为分季，第二行为夏至季，第三行为冬至季 Fig. 3 Occurrence rate of different EIA profiles versus local time. Left column is for high solar activity and the right is for low solar activity. From top to bottom shown are the results for equinox, June solstice, and December solstice |
由于夜间EIA较弱，特别是午夜之后，在CHAMP的观测中难以发现显著的单峰或双峰结构，故本文主要分析地方时8:00-24:00点间的观测，并在定量分析时只着重考虑单峰和双峰两种明确的特征.图 4给出了四种类型的观测在各年份的分布，由于卫星自身的原因，不同年份间的样本数有所差别，但单峰和双峰的样本总数是足够进行统计分析的.
|
图 4 地方时8到24点，无峰、单峰、双峰、多峰在不同年份的样本数.由上向下分别为分季、夏至季、冬至季.黄、蓝、红、黑分别表示无峰、单峰、双峰、多峰 Fig. 4 Distribution of 4 types of EIA profiles versus year in the local time period of 8:00-24:00. From top to bottom shown are the results for equinox, June solstice, and December solstice |
对于单峰和双峰两种情况，将峰的经纬度位置标示出来，则得到图 5-7.图 5是分季的情况，首先可以注意双峰所表现出来的四波结构，即在10:00-16:00之间，南北半球的两个峰之间的间距随经度变化，在经圈上存在4个间距极大和极小的区域，这与前人对EIA四波结构的研究相一致(如Lühr et al., 2012).其次，重点关注图中单峰的分布，可以发现在08:00-10:00之间，单峰主要出现在磁赤道附近，并在所有经度上都有发生；而在10:00-16:00之间，单峰聚集在4个特定的经度带上，也表现出四波结构的特征，而且单峰聚集的经度恰好是双峰峰间距较小的区域.
|
图 5 分季时单峰和双峰的位置分布，横轴为地理经度，纵轴为地磁纬度.红点为单峰位置，蓝点为双峰的北侧峰位置，黑点为双峰的南侧峰位置 Fig. 5 Occurrence of the single and double crest EIA during equinoctial seasons. The location of crests is shown in geographic longitude and magnetic latitude, with the single crest in red and double crest in blue (north hemisphere) and black (south hemisphere) |
夏至季的情况如图 6所示，由于此时太阳多直射北半球，峰位于北半球的居多，特别是夜间时段.而在12:00-16:00之间，可观察到单峰在某些经度上的聚集，与分季的情况类似，其在经度上呈现四波结构，但在120°附近的单峰数量较少.
冬至季的情况如图 7所示，由于此时太阳多直射南半球，夜间峰的位置在南半球较多.冬至季的特殊之处在于，正午前后单峰聚集在经度-90°、30°、150°附近，也与双峰峰间距较小的区域吻合，此时它们在经圈上有3个极大极小，呈现的是三波结构.但150°附近的单峰数量较另外两个聚集区少，双峰峰间距也较大.
2.3 单峰的发生率及其分布规律单峰的发生率定义为单峰的样本数除以总样本数，在每10°经度和每2 h地方时的网格内进行统计，得到的结果如图 8-10.
|
图 8 分季时单峰的发生率随地方时和经度的变化 Fig. 8 Occurrence rate of single crest in equinox versus geographic longitude at different local time |
|
图 9 夏至季时单峰的发生率随地方时和经度的变化 Fig. 9 Similar to Fig. 8 but for the season of June solstice |
|
图 10 冬至季时单峰的发生率随地方时和经度的变化 Fig. 10 Similar to Fig. 8 but for the season of December solstice |
分季的结果显示在图 8中，高年地方时14:00-18:00、低年地方时10:00-18:00，均可以看到单峰的发生率在四个经度位置上较高.太阳活动高年与低年相比，在低年的下午时段，单峰发生率要更高一些.
夏至季的结果显示为图 9，在12:00-18:00间，无论高低年均可看到单峰发生率在经度上四波结构，且发生率的总体水平比分季更高；但在08:00-10:00时段，分季的发生率更高.
冬至季的结果显示为图 10，与分季和夏至季的结果不同的是，在10:00-18:00这段时间里，单峰发生率表现为不太显著的三波结构.
2.4 平均峰值纬度(MCL)和峰谷比(CTR)的统计对于EIA的双峰结构，常用平均峰值纬度(Mean Crest Latitude)或峰谷比(Crest-to-Trough Ratio)来定量地表示其特征，定义如下：
|
(1) |
|
(2) |
公式中β表示峰值所在的磁纬，Ne表示电子密度，下标nc和sc分别表示北峰和南峰，et表示赤道谷值.
MCL越大说明双峰间的距离越大，表明形成了较显著的EIA结构.CTR越大说明峰值电子密度与谷值电子密度相比越高，也可表明EIA的结构越显著.
对MCL按0.5 h×10°的地方时和经度网格进行统计，结果如图 11.在分季的中午和下午，经度上的四波结构非常显著；地方时的特征上，经度0°附近的波峰出现的地方时比其他经度稍晚，而在高年的19:00-20:00，MCL也较大并呈经度上的四波结构.在夏至季的白天，四波结构不那么显著，有三个波峰较强，而第四个峰较不明显.在冬至季的白天，经度上为三波结构.上述特征，都与2.3节所述的单峰发生率的分布特征相吻合，即在双峰结构较弱的经度上，单峰的发生率较高.
|
图 11 平均峰值纬度(MCL)的时空分布.左侧为低年，右侧为高年，从上至下依次为分季、夏至季、冬至季，横轴为地理经度，纵轴为地方时，按0.5 h×10°划分网格 Fig. 11 Distribution of MCL (Mean Crest Latitude) versus longitude and local time. Left/right column is for low/high solar activity. Shown from top to bottom are the results for equinox, June solstice, and December solstice |
在白天以外的时段，如早上08:00-10:00，可见在经度0°附近MCL值较大，在图 11中所示的夏至季和冬至季的观测中，该现象都较明显.这与图 9和10中的单峰发生率分布有一致性，即在经度0°附近该时段的单峰发生率较低.
对峰谷比CTR的经度和地方时统计见图 12，在正午前后，分季高低年都出现了显著的四波结构，在夏至季的四波结构稍弱一些，而在冬至季高低年都表现为三波结构.上述结构的经度位置和MCL统计的结果基本相同，反映出一致的双峰EIA结构的发生规律；而双峰结构较弱的经度位置，则与单峰发生率较高的区域相吻合.
|
图 12 峰谷比(CTR)的时空分布，横纵坐标与网格划分同图 11.鉴于傍晚时峰谷比远大于2.5，为使白天的经度特征明显，色标的最大值设为2.5 Fig. 12 Similar to Fig. 11 but shown are distribution of CTR (Crest-to-Trough Ratio). Top limit of the color bar is set as 2.5 to make the pattern more discernible |
值得注意的是，在晚上18:00之后，一些经度上的MCL和CTR值较大，有时也呈现四波结构，一般认为是黄昏时电场的反转前增强(Pre-Reversal Enhancement, PRE)和DE3的共同作用；CTR的值特别大时，也可能与磁赤道处hmF2的抬升或等离子体泡的上行有关(Liu et al., 2007).
3 讨论电离层日间的东向电场主要由大气发电机驱动，其中大气的周日迁移潮具有重要贡献，使EIA在日夜之间有极大的差别，其双峰结构在白天明显，而在夜间较弱或消失.从本文对单峰和双峰的统计中可以看到，在日出之后，地方时8:00-10:00间单峰的发生率较高.之后随着日间发电机电场和喷泉效应增强，单峰向双峰演化，EIA结构逐渐显著.在午后，随着喷泉效应减弱，单峰现象又开始增多，在16:00-19:00间单峰的发生率又比较高.上述单峰发生率随地方时的变化与Fathy和Ghamry(2017)的结果一致.
在地方时10:00-18:00，双峰结构是主要的，但单峰也时有发生，且其发生率呈现有趣的经度分布.该经度分布在分季以四波为主，在冬至季以三波为主，而在夏至季兼有三波和四波的结构.Lühr等(2012)利用卫星测量的电离层等离子体漂移速度、EIA峰谷比等观测对大气潮汐的季节变化进行了研究，他们发现，日间四波结构由潮汐分量DE3主导，三波结构由潮汐分量DE2主导.DE3在八九月份幅度最强，DE2在至季较强，分季较弱.结合本文给出的单峰发生率在经度上的三波和四波结构，可认为它们分别与非迁移潮DE2和DE3分量有关.具体而言，DE2和DE3分量叠加在周日迁移潮汐之上，由于前者的风场在经度上具有多波数结构，叠加后的潮汐风场使大气发电机电场在某些经度上增强，而在某些经度上减弱.在增强的地方，等离子体漂移增强，双峰结构明显；而在减弱的地方，等离子体漂移减弱，双峰结构可能消失而变成单峰结构.
以往的研究多着眼于对双峰结构的观测分析，而本文侧重通过单峰的发生来研究非迁移潮对EIA的影响.依据上述理论，单峰和双峰在经度上的分布应具有同样的波数，但单峰发生多的经度对应的是双峰较弱的经度.通过给出双峰研究常用MCL和CTR的分析结果，确实验证了上述理论结果，即单峰发生率高的位置和MCL/CTR较强的位置在经度上是互补的.
此前对单峰的研究主要有两项工作.Huang等(2014)统计了120°E附近地方时14:00-16:00间的单峰分布特征，主要发现单峰在冬季、秋季、夏季分别集中在磁赤道的南侧、中央、北侧.本文未对单峰所在的纬度开展研究，但从图 5-7可以看出，单峰的纬度位置在14:00之后，尤其是16:00之后，表现出与季节相关的特征，在冬至季偏南半球，在夏至季偏北半球，而分季在磁赤道附近.但是在午间和上午，单峰的位置都在磁赤道附近.Fathy和Ghamry(2017)使用Swarm卫星的电子密度数据研究单峰的位置，发现了同样的季节特点，而在单峰的经度分布上，他们认为单峰在夜侧(20:00-6:00)存在一定的冬夏差异，一天中的其他时间则分布较为均匀.使用本文的分析方法，在夜侧单峰难以识别或数量较少，无法进行统计.但在其他时段，如10:00-20:00，单峰发生率在经度上并不是均匀分布，而是存在与非迁移潮相关的波数结构；在8:00-10:00，单峰发生率在0°附近较低，180°附近较高.这些经度特征在Fathy和Ghamry(2017)的研究中并未发现，导致差异的原因还有待研究.
4 总结本文分析了EIA单峰现象的发生规律，发现单峰在两个地方时段发生较多，即在早上08:00-10:00最多，午后16:00-19:00次之.在10:00-18:00时段，喷泉效应较强，EIA双峰结构为主，但单峰也有发生，且在某些经度上发生率较高，形成经度上的波数结构.统计上来看，单峰发生率在分季时呈经度上的四波结构，在冬至季时以三波结构为主.本文也对MCL和CTR做了统计，总体上与单峰发生率在经度上的波数结构是一致的，在双峰结构不显著(MCL和CTR较小)的经度，单峰发生率较高.
鉴于单峰发生率在经度上的三波或四波结构，其应受到非迁移潮DE2或DE3分量的影响.DE2和DE3分量对大气发电机的调制，导致发电机电场在某些经度上增强，而在其他经度上减弱.在减弱的地方，等离子体漂移减弱，双峰结构可能消失，于是观测到单峰结构.本文的结果表明，单峰的发生与大气发电机电场强弱关系紧密，并受非迁移潮等因素的调制，所以，可利用对单峰现象的观测来研究大气波动对热层-电离层的作用，及对喷泉效应和EIA结构的影响.
致谢 感谢德国地学研究中心(GFZ)提供CHAMP卫星PLP数据(http://isdc.gfz-potsdam.de).
Appleton E V. 1946. Two anomalies in the ionosphere. Nature, 157(3995): 691. |
Chen Z Y, Lu D R. 2007. Seasonal variations of the MLT tides in 120°E meridian. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 50(3): 691-700. |
Cooke D L, Turnbull C W, Roth C, et al. 2003. Ion drift-meter status and calibration.//Reigber C, Lühr H, Schwintzer P eds. First CHAMP Mission Results for Gravity, Magnetic and Atmospheric Studies. Berlin Heidelberg: Springer.
|
Fathy A, Ghamry E. 2017. A statistical study of single crest phenomenon in the equatorial ionospheric anomaly region using Swarm A satellite. Advances in Space Research, 59(6): 1539-1547. DOI:10.1016/j.asr.2016.12.020 |
Hartman W A, Heelis R A. 2007. Longitudinal variations in the equatorial vertical drift in the topside ionosphere. Journal of Geophysical Research:Space Physics, 112(A3): A03305. DOI:10.1029/2006ja011773 |
Häusler K, Lühr H, Rentz S, et al. 2007. A statistical analysis of longitudinal dependences of upper thermospheric zonal winds at dip equator latitudes derived from CHAMP. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 69(12): 1419-1430. DOI:10.1016/j.jastp.2007.04.004 |
Häusler K, Lühr H, Hagan M E, et al. 2010. Comparison of CHAMP and TIME-GCM nonmigrating tidal signals in the thermospheric zonal wind. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 115(D1): D00I08. DOI:10.1029/2009JD012394 |
Huang L F, Wang J S, Jiang Y, et al. 2014. A preliminary study of the single crest phenomenon in total electron content (TEC) in the equatorial anomaly region around 120°E longitude between 1999 and 2012. Advances in Space Research, 54(11): 2200-2207. DOI:10.1016/j.asr.2014.08.021 |
Immel T J, Sagawa E, England S L, et al. 2006. Control of equatorial ionospheric morphology by atmospheric tides. Geophysical Research Letters, 33(15): L15108. DOI:10.1029/2006gl026161 |
Lühr H, Häusler K, Stolle C. 2007. Longitudinal variation of F region electron density and thermospheric zonal wind caused by atmospheric tides. Geophysical Research Letters, 34(16): L16102. DOI:10.1029/2007gl030639 |
Lühr H, Rother M, Häusler K, et al. 2008. The influence of nonmigrating tides on the longitudinal variation of the equatorial electrojet. Journal of Geophysical Research:Space Physics, 113(A8): A08313. DOI:10.1029/2008ja013064 |
Lühr H, Rother M, Häusler K, et al. 2012. Direct comparison of nonmigrating tidal signatures in the electrojet, vertical plasma drift and equatorial ionization anomaly. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 75-76: 31-43. DOI:10.1016/j.jastp.2011.07.009 |
Lin C H, Hsiao C C, Liu J Y, et al. 2007. Longitudinal structure of the equatorial ionosphere:Time evolution of the four-peaked EIA structure. Journal of Geophysical Research:Space Physics, 112(A12): A12305. DOI:10.1029/2007ja012455 |
Liu H X, Stolle C, Förster M, et al. 2007. Solar activity dependence of the electron density in the equatorial anomaly regions observed by CHAMP. Journal of Geophysical Research:Space Physics, 112(A11): A11311. DOI:10.1029/2007ja012616 |
Mo X H, Zhang D H, Goncharenko L P, et al. 2014. Quasi-16-day periodic meridional movement of the equatorial ionization anomaly. Annales Geophysicae, 32(2): 121-131. DOI:10.5194/angeo-32-121-2014 |
Mo X H, Zhang D H, Goncharenko L, et al. 2017. Meridional movement of northern and southern equatorial ionization anomaly crests in the East-Asian sector during 2002-2003 SSW. Science China Earth Sciences, 60(4): 776-785. DOI:10.1007/s11430-016-0096-y |
Mo X H, Zhang D H. 2018. Lunar tidal modulation of periodic meridional movement of equatorial ionization anomaly crest during sudden stratospheric warming. Journal of GeophysicalResearch:Space Physics, 123(2): 1488-1499. DOI:10.1002/2017JA024718 |
Reigber C, Lühr H, Schwintzer P. 2002. CHAMP mission status. Advances in Space Research, 30(2): 129-134. DOI:10.1016/S0273-1177(02)00276-4 |
Rishbeth H. 2000. The equatorial F-layer:progress and puzzles. Annales Geophysicae, 18(7): 730-739. DOI:10.1007/s00585-000-0730-6 |
Sagawa E, Immel T J, Frey H U, et al. 2005. Longitudinal structure of the equatorial anomaly in the nighttime ionosphere observed by IMAGE/FUV. Journal of Geophysical Research:Space Physics, 110(A11): A11302. DOI:10.1029/2004ja010848 |
Stolle C, Lühr H, Rother M, et al. 2006. Magnetic signatures of equatorial spread F as observed by the CHAMP satellite. Journal of Geophysical Research:Space Physics, 111(A2): A02304. DOI:10.1029/2005JA011184 |
Xiong C, Lühr H, Ma S Y. 2013. The magnitude and inter-hemispheric asymmetry of equatorial ionization anomaly-based on CHAMP and GRACE observations. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 105-106: 160-169. DOI:10.1016/j.jastp.2013.09.010 |
Zhou W Q, Yu Y, Wan W X, et al. 2018. Tidal variations of the ionospheric foF2 in mid-latitude ionosphere. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 61(1): 30-42. DOI:10.6038/cjg2018K0586 |
陈泽宇, 吕达仁. 2007. 东经120°E中间层和低热层大气潮汐及其季节变化特征. 地球物理学报, 50(3): 691-700. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2007.03.006 |
周惟琦, 余优, 万卫星, 等. 2018. 中纬度电离层foF2潮汐的变化特性. 地球物理学报, 61(1): 30-42. DOI:10.6038/cjg2018K0586 |