0 引言

赤道电离异常(EIA)是低纬电离层等离子体最显著的空间分布特征之一(Appleton，1946；Liang，1947).其主要驱动因素被广泛归因于电离层东西向电场.在白天，该电场通常为东向，与赤道磁场一起向上抬升电离层等离子体.被抬升的赤道电离层等离子体在重力和压强梯度的作用下沿磁力线向两极扩散，在磁赤道两侧堆积形成双驼峰结构，这个等离子体电动力学漂移(Martyn，1955)和扩散(Mitra，1946)的过程被称为赤道喷泉效应(Duncan，1960).

在低纬电离层白天，纬向电场主要是由潮汐驱动的E层发电机控制(Heelis，2004；Kelley，2009).潮汐风驱动电离层带电粒子形成电流，为了维持电流系的无散特性产生极化电场，该极化电场的纬向分量在白天期间主要是东向的(Eccles et al., 2015).纬向电场在E层赤道区产生赤道电集流；同时，纬向电场沿磁力线向上映射到F层，驱动低纬电离层F层等离子体垂直漂移.前人广泛研究了赤道电集流、纬向电场与EIA之间的关系.利用f_oF₂研究EIA与赤道电集流的相关性，Rush和Richmond(1973)发现EIA滞后于赤道电集流2~3 h.通过比较巴西扇区的赤道电集流和赤道区h_mF₂，Abdu等(1990)发现两者存在高度的相关性，EIA峰区电子密度对于赤道区h_mF₂的响应时间从2.5 h到4 h不等，他们认为这个响应时间取决于垂直漂移速度，磁流管高度以及子午风强度.通过比较南美扇区的等离子体垂直漂移、赤道电集流与CHAMP卫星观测的电子密度分布，Stolle等(2008)发现EIA对于纬向电场和赤道电集流的变化的响应时间分别为1~2 h和2~4 h.

在日落前后，低纬电离层纬向电场西向翻转前往往伴随有突然增强现象，即翻转前增强(PRereversal Enhancement，PRE).前人对其物理机制进行了广泛的研究(Rishbeth，1971；Heelis et al., 1974；Farley et al., 1986；Heelis，2004；Eccles et al., 2015).PRE现象引起等离子体抬升的快速增加，引发EIA再次增强，同时伴随有EIA峰谷比的迅速增大(Lin et al., 2007；Liu et al., 2007；Xiong et al., 2013).

近二十年来，利用地基或天基设备以及电离层-热层耦合模型，前人对EIA演变进行了广泛深入的研究.Yeh等(2001)利用电离层层析技术重构了EIA北驼峰的运动轨迹，他们发现EIA驼峰一般在0900LT左右形成，然后在接下来的两个小时以1°/h的速度极向运动，之后EIA驼峰在下午开始减弱，以0.5°/h的速度向赤道移动.通过CHAMP和GRACE卫星近十年的观测，Xiong等(2013)进一步分析了EIA的地方时变化.

前人对EIA演变进行了大量的统计分析(Yeh et al., 2001；Lin et al., 2007；Liu et al., 2007；Tulasi Ram et al., 2009；Yizengaw et al., 2009；Yadav et al., 2013；Xiong et al., 2013；Chen et al., 2016)，但多局限于EIA形态学研究.EIA是一个日侧现象，随地方时推移，伴随有EIA的生成、发展以及消退过程，在满足一定条件的EIA判据下，不同地方时EIA对应有不同的发生率.因而，利用单颗卫星观测可以得到各个地方时的EIA特征参量的统计值，但其不能准确的反映出各个地方时的EIA变化状态(增长与否以及变化快慢)；而Swarm A/C卫星伴飞，可以得到EIA的同步观测，二者具有一一对应关系，其地方时梯度可以准确的表征EIA的变化状态.利用Swarm A/C卫星EIA同步观测数据，本文将从地方时梯度的角度观察EIA的演变特征.

1 数据和处理方法

Swarm卫星计划包含ABC三颗卫星，于2013-11-22发射进入500 km高度的初始轨道，轨道倾角87.5°.经过一系列的变轨，三颗卫星相继进入各自的预定轨道.Swarm B卫星于2014-03-14进入预定轨道，轨道高度518 km，轨道倾角87.4°，每280天覆盖地方时两周.Swarm A/C卫星于2014-04-17变轨完成，轨道高度468 km，轨道倾角86.8°，每267天覆盖地方时两周，两颗卫星伴飞，轨道经度间隔约1.4°(C卫星在A卫星东面)，轨道最大时间延迟不超过15 s(Friis-Christensen et al., 2008).

图 1给出了Swarm卫星的轨道参数随时间的变化，自上而下分别为轨道高度、升交点地方时和降交点地方时，实线和虚线分别表示A/C卫星和B卫星，点线表示A/C卫星的地方时差.如图 1所示，Swarm卫星轨道的升交点地方时和降交点地方时相差12 h左右，将卫星轨道按升交点和降交点分成两组，则每组卫星轨道的地方时随时间渐变，可以观测EIA随地方时的演变.自2014-04-17开始Swarm A/C卫星相伴飞行，C卫星与A卫星的地方时差异稳定在5.6 min，这为我们提供了一个同步观测EIA精细结构的良好机会.

本文所使用的电子密度数据来自Swarm卫星的朗缪尔探针，时间采样率为0.5 s，时间跨度为2014-04-17—2017-08-31，Swarm A/C卫星共完成了8组地方时的全覆盖观测.虽然Swarm A/C卫星的电子密度数据均经过校准，为消除二颗卫星电子密度观测数据间可能的系统误差对本文分析结果的影响，我们采用了与Xiong等(2016)类似的方法，对齐Swarm A/C两星观测到的电子密度数据.通过最小二乘法拟合，两者之间的线性关系式如下：

(1)

单位为10¹¹/m³.从统计角度上看，Swarm A/C卫星观测到的电子密度存在细微偏差.我们以Swarm A卫星的测量值为基准，按(1)式对Swarm C卫星的电子密度数据进行修正.本文后续分析工作均基于Swarm A/C卫星对齐后的电子密度数据.

图 2给出了三组Swarm A/C卫星同步观测的EIA事例.实线和虚线分别代表Swarm A和C卫星观测的电子密度曲线，卫星经过地理赤道时的经度、高度以及地方时信息标注在图片顶部.不难看出，虽然地方时只相差5.6 min，Swarm A/C卫星的确清晰的捕捉到了EIA差异；同时，Swarm A/C卫星单次同步观测的EIA差异也存在着经度变化(图 2b与2c).在后续的数据分析中，我们按地方时组织数据，认为得到的统计值不再与经度信息相关.因而，Swarm A/C卫星同步观测到EIA差异的统计值主要是由地方时梯度引起的.

先舍弃有显著波状噪声和电离层不规则结构的观测轨道数据(约15%)，然后对每根轨道数据进行0.2°滑动滤波，初步得到EIA北驼峰、南驼峰和谷区强度(Ne_north，Ne_south, Ne_trough)，以及对应的地磁纬度(β_north，β_south，β_trough).然后对EIA双峰强度、位置以及不对称性等进行阈值设定筛选出具有典型双驼峰结构的EIA事件.判据如下：

在此基础上，定义如下统计量：

我们以EIA南北驼峰的均值Ne_crests和β_crests来表征EIA驼峰的强度和位置.同时EIA谷区强度也是表征EIA演变的重要指标，因此本文采用的EIA特征参量主要有EIA驼峰和谷区的强度Ne_crests和Ne_trough以及EIA驼峰位置β_crests.

Swarm A/C卫星伴飞，为方便描述EIA的演变，我们再定义两个地方时梯度参数：

其中Ne_a和Ne_c分别为Swarm A和C卫星同步观测的EIA驼峰/谷区的强度，β_a和β_c分别为Swarm A和C卫星同步观测的EIA驼峰位置，lt_a和lt_c分别为Swarm A和C卫星轨道过赤道的地方时.在本文研究数据内，Swarm A/C卫星所在轨道地方时差异稳定在5.6 min(图 1).为表述方便，我们将EIA特征参量的地方时梯度ΔNe和Δβ归一化为1 h对应的数值.

2 观测结果

Swarm卫星轨道需要约4个月完成对所有地方时的覆盖，在2014-04-17—2017-08-31期间，Swarm A/C卫星共完成了8次地方时的全覆盖观测.在每次卫星轨道地方时全覆盖期间，我们按地方时组织Swarm A/C卫星同步观测的EIA特征参量及其地方时梯度，逐轨道步进对其进行滑动滤波处理，滑动窗口为地方时2 h，得到随地方时变化的统计值，最后对统计值进行5 min插值.为保证统计值具有一般性，本文要求每个滑动窗口内至少包含40对(Swarm A和C卫星观测一一对应)EIA事件.考虑到超强地磁扰动对EIA形态的影响(Balan et al., 2010；Kassa et al., 2015；Yadav et al., 2016)，本文只选取地磁平静和中等地磁活动(Kp≤5)期间的观测数据开展分析.

图 3给出了2014年10月—2015年2月Swarm A/C卫星的EIA观测结果，(a)和(b)分别为Swarm A卫星观测的EIA驼峰强度和位置随地方时的变化，(c)和(d)分别为对应的地方时梯度ΔNe和Δβ.为了对比，图 3(a)和(c)中同时给出了EIA谷区对应结果(虚线).上下横坐标轴分别为日期和Swarm A卫星所处地方时，图中误差棒为部分统计值的标准方差，时间间隔为30 min.

如图 3所示，Swarm卫星观测到EIA从1000 LT一直持续到午夜前.正午前，EIA驼峰强度随地方时逐渐增强，在1900 LT左右达到极值，为18×10¹¹ m^-3，之后快速减弱；对应的驼峰位置(图 3b)先快速向高纬移动，在1400 LT左右到达极值，为13°MLat，随后缓慢向磁赤道回动.在此期间，Swarm A/C卫星观测到的EIA驼峰强度和位置地方时梯度ΔNe和Δβ二者表现出相似的地方时变化特征(图 3c，d).ΔNe和Δβ，在午前随地方时逐渐减小，先后在午后达到极小值.傍晚前二者迅速增大，在1815 LT附近达到极大值，随后迅速减小.Swarm A/C卫星观测到EIA谷区强度地方时梯度(图 3c虚线)表现出与EIA驼峰强度地方时梯度几乎同步的变化特征，相位恰好相反.

图 4给出了Swarm A/C卫星在2017年2—4月的EIA观测结果，图片布局与图 3相同.Swarm A卫星观测到的EIA驼峰强度和位置(图 4a，b)表现出和图 3(a，b)相类似的变化趋势，只是极值出现的时间有所差别.在此期间，Swarm A/C卫星观测到的EIA驼峰强度和位置地方时梯度ΔNe和Δβ表现出高度相似的随地方时变化特征.午前，ΔNe和Δβ随地方时近似线性下降；在午后出现极小值，随后缓慢恢复.EIA谷区强度地方时梯度(图 4c虚线)同样表现出与EIA驼峰强度地方时梯度近乎反相的变化趋势.

对比图 3和图 4，不难发现Swarm A/C卫星在不同季节观测到的EIA驼峰强度和位置的地方时梯度具有相似的变化规律：正午前，EIA驼峰ΔNe和Δβ随地方时近似线性减小，由正转负；午后二者维持负值；这主要受太阳天顶角的控制.在午前，Swarm C卫星所在轨道的太阳天顶角相对较大，其处所观测到EIA发展的相对充分，因此Swarm A/C卫星观测到的EIA驼峰ΔNe和Δβ总体上是正值；午后，Swarm A卫星所在轨道的太阳天顶角较大，Swarm A/C卫星观测到的EIA驼峰ΔNe和Δβ总体上是负值.在此期间，Swarm A/C卫星观测到EIA谷区ΔNe表现出与驼峰ΔNe近乎反相的变化特征.

3 讨论 3.1 EIA特征参量地方时梯度的日变化

利用Swarm A/C卫星在相距一定地方时轨道上的同步观测数据，我们分析了两个不同季节期间EIA特征参量地方时梯度的日变化特征.从观测结果看，两个不同季节其日变化表现出高度类似的规律.查看Swarm A/C卫星在其他六组完整地方时覆盖期间观测到的EIA特征参量地方时梯度，发现其均表现出与之相似的日变化特征.因此，我们将2014-04-17—2017-04-16期间Swarm A/C卫星同步观测的EIA特征参量地方时梯度按地方时排列，数据处理方法同上(滑动窗口为地方时2 h，滑动窗口内样本数大于40对)，得到随地方时变化的统计值，最后对统计值进行5 min插值(与jicamarca非相干散射雷达的时间分辨率保持一致)，如图 5所示.在此期间，F_10.7指数均值为106 sfu，属中等太阳活动水平.

不难看出，图 5所示的ΔNe和Δβ均表现出与图 3—4相类似的日变化趋势.具体数值以及极值出现时刻的细微差别，主要归因于赤道电离层等离子体密度和纬向电场等因素的季节变化等.从Swarm A/C卫星在各季节以及三年的平均观测结果对比看，ΔNe和Δβ日变化趋势似乎具有普适性，表现出较弱的季节依赖.

SAMI2模型(Huba et al., 2000)被广泛用于中低纬电离层研究.我们利用该模型模拟了一次中等太阳活动水平条件下电离层一天内的演化过程，模拟结果的输出时间间隔为15 min.考虑到Swarm卫星观测的EIA驼峰ΔNe和Δβ日变化特征不体现季节变化，因此，模拟日期选择为2015-09-23，对应的F_10.7为111 sfu，三个月F_10.7均值为105 sfu，与图 5所示期间的平均F_10.7相近.中性风和电场的输入分别采用了HWM-93(Hedin et al., 1996)和Fejer模型(Scherliess and Fejer, 1999)，模拟结果如图 6所示.SAMI2模式给出了电离层典型的日变化过程：在东向电场的驱动下，赤道等离子体向上抬升、同时沿磁力线向两极扩散；EIA在0900 LT初步形成，随后快速发展；EIA在午后发展充分，然后逐渐减弱，一直持续到午夜前(Xiong et al., 2013).

从上述模型输出结果，我们提取出460 km高度EIA驼峰强度和位置的日变化，并计算其地方时梯度，结果如图 7所示.对比图 5，不难看出SAMI2模式计算的EIA驼峰ΔNe和Δβ表现出与Swarm A/C卫星同步观测相一致的日变化特征，尤其是变化趋势和极值出现时间都极为吻合.从数值上看，模式结果低估了EIA驼峰强度和位置的地方时梯度的变化.

需要指出的是，上述模拟日期的选择带有一定的随机性，仅参考了卫星观测期间的平均太阳辐射通量.EIA驼峰强度和位置的地方时梯度实测结果的具体数值也在不同季节有所变化(图 3—4).从这两个角度看，SAMI2模拟结果(图 7)与卫星实测平均(图 5)在数值上存在差异是合理的.

综合来看，Swarm A/C卫星同步观测的EIA驼峰ΔNe和Δβ日变化规律在各季节似乎具有普适性，且数值模拟给出了相一致的结果.

3.2 EIA驼峰ΔNe和Δβ的关系

前面提到，无论是卫星观测结果(图 3—5)还是模式计算结果(图 7)，EIA驼峰强度和位置地方时梯度，ΔNe和Δβ，均表现出相类似的变化规律.为进一步分析二者间的关系，对Swarm A/C卫星观测EIA驼峰ΔNe和Δβ进行相关分析.

以1700 LT为分界时刻，将图 5的EIA驼峰ΔNe和Δβ分成白天(0925—1700 LT)和日落后(1705—2250 LT)两个时段，散点图如图 8所示.图 8中的一个显著特征是，两组内的ΔNe和Δβ呈现出高度的正相关性，相关系数分别高达0.996和0.961.图中同时给出了各自的线性拟合结果(黑实线)，不难发现，EIA驼峰ΔNe和Δβ在白天和日落后两个时段遵从明显不同的线性关系.SAMI2模式计算结果(图 8b)亦表现出相似关系特征.

如图 8所示，EIA驼峰Δβ随ΔNe变化的斜率在白天时段要明显高于日落后，我们将此归因于F层高度子午风的日变化(Hedin et al., 1988；Kawamura et al., 2000).白天期间，赤道/低纬地区大气膨胀，产生极向子午风，加速被抬升的赤道等离子体向两侧扩散，有助于EIA双峰位置的极向扩展；夜晚，子午风转为赤道向，一方面会抬升电离层等离子体，另一方面将阻碍赤道等离子体沿磁力线向两侧扩散，在一定程度上对EIA双峰的极向运动产生抑制作用.SUPIM模型模拟也曾给出类似现象，Balan和Bailey(1995)发现白天和傍晚赤道喷泉的空间形态(高度-纬度)具有显著差异.

3.3 EIA特征参量对赤道等离子体抬升通量的响应

Abdu等(1990)和Stolle等(2008)通过分析白天EIA与赤道电集流、纬向电场的日变化间的相关性，估计了EIA的响应时间.他们的方法包含了太阳辐射日变化的影响.Swarm A/C卫星的同步观测提供了高精度的EIA地方时梯度信息，从EIA特征参量地方时梯度的角度开展相关性分析，则很大程度上消除了太阳辐射对计算结果的影响.

赤道喷泉效应是EIA的主要驱动源，赤道喷泉效应越强，EIA强度越强.如果忽略赤道区等离子体在抬升、扩散过程中的生成和消失，那么，除纬向电场外，EIA驼峰强度还与被抬升等离子体密度紧密相关.因此我们定义赤道等离子体抬升通量：

其中，Ne为赤道区等离子体密度，Vz为赤道等离子体垂直漂移速度.

对2014-04-17—2017-04-16期间Swarm A卫星观测数据进行统计分析(滑动窗口为地方时1 h)，计算出赤道上空(磁赤道±2°以内)平均等离子体密度日变化，最后对统计结果进行5 min插值(与Jicamarca非相干散射雷达的时间分辨率保持一致)，如图 9a所示.利用同样的数据处理方法，我们计算了2014-04-17—2017-04-16期间Jicamarca非相干散射雷达(Kudeki et al., 1999)Swarm A/C卫星高度上等离子体的平均垂直漂移速度(图 9b)，其日变化表现为典型的赤道区等离子体垂直漂移特征(Scherliess and Fejer, 1999).根据上述数据，我们计算出对应的赤道等离子体抬升通量flux(图 9c)及其地方时梯度Δflux(图 9d).日出后，Swarm卫星高度赤道等离子体抬升通量flux快速增长，在正午前达到极大，然后随地方时增大而逐渐减弱；由于垂直漂移PRE的贡献，在傍晚前后flux出现第二个极值.与之对应的抬升通量地方时梯度Δflux在0900 LT左右达到极值后缓慢减弱；第二个极值出现在1750 LT附近.

通过比较EIA驼峰ΔNe和Δβ曲线(见图 5c和d)与Δflux曲线，我们发现，白天和傍晚二者变化趋势表现出高度相似的特征，下午时段(1400—1700 LT)除外.我们推测这可能与等离子体抬升通量flux有关，当flux强度较弱时，等离子体抬升通量变化对EIA变化不占主导作用，二者地方时梯度的相关性不好.我们分别计算正午前后(0925—1400 LT)与傍晚前后(1700—1930 LT)两个时段内EIA驼峰ΔNe和Δβ与Δflux的相关系数，并认为二者相关系数达到最大的时间延迟即为EIA对于flux的响应时间.分析结果如图 9(e，f)所示.

如图 9e所示，当EIA驼峰ΔNe和Δβ分别滞后于Δflux 60 min和55 min时，相关系数达到极大值，分别为0.977和0.979.傍晚前后(图 9f)，当EIA驼峰ΔNe和Δβ分别滞后于Δflux 40 min和55 min时，相关系数达到最大值，分别为0.974和0.813.

大量研究表明，EIA对于赤道电集流和纬向电场变化的响应时间分别为2~4 h和1~2 h(Rush and Richmond, 1973；Abdu et al., 1990；Stolle et al., 2008).通过分析Δflux与EIA驼峰ΔNe和Δβ之间的相关性，本文计算出的EIA响应时间(~1 h)比之前大多数报道的滞后时间要短.借助SUPIM模型模拟赤道等离子体喷泉，Balan和Bailey(1995)重现了傍晚等离子体喷泉关于纬向电场变化的迅速响应现象.借助SUPIM模型模拟EIA，Balan等(2018)发现EIA的形成时间约1 h.他们认为EIA并不是赤道等离子体抬升之后再扩散的结果，而是等离子体沿着二者合成的方向运动的结果.

4 结论

利用Swarm A/C卫星在2014—2017年期间伴飞观测到的电子密度数据，我们分析了地磁相对平静期EIA驼峰强度和位置地方时梯度，ΔNe和Δβ，的日变化特征.主要结论如下：

ΔNe和Δβ，在正午前随地方时线性减小，午后达到极小值；傍晚前后二者先增大后减小.该日变化特征在各季节具有普适性.

ΔNe和Δβ的日变化表现出紧密的相关性，且在白天和日落后两个时段内遵从明显不同的线性关系，中性子午风扮演着重要作用.

ΔNe和Δβ对赤道等离子体抬升通量地方时梯度，Δflux，的响应非常迅速，滞后时间约为1 h.

致谢  感谢德国地学中心提供的Swarm卫星朗缪尔探针数据.感谢Jicamarca非相干散射雷达观测站的等离子体垂直漂移数据.SAMI2模型是由美国海军实验室(Naval Research Laboratory)开发的.感谢武汉大学电子信息学院徐继生老师对本文提出的宝贵的修改意见.