地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (1): 31-46   PDF    
北半球电离层中纬槽发生率及其槽极小位置变化的统计研究
何世闯, 张东和, 郝永强, 肖佐     
北京大学 地球与空间科学学院, 北京 100871
摘要:本文利用2014年9月到2017年8月全球高时空分辨率TEC数据对北半球四个经度带电离层中纬槽的发生率和槽极小位置的变化进行了统计研究.基于Kp指数,我们引入了一个包含地磁活动变化历史效应的地磁指数(Kp9)来分析中纬槽位置变化与地磁活动水平的关系.通过与其他地磁活动指数的对比,发现槽极小纬度与Kp9指数的相关性最好.此外,本文重点分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度差异、季节变化、地方时变化以及与地磁活动强度等的关系.结果表明,中纬槽的发生率与经度关系不大,主要受到季节、地方时与地磁活动的影响.午夜中纬槽发生率在夏季较低,其随地方时的变化则呈现出负偏态分布的特点,在后半夜发生率更高,而地磁活动增强对中纬槽的发生具有明显的促进作用.对于槽极小纬度,其在四个经度带的分布差异不大,但月变化各不相同,其中-120°经度带呈单峰分布,在夏季槽极小纬度更高,而0°经度带夏季槽极小纬度更低.槽极小的位置显著依赖于地磁活动、地方时以及季节变化.一般说来,地磁活动越强,中纬槽纬度越低.中纬槽位置随地方时的变化有明显的季节差异,冬季昏侧槽极小纬度随地方时变化较快,弱地磁活动条件下22:00 LT前即达到最低纬度,其后位置几乎保持不变,而两分季槽极小纬度从昏侧至午夜都在降低,夏季槽极小纬度从昏侧连续下降至03:00 LT左右.
关键词: 电离层中纬槽      GPS TEC数据      中纬槽发生率      槽极小     
Statistical study on the occurrence of the ionospheric mid-latitude trough and the variation of trough minimum location over northern hemisphere
HE ShiChuang, ZHANG DongHe, HAO YongQiang, XIAO Zuo     
School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Using global TEC data with high spatial and temporal resolution from Sep., 2014 to Aug., 2017, the occurrence rate of ionospheric mid-latitude trough and the variation of trough minimum location over Northern Hemisphere was studied statistically. Considering the geomagnetic "historical effects" on the evolution of mid-latitude trough, we introduced one index (here defined as Kp9) calculated from 3-hour Kp index. Through comparing with several other geomagnetic indices, it was found that the linear correlation between the latitude of trough minimum and Kp9 index was the best. And then, the longitudinal difference, seasonal variation, local time variation of the trough occurrence rate and the latitudinal location of mid-latitude trough, as well as the relationship between the location of mid-latitude trough and Kp9 index were analyzed. The results showed that the occurrence of mid-latitude trough is little related to longitude and depend primarily on the season, local time and geomagnetic activity. The occurrence rate of mid-latitude trough in summer is lower than other seasons at midnight and shows a negatively skewed distribution, which there was higher occurrence rate after midnight, and the geomagnetic activity promotes the occurrence of mid-latitude trough. As for the latitudinal distribution of trough minimum, the difference in four longitude bands is not obvious, but monthly variations are different in four longitude bands, of which there was unimodal distribution in 120°W with higher latitude in summer months but lower latitude in winter, and on the contrary in 0° longitudinal band the latitude of trough minimum is lower in summer. In addition, the location of mid-latitude trough is significantly dependent on geomagnetic activity, local time and season. In general, the higher the geomagnetic activity, the lower the latitude of the mid-latitude trough. And there was seasonal difference in the variation of trough minimum with local time. In winter, the location of the trough moves rapidly at dusk with the local time and reaches the lowest latitude before 22:00 LT under the condition of weak geomagnetic activity, and after 22:00 LT the trough minimum location changes little. Comparatively, the minimum location in equinox months decreases from dusk to midnight, and the minimum location in summer months decreases continuously from dusk even to about 03:00 LT.
Keywords: Ionospheric mid-latitude trough    GPS TEC data    Occurrence rate of mid-latitude trough    Trough minimum    
0 引言

电离层中纬槽是位于电离层F区中纬至亚极光纬度,经向延展而纬向狭窄的等离子体浓度较低的区域(Muldrew,1965Rodger,2008).中纬槽所在的纬度与高度位置决定了它的结构变化不仅与极侧高纬电离层有关,还与赤道侧中纬电离层有关,同时还会受到磁层的影响,因此,中纬槽的研究对我们深入认识中高纬电离层变化以及电离层-磁层耦合过程具有重要的理论意义.同时,中纬槽的槽结构在其赤道侧墙和极侧墙附近存在着较大的电子密度梯度,而电子密度梯度及因此产生的不规则体能够对无线电信号的传播产生干扰,进而影响到如全球定位系统、雷达系统等的运行效率,因此对中纬槽结构特征和形态变化的研究亦有重要的应用价值.

Moffett和Quegan(1983)Rodger等(1992)回顾了电离层中纬槽被发现(Muldrew,1965Sharp,1966)以来的研究工作,总结了中纬槽形成机制的几种观点及其形态特征的观测结果.电离层中纬槽按照结构可以被分为槽极小、赤道侧墙、极侧墙三个部分(Rodger et al., 1992He et al., 2011).普遍认为,电离层中纬槽的形成是电离层与磁层多种物理过程相互作用的结果(Rodger,2008).一方面,由于磁静时的停滞效应(Knudsen,1974Knudsen et al., 1977Spiro et al., 1978)或地磁活动较强时增强的化学复合等机制(Schunk et al., 1976Rodger,2008He et al., 2011)导致中纬槽区域离子-电子的复合加速,从而使等离子体浓度更低;另一方面,极区发生的粒子沉降使中纬槽极侧的离子浓度增加形成极侧墙(Rodger et al., 1986Collis and Häggström,1988),赤道侧则由于夜间等离子体层的等离子体下行,从而在一些时候得以维持一个相对槽极小处较高的离子浓度,形成赤道侧墙(Smith et al., 1987Yizengaw et al., 2005).此外,中纬槽区域中性成分与温度的变化可以影响电子-离子的复合速度(Rodger et al., 1992),暴时极光卵膨胀压缩中纬槽极侧会使得中纬槽产生赤道向的运动并且变窄甚至消失(Rodger et al., 1986Zou et al., 2011),而昏侧对流的向阳流将昏侧形成的中纬槽输运到日侧则使白天观测到中纬槽现象成为可能(Whalen,1989Sojka et al., 1983).

虽然电离层中纬槽的研究已有数十年,但由于中纬槽结构与影响因素的复杂性,同时受限于卫星观测数据的轨道覆盖及数据的时空分辨率等因素,人们对中纬槽的认识仍不够完善(Prölss,2007Le et al., 2017).一般认为,电离层中纬槽主要是一种夜间现象(Mendillo and Klobuchar, 1975Ahmed et al., 1979),其纬度位置随地方时、地磁活动(Muldrew,1965Köhnlein and Raitt, 1977Prölss,2007)等变化,并且受到季节的影响(Spiro,1978Voiculescu et al., 2006),不同经度也存在一定的经度差异(Karpachev,2003He et al., 2011Yang et al., 2018).得益于全球定位系统的发展,越来越密集的地面GPS接收机站网使得由此计算得到的电离层TEC数据在部分中高纬地区有了很好的时空覆盖与较高的分辨率(Rideout and Coster, 2006Maltseva,2017),因此被广泛地用来开展中纬槽的结构与形态变化研究(Horvath and Essex, 2003Wielgosz et al., 2004Pryse et al., 2006Krankowski et al., 2009Zou et al., 2011Chen et al., 2015Yang et al., 2015Le et al., 2017Parker et al., 2018).

本文利用来自MIT(Massachusetts Institute of Technology)的高时空分辨率GPS TEC数据对中纬槽进行了统计研究,取2014年9月至2017年8月三年的数据,并选择北半球中高纬以[-120°,-90°,0°,30°]四个经度为中心的经度带区域,分析了电离层中纬槽发生率及槽极小纬度位置与地磁活动强度及地方时、季节的关系,并对比了四个经度带的差异.文章第1节介绍了TEC数据处理与中纬槽识别的方法,并引入了Kp9指数,第2节给出了中纬槽发生率及槽极小纬度与各影响因素的统计分析结果,第3节为总结.

1 数据与方法 1.1 TEC数据预处理与中纬槽识别方法

本文使用的GPS TEC数据来自MIT Haystack Observatory Madrigal数据库(http://madrigal.haystack.mit.edu/madrigal/,该数据目前已被迁移至CEDAR数据库(http://cedar.openmadrigal.org/),TEC数据的空间分辨率为1°×1°,时间分辨率为5 min.

Madrigal数据库提供最早1998年10月15日至今的全球GPS TEC数据,由遍布全球的GPS接收机数据解算得到.由于GPS接收机覆盖区域及密度的增加,据此解算得到的TEC数据的空间覆盖也越来越好,数据密度也相应增加.此外,TEC解算方法也在不断改进,随着Vierinen等(2016)改进了TEC的误差估计方法,MIT Haystack开始使用新的Processing version 5.0程序解算TEC,同时逐步向前更新由旧的Processing version 4.0程序(Rideout和Coster(2006))解算得到的TEC数据.本文选择的2014年9月1日至2017年8月31日之间的TEC数据为基于Processing version 5.0程序解算的TEC,相比于之前处理的TEC数据,新解算程序得到的TEC数据在中纬槽区域异常值更少.

由TEC数据得到中纬槽的过程可以分为两个部分,首先经过数据筛选、清洗、聚合、平均等预处理过程得到TEC纬度剖面,然后由TEC纬度剖面识别中纬槽并得到槽极小的位置.

1.1.1 数据预处理方法

(1) 数据筛选

TEC数据在中纬槽纬度不同经度区域的空间覆盖率具有很大的差别,因此我们无法直接利用它进行全球所有经度的中纬槽研究.图 1给出了2016年12月18日世界时7时32分30秒的全球TEC map图,可见在中纬槽纬度,仅有北美和欧洲扇区TEC数据覆盖较好.因此,我们最终选择了北半球[125°W—115°W,95°W—85°W,5°W—5°E,25°E—35°E]四个经度带地理纬度30°N—80°N的TEC数据,保证了数据空间覆盖率的同时,可以对比不同经度区域的经度差异.选取的数据范围在图 1中用黑色矩形标出,地理纬度30°N—80°N可以覆盖四个经度所有的中纬槽位置,而10°的经度宽度,是为了取平均得到一条纬度剖面从而解决TEC数据点缺失的问题,同时也避免了带来各经度带内过大的地方时差异.为表述方便,本文将用各经度带的中央经度来表示该区域,并记西经为负,即将四个经度带表示为[-120°,-90°,0°,30°].

图 1 2016年12月18日,世界时7时32分30秒的全球TEC map图 Color bar取log10(TEC),两条蓝色曲线代表磁纬45°N与70°N,标示出中纬槽的主要纬度范围,红色曲线代表磁纬60°N,黑色矩形标示了选择的TEC数据的范围. Fig. 1 Global TEC map at 07:32:30 UT, on Dec.18, 2016 Color bar is log10(TEC), and two blue lines represent 45°N and 70°N magnetic latitude and the red line refers to 60°N, black rectangles indicate the areas where the selected TEC data is located.

(2) 数据清洗

接下来我们针对TEC数据中可能存在的异常值做了数据清洗工作.直接下载的TEC数据文件中,每个TEC值都伴有一个DTEC值,是MIT Haystack解算TEC时给出的误差估计,DTEC值越大,表明相应TEC值的误差越大(Rideout and Coster, 2006, Vierinen et al., 2016).基于DTEC值,我们用DTEC<0.5TEC作为判据,筛掉了误差相对较大的TEC数据.

(3) 同一地方时段TEC求平均得到TEC纬度剖面

根据世界时与经纬度,我们首先计算了每个TEC数据对应的地方时,然后考虑到中纬槽主要发生在夜间,我们将18:00—06:00 LT均分为12个地方时段,即[18:00—19:00 LT,19:00—20:00 LT,…,05:00—06:00 LT],接着对每一地方时段内同一经度带相同纬度的TEC值求平均,从而得到1小时地方时分辨率的TEC纬度剖面,每个经度带共1096天×12个地方时段=13152个,纬度分辨率仍为1°.这里取1小时时间间隔,是考虑到AE指数1小时与Kp指数3小时的时间分辨率,同时不致丢失中纬槽主要的地方时变化特点.为方便,本文也使用每个时段的初始时刻来表示该时段,如将03:00—04:00 LT表示为03:00 LT.

(4) 剔除TEC纬度剖面上的异常值

尽管已经筛除了相对误差较大的TEC数据,一些TEC纬度剖面中仍存在个别孤立且TEC值异常大的点,这些异常点的存在将影响后续的中纬槽识别过程,因此需要处理.本文选择利用程序剔除TEC纬度剖面中TEC值大于附近10个纬度TEC均值1.5倍的点,那些相对连续的正常值则不受影响.

1.1.2 中纬槽识别方法

由于中纬槽结构参数(如赤道侧墙、极侧墙、宽度、深度等)的定义标准不统一,因此本文只针对中纬槽的发生率及槽极小的纬度位置进行研究.不同研究采用的中纬槽识别方法也有差异.Prölss等(2007)尝试了程序自动识别,认为未能达到人工识别的水平,于是选择人工识别了DE-2卫星的875条电子密度纬度剖面,最终识别出740个中纬槽,占比约84.6%.Yang等(2015)使用了Pryse(2006)提出的方法来参数化中纬槽结构,但同样先根据TEC纬度剖面图对中纬槽结构进行了人工识别.刘裔文等(2015)使用计算机程序从CHAMP卫星的朗缪探针数据得到的电子密度纬度剖面中自动识别了中纬槽的位置.而Krankowski等(2009)则在程序识别后对结果进行了人工检查.

通过1.1.1节的数据预处理过程,我们得到四个经度带各13152个TEC纬度剖面,为了提高中纬槽识别效率,我们选择程序辅助人工识别的方法,首先通过计算机程序自动识别中纬槽,然后将程序预识别结果作为参考,利用人工识别修正程序预识别有误的结果.

(1) 程序预识别

对每一个地理纬度30°N—80°N的TEC纬度剖面,我们取磁纬45°N—70°N之间TEC的极小值TECmin与均值TECmean,设判据为若TECmin < α·TECmean成立,则记TECmin的纬度为槽极小的位置,否则记槽极小位置为nan,即不能识别出中纬槽.经过尝试,最终取α值为0.8时的效果较好.

(2) 人工识别

为便于人工识别中纬槽,我们做出了所有的TEC纬度剖面图.图 2给出了-90°经度带2016年12月18日23:00 LT的一个TEC纬度剖面,图中圆点为对应的TEC数据,黑色虚线是对其进行三次样条插值得到的参考曲线,点划线给出了地磁纬度45°N—70°N之间TEC的均值,黑色正三角形则标记了程序预识别出的中纬槽位置.人工识别过程中,通过观察如图 2所示的TEC纬度剖面,若发现程序未能识别出中纬槽、程序识别出高纬槽、程序给出的槽极小位置有误等情况,我们将手动修改程序识别的结果.因此,程序预识别方法仅为本文中纬槽识别方法的中间环节,最终中纬槽及槽极小位置数据都是由人工识别把关得到的.

图 2 2016年12月18日23:00—24:00 LT,-90°经度带的TEC纬度剖面图 Fig. 2 One TEC latitudinal profile at -90° longitudinal sector at 23:00—24:00 LT on Dec.18, 2016

图 3给出了-90°经度带所有夜间地方时人工识别出的中纬槽数目的纬度分布,可见大致呈现高斯分布的特征,峰值出现在地理纬度50°N附近,即地磁纬度约59°N.

图 3 -90°经度带人工识别出的中纬槽数目的纬度分布图 Fig. 3 Latitudinal distribution of the number of mid-latitude troughs identified manually at -90° longitudinal sector
1.2 引入地磁活动指数Kp9

本文使用了来自http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ 1小时时间分辨率的AE指数数据以及来自https://www.gfz-potsdam.de/en/kp-index/的3小时Kp指数数据.

在研究中纬槽位置随地磁活动的变化时,前人的研究大多直接使用了Kp指数或AE指数,与此不同的是,Werner和Prölss(1997)以及Prölss(2007)考虑地磁活动对中纬槽位置的“历史效应”,引入了AE6指数,并指出这一指数与中纬槽纬度位置的相关性要优于AE指数与Kp指数等.本文借鉴AE指数衍生出AE6指数的方法,首次引入了Kp9指数,定义为:

(1)

即对当前3小时Kp指数值与前两个3小时Kp指数值做e指数的加权平均,考虑共9个小时的地磁活动状况,且距离当前时刻越近,权重越高.由于Kp指数为3 h分辨率指数,因此根据式(1)计算得到的Kp9指数也为3 h分辨率,且其取值范围与Kp指数相同,在0~9范围内变化.

我们对比了中纬槽纬度与Kp指数、AE指数、AE6指数及Kp9指数的相关性,发现总体来说槽极小纬度与Kp9指数的相关性最好,详见2.3节.因此,本文将使用Kp9指数来描述地磁活动的状态,约定Kp9≤2为低地磁活动条件,2 < Kp9≤4为中等地磁活动条件,而Kp9>4则认为是高地磁活动条件.

2 结果与讨论 2.1 中纬槽的经度差异 2.1.1 中纬槽发生率的经度差异

定义中纬槽发生率为人工识别出的中纬槽数目占对应TEC纬度剖面数的比例.

我们首先计算了[-120°,-90°,0°,30°]四个经度带的中纬槽发生率,表 1给出了午夜23:00—01:00 LT之间,不同地磁活动条件下的结果.可以发现,相同地磁条件下,不同经度带中纬槽的发生率相近,表明中纬槽发生率的经度差异不明显,同时容易观察到-90°与-120°经度带略高,另外,对比低地磁活动条件与中高地磁活动条件下的发生率,可以看出后者明显更高,表明地磁活动增强对中纬槽发生的促进作用在各个经度都存在.

表 1 23:00—01:00 LT四个经度带不同地磁活动条件的中纬槽发生率 Table 1 The occurrence rates of mid-latitude troughs under different geomagnetic activity conditions at four longitudinal sectors at 23:00—01:00 LT
2.1.2 中纬槽槽极小纬度分布的经度差异

我们还对比了四个经度带槽极小位置的纬度分布.为了方便地将不同经度带槽极小位置的地理坐标转换为地磁坐标,我们借鉴了Pryse等(2006)采用的方法,他们在研究英国区域(0°经度带附近)的中纬槽时,直接将相应的地理纬度值减去2得到了地磁纬度值.类似的,考虑到本文选取的经度带宽度只有10°,我们将[-120°,-90°,0°,30°]的槽极小地理纬度分别加上各经度带的地磁地理纬度差[+6,+9,-2,-3],得到了槽极小的地磁纬度.

图 4用箱线图的形式给出了午夜23:00—01:00 LT四个经度带槽极小位置的磁纬分布,其中灰色表示低地磁活动条件,黑色表示中高地磁活动条件,箱线图的上下边缘给出了5th~95th百分位区间,箱体上下沿表示数据的上下四分位数,虚线则标出了中位数的位置.可以发现,低地磁活动条件下,中纬槽位置的中位数与上下四分位数在四个经度带都仅有约2°左右的经度变化,这表明经度差异存在但并不大,与Karpachev和Afonin(2000)Prölss(2007)的中纬槽经度差异振幅不超过5°的结果保持一致.不同的是,图 4指出30°经度带槽极小的磁纬最高,而根据Karpachev和Afonin(2000)Prölss(2007)刘裔文等(2015)以及Yang等(2018)给出的中纬槽位置的经度变化曲线,30°经度中纬槽位置应当低于0°经度的中纬槽位置,造成这个不同结果的原因可能是由于中纬槽位置的经度差异与高度(Karpachev et al., 1996)和地方时(Karpachev and Afonin, 2000)等有关,而TEC数据对高度进行了积分,且图 4为午夜地方时,而Prölss(2007)为黄昏时的结果.另外,对比灰色与黑色的箱线,可以看到Kp9>2时槽极小纬度明显低于Kp9≤2时,这表明中纬槽位置与地磁活动强度有一定的负相关,详见2.3节.

图 4 四个经度带不同地磁活动条件下槽极小位置的磁纬分布对比 Fig. 4 Geomagnetic latitudinal distribution of the location of trough minimums at four longitudinal sectors under different geomagnetic activity conditions
2.2 中纬槽的季节变化 2.2.1 中纬槽发生率的月变化

前人在研究中纬槽的季节差异时,一般将一年分为春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)与冬季(12、1、2月)四个季节,受益于TEC数据的连续性,本节首次给出了中纬槽发生率及槽极小位置的逐月变化.

图 5图 6给出了午夜23:00—01:00 LT中纬槽发生率的逐月变化,其中图 5为不限地磁活动条件(Kp9 < 9)的结果,图 6则为低地磁活动条件(Kp9≤2)的结果.观察发现,图 5图 6中纬槽发生率都显示出对称分布的特点,在6月达到最低,小于0.5,其次5月与7月,而1—3月及8—12月这八个月份的中纬槽发生率则较高,可以达到0.8左右.这里两幅图的结果相近,主要是因为低地磁活动条件下的数据更多,而中高地磁活动条件下数据相对较少且各月中纬槽发生率相差不大,因此在与低地磁活动条件数据叠加后呈现出与低地磁活动条件下相似的结果.而中纬槽发生率的对称分布,则主要是由太阳高度角的变化导致的(Spiro, 1978; Moffett and Quegan, 1983).

图 5 午夜23:00—01:00 LT, 不限制地磁活动强度条件下TEC纬度剖面数与中纬槽数目的月分布 Fig. 5 Monthly distribution of the number of TEC latitudinal profiles and troughs under the condition of no geomagnetic activity limitation at midnight 23:00—01:00 LT
图 6 午夜23:00—01:00 LT,低磁活动条件下TEC纬度剖面数与中纬槽数目的月分布 Fig. 6 Monthly distribution of the number of TEC latitudinal profiles and troughs under low geomagnetic activity condition at midnight 23:00—01:00 LT
2.2.2 槽极小纬度分布的月变化

考虑中纬槽位置的经度差异,我们分别统计了四个经度带槽极小的磁纬分布,给出其逐月变化如图 7图 8所示,其中图 7为低地磁活动条件下(Kp9≤2)午夜23:00—01:00 LT的结果,图 8则对应中高地磁活动条件下(Kp9>2)午夜23:00—01:00 LT的结果,箱线图含义同图 4.

图 7 低地磁活动条件下(Kp9≤2),午夜23:00—01:00 LT中纬槽极小磁纬分布的月变化 Fig. 7 Monthly variations of the geomagnetic latitude of trough minimums at midnight 23:00—01:00 LT when Kp9≤2
图 8 中高地磁活动条件下(Kp9>2),午夜23:00—01:00 LT中纬槽极小磁纬分布的月变化 Fig. 8 Monthly variations of the geomagnetic latitude of trough minimums at midnight 23:00—01:00 LT when Kp9>2

观察图 7发现,低地磁活动条件下不同经度槽极小位置的月变化特点不同.-120°经度带槽极小纬度的月变化呈显著的单峰分布,夏季纬度更高,6月高出1月5°左右,而0°经度带夏季中纬槽的位置更偏低纬,6月低于其他月平均约3°~4°.-90°与30°经度带的月差异则没有这么明显,其各月槽极小纬度位置的差异在2°以内.以上结果告诉我们,低地磁活动条件下中纬槽的纬度位置存在一定的季节差异,且不同经度的月变化特点可能不同.由于图 7数据限定了午夜附近地方时,因此不同月份太阳高度角差异的影响被降到了最低,需要进一步的研究来解释-120°与0°经度带的月变化特点.

随着地磁活动增强,由图 8可知,图 7所示的-120°与0°经度带槽极小纬度位置月变化的特点不见了,这可能是由于地磁活动对中纬槽位置的影响更大,而图 7导致经度差异的因素这时变得次要所导致的.

综上,我们知道不同经度或多或少存在着一些经度差异,因此在研究中纬槽随地磁活动及地方时的变化时,应将各经度分开进行研究.由2.1节的结果,我们知道-90°经度带在午夜地方时的中纬槽发生率较高(表 1)且槽极小的纬度位置更集中(图 4),本节又得到其槽极小位置的逐月变化较小(图 7图 8),因此2.3节与2.4节将主要给出-90°经度带中纬槽数据的研究结果.

2.3 中纬槽的地磁活动变化 2.3.1 槽极小纬度位置与几种地磁活动指数的相关性对比

为了对比中纬槽纬度位置与几种常用地磁活动指数的相关性,我们取-90°经度带的数据,将槽极小纬度分别与AE指数、AE6指数、Kp指数与Kp9指数等作了线性拟合,计算了线性相关系数.图 9给出了00:00—01:00 LT的线性拟合结果,四个子图分别对应AE指数、AE6指数、Kp指数与Kp9指数,图中灰色散点代表槽极小纬度位置与相应的地磁活动指数值,点的大小代表该点的数目多少,黑色虚线为由最小二乘法线性拟合得到,各子图中a表示拟合线段的斜率,b为截距,c为线性相关系数.可以看出,槽极小纬度与四种地磁活动指数都有不错的线性相关,且随地磁活动增强而降低.

图 9 2014-09-01—2017-08-31午夜00:00—01:00 LT,槽极小纬度分别与(a)AE指数、(b)AE6指数、(c)Kp指数、(d)Kp9指数的线性拟合结果 Fig. 9 The correlative results between the latitudes of trough minimums and (a) AE index, (b) AE6 index, (c) Kp index, (d) Kp9 index at 00:00—01:00 LT from 2014-09-01 to 2017-08-31

表 2列出了四种指数在12个地方时时段的线性拟合系数,这一结果同时直观地展示在了图 10中.由表 2图 10可以看到,槽极小纬度位置与四种地磁活动指数的线性相关系数最差也达到了0.5以上,这表明四种地磁活动指数确实都可以被用来做中纬槽地磁活动变化的研究.另外,在除03:00 LT外的所有地方时中,可以发现Kp9指数的相关系数都最大,这表明本文引入Kp9指数是有意义的,也因此本文主要用Kp9指数来描述地磁活动的强度.由图 10还可以发现,Kp9指数相关系数的地方时变化与Kp指数趋势相同且总是优于后者,AE6指数相关系数的地方时变化与AE指数相同且总是优于后者,这是由中纬槽现象的“历史效应”导致的(Werner and Prölss,1997Prölss,2007),所谓“历史效应”是指,由于当前时刻的中纬槽纬度位置总是在前一时刻中纬槽纬度位置的基础上变化,因此为了得到当前时刻的中纬槽位置,应当不仅考虑当前的地磁活动情况,也要考虑前一时刻中纬槽的纬度位置.由于中纬槽位置与Kp等地磁活动指数具有一定的线性相关,因此当前时刻中纬槽位置受到前一时刻位置的影响可以由前一时刻的Kp等地磁活动指数的大小来进行衡量,也即可以通过引入历史时刻的Kp指数来修正当前Kp指数的方式,间接地表达出中纬槽位置变化的“历史效应”.考虑距离当前时刻越远,这种“历史效应”的影响应当越小,因此在计算AE6与Kp9指数时采用了对AE指数或Kp指数进行加权平均的方式.

表 2 各地方时中纬槽极小纬度与四种地磁活动指数的线性相关系数 Table 2 Linear correlation coefficients between latitudes of trough minimums and geomagnetic activity indices at different local times
图 10 槽极小纬度与不同地磁活动指数线性相关系数的地方时变化 Fig. 10 The distribution of the correlation coefficient between trough minimums' latitudes and geomagnetic indices at different local time

除采用加权平均历史指数的方式考虑中纬槽位置变化的“历史效应”外,Yang等(2015)尝试使用了日平均Kp指数,指出日平均Kp指数也可以用来描述中纬槽位置随地磁活动的变化.我们用同样的线性拟合方法计算了中纬槽位置与日平均Kp指数的相关系数,并与Kp指数等进行了对比,发现日平均Kp指数没能表现得更好,有时甚至不如Kp指数,导致这一结果的原因可能有二,其一是中纬槽结构产生与变化的时间尺度为小时,而日平均Kp指数包含了过多的无关Kp值,其二为距离当前时刻越远,地磁活动的影响应当越小,因此不同时刻的Kp值应当需要不同的权重因子.

2.3.2 槽极小纬度位置的地磁活动变化

地磁活动显著地影响中纬槽的纬度位置,同一地方时随地磁活动增强,中纬槽的纬度将更低(Muldrew, 1965Köhnlein and Raitt, 1977Prölss, 2007).

本文取不同地方时数据,按照季节分类,作了槽极小纬度随Kp9指数的变化图.如图 11所示,四个子图依次为全年、两分季、夏季与冬季,各子图中的不同颜色则代表了不同地方时,圆点表示中位数,误差棒则给出了数据的上下四分位数.需要说明的是,图中夏季18:00 LT低地磁活动条件(Kp9 < 2)下没有误差棒, 是由于此时中纬槽数目较少导致的,图 11只给出了中纬槽数目>3时的误差棒.

图 11 不同季节与地方时中纬槽极小纬度随地磁活动指数变化 Fig. 11 The location of trough minimums as a function of Kp9 index at different local times in different seasons

图 11可以看出,首先,各季节几乎所有的地方时,都有中纬槽槽极小的纬度随Kp9指数增大而线性降低的变化趋势,这说明地球地磁活动对电离层中纬槽的影响是始终存在且几乎总是清晰可辨的,相同条件下,地球地磁活动增强,中纬槽的位置将总是出现在更低纬度.第二,四幅子图中槽极小位置随Kp9指数的变化显示出一定的季节差异,夏季各地方时的中纬槽位置随地磁活动的变化折线很少重叠,且地方时越靠后,其纬度越低,而两分季00:00 LT后的几条折线几乎叠在了一起,冬季则在22:00 LT后即难以区分,这个结果是由中纬槽的地方时与季节差异导致的,将在后文中继续讨论.

相比于卫星数据,图 11利用全球TEC数据同时给出了-90°经度各季节不同地方时中纬槽随地磁活动Kp9指数的变化,这一结果能够提供中纬槽随地磁活动变化的更多信息,同时Kp9指数的引入,也将有助于中纬槽的建模工作.

2.4 中纬槽的地方时变化 2.4.1 中纬槽发生率的地方时变化

中纬槽现象在冬季与两分季几乎所有的夜间地方时都可以看到,而夏季的观测则更多出现在午夜附近.Spiro(1978)通过AE-C卫星观测数据给出了中纬槽发生率的磁地方时变化,其中冬季与两分季16:00—06:00 MLT之间中纬槽的发生率都大于0.5,最高超过了0.8,且没有呈现出显著有规律的地方时差异,而夏季中纬槽则只出现在19:00—03:00 MLT,并呈明显的单峰分布,峰值发生率约0.8,位于21:00—23:00 MLT,其余磁地方时则均不超过0.5.Tulunay和Sayers(1971)利用Arial Ⅲ 1967年5月至1968年4月之间两个半球所有经度的电子密度数据,给出了中纬槽的发生数随地方时的变化,发现主峰值出现在01:00—05:00 LT之间,而不是午夜附近.

本文研究了-90°经度带TEC纬度剖面数与识别出的中纬槽数目的夜间地方时分布情况,图 12图 13图 14分别给出了低地磁活动条件、中等地磁活动条件与高地磁活动条件下的结果,每幅图的四个子图分别对应全年、两分季、夏季与冬季的数据,灰色代表TEC纬度剖面数,黑色则为识别出中纬槽的数目.

图 12 低地磁活动条件下(Kp9≤2),不同季节中纬槽数目与TEC纬度剖面数的地方时变化 Fig. 12 Variations of the counts of mid-latitude trough and TEC latitudinal profile with local time in different seasons when Kp9≤4
图 13 中等地磁活动条件下(2 < Kp9≤4),不同季节中纬槽数目与TEC纬度剖面数的地方时变化 Fig. 13 Variations of the counts of mid-latitude trough and TEC latitudinal profile with local time in different seasons when 2 < Kp9≤4
图 14 高地磁活动条件下(Kp9>4),不同季节中纬槽数目与TEC纬度剖面数的地方时变化 Fig. 14 Variations of the counts of mid-latitude trough and TEC latitudinal profile with local time in different seasons when Kp9 > 4

图 12可以看出,低地磁活动条件下,全年与两分季00:00—05:00 LT中纬槽发生率较高,冬季则是00:00—06:00 LT的发生率较高,而夏季中纬槽发生率明显低于两分季与冬季,更加集中在00:00—04:00 LT之间,呈现出典型的负偏态分布的特征.总的来说,中纬槽发生率的地方时分布不对称,且峰值出现在后半夜,与Tulunay和Sayers(1971)的结果相近.针对中纬槽发生率地方时变化的研究并不多,因此出现地方时不对称性的原因也还不清楚,考虑到-90°经度带中纬槽区域的磁地方时与地方时差异非常小,且Tulunay和Sayers(1971)的文章中同时给出相似的地方时与磁地方时分布的结果,因此基本排除了磁地方时与地方时差异的影响.另一个可能的原因则是中纬槽受到电离层或磁层某些非地方时对称分布过程的影响,具体是什么作用导致的这一结果还需要进一步的研究.

随着地磁活动增强,对比图 12图 13图 14,我们可以发现,中纬槽发生率的地方时分布发生了变化.首先,几乎在各季节所有的地方时,中纬槽发生率都明显增加了,在高地磁活动条件下(图 14),两分季与冬季19:00—05:00 LT之间中纬槽发生率都接近于1,而夏季夜间中纬槽的发生率也几乎都超过了0.5,这说明地磁活动对中纬槽形成的促进作用在夜间所有地方时都存在.另外,随着地磁活动增强,Kp9 < 2时中纬槽发生率随地方时变化的负偏态分布消失了,在Kp9>4的高地磁活动条件下,午夜前中纬槽的发生数与发生率甚至略高于午夜后,这表明地磁活动强度对中纬槽发生率的影响要大于图 12中造成中纬槽发生率负偏态分布的因素的影响.

2.4.2 槽极小纬度位置的地方时变化

中纬槽的纬度位置也会随地方时变化而发生变化.Prölss(2007)利用DE-2卫星数据给出了15:00—21:00 MLT中纬槽赤道侧墙与槽极小的不变纬度与磁地方时的线性拟合结果,指出从午后到黄昏时分,中纬槽的不变纬度随磁地方时的变化线性降低.另一些研究者给出了基于不同数据源的夜间地方时18:00—06:00 LT甚至更广的时间范围内中纬槽位置随地方时的变化,如Kersley等(1975)使用了由信标卫星BE-B(1964-64A)1966—1968年的数据计算得到的TEC,Wielgosz等(2004)Krankowski等(2009)使用基于GPS数据计算的TEC数据,Evans(1977)使用了地方时与不变纬度坐标下log10Nmax的等值线图来描绘中纬槽随地方时的变化,而Le等(2017)则使用了同样坐标下TEC数据的等值线图.这些研究虽然使用的数据或方法各不相同,但结果基本一致,指出中纬槽在黄昏前后出现,其后随地方时变化纬度逐渐降低,至午夜地方时附近中纬槽纬度变化逐渐减小,至约03:00 LT达到最低,而黎明前中纬槽可能会向高纬移动.

本文研究了不同季节、不同地磁活动条件下槽极小的纬度随地方时的变化,如图 15所示,每个子图中不同形状的点连接的折线代表不同的地磁活动条件,误差棒给出数据的上下四分位区间.首先可以看出,地磁活动越强,则中纬槽的纬度越低,与2.1节及2.3节的结果一致.此外,容易发现不同季节槽极小纬度随地方时的变化不同,低地磁活动条件下,槽极小纬度比较显著的随地方时变化主要发生在两分季午夜00:00 LT前、夏季凌晨03:00 LT前与冬季21:00 LT前,这时槽极小纬度随地方时变化近似线性降低,其后则变化不大,在夏季与两分季04:00 LT后略有回升.中纬槽位置随地方时变化的这种季节差异,很可能是由不同季节太阳高度角不同造成的.当中纬槽长时间处于黑夜中时,太阳对电离层的影响消失,其位置便也不再随地方时变化,而由于冬季黑夜较长而夏季较短,因此冬季中纬槽纬度更早就开始保持不变且能够维持更久.另外,同样在低地磁活动条件下,我们发现两分季槽极小纬度从18:00 LT的60°N附近变化到24:00 LT后的50°N附近,经过了约6小时的时间,每小时平均降低约1.7°,而在冬季18:00—21:00 LT槽极小位置由59°变化到50°只需要约3小时的时间,平均每小时降低约3°,夏季由19:00 LT的58°变化至03:00 LT的47°,每小时平均降低不到1.4°,这表明不同季节中纬槽随地方时变化的速率也有差异.当地磁活动增强,可以看到各季节槽极小纬度随地方时变化的趋势与低地磁活动条件下基本保持一致,冬季则稍有不同,在高地磁活动条件21:00—01:00 LT之间,冬季中纬槽位置仍会缓慢降低,而不像低地磁活动情况下那样基本维持不变.不同地磁活动条件下中纬槽位置地方时变化趋势的一致性,表明中纬槽位置受到地方时与地磁活动的影响是相互独立的.

图 15 不同季节、不同地磁活动条件下,中纬槽极小纬度随地方时的变化 Fig. 15 The location of mid-latitude trough as a function of local times under different geomagnetic activity conditions in different seasons

图 11类似,图 15给出了中纬槽位置随地方时与地磁活动变化的更丰富的观测信息,将能够对更精细的中纬槽建模工作提供借鉴意义.

3 总结

本文利用MIT Haystack Madrigal数据库2014年9月至2017年8月三年的GPS TEC数据,对北半球电离层中纬槽进行了统计分析.我们首先得到[-120°,-90°,0°,30°]四个经度带夜间12个地方时段时间分辨率1 h、纬度分辨率1°的TEC纬度剖面.接着,采用程序辅助识别的方法,我们对每一个TEC纬度剖面进行了中纬槽的人工识别并得到了槽极小纬度位置.然后,利用得到的中纬槽及槽极小位置数据,本文统计分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度分布、季节变化、地方时变化以及与地磁活动指数的关系,得到以下结论:

(1) 不同经度中纬槽发生率差异不大,[-120°,-90°,0°,30°]四个经度带中-90°经度的中纬槽发生率略高;槽极小纬度位置在四个经度带间的差异振幅在2°内;

(2) 中纬槽发生率呈现明显的季节变化,随月份对称分布,夏季为谷,其中6月份午夜23:00—01:00 LT之间中纬槽的发生率不足0.5;

(3) 中纬槽纬度分布的月变化具有一定的经度差异,-120°经度带为单峰分布,夏季6月中纬槽的纬度更高,而0°经度带6月份中纬槽的纬度最低;

(4) 本文引入了Kp9指数,发现在各地磁活动指数中,中纬槽的纬度位置与考虑了“历史效应”的Kp9指数相关性最好;

(5) 随着地磁活动增强,中纬槽发生率在不同经度、不同月份、不同地方时都变大,表明地磁活动对中纬槽的形成具有普遍的促进作用;

(6) 本文同时给出了不同季节,槽极小纬度位置随Kp9指数与地方时的变化趋势,相关结果能够对中纬槽建模具有借鉴意义;

(7) 低地磁活动条件下中纬槽发生率随地方时变化并非对称分布,午夜后的中纬槽发生率大于午夜前,而在高地磁活动条件下这种不对称性消失,表明存在某种非地方时对称的过程影响中纬槽的发生率,且其影响低于地磁活动对中纬槽的影响;

(8) 不同季节中纬槽纬度位置随地方时的变化不同.低地磁活动条件下,冬季槽极小纬度在21:00 LT前随地方时变化每小时约下降3°,其后几乎不再变化,而两分季至午夜24:00 LT槽极小纬度都在降低,每小时约下降1.7°,夏季则每小时下降不足1.4°至03:00 LT左右然后开始向高纬移动.

致谢  本文使用的TEC数据来自于MIT Haystack天文台Madrigal数据库(http://madrigal.haystack.mit.edu/madrigal/),AE指数数据来自国际地磁数据中心(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/),Kp指数数据来自于德国GFZ地球科学研究中心(https://www.gfz-potsdam.de/en/kp-index/),本工作得到了子午工程的支持.
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