磁暴期间，源于太阳活动爆发的能量部分耦合进入地球空间，驱动热层-电离层系统发生剧烈扰动，等离子体密度以及中性成分的温度、风场和电场等严重偏离它们的平均状态.我们把磁暴期间电离层的剧烈变化现象称为电离层暴.通常利用峰值电子密度相对其参考状态的改变来描述电离层暴.相对参考值，当峰值电子密度增加，称为正相暴；反之，如果峰值电子密度减小，称为负相暴(Prölss, 1995).

电离层的暴时行为及其机理是电离层物理的研究重点和热点(Yu et al., 2003; Tsagouri et al., 2000; Yuan et al., 2009; Mansilla, 2011; Zhang et al., 2012; Balan et al., 2013; Liu and Wan, 2018).对典型特大型磁暴事件期间的个例或统计特性分析，得到了暴时峰区参数N_mF₂、h_mF₂和TEC的地方时、纬度及经度依赖特性和半球不对称性，还得到了顶部、底部电子总含量TTEC和BTEC的暴时贡献等信息(Belehaki and Tsagouri, 2002; Liu et al., 2010a; Zhao et al., 2012; Astafyeva et al., 2015; Lei et al., 2015; Zhu et al., 2016; Zhong et al., 2016; Kuai et al., 2017; Joshua et al., 2018).

考察顶部电子密度剖面的演化过程，能够帮助我们更好地认识电离层暴的形态和机制，而标高恰好是反映顶部电子密度剖面形状的一类参数.Liu等(2007a, b)利用非相干散射雷达基本探测参量得到了顶部等离子体标高H_p，垂直标高VSH和查普曼标高H_m，发现H_m和VSH有很好的一致性，却不同于等离子体标高H_p(扩散平衡且动力学结构的高度梯度可以忽略时，应该是等价的)，其依赖于地磁活动性.结合模式或模型得到暴时各类参数，与真实观测结果进行对比，发现当前暴时模型未能很好地显示出顶部电子密度的暴时响应(Gulyaeva, 2011; Themens et al., 2018; Sojka et al., 2018).

实际上，磁暴事件期间电离层电子密度剖面有时有着明显变化，不同高度上暴时行为不一致，说明峰区参数或电子总含量不能有效给出暴时剖面的变化信息.譬如Wang等(2013)利用掩星数据展示了2012年7月磁暴事件期间，暴时电离层电子密度剖面的演化过程，通过与地基参数对比，发现暴时测高仪和卫星峰值参数存在不一致性.Lei等(2014)利用两颗运行在不同轨道高度的CHAMP和GRACE卫星，揭示同一磁暴事件期间电离层电子密度在不同高度的响应存在差异性.因此，分析暴时不同高度上电子密度的响应差异特性显得至关重要.

值得注意的是，目前多数研究对象为峰值参数和电子总含量的时间变化和空间变化，对不同高度电离层暴时响应差异的认知是非常匮乏的(Liu et al., 2010b; Gong et al., 2013; Lai et al., 2013).这种局面很大程度上归因于不易获得顶部暴时剖面.非相干散射雷达可获得包括顶部电离层在内的电离层电子密度剖面信息.但是，非相干散射雷达运行成本高，通常运行时间有限.难得的是，Millstone Hill非相干散射雷达(42.6°N, 288.5°E；磁纬53.4°)在2002年10月4日—11月4日期间进行了为期31天的连续观测.

本文中，我们利用Millstone Hill非相干散射雷达这次连续31天的电子密度、电子和离子温度、视线速度探测资料，分析2002年10月13—17日和22—26日两次磁暴事件期间电离层不同高度响应特性.主要的目标有两个，一是分析暴时不同高度绝对变化量和相对变化量变化特征，并对比不同高度处暴时响应的差异特性；二是寻找成分及温度、风场同各类参数之间的关系，进一步探索电离层暴时机理.这有助于我们进一步认识化学过程和动力学过程在磁暴事件期间所起的作用.

本文分析用到的电离层数据来自Millstone Hill非相干散射雷达和GPS-TEC.选用Millstone Hill非相干散射雷达垂直探测单脉冲模式探测，数据时间分辨率约为4 min，高度间隔约为36 km.2002年10月4日—11月4日运行期间，观测得到包括电子密度N_e、离子温度T_e、电子温度T_i、视线速度V_o(由于天线方向角接近垂直，可近似看作离子的垂直速度)四个基本物理参量在内的超过10000个高度剖面(Zhang et al., 2005; 丁宗华等, 2014).MIT-TEC数据则是首先根据伪距信号的相位延迟得到相对斜TEC数据，再去除GPS卫星和接收器时间延迟，得到绝对斜TEC，最后经过映射函数法转换为垂直TEC.[O]/[N₂]数据来自TIMED(Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere, Energetics and Dynamics)卫星.TIMED以太阳同步轨道飞行，轨道高度为625 km，倾角为74°，搭载有全球紫外线成像仪(GUVI)，观测得到反映中性成分变化的柱含量比值[O]/[N₂].

要分析电离层暴时响应，静时参考值的选取至关重要.我们对比了两种参考值方式：第一种是选取2002年10月的31天月中值；另一种是选择2002年10月中地磁活动相对平静的7天中值.对比两种参考值结果，发现31天月中值结果在白天期间不同高度整体呈现负暴响应.在这31天地磁活动活跃，月中值因而受到暴时影响，不能很好地代表静时电离层状态，所以本文后续分析中我们以7天国际平静日结果作为静时参考值.需要注意的是，暴时数据也取1 h滑动平均结果，这样我们不关注短时波动扰动.

采用各参量的绝对变化量和相对变化量来反映暴时电离层变化.以电子密度为例，利用1 h滑动平均的暴时观测值和静时参考值得到各高度电子密度的绝对变化量ΔN_e和相对变化量δN_e：

(1)

(2)

本文使用的关键参数有F₂层电子密度N_mF₂，F₂层高度h_mF₂，垂直标高VSH，最大变化幅度所在高度值H_max，顶部电子总含量ISR topside TEC和GPS topside TEC.N_mF₂和h_mF₂是利用公式(3)—(4)得到的，其基本原理为通过查普曼-α函数对滑动平均之后的电子密度剖面进行最小二乘拟合.VSH则是对峰高之上50~250 km之间的电子密度剖面进行线性拟合，如公式(5)所示.非相干散射雷达观测数据的高度分辨率比较低，为此我们对各个时刻的ΔN_e剖面进行滑动三次样条插值，得到ΔN_e幅度最大值所在高度H_max.基于非相干散射雷达的电子密度剖面序列，利用梯形积分法求取200~700 km之间的电子总含量.200 km至h_mF₂之间为底部电子总含量BTEC，而顶部电子总含量TTEC有两种方法：卫星GPS-TEC与地基非相干散射雷达BTEC的差值，非相干散射雷达h_mF₂至700 km之间的电子总含量.

(3)

(4)

(5)

在这里，H(h)为查普曼标高，假定峰高处查普曼标高的值为H_m，峰高上下以不同的线性关系随高度变化.

用太阳活动指数F_10.7来表征太阳活动水平，行星际磁场分量B_z反映行星际空间磁场情况，极光带电集流指数AE和环电流指数Dst来表征地球地磁活动性(蔡红涛等, 2009).图 1为2002年10月13—17日期间F_10.7指数、B_z分量、AE指数和Dst指数的变化关系图，为CIR型磁暴(Chen et al., 2014).F_10.7指数在286天至290天分别为179.2，181.2，176.8，182.5和178.9 sfu，属于高太阳活动.B_z分量在287天(UT=2:00)由-5 nT缓慢变化至-15 nT，南向持续将近10 h，南向行星际磁场强度增加意味着耦合进入地球的能量相应增多.在接下来的两天，B_z分量有短暂时间的转南向，其他时间多在北向.很明显地，B_z分量处于南向时对应着AE指数和Dst指数的扰动，AE指数突增至800 nT或1500 nT，Dst指数缓慢减至-100 nT或-50 nT，引发三次中等强度的磁暴.

图 1

Fig. 1

图 1 (自上至下)2002年286—290天期间F10.7指数, Bz分量, AE指数, Dst指数及200~700 km之间1 h滑动平均ΔNe.阴影区表示三个时间段: 287天UT=2 h-288天UT=2 h, 288天UT=10 h-289天UT=10 h, 289天UT=16 h-290天UT=16 h Fig. 1 (from top to bottom)F10.7, Bz, AE, Dst and hourly averaged ΔNe from 200 to 700 km during 286-290, 2002. The dashed areas are chosen time intervals: from day=287/UT=2 h to day=288/UT=2 h, from day=288/UT=10 h to day=289/UT=10 h, from day=289/UT=16 h to day=290/UT=16 h

从图 1的ΔN_e能够粗略看出，三次中等磁暴引发三次电离层暴，且Dst达到极小值前后，不同高度N_e响应存在差异.涵盖磁暴主相和恢复相，我们选取三个时间段研究：负相暴(287天UT=2 h-288天UT=2 h)、正相暴(288天UT=10 h-289天UT=10 h)、正相暴(289天UT=16 h-290天UT=16 h).

图 2中(a)—(c)及(f)—(h)分别描述了不同高度绝对变化量和相对变化量.黑色虚线给出了Dst极小值时间，7天国际平静日中值被选定为静时参考值.不同颜色实线指示的不同高度上N_e响应的时间和相位、量级有明显差异：负相暴主相期间，低高度N_e先响应，存在轻微减小，ΔN_e约为-2×10¹¹ m^-3，高高度N_e基本不变甚至略有增加；恢复相期间，低高度N_e继续大幅度减小，在UT=18 h附近几乎所有高度ΔN_e达到最小值，约为-10×10¹¹ m^-3，高高度N_e在距Dst极小值时间约1 h之后开始逐步减小.正相暴主相期间，高高度N_e先响应，低高度N_e大幅度减小且扰动较为剧烈，在早于Dst极小值约2 h处，ΔN_e达到最小值，约为-4×10¹¹ m^-3；恢复相期间，高高度ΔN_e很快达到最大值，约为6×10¹¹ m^-3，低高度N_e约在此最值时间后2~4 h内开始增加，之后逐渐归于静时水平.其次，正、负相暴ΔN_e均在Dst极小值时间前2~4 h处明显变化，且其变化幅度随高度变化趋势相同，在低高度上随高度增加而增大，达到某一高度后随高度增加而减小.最后，暴时不同高度ΔN_e和δN_e响应及变化趋势不一致，譬如正、负相暴δN_e幅度变化趋势相反，分别随高度增加而增大或减小，这种不一致性可能同静时电子密度参考值的时间和高度依赖性有关.

图 2

Fig. 2

图 2 (自上至下)(a)—(c)及(f)—(h)为电离层暴对应时间段(287天UT=2 h-288天UT=2 h, 288天UT=10 h-289天UT=10 h, 289天UT=16 h-290天UT=16 h)内不同高度1 h滑动平均绝对变化量ΔNe和相对变化量δNe, (d)—(e)及(i)—(j)为电离层暴对应时间段(297天UT=9 h-298天UT=9 h, 298天UT=12 h-299天UT=12 h)内不同高度1 h滑动平均绝对变化量ΔNe和相对变化量δNe Fig. 2 (from top to bottom)(a)—(c) and (f)—(h): hourly averaged absolute changes (ΔNe) and relative changes (δNe) at different altitudes for three intervals (from day=287/UT=2 h to day=288/UT=2 h, from day=288/UT=10 h to day=289/UT=10 h, from day=289/UT=16 h to day=290/UT=16 h), (d)—(e) and (i)—(j): hourly averaged absolute changes (ΔNe) and relative changes (δNe) at different altitudes for three intervals (from day=297/UT=9 h to day=298/UT=9 h, from day=298/UT=12 h to day=299/UT=12 h)

我们希望通过垂直标高、F₂层电子密度和高度、最大变化幅度所在高度值这四个参量了解顶部电子密度剖面的形状变化以及同电离层暴之间的关系.图 3为2002年287—290天期间VSH、N_mF₂、h_mF₂、H_max的关系变化图.空心圈、实心圈分别为静时值和暴时值，阴影区为三次电离层暴对应时间段.其中H_max值限定在200~600 km之间，可以看到：主相期间VSH均发生扰动，恢复相期间VSH负相暴依旧增加，正相暴则基本不变，也就是说正相暴顶部剖面在恢复相期间高高度近似平行于静时演化，当然垂直标高参数本身存在一定误差.主相期间N_mF₂均基本不变，恢复相期间N_mF₂负相暴大幅度减小，正相暴则小幅度增加，反映了此次磁暴期间峰值参数和电离层暴的相位存在很好的一致性，一定程度上可以表征电离层暴的主要响应行为；h_mF₂主相期间均抬升且持续到Dst极小值时间之后3~4 h，峰高在电子密度变化之前的抬升意味着风场起到作用；负相暴期间H_max在240~340 km范围内变化，同静时峰高值基本吻合，存在较好的线性关系，而正相暴期间H_max在峰高之上下波动，同静时峰高值无关.结合图 2中电子密度的相对变化，发现负相暴期间响应集中在低高度上，而正相暴期间响应在低高度和高高度上甚至近似相等，侧面反映了在地磁活动性的响应上，电离层正相暴更容易到达多个高度上.

图 3

Fig. 3

图 3 (自上至下)2002年287—290天期间1 h滑动平均垂直标高VSH, 峰值密度NmF2, 峰值高度hmF2, 最大变化幅度所在高度值Hmax Fig. 3 (from top to bottom)hourly averaged vertical scale height (VSH), the F2 layer electron density (NmF2), the F2 layer height (hmF2), height of the maximum changes (Hmax) during 286—290, 2002

[O]/[N₂]及与顶部电子总含量的对比，能够帮助我们理解电离层暴的作用机制.图 4(a)—(d)和(e)—(f)分别为2002年287—290天期间GPS卫星电子总含量、非相干散射雷达顶部电子总含量、GPS卫星顶部电子总含量及两种顶部电子总含量差值的变化和视线速度绝对变化量及[O]/[N₂]的变化.图 4中，黑色空心圈、实心圈分别代表各参量静时、暴时值，阴影区为电离层暴对应时间段；视线速度绝对变化量对应200~500 km之间不同高度，黑色实心圈代表该台站的[O]/[N₂]，而每个黑色空心圈分别对应±7°纬度区间内各个纬度处的比值.电子密度的增加和减少分别对应电子温度的冷却和加热，二者呈反相关性，同离子温度关系不大(Su et al., 2015).从图中可发现：很明显地，200~500 km高度上视线速度的绝对变化基本一致，中纬度电场作用忽略不计，此视线速度近似看作为子午风速度，负相暴期间反向增加，正相暴期间正向增加，反映了中性风对峰高的抬升或抑制作用；[O]/[N₂]在负相暴期间有明显的减小，离子成分的改变驱动化学过程的改变，即N₂分子浓度的增加加快了O⁺离子转化为NO⁺离子的速度，NO⁺离子浓度的增加同氧原子浓度的减小使得损失过程加快，电子密度减小，也就是说成分扰动导致负相暴的产生；而负相暴期间N_e大幅度降低h_mF₂反而抬升说明成分和风场共同作用，且成分扰动占主导.从电子总含量上来看，TEC同N_mF₂有很好的一致性，由于积分量是整个剖面的积累，故时间上存在一定延迟.实质上，两种顶部电子总含量的差值就是GPS顶部电子总含量与非相干散射雷达的顶部电子总含量作差，由于二者计算过程中都以非相干散射雷达200 km至峰高之间的电子总含量作为底部电子总含量，因此其可看作是GPS卫星和非相干散射雷达电子总含量的差值，代表着700 km以上电离层的暴时贡献，结果表明电离层正相暴期间可能存在能量的输运.

图 4

Fig. 4

图 4 (自上至下)(a)—(d)为2002年287—290天期间三个对应时间段1 h滑动平均GPS TEC, ISR topside TEC, GPS topside TEC and ΔTTEC, 黑色空心圈、实心圈分别表示静时参考值和暴时值. (d)—(e)为2002年287—290天期间1 h滑动平均绝对变化量ΔVo及[O]/[N2], ΔVo对应200~500 km各高度响应, 黑色实心圈代表该台站的[O]/[N2]，而每个黑色空心圈分别对应±7°纬度区间内各个纬度处的[O]/[N2] Fig. 4 (from top to bottom)(a)—(d) hourly averaged GPS TEC, ISR topside TEC, GPS topside TEC and ΔTTEC during 286—290, 2002, Black hollow circles and solid circles represent for non-storm and storm values, respectively. (d)—(e) hourly averaged absolute changes ΔVo and [O]/[N2] during 286—290, 2002, ΔVo represent for responses at different altitudes from 200 to 500 km, the black solid circles are [O]/[N2] of Millstone Hill and each of the hollows′ is [O]/[N2] of each latitude range from plus or minus 7°

图 5为2002年10月22—26日期间F_10.7指数、B_z分量、AE指数、Dst指数的变化关系图，为CME型磁暴(Chen et al., 2014).F_10.7指数自295天至299天分别为169.4，163.6，160.3，172.9和158.0 sfu，亦属于高太阳活动，略低于前一个CIR型磁暴.B_z分量在297天(UT=0 h)突然变化至-8 nT，且以此强度转南向持续将近12 h.在接下来的两天，B_z分量在南北向之间小幅度扰动.很明显地，B_z分量处于南向时对应着AE指数多次增加，而Dst指数则缓慢变化至极小值-100 nT，长时间处于低值，也就是说能量多次耦合进入电离层中，引发一次中等强度长时间的磁暴.

图 5

Fig. 5

图 5 同图 1, 但是为2002年295—299天期间 Fig. 5 Same as Fig. 1, but for days 295—299, 2002

从图 5中ΔN_e能够粗略看出，存在两次较为明显的电离层暴，且不同高度N_e响应不同.我们选取两个时间段研究：负相暴(297天UT=9 h-298天UT=9 h)、负相暴(298天UT=12 h-299天UT=12 h).

图 2中(d)—(e)及(i)—(j)则描述了2002年297—299天期间电离层暴对应时间段内不同高度绝对变化量和相对变化量随时间的变化.可以看出：负相暴N_e的变化幅度在低高度上随高度增加而增大，达到某一高度后随高度增加而减小，对应着AE指数的多次增加，ΔN_e存在多个极小值；各高度均为负相位响应且低高度N_e先响应，低高度ΔN_e由-2×10¹¹ m^-3变化至-10×10¹¹ m^-3，高高度N_e变化约为-4×10¹⁰m^-3；随着时间的推移，低高度ΔN_e的变化幅度减小，ΔN_e约为-7.5×10¹¹m^-3，高高度N_e的变化幅度反而增加，ΔN_e约为-1×10¹¹ m^-3.也就是说同CIR型磁暴相比，电离层不同高度N_e暴时响应同AE指数有着更为密切的关系，与磁暴的相位没有太大的关系，且高高度ΔN_e的变化幅度在能量刚耦合进入电离层中时极小，仅为低高度的4%.同样地，ΔN_e和δN_e不同高度暴时响应不一致，δN_e的变化幅度随高度增加而减小.

图 6为2002年296—299天期间VSH、N_mF₂、h_mF₂、H_max的变化关系图.结果表明：整个阶段内VSH大幅度剧烈扰动，N_mF₂大幅度减小；h_mF₂第一阶段白天期间大幅度增加而第二阶段基本不变，也就是说负相暴能量初次耦合进来峰高抬升，随着时间的推移，峰高不再抬升，峰值密度同样减小，说明两次电离层暴时响应的作用机制可能有所不同；H_max在240~340 km范围内变化，同静时峰高值有更好的线性关系.与CIR型负相暴相比，这次电离层顶部剖面暴时演化过程更为剧烈，峰高的大幅度抬升意味着风场起到更大的作用.

图 6

Fig. 6

图 6 同图 3, 但是为2002年296—299天期间 Fig. 6 Same as Fig. 3, but for days 296—299, 2002

图 7中(a)—(d)和(e)—(f)分别描述了2002年296—299天期间GPS卫星电子总含量、非相干散射雷达顶部电子总含量、GPS卫星顶部电子总含量及两种顶部电子总含量差值的变化和视线速度的绝对变化及[O]/[N₂]的变化.电子密度的减少对应电子和离子温度的加热，呈反相关性.可以看到：200~500 km高度上视线速度的绝对变化量基本一致，负相暴期间子午风速度反向增加，说明中性风对峰高的抬升作用；[O]/[N₂]在负相暴期间有小幅度减小，成分效应不明显，而第二阶段N_e大幅度降低h_mF₂基本不变说明除成分和风场共同作用外还有其他因素.TEC同N_mF₂有很好的一致性，时间上也存在一定延迟.然而两种顶部电子总含量的差值在第一阶段暴时值略高于静时值，揭示此次负相暴同等离子体层可能有着能量的输运，这也是与前一次负相暴有差异的地方之一.

图 7

Fig. 7

图 7 同图 4, 但是为2002年296—299天期间 Fig. 7 Same as Fig. 4, but for days 296—299, 2002

对2002年10月13—17日及22—26日磁暴期间电子密度暴时响应在不同高度上的差异特性研究及对比，我们得到以下结论：(1)正、负相暴电子密度的变化幅度随高度变化趋势相同，低高度上随着高度增加而增大，达到某一高度之后随高度增加而减小；然而电子密度在不同高度上响应时间、相位和量级不同：负相暴各高度均为负相位响应，低高度先响应，而高高度响应需至恢复相期间，且低高度最大绝对变化量约为高高度的5倍；正相暴低高度上会存在大幅度负相位响应，高高度先响应，而低高度响应需至恢复相期间，且低高度最大绝对变化量约为高高度的50%~100%.(2)N_mF₂一定程度上可以表征电离层暴相位性，但不能代表不同高度响应.负相暴最大变化幅度所在高度值与静时峰高值基本吻合，在240~340 km范围内变化，二者有很好的线性关系；而正相暴最大变化幅度所在高度值同静时峰高值无关，波动变化非常大，反映了电离层正相暴更容易达到各个高度上.(3)与CIR型磁暴相比，CME型磁暴常常伴随一次长时间磁暴，电子密度暴时响应同AE指数有着更为密切的关系，与磁暴的相位没有太大的关系，特别地，高高度绝对变化量响应在能量刚耦合进入电离层中时极小，约为CIR型负相暴的4%，峰高和最大变化幅度高度存在一定的不确定性.(4)电子密度的减少对应着电子温度的加热，成分和风场的共同作用是两次负相暴产生的主要原因，前者成分效应明显，后者风场作用明显，甚至可能涉及到700 km以上电离层的贡献.另外，重力波对中低层大气动量的垂直传输很重要，对电离层暴的化学过程和动力学过程有很大的影响.考虑到本文中台站为单站，数据分辨率较低，在这里无法看到其扰动特性，还需要更多其他的观测信息进行分析和验证.