大尺度电离层行进式扰动(Large-Scale Traveling Ionospheric Disturbances，LSTID)是电离层中能量远距离传输最重要的一种动力学形式.大量观测研究指出，LSTID水平相速度和周期范围在300～1000 m/s，30～180 min之间，在电离层中常以大于1000 km的等相面宽度传播数千公里.一般认为LSTID是电离层对大气重力波(Atmospheric Gravity Waves，AGWs)的响应(Hunsucker，1982; Hocke and Schlegel，1996).电离层扰动的观测手段，除了传统的测高仪(Bowman，1965)、多普勒雷达(Waldock and Jones，1986)、全天空成像仪(Shiokawa et al.，2003)以及非相干散射雷达(Oliver et al.，1997)之外，各类电离层探测卫星(Korepanov et al.，2008)及全球定位系统(Global Positioning System，GPS)(Afraimovich et al.，2000; Shiokawa et al.，2002;张东和等，2002; Tsugawa et al.，2003;Ding et al.，2007;李强等，2012)的发展为进一步研究LSTID的传播特征提供了必要的观测条件.

近年来，GPS接收台站在全球陆地区域的密集布阵为大范围、连续监测电离层行进式扰动提供了条件.围绕LSTID在全球范围的传播特征，已有许多学者进行了观测研究.在高纬地区，Afraimovich等(2000)使用GPS台站数据分析了北美地区的一次LSTID事件，认为该LSTID至少持续1个小时，等相面宽度在4000 km以上，并且以300 m/s的水平相速度赤道向传播了2000～3000 km； Ding等(2007，2008)分析了北美高纬地区磁暴期间大尺度电离层扰动的二维结构和统计特征，揭示了高纬地区极光电集流增强区移动引起扰动等相面偏移的极区源机制.在中低纬地区，Shiokawa等(2002)利用分布在日本的GPS接收台阵、测高仪和气辉仪对1999年9月15日磁暴期间的LSTID事件在日本地区的传播进行了观测研究，观测到该LSTID的等相面在日本地区以大约430 m/s的速度沿子午向传播了至少1000 km，并且认为这一LSTID事件主要原因是热层中的大气重力波引起赤道向传播的中性大气风场的增强；Tsugawa等(2004)统计研究了日本地区的LSTID事件，发现了LSTID的衰减情况与其传播方位角相对于地磁场方向的夹角有关，得出日本地区LSTID的衰减主要是由离子拖曳作用引起的；宋茜等(2013)分析了中国地区的LSTID事件，发现了中国西南地区的东北向传播的扰动以及东北地区的西南向传播的扰动，并认为中低纬地区LSTID的传播参数受到背景中性大气风场、赤道电集流等因素强烈影响；Ding等(2014)对比分析了高纬的北美地区363个LSTID事件与中低纬的中国地区的390个LSTID事件，对两个地区的LSTID事件的各自特点与相互联系进行了对比研究，发现两地区在发生率上具有不同的季节变化特征，显示了高纬LSTID与极区能量注入有较好对应关系，中低纬LSTID在传播过程中还受到电离层背景变化的强烈调制作用.

由于GPS台站布设地理空间的不均匀，一些地区，如中国及东南亚地区、海洋地区以及南半球地区的观测数据还不够密集(Wang et al.，2003)，使得对LSTID的全球分布与传播特征研究还显得不足，特别是没有对南北半球电离层扰动的对比分析进行较为深入的研究.

本文利用全球GPS服务系统(International GNSS Service，IGS)与美国连续运行卫星定位服务系统(Continuously Operating Reference Station，CORS)提供的北美和南美地区超过1000个GPS接收台站的TEC数据，对2012年7月14日磁暴初相期间的大尺度行进式电离层扰动(LSTID)事件的传播特性进行分析，得到了该LSTID事件在北美地区的详细传播过程，并研究了这一LSTID事件期间大致在70°W子午线上北美及南美之间电离层扰动的分布，最后对北美地区的大尺度电离层行进式扰动源区的位置以及南美地区电离层扰动可能的激发机制进行了讨论.

本文使用了国际IGS网和美国CORS网提供的位于北美地区的1356个GPS接收台站的数据，台站分布如图 1.我们使用GPS卫星载波的L1(f₁=1575.42 MHz)、L2(f₂=1227.60 MHz)数据，通过差分载波相位得到研究中使用的斜向TEC(TEC_s)数据.该斜向TEC(TEC_s)包含电离层斜向背景TEC(TEC_s0)以及斜向扰动TEC(DTEC_s)，受卫星载波由卫星向接收仪器传播时路径的仰角、方位角等影响.同时数据采集过程中，还会包含卫星和接收仪器产生的仪器误差，本文将这两种来源的仪器误差区分为表现形态不同的两部分，(1)对一组数据不随时间变化的静误差(C_c^s)以及(2)随时间缓慢变化的动态误差(B_r^s).在LSTID的研究最为直观有效的是垂直方向上的扰动TEC(DTEC_v)，其与斜向TEC扰动(DTEC_s)关系式为

图 1

Fig. 1

图 1 北美地区GPS接收台站分布 Fig. 1 Distribution of GPS stations over North America

TEC_s0是通过对JPL发布的全球电离层模型(Global Ionosphere Model，GIM)插值得到的，这一过程需要数据对应的时刻以及对应GPS卫星的空间位置，以得到GPS卫星载波在卫星与接收仪器之间的传播路径.通过对GPS事后精密星历(GPS Satellite Precise Ephemeris，PE)插值得到GPS卫星的位置，这样建立卫星与台站的连线，即可代表卫星载波的传播路径.这一路径在电离层薄层模型中假设高度的位置为电离层穿透点(Ionospheric Pierce Point，IPP)，利用IPP位置及对应时刻，对GIM进行插值得到模型TEC，此模型TEC是垂直的，为了与观测斜向TEC进行对比，通过映射函数将其转化为斜向模型TEC，这一斜向模型TEC已经可以近似代表TEC_s0.我们假设C_r^s在单站单卫星的数据中是不变的，则将TEC_s整体加减一定TECU数值，使其与TEC_s0的距离达到最小，这时TEC_s移动的TECU值便为C_r^s，将这一C_r^s代入式(3)，得到DTEC_s.而后通过映射函数使DTEC_s变为垂直方向上的投影，这时的垂向TEC还包含有动态仪器误差B_r^s.对于B_r^s，我们已经假设在单站单卫星的数据中也会改变，这里进一步假设其变化的速度与电离层TEC扰动的相比较更慢.在这两个假设下，对DTEC_s的垂直投影量进行平滑处理可以得到这一动态仪器误差.这样代入式(1)，就能得到单站单卫星数据中的DTEC_v，对所有数据进行以上处理就可以得到供进一步处理的DTEC_v数据.

本文使用TEC定标及滤波过程示意如图 2，其中(a)为插值GIM得到的模拟背景斜向TEC和分离了静态仪器误差的斜向TEC，(b)为DTEC_s映射到垂直方向的TEC、平滑得到的B_c^s以及最终的垂向扰动TEC，(c)为电离层穿透点投影位置的分布.目前处理TEC数据得到扰动的方法还有：对原始数据映射后直接滑动平均得到背景趋势而后相减即认为是扰动TEC(Shiokawa et al.，2002，Tsugawa et al.，2004，Nicolls et al.，2004)；通过对时序TEC序列进行滤波得到一定频率范围的起伏数据即认为是扰动TEC(Cai et al.，2012)；对TEC进行地方时与纬度上二次展开拟合得到趋势而后相减即认为得到了扰动TEC(Ding et al.，2008，Song et al.，2012).以上方法均是对数据本身进行处理分离趋势与扰动，没有外部数据进行约束.前两类方法考虑的基础完全是数学上的，第三类开始考虑影响TEC的物理过程，而本文使用GPS事后精密星历获取数据对应时刻GPS卫星位置，建立卫星与台站之间的载波传播路径，得到电离层穿透点位置，而后通过对GIM插值得到这一穿透点对应时刻的TEC值，依次分离观测数据中包含的背景TEC与误差TEC，并最终得到垂直扰动TEC，在这个过程中，对各TEC值的处理具有明确的物理意义.我们还比较了本文的方法与Ding et al(2008)及宋茜等(2013)中使用的在地方时与纬度上对TEC进行展开后拟合得到背景TEC继而得到扰动TEC的方法，发现利用卫星星历计算的位置与利用方位角及仰角计算的位置基本一致，最终的扰动在形态与量值上也相互对应，二者的计算结果相互验证，为本文所使用的方法所提取的扰动TEC提供一定的可靠性保证.

图 2

Fig. 2

图 2 TEC定标及滤波提取TEC扰动过程示意图 Fig. 2 A example of data processing about TEC scaling and the extracting of TEC disturbance

在本文使用的方法中，先后引入了JPL发布的GPS事后精密星历数据与全球电离层模型数据，在实际处理中这两方面数据的准确性将极大影响扰动提取的精确性.考虑到北美区域JPL发布的GPS PE数据与GIM数据是在北美密集台站观测基础上形成的，具有相当大的精度，本文所使用的处理方法，能够通过引入的数据获取较为准确的电离层背景TEC值，提高扰动提取结果的可靠性.我们利用经过以上方法处理的数据，构建了北美地区的二维TEC扰动图像，所得到图像的经纬度分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为5 min.从这一系列的二维TEC扰动图像中，我们标定了一次LSTID事件的5个等相面，详细观测了LSTID的等相面的传播过程，并提取了LSTID各等相面传播的起止时刻、范围、速度、方位角等参数，据此讨论了LSTID的传播特征.

2012年7月12日太阳活动区11520爆发了1次强耀斑，并伴有强烈的日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections，CME)，同时引发了弱太阳质子事件.7月14日18：00 UT左右，该CME影响到地球磁层.图 3显示，从18：00UT开始，发生了一个急始型磁暴，持续大约三天，Dst指数下降峰值达到-127 nT.史良文等(2014)认为这次磁暴主要是由行星际日冕物质抛射及其驱动的激波结构共同作用形成的.磁暴急始之后，磁暴初相阶段持续了大约6小时，在此期间，地磁场水平分量较其平静值高数十nT，而后在24：00 UT进入主相，Dst指数经过大约10个小时达到极小，之后Dst指数维持在-100 nT左右大约10个小时，极小值为-127 nT，最后进入恢复相.图 3c显示，在磁暴急始及恢复相阶段，发生了一系列亚暴事件，与我们研究有关主要是18:00～21:00UT之间的亚暴事件.

图 3

Fig. 3

图 3 2012年7月14日～17日行星际南向磁场(a)、Dst指数(b)、AU及AL指数变化(c) Fig. 3 The variations of IMF Bz (a), Dst index(b), AU&AL indices(c) on 14~17 July 2012

图 4给出了该次磁暴期间北美地区LSTID的二维TEC扰动图像.磁暴急始开始后，随着一次显著的亚暴爆发，在北美地区的20：30～23：30 UT(14：30～17:30 LT)间监测到5个电离层扰动等相面过境.这些等相面横亘北美东西海岸，最大宽度达到4000 km，以1.2～2.2 TECU的振幅，500 m/s左右的相速度，由北美东北部向西南部传播，传播范围在50°N至30°N之间.

图 4

Fig. 4

图 4 北美地区2012年7月14日20:45～21:45UT二维TEC扰动图像 Fig. 4 The TEC perturbation maps during 20:45~21:45UT on 14 July 2012 over North American

将扰动在北美的二维传播过程中扰动幅值显示在传播距离-时间图中可进一步清楚显示LSTID的传播特征.与Tsugawa等(2004)、Ding等(2013)使用的方法相似，我们以(50°N，115°W)为原点，沿该扰动的平均传播方向(190°方位角)建立了一维坐标系，并计算扰动的平均幅度在该坐标系中的传播距离-时间的关系，图 5中给出了计算结果.图 5表明，在20：30～23：30 UT之间，出现正相与负相交替的5个扰动等相面，它们以大致相同的速度西南向传播，最远传播了2000 km.这些等相面的传播速度在500～600 m/s，表现出一定的连续性与稳定性，这与我们从二维TEC扰动图中提取的运动参数基本一致.在传播距离上，这5个等相面则显示出了明显的区别，第2个等相面(负相)与第3个等相面(正相)传播了约1000 km(到达～41°N)，即在我们建立的二维坐标系中消失，而第1个等相面(正相)与第4个等相面(负相)传播了2000 km(到达～30°N).根据等相面的性质，我们认为极区能量输入的变化导致扰动激发源随时间的变化是造成不同的等相面之间传播特征出现差异的主要原因.

图 5

Fig. 5

图 5 2012年7月14日TEC扰动幅度随传播距离与世界时的变化 Fig. 5 Variations of TEC perturbation amplitude as a function of UT and propagation distance on July 14, 2012

为进一步观测扰动在30°N以南直至南半球接收台站稀疏区的传播，我们选取了70°W附近的一条跨越赤道的GPS观测台链，并将台链观测到的时序TEC扰动画在图 6中.通过台链观测，北美地区的电离层扰动向南一直传播到CN15站(26.6°N，78.7°W).在CN15站以南26°N～0°N之间，没有观测到明显的南向传播扰动，该区域台站的TEC扰动曲线与北美地区电离层扰动没有明显的相关性.但是在北半球的电离层扰动消失后一个小时左右，GPS台链中南半球的台站AREQ(16.5°S，71.5°W)与IQQE(20.3°S，70.1°W)观测到南向电离层扰动，该扰动的振幅、相速度大致为1.8 TECU、400 m/s，传播范围局限在16°S至20°S之间.

图 6

Fig. 6

图 6 GPS-TEC台链观测扰动在南北半球的情况(a),以及台链数据电离层穿透点投影位置分布(b) Fig. 6 Observation of the LSTID along the GPS station chain (a), and the location of trajectories of the ionospheric pierce points (b)

南半球电离层扰动的可能成因有两个，(1)是北半球的LSTID直接跨赤道传播引起，或者(2)南半球观测区域以北本地激发.以往研究者给出了LSTID跨赤道传播的模拟与观测结果.例如，Lei等(2008)与Hayashi等(2010)分别通过模拟与观测对2006年12月磁暴期间一次在日本地区的北向传播LSTID事件进行了研究，认为其中的一个LSTID事件是在南半球激发而后传播至北半球高纬地区，但是模拟中对北向跨赤道传播LSTID的传播速度有一个高估，同时观测中没有给出跨赤道传播的LSTID事件在低纬赤道区的传播证据.本文的研究中，尽管在北半球中高纬和南半球低纬地区分别观测到南向电离层扰动，但在赤道地区并没有观测到相关的电离层扰动.通过二维TEC扰动图提取的北半球南向LSTID等相面的速度大致在500 m/s，而通过台链中时序TEC扰动计算得到南半球扰动的传播速度为400 m/s.南北半球电离层扰动的速度不一致，同时北半球LSTID在26°N附近造成的TEC扰动幅度已经很小.因此，我们认为南半球电离层扰动不是北半球LSTID跨赤道直接传播的结果.

电离层扰动的二次激发是的南半球观测到的TEC扰动最可能的原因.已有学者对低纬赤道区的极区向扰动激发和传播机制进行了模拟与观测.Lei等(2008)与Lu等(2001)均指出在磁暴期间会形成行进式大气扰动，造成不同区域大气的起伏运动.Vadas和Liu(2009)，Vadas和Crowley(2010)讨论了低层大气扰动在一次上升后耗散，然后再次产生扰动的模拟结果，而且 Ding等(2013)观测到在中国南部低纬地区由低层大气引起的极区向传播的LSTID事件，认为该LSTID最可能是由中国地区的初始大气扰动耗散之后引起的二级扰动所激发的.与之相比，我们此次研究的LSTID事件，在南半球观测到极区向传播的LSTID扰动的区域对应于Ding等(2013)所观测到的扰动在北半球极区向传播LSTID的区域，并且与其观测到的扰动相似，在传播的纬度范围上，明显小于赤道向传播的LSTID事件.我们认为产生南半球观测到的TEC扰动最可能的机制是：引起北半球LSTID的初级大气扰动在传播过程中能量逐渐耗散，并在赤道地区形成二级大气扰动，而后激发该区域局部的电离层扰动.南半球电离层扰动传播距离及持续时间均较短，可能的原因是二级扰动能量较小，同时低纬地区较大的背景电子浓度导致扰动发生较强的离子拖曳衰减(Ding et al.，2013).

我们分析了扰动在北美地区的详细传播过程，同时选取了一条台链对扰动可能的越过赤道传播到南半球的情况进行了论证，得出本文观测到的LSTID事件，在传播范围上局限于北半球，没有直接跨赤道传播至南半球.

我们通过地磁水平分量的观测，结合已提取的LSTID相关传播参数，对扰动的源区进行分析.本文选取了北美地区在50°N以北地区的13个地磁场观测台站，各台站分布见图 7a，图 7b为选取的台站在2012年7月14日12:00～24:00 UT间的地磁水平(H)分量时序图.在观测到LSTID第1个等相面(20：30 UT)之前约2个小时的18：15 UT，大部分地 磁台站观测的H分量均有变化，特别是在67°N以北地区的有 3个台站，分别是BRW(71.3°N，156.6°W)、DED(70.36°N，148.79°W)、CBB(69.12°N，105.03°W)，观测到明显的地磁 场水平分量的跳变.在这些台站的大致经度覆盖范围(100°W～150°W)，对应于18：00 UT的地方时在14：00～8：00 LT，跨越了12：00 LT这一东西极光电集流的分界点.地磁场观测台站中显示为BRW、DED为减少，CBB为增大，说明亚暴的爆发对东西向极光电集流均产生了影响，这与AU及AL指数的变化也有较好的对应.北美地区在爆发的时刻处于东西向极光电集流分界的地点，这为能量注入、扰动激发提供了较好的条件.

图 7

Fig. 7

图 7 2012年7月14日北美高纬地区地磁水平分量变化 Fig. 7 Variations of H component of geomagnetic field on high latitudes of North America

在亚暴开始后两个小时内，地磁场H分量急剧减少的台站(BRW、DED)，地磁场H分量逐渐增加，这与太阳直射点逐渐西移，极光电集流由西向转为东向相对应.在观测到LSTID第4个等相面(22：30 UT)之前约两个小时的20：20 UT，有3个地磁台站(CBB、DED、RES)观测到地磁场H分量的突然下降，这些地磁场观测台站此时已位于东向极光电集流区域，这一下降意味着电集流的突然减少.我们认为这与磁层能量注入过程的一个减少对应.这一特征与本文研究的LSTID的第4个等相面(负相)，在时间与形态上对应.利用LSTID的传播参数，还原其传播过程，其源区位置大致在75°N附近.这样可以确定LSTID事件形成的源区，位于经度范围100°W～150°W，纬度范围75°±10°N的区域.

引起本文观测到的LSTID事件的可能情况是，亚暴发生时，来自磁层的能量注入大气，其起始时刻大约在18：15 UT，这一能量注入过程加热大气形成大气波动，造成电子浓度有规律的起伏，从而激发LSTID的第1个等相面，并引发后续扰动幅度逐渐减少的第2、3个扰动等相面.20：20 UT注入能量有一个比较明显的减少，使得大气状态得到部分恢复，离子复合增多，显示为一个电子浓度的减少，可以对应于LSTID的第4个等相面(负相).

我们对比扰动与磁暴期间地磁场H分量变化的关系，认为本文观测到的LSTID事件，最可能的源区投影于地表的纬度范围在65°N至85°N，而经度范围在100°W至150°W.同时源区对LSTID的激发作用与亚暴期间极区注入能量的起伏有关.

本文利用IGS网与CORS网提供的GPS接收台站的TEC观测数据，分析研究了2012年7月14日磁暴急始期间北美地区的一次LSTID事件，使用GPS TEC数据得到对应时刻GPS卫星位置，而后对GIM插值得到卫星与接收台站连线在电离层薄层模型假设高度位置的TEC值，然后依次分离数据中包含的背景TEC与误差TEC，最后得到垂直扰动TEC.使用提取的时序扰动TEC数据构建了北美地区的二维TEC扰动图像，并得到扰动幅度在扰动传播方向上与传播距离、世界时之间的关系，继而分析了扰动在北美地区的连续传播过程，提取了扰动的主要传播参数，同时结合一条跨赤道的GPS台链讨论LSTID期间南北半球电离层扰动的分布与传播，最后讨论了可能的激发源区及机制.在磁暴急始90分钟后，伴随着一次亚暴的膨胀相，我们观测到了一次LSTID事件.这一LSTID事件包含5个等相面，这些等相面在北美地区大致以扰动幅度1.2～2.2TECU，相速度500 m/s，方位角190°传播了1000～2000 km不等，在传播过程中，扰动的绝对振幅在55°N至42°N之间逐渐增强并达到最大值2.2TECU，在42°N以南逐渐衰减，并在26°N左右消失.在北半球电离层扰动消失后1小时左右，南半球出现了在时序TEC扰动上形态相似但相速度变化为400 m/s，且传播的纬度范围局限在16°S至20°S之间的TEC扰动，我们排除了北半球的LSTID直接跨赤道传播至南半球的可能性，认为南半球的扰动与大气扰动在低纬地区耗散并转化为二级扰动有关.最后根据地磁场水平分量的时空变化，推测北美地区LSTID事件的源区位于纬度范围在65°N到85°N间，经度范围在100°W到150°W之间的区域，其中等相面形成与亚暴期间该区域能量注入的起伏有关.