影响电离层结构和变化的传统源与太阳辐射和地磁活动相关，也与热层和电离层系统中各成分之间的相互作用有关.在低纬，电离层的形态受电场和中性风的作用巨大，也与低层传播上来的大气波动有着紧密的联系.基于TIMED(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere-Energetics and Dynamics)卫星SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)的观测数据，关于温度和中性风中比较重要的潮汐分量的全球分布以及气候学特征进行的研究指出非迁移潮汐的作用比之前预计的更强，有时甚至超过了相对的迁移潮汐(Zhang et al., 2006; Forbes et al., 2006, 2008; Oberheide et al., 2006, 2007; Pancheva et al., 2010).非迁移潮汐当中幅度较大的主要为DE2(周日东向传播波数为2的潮汐)、DE3(周日东向传播波数为3的潮汐)潮汐，相应的观测当中也发现了两者对电离层的影响.Pancheva和Mukhtarov (2011)利用COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)和TIMED卫星数据，对电离层响应底层潮汐做了详细的研究，WN4(wave number 4)四波结构至少主要由DE3，SE2(半日东向传播波数为2的潮汐)和SPW4(波数为4的行星波)组合产生，它们共同产生的四波结构幅度比DE3单独产生的要大一倍之多.WN3(wave number 3)三波结构至少主要由DE2，DW4(周日西向传播波数为4的潮汐)，SE1(半日东向传播波数为1的潮汐)和SPW3(波数为3的行星波)组合产生，产生的三波结构幅度是DE2单独产生的1.5倍.

除观测分析外，利用电离层模式进行电离层研究也是有效的方法.Pancheva等(2012)对比了利用GAIA (Ground-to-topside model of Atmosphere and Ionosphere for Aeronomy)模式模拟得到的电离层对底层潮汐响应结果与COSMIC的电子密度数据，证实了DE2和DE3潮汐能够在电离层产生WN3和WN4结构，并且与之前的假设相同，这两种潮汐并不是这两种结构的唯一产生源.Ren等(2011)从NO密度入手，通过GCITEM-IGGCAS(Global Coupled Ionosphere-Thermosphere-Electrodynamics Model, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences)模式模拟发现低热层中WN3和WN4结构也是由于底层DE2和DE3潮汐引起的.

非迁移潮汐引起的电离层和热层响应主要通过两种机制产生：直接上传作用和电动力学耦合作用.Oberheide和Forbes (2008)表明DE3潮汐可以直接上传到电离层高度，如同一个本地源一样影响电离层的变化(Oberheide et al., 2009).一些模拟结果显示，电动力学耦合机制表明非迁移潮汐通过调制E层电场来影响F层的经度结构(England et al., 2008, 2010; Jin et al., 2008; Oh et al., 2008; Fang et al., 2009; Ren et al., 2011).Wan等(2012)通过运行GCITEM-IGGCAS模型研究了DE3潮汐两种上传机制对电离层的作用，发现电动力学耦合作用控制了全部的电离层WN4和大部分热层的WN4，直接上传作用在低太阳活动时候影响热层的WN4.Jiang等(2018)则是更详细的分析了DE3潮汐对称和反对称波模通过不同上传机制影响电离层和热层的结果，发现WN4主要由DE3潮汐的对称波模作用得到，而反对称波模通过电动力学耦合作用可以在电离层和热层产生WN3.

相比于DE3潮汐的相关研究，DE2潮汐的细致模拟较少，虽然相关的分析发现电离层和热层WN3结构与之相关，但为了更好的理解非迁移潮汐对电离层的作用过程，本工作使用GCITEM-IGGCAS模式模拟，从多个角度研究DE2潮汐不同Hough波模对电离层的影响.

本文使用的是GCITEM-IGGCAS模式，是我国自主建立的一个自适应的三维电离层和热层耦合模式，该模式耦合求解了热层和电离层的动量方程、能量方程、连续性方程、流体静力学方程和状态方程及电离层电动力学方程，自适应计算电离层/热层系统中各种中性成分和等离子体成分的含量、分布、温度和速度等.该模式采用地理坐标系，其经度-纬度的网格为7.5°×5°，在垂直方向上没有采用压力坐标，而是使用了高度坐标，从90 km到600 km分为28个高度层.通过模式的计算，可以得到主要中性成分O、O₂和N₂，次要中性成分N(⁴S)、N(²D)、NO、Ar和He，以及O⁺、N₂⁺、O₂⁺、NO⁺、N⁺离子和电子的数密度，电子、离子和中性成分的温度及中性风场(Ren et al., 2009).

本工作首先将不同的大气潮汐波模单独输入到模式当中，作为底层边界驱动模式进行数值模拟计算，得到电离层在不同底层潮汐的情况下的响应状态，更直观的展现各种潮汐对电离层的影响，并且为了更突出电离层对潮汐的响应，通过Hough波模的形式来表征各潮汐.进一步，由于电场模式的独立性，我们通过3种不同的模拟方法将底层潮汐对电离层的不同影响机制区分开来，如表 1所示：首先，当底层边界不加入任何潮汐时，模式自洽计算得出的结果为无潮汐扰动的，这种情况我们可以认定此时电离层为“平静状态”S₀，这时的电离层状态可作为背景，并且此时计算得出的电场也为“平静状态”的电场E₀，可为后续的模拟使用.然后第二步模拟，当底层边界加入我们设定的各潮汐Hough波模，并且电场模式使用我们刚刚获得的“平静状态”的电场E₀时，模拟得到的结果便是在潮汐直接上传机制作用下的电离层状态S₁，其与“平静状态”的电离层背景之差(S₁-S₀)，就是电离层对底层潮汐的直接上传机制的响应.最后一步模拟，当底层边界加入各潮汐Hough波模，并且电场自洽运算时，模拟得到的是潮汐直接上传机制和电动力学耦合机制共同作用下的电离层状态S_T，其与“平静状态”的电离层背景之差(S_T-S₀)，就是电离层对底层潮汐两种上传机制的总响应，而其与电离层对潮汐上传机制响应的结果之差(S_T-S₁)，就是电离层对底层潮汐电动力学耦合作用的响应.通过这种方式，模拟得到了不同潮汐通过不同上传机制对电离层的影响，为我们更好的研究和认识电离层/热层耦合提供了参考.

表 1 (Table 1)

表 1 分离不同响应机制的3种模拟方法 Table 1 Three simulations for seprating the responses of different mechanisms 底层潮汐 电场模块 电离层状态 1 无潮汐波模 自洽计算 平静状态S0，平静状态电场E0 2 指定Hough波模 平静电场E0 直接上传作用下电离层状态S1 3 指定Hough波模 自洽计算 两种机制共同作用下电离层状态ST

表 1 分离不同响应机制的3种模拟方法 Table 1 Three simulations for seprating the responses of different mechanisms

由于潮汐对电离层和热层的作用随太阳活动的增强逐渐减弱，本工作选择在低太阳活动强度条件下(F107值为70)模拟了一整年的结果，每个月的数据由当月的月中值来代表.一天当中每半个小时存储一次数据，也就是每天有48个数据点.底层边界输入我们选取了DE2的4种Hough模，分别为赤道对称波模、赤道反对称波模、高纬对称波模和高纬反对称波模.为了更清晰的反映电离层的响应以及各个波模之间的比较，我们将每种波模幅度都扩大到与迁移潮汐一个数量级，并且在一年当中都保持相同的幅度，本工作主要的研究目标为电离层的幅度响应，所以底层波模的相位采用了一个固定的值并且也在一年当中都保持该相位.

DE2潮汐是电离层中WN3结构的主要驱动源，根据之前工作的研究，电离层对其响应最强烈的区域出现在400 km高度附近，所以我们也选择在406 km高度上对DE2潮汐各波模对电离层的影响展开研究，如图 1所示为在0000 UT时电离层对4种Hough波模的电离层总响应强度的年度变化特征.响应强度我们定义为该时刻全球分布中最大值与最小值之差.图中1(蓝色)、2(红色)、3(绿色)和4(洋红色)分别代表高纬对称Hough波模、高纬反对称Hough波模、赤道对称Hough波模和赤道反对称Hough波模的响应结果.从图中可以看出，赤道对称波模的电离层响应最为强烈，其余3种波模的响应强度基本相同.整体上4种波模的响应都符合半年变化特性，在3月和10月取得一年当中的两个波峰，1月和7月取得两个波谷，其中秋季的波峰均强于春季，而夏季的波谷均弱于冬季.Pancheva和Mukhtarov(2011)对COSMIC观测中的DE2电离层响应在冬季强度最大，这与本模拟的结果不太相符，主要是因为实际情况当中DE2潮汐在冬季的值最大(Forbes et al., 2009)，电离层响应主要受潮汐幅度影响，而本模拟中各月份采取相同的潮汐幅度模拟，年度变化体现的是潮汐在每个月份影响电离层的能力.

图 1

Fig. 1

图 1 406 km高度，DE2波4种Hough模分量对电离层影响的年度变化结果 Fig. 1 Ionosphere responses of DE2′s Hough modes in one year at 406 km

图 2展示的是406 km高度处，电离层对DE2波模的电离层总响应强度随世界时变化的结果.我们定义年平均值中每个时刻最大值与最小值之差为该时刻的响应强度.从图中可以看出赤道对称波模的响应在一天当中存在4个峰值，分别在3时、7时、15时和22时，还有4个谷值，分别在5时、13时、19时和23时.高纬波模的响应整体上看存在一个峰值和谷值，其中峰值出现在2时左右，谷值则出现在13时左右.赤道反对称波模响应也存在一个峰值和谷值，分别出现在2时和9时.

图 2

Fig. 2

图 2 406 km高度处，电离层对DE2波模总响应随世界时变化的结果 Fig. 2 Ionospheric responses to DE2′s Hough modes versus UT at 406 km

图 3给出的是在0000 UT时电离层对DE2波模不同上传机制的响应在406 km高度处的年平均全球分布特征.图中3行从上到下分别代表总响应、电动力学作用响应和直接上传作用响应3种上传机制，4列从左到右分别代表高纬对称反对称、赤道对称反对称4种波模.如图所示，赤道对称波模对电离层的作用为波动效应，主要分布于南北纬30°之间，其电动力学作用的响应与总响应特性基本一致，直接上传作用的响应相对较弱.其他3种波模的总响应相对较弱，但总响应可以看出为削弱作用，主要分布于南北纬30°之间，并且两种上传机制对电离层的作用也均为削弱作用，共同作用于总响应.从整体上来看，DE2潮汐对电离层的作用还是波动效应为主要，这也与前人的相关研究结果相符.

图 3

Fig. 3

图 3 406 km高度处，DE2四种波模不同上传模式对电离层的影响 Fig. 3 Ionosphere responses of DE2′s Hough modes by different mechanisms at 406 km

下面对响应最强烈的赤道对称波模进行更详细的分析，为了更明显的展示响应结果，我们选择在固定地方时下进行观察，所以图 4给出的是1500 LT时，DE2赤道对称波模年平均响应的傅里叶变换结果在高度和纬度坐标系下的展示结果.图中3列从左到右分别代表总响应、电动力学作用和直接上传作用响应，5行从上到下分别代表 1波到5波分量强度.从图中可以看出2波和3波具有较明显的响应.2波分量主要分布于200~500 km高度之间，南北纬跨度可达30°，响应最强烈的区域出现在南纬15°的350 km高度处，其电动力学响应与总响应分布特性基本相同，并且直接上传作用响应较弱，可见2波分量主要由电动力学作用引起.3波分量响应强于2波，为主要的响应分量，这与DE2潮汐在电离层产生3波结构的结论相符(Pancheva et al., 2012; Kil et al., 2010)，主要分布于200~600 km高度之间，南北纬跨度在30°之间，响应最强烈的区域出现在400 km高度处的赤道区域和300 km高度处的北纬15°附近.模拟得到的DE2响应与Pancheva和Mukhtarov(2011)得到的电离层DE2响应分布高度基本相同，并且该响应主要由电动力学作用控制.

图 4

Fig. 4

图 4 1500 LT时，电离层对DE2赤道对称模不同机制响应的傅里叶变换结果 Fig. 4 The Fourier transform results of ionospheric responses to DE2 equator symmetric modes at 1500 LT

本文利用GCITEM-IGGCAS模式，模拟了DE2潮汐4种Hough波模在低太阳活动条件下，不同上传机制对电离层的影响.模拟结果显示在406 km高度上，DE2的4种Hough波模对电离层的作用表现为半年变化，在春季和秋季对电离层的作用较强，在冬季和夏季较弱.而在一天当中的变化，赤道对称波模响应出现明显的4个峰值和谷值，而其他3种波模的响应则主要为一个峰值和谷值.赤道对称波模对电离层的作用为波动效应，其响应也是4种波模最强的，而其他3种波模对电离层则是削弱作用.对DE2潮汐赤道对称波模的进一步分析发现，电离层中3波分量响应最强，主要由电动力学作用控制.