2014, Vol. 29
威德尔海异常(Weddell Sea Anomaly，WSA)，主要表现为夜晚电子密度增强，使得每日的电子密度峰值出现在子夜前后，亦称为中纬夏季夜晚异常(Mid-latitude Summer Night Anomaly，MSNA).最早是在西南极的南极半岛和威德尔海发现存在f0F2异常现象，夏季时，f0F2的最高值出现在地方时22~4时，最低值出现在地方时12~18时.其余季节f0F2变化正常，在夏季的交替时段，f0F2的正常和异常在数天内迅速变化.Bellchambers(1958)在1957年的国际地球物理年(International Geophysical Year，IGY)期间，在南极半岛的Faraday站，利用地基电离层垂测仪(ionosonde)观测到威德尔海异常.Penndorf(1965)将这一现象命名为威德尔海异常.Dudeney(1978)对威德尔海异常作出了初步的解释，认为威德尔海异常是太阳极紫外辐射和热层中性风共同作用的结果.随后，Clilverd(1991)用甚低频多普勒仪器(Very Low Frequency Doppler)研究了威德尔海异常，Heaton(1996)用NNSS(Navy Navigation Satellite System)构建二维层析研究了南极半岛上的Faraday站和Halley站的中纬谷区等特征.Jarvis(1998)用38年的垂测仪数据研究了南极半岛附近F层的下降趋势及其与热层的关系.国内的相关研究集中在中国南极考察站长城站开展，曹冲等(曹冲， 1992，1993; 甄卫民， 1994，1995)利用垂测仪讨论了长城站的威德尔海异常现象，并进行了模拟计算，还讨论了磁暴期间的情况，也表明中性风对长城站的电离层变化有重要影响.但是，上述手段都只局限于局部测站上空，且时间不连续，因此，由于观测手段的限制，威德尔海异常的研究有所放缓.
Horvath(2003)用TOPEX数据对威德尔海异常的研究将其范围大大增加，并重新引起业界的兴趣，其研究结果表明，夜晚时，威德尔海异常起源于南半球的太平洋区域.随后，Horvath(2006)继续用TOPEX数据详细分析了海洋上空的WSA的不同小时内、不同地磁坐标下、不同经度上的TEC变化.Burns等(2008)和He等(2009)用COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate)数据研究了NmF2和hmF2在威德尔海异常中的变化特征.其中Burns的研究表明，傍晚时分威德尔海异常和印度尼西亚附近的赤道异常有着重要的联系.Jee(2009)用13年的TOPEX数据分析了威德尔海异常在不同季节和不同太阳活动强度下的变化特征.Lin(2009)用COSMIC数据研究了威德尔海异常的三维结构特征.随后，Lin(2010)继续用COSMIC研究了全球范围内的中纬夏季夜晚异常(MSNA)，表明在北半球也存在类威德尔海异常(WSA-like)的现象.Thampi(2011)用SUPIM模型对MSNA进行了仿真，结果表明，MSNA和中性风的周日变化密切相关，与电场的变化关系很小.与此类似，Chen(2011)用SAMI2模型对威德尔海异常进行了理论研究，也表明朝向赤道的中性风是产生威德尔海异常的主要原因.随后，Ren(2012)用TIME3D-IGGCAS三维物理电离层模型分析了MSNA在全球的特征，结果表明MSNA主要出现在东亚地区、大西洋欧洲地区、南太平洋地区，其中在南太平洋地区量级最大、变化最复杂.
虽然Lin(2009)分析了GPS-TEC数据，但其来源是IGS发布的GIM(Global Ionosphere Map)，所使用的IGS站数据在极区非常缺乏，只是利用GIM分析了东亚地区的类威德尔海异常结构.TOPEX虽然覆盖了南大洋的广阔区域，但只能提供海上的电离层变化特征.COSMIC由其原理决定了其不存在严格的空间分辨率，所得的大范围为结果为统计结果.垂测仪只提供了一点上的变化特征，且由于D层吸收和偶发E层等现象使得F层的回波减少，所以其运行时间不连续.相比之下，本文用西南极和南美洲的地基GPS(Global Positioning System)，可以提供大范围、高精度、全天时的GPS-TEC(Total Electron Content)结果，进而提供西南极地区的威德尔海异常在不同时空尺度下的详细分析，促进识别威德尔海异常形成机制的研究.
1 数据和方法
本文使用了南极地区共7个GPS常年跟踪站，分布在西南极和南美南端，如图 1所示，所选站点尽量覆盖研究区域，也就是别林斯高晋海和威德尔海.随着GPS现代化的开展，任一时刻极区测站可见卫星数可达10~12颗，这也为本文的研究提供了充分的数据支撑.
 | 图 1 区域及测站分布图 Fig. 1 Distribution of GPS stations |
表 1给出了GPS站点的相关信息，包括数据来源、地理坐标、地磁坐标等.其中，GRW1站为武汉大学中国南极测绘研究中心(Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping，CACSM)在乔治王岛建立的GPS连续跟踪站，于2008年底建成；OHI2、RIO2、VESL为IGS(International GNSS Service)跟踪站；HOWN、MCAR为第四次(2007-2008)国际极地年(International Polar Year，IPY)期间开始建立的POLENET(The Polar Earth Observing Network)中的GPS跟踪站.从表中的地理坐标和地磁坐标可以看出，各测站有着较高的地理纬度，却较低的地磁纬度.
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表 1 GPS测站相关信息 Table 1 GPS stations information |
图 2为2009-2011年连续3年的太阳黑子数月平均值的变化曲线，数据来源为比利时太阳数据中心(Solar Influences Data Analysis Center，Royal Observatory of Belgium).从图 2中可以看出，不同于2009、2010年太阳活动较低的情况，2011年太阳活动迅速增强.太阳极紫外辐射是电离层产生的主要原因，太阳活动的变化对于电离层的变化有关直接的影响，2011年开始急剧增强的太阳黑子数势必会对威德尔海异常的电离层研究产生重要影响.
 | 图 2 2009-2011年太阳黑子数 Fig. 2 Sunspots in 2009-2011 |
利用GPS双频观测值作差分即可求得TEC值.采用伪距观测值可以得到绝对TEC，但是由于伪距较大的观测噪声，所以模型反演得到的TEC精度不高.相位观测值有较高的观测精度，但由于整周模糊度，得到的是相对TEC.所以，利用载波相位平滑伪距，提高STEC精度.考虑到极区电离层变化迅速，需要对GPS数据进行预处理，包括剔除伪距值的粗差和相位值的周跳.对连续的伪距之差进行多项式拟合，偏差超过1米，则将该观测值视为粗差.与伪距相关的周跳探测方式都不能很好的探测处周跳，在实际处理时，单纯地采用连续两个历元间的相位之差大于0.1作为周跳的判断条件.获得了每条视线上的STEC(Slant TEC)后，利用SLM(Single Layer Mapping)投影函数将其转化到指定高度单层模型上穿刺点(Ionospheric Pierce Point，IPP)处的VTEC(Vertical TEC).单层高度设为350公里.卫星位置采用IGS公布的精密星历.GRW1测站数据采样间隔为15秒，其余测站的采样间隔为30秒，截止高度角为10度.硬件延迟作为求解TEC中的最大误差源，通过和模型参数同时求解来剔除，采用2小时的多项式模型和全天固定值的接收机硬件延迟和卫星硬件延迟，共同建立法方程，再用最小二乘求解.去除了硬件延迟之后，进行二次估计，采用10分钟的多项式模型.针对VTEC分段不连续的问题，采用滑动平均法拟合，通过局部近似来完成全局近似.
2 结果和分析
利用自编程序分别处理各GPS测站长时间尺度的数据，数据时间为如表 1所示，数据处理完成后，可以得到各GPS测站TEC结果的时间序列，为了将大量的结果进行有效地分析，本文将结果整理为两部分，一是各测站在不同年积日、不同小时内的TEC变化图，二是GRW1站在不同季节的TEC变化曲线，这里要注意的是，南半球的夏季对应着北半球的冬季.
在图 3中，各子图均包含3种信息，不同UT(Universal Time)时和不同年积日对应的TEC等值线图、LT(Local Time)时正午和子夜对应的UT时、不同年积日对应的TEC峰值时刻.横坐标对应的是年积日，纵坐标对应的是每天的UT时，不同颜色对应不同的TEC值，图例中的TEC数值单位为TECu(1TECu=1016个电子/m2).图中红色实线为LT时12时对应的UT时间，黑色虚线为LT时0时对应的UT时间.图中白色三角形为各年积日对应的TEC峰值时刻.
 | 图 3 各测站2009-2011年TEC变化 Fig. 3 TEC variations of several stations in 2009-2011 |
从TEC的整体变化来看，除了GRW1、OHI2、RIO2、VESL这4个站在夏季期间的每日峰值时刻集中在LT时12 h，其余测站和时刻的极区电离层的每日峰值时刻并不像中低纬那样集中在LT时12~14 h，说明极区电离层除了太阳，受到其他因素的影响很大，包括粒子沉降、对流运动等.结合图 2，从2009-2011年的TEC变化趋势来看，2009和2010这2年的TEC数值相对较低，随着太阳黑子数在2011年的急剧攀升，TEC的变化也明显更加剧烈，与2009和2010年相比，TEC数值达到2倍以上.南极地区基本遵循TEC夏季高冬季低的特征，不存在北半球的冬季异常现象.当然，这并不表示不存在其他异常现象，比如本文研究的威德尔海异常，亦称MSNA，其在南半球表现明显，但在北半球就很弱(Lin，2009; Ren，2012).
从单个测站的威德尔海异常来看，无论是在变化时间还是变化幅度上，GRW1和OHI2的变化基本一致，这一方面说明2个测站相距很近、空间相关，另一方面说明本文的解算方法正确有效.从2个站的TEC变化可以看出，威德尔海异常非常明显，从春夏交替开始，每日TEC峰值迅速离开LT时正午，向子夜方向偏移，在盛夏期间，每日TEC峰值集中在LT时子夜以后，为0~4 h，随后在夏秋交替时，每日TEC峰值重新向正午方向回移，到了秋季期间，每日TEC峰值已完全出现在LT时正午.RIO2也存在威德尔海异常，虽然相对较弱，但变化更加复杂，从2009年和2010年来看，在夏季，每日TEC极值时刻有时出现在LT午时，有时出现在LT子夜之前，这说明，子夜的TEC增幅不足，正午的TEC下降亦不足，也就是说，每日的TEC出现两个峰值，其极值既可能在午时也可能在子夜.但是在2011年，由于太阳活动非常剧烈，其每日TEC峰值时刻与GRW1和OHI2的变化几乎一致.VESL在2010年和2011年的变化特点基本一致，确实存在威德尔海异常，但相对更弱.尤其要注意的有两点，一是在春夏交替和夏秋交替时刻，每日TEC峰值时刻是逐渐向LT正午前变化，没有出现GRW1和OHI2那样的跳变，其变化特点同2011年下半年的GRW1、OHI2、RIO2站都是一致的；二是在夏季，VESL的LT与GRW1、OHI2的LT相比差了4个小时，但每日TEC峰值时刻却基本同时，说明威德尔海异常可能是同时出现在广大区域内.HOWN和MCAR的变化与其他测站差别较大，相对来说一年四季中TEC峰值一直是零散的分布在LT正午到子夜的时段内.这是因为HOWN和MCAR有着较高的地理纬度和地磁纬度，较高的地理纬度决定了其受太阳直射的影响更小，较高的地磁纬度决定了其受粒子沉降等极区现象的影响更大，所以，在HOWN和MCAR测站，除了威德尔海异常，更多表现出极区电离层的复杂变化.
从整个区域的威德尔海异常来看，在威德尔海异常的分布范围上，与之前的观测相一致，威德尔海异常并不局限在威德尔海区域，而是在威德尔海和别林斯高晋海区域普遍存在，甚至包括南美南端地区，这与(Horvath，2003; He，2009)用TOPEX和COSMIC数据得出的结论一致.从威德尔海异常的传播方式来看，这6个GPS站无论冬季时当日的峰值在何时，到了夏天，其峰值时刻的变化非常有规律，集中在UT时4~8时，其先后顺序为MCAR，HOWN，GRW1，OHI2，VESL，RIO2，也就是说，虽然这些测站的LT时相差可达9个小时，但威德尔海异常期间的TEC峰值时刻相差不过4个小时，说明威德尔海异常的出现是集中在一段时间内.从威德尔海异常在全年的发生时间来看，各GPS站都表现出其时间段主要集中在11月、12月、1月这3个月，这也正是南半球的夏季期间.
为了进一步研究威德尔海异常的变化特征，图 4为GRW1站的TEC周日变化曲线，分为春季、夏季、秋季、冬季、春夏交替5个时段，每个时段选取5天.各子图均包含2种信息，不同年积日对应的TEC变化曲线图、LT时正午和子夜对应的UT时刻.图中红色实线为地方时12时对应的UT时间，黑色虚线为LT时0时对应的UT时间.图例给出了各时段的年积日具体时间，绿色为秋季，紫色为冬季，橘色为春季，蓝色为春夏交替，黑色为夏季.
 | 图 4 GRW1站的各季节TEC变化 Fig. 4 TEC variations of GRW1 station in different seasons |
从图 4中，我们可以看出，2011年太阳活动迅速增强的情况下，GRW1站的TEC值大幅增长，除了冬季的TEC值仍与2009年和2010年比较接近，其余季节的TEC值都达到往年相应时刻的2倍以上.当然，周日变化、季节变化等变化趋势还是正常的.这与本文之前的结论一致.在春季、秋季、冬季，TEC以LT时正午为最大时刻的周日变化与中低纬一致，但在夏季，TEC峰值时刻往往在子夜或之后，这与本文之前的结论一致.2009年和2010年的夏季期间，TEC的峰值在子夜前后持续一段时间，但2011年夏季的TEC峰值出现在子夜后4h，结合图 2可以说明，太阳活动的增强使得威德尔海异常的变化加剧.一个有趣的现象是，在春夏交替的时刻，一天之内的TEC值会表现出双峰现象，就是在LT时正午和子夜前后，都会出现TEC极值.这是由于威德尔海异常正在发展之中，子夜时的TEC增加幅度还不强烈，正午时的TEC下降程度也不明显，使得一天之内出现两个峰值.还有一个有趣的现象，比较春夏交替时刻的TEC值和夏季的TEC值，可以发现，夏季时LT时正午的TEC值不仅没有增加，反而比春夏交替时更低，说明正午时刻存在显著的减小电离程度的因素，这进一步说明了，威德尔海异常不仅表现为子夜时TEC值的增强，也表现为正午时TEC值的下降.在2011年的GRW1的TEC变中，在年积日269日，也就是9月26日，出现了TEC值的激增，根据东京地磁台(World Data Center for Geomagnetism，Kyoto)发布的地磁 指数，当天的Dst指数达到了-100 nT，Kp指数达到了6+，所以此次TEC异常主要是由磁暴引起，与威德尔海异常无关.
威德海异常的成因非常复杂.从地理位置来看，威德尔海区域有着较高的地理纬度，却较低的地磁纬度，如表 1所示，地理纬度和地磁纬度的偏离很大，而且，磁力线在这里相当的开阔.夏季时，由于高纬地区日照时间长，使得光致电离作用也更突出，夜晚期间，朝向赤道的中性风驱动电子沿磁力线向上运动，与缺乏中性风缺乏的区域相比，电子存在的时间更长.等离子体的飘移与磁倾角I相关，与sin(2I)成正比，那么，当I=45°时，中性风驱动等离子体漂移的作用最为强烈.在南极半岛附近的威德尔海和别林斯高晋海，磁倾角在威德尔海的磁倾角在50°~60°S，中性风的作用很强.所以，朝向赤道的中性风在夜晚期间仍然使等离子体向高处抬升，在持续的电子生成作用下，F层的高度不断增加.相反，在白天，朝向极区的中性风驱动电子沿着磁力线向低处运动，与缺乏中性风的区域相比，电子消失的更快.换句话说，白天电子数据的减少，是由于从赤道朝向极区的中性风的作用，使得F层的电子沿着磁力线向低处运动，加快了电子和离子的复合.其他的解释还有，该地区磁场较弱，[O]/[N2]的比率的变化，与高纬对流相关的背向太阳的风的作用，等离子体向下的扩散等.
从以上分析可以看出，与COSMIC和TOPEX等的结果相比，地基GPS最大的优点是提供连续时间尺度的观测结果，所以可以发现一些有趣的现象，比如双峰现象和正午电离减弱现象.另外，虽然(Horvath，2003)将该异常称为别林斯高晋海异常，但该异常同样出现在威德尔海区域，而威德尔海异常作为一个历史名称，应该被保留.又有一些学者(Lin，2010; Thampi，2011; Ren，2012)将该异常称为中纬夏季夜晚异常(MSNA)，但必须要强调的是，威德尔海异常包括两部分，夜晚电子密度的升高和白天电子密度的降低，所以，这一异常表现为全天的电子密度异常，并不仅是夜晚.(Horvath，2006; Burns，2008)发现威德尔异常与发源于印度尼西来地区的赤道异常有相关性，但是，这不足以解释威德尔海异常表现出的白天电子密度的降低.所以，这些可能的机制及其相关性，都需要进一步的研究.
3 结 论
本文用广泛分布的地基GPS-TEC数据提取了威德尔海异常，并进行了详细的分析，主要工作总结如下.用地基GPS数据提取了较大范围内的TEC变化，覆盖了别林斯高晋海到威德尔海的大部分陆地区域，地方时相差到9个小时的空间尺度.分析了不同太阳活动下的威德尔海异常特征，相对于太阳活动平静期，威德尔海异常在太阳活动活跃期表现出了更为明显的异常特征.分析了威德尔海异常的覆盖范围，这一异常特征包括了威德尔海、别林斯高晋海和南美南端的广大区域，且出现的时刻比较一致，说明这一异常特征是在短时间内大范围出现的.分析了不同季节威德尔海的表现特征，比较有趣的现象是，在春夏交替的时刻，会出现双峰现象，这是由于威德尔海异常还在萌芽阶段，而在夏季时，地方时正午的TEC值反而会比春夏交替时的TEC值更低，这说明威德尔海异常在正午时表现出明显的TEC值下降作用.本文期望所做工作有助于深入分析威尔德海异常的变化规律，有助于尽快的对威德尔异常提出合理详尽的解释. 致 谢 感谢IGS和POLENET提供的GPS观测数据.
| [1] | Bellchambers W H, Piggott W R. 1958. Ionospheric measurements made at Halley Bay [J]. Nature, 188, 1596-1597. |
| [2] | Burns A G, Zeng Z, Wang W, et al. 2008. Behavior of the F2 peak ionosphere over the South Pacific at dusk during quiet summer condition from COSMIC data [J]. J Geophys Res, 113, A12305, doi: 10.1029/2008JA013308. |
| [3] | Cao C. 1993. A comparison of ionospheric characteristic at two station with similar geomagnetic latitudes [J]. Chinese Journal of Radio Science, 8(2): 84-91. |
| [4] | Cao C, Wang S L, Xi D L. 1992. Analysis of the ionospheric data from 1986 to 1988 obtained at the Great Wall Station of China, Antarctic [J]. Chinese Journal of Radio Science, 7(2): 39-46. |
| [5] | Chen C H, Huba J D, Saito A, et al. 2011. Theoretical study of the ionospheric Weddell Sea Anomaly using SAMI2 [J]. J Geophys Res, 116, A04305, doi: 10.1029/2010JA015573. |
| [6] | Clilverd M A, Smith A J, Thomson N R. 1991. The annual variation in quiet time plasmaspheric electron density, determined from whistler mode group delays [J]. Planetary Space Science, 39, 1059-1067. |
| [7] | Dudeney J R, Piggott W R. 1978. Antarctic ionospheric research. In: Lanzerotti, L.J., Park, C.G. (Eds.), Upper Atmospheric Research in Antarctica. Antarctic Research Series [M], 29, 200-235. |
| [8] | He M, Liu L, Wan W, et al. 2009. A study of the Weddell Sea Anomaly observed by FORMOSAT-3/COSMIC [J]. J Geophys Res, 114, A12309, doi: 10. 1029/2009JA014175. |
| [9] | Heaton J A T, Jones G O L, Kersley L. 1996. Toward ionospheric tomography in Antarctica: First steps and comparison with dynasonde observations [J]. Antarctic Science, 8 (3), 297-302. |
| [10] | Horvath I, Essex E A. 2003. The Weddell Sea anomaly observed with the Topex satellite data [J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 65, 693-706. |
| [11] | Horvath I. 2006 A total electron content space weather study of the nighttime Weddell Sea Anomaly of 1996/1997 southern summer with TOPEX/Poseidon radar altimetry [J]. J Geophys Res, 111, A12317, doi:10.1029/2006JA011679. |
| [12] | Jarvis M J, Jenkins B, Rogers G A. 1998. Southern hemisphere observations of a long-term decrease in F region altitude and thermospheric wind providing possible evidence for global thermospheric cooling [J]. J Geophys Res, 103 (A9), 20774-20787. |
| [13] | Jee G, Burns A G, Kim Y H, et al. 2009. Seasonal and solar activity variations of the Weddell Sea Anomaly observed in the TOPEX total electron content measurements [J]. J Geophys Res, 114, A04307, doi: 10.1029/2008JA013801. |
| [14] | Lin C H, Liu C H, Liu J Y, et al. 2010. Midlatitude summer nighttime anomaly of the ionospheric electron density observed by FORMOSAT-3/COSMIC [J]. J Geophys Res, 115, A03308, doi: 10.1029/2009JA014084. |
| [15] | Lin C H, Liu J Y, Cheng C Z, et al. 2009. Three-dimensional ionospheric electron density structure of the Weddell Sea Anomaly [J]. J Geophys Res, 114, A02312, doi: 10.1029/2008JA013455. |
| [16] | Penndorf R. 1965. The average ionospheric conditions over the Antarctic, in Geomagnetism and Aeronomy: Studies in the Ionosphere, Geomagnetism and Atmospheric Radio Noise, Antarct. Res. Ser. [M], vol. 4, edited by A. H. Waynick, pp. 1-45, AGU, Washington, D. C., doi:10.1029/AR004p0001. |
| [17] | Ren Z, Wan W, Liu L, et al. 2012. Simulated midlatitude summer nighttime anomaly in realistic geomagnetic fields [J]. J Geophys Res, 117, A03323, doi: 10. 1029/2011JA017010. |
| [18] | Thampi S V, Balan N, Lin C, et al. 2011. Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly (MSNA)-observations and model simulations [J]. Ann Geophys, 29, 157-165. |
| [19] | Zhen W M, Cao C, Wu J, et al. 1995. Investigations on Relationship between ionospheric disturbance and neutral winds during geomagnetic storms at the Great Wall Station, Antarctic [J]. Chinese Journal of Radio Science, 10(3): 76-79. |
| [20] | Zhen W M, Cao C, Wu J. 1994. Analysis of the ionospheric anomaly over Great Wall Station, Antarctica [J]. Antarctic Research, 6(3): 33-37. |
| [21] | 曹冲, 王胜利, 奚迪龙. 1992. 中国南极长城站1986——1988年电离层资料分析及其结果[J]. 电波科学学报, 7(2): 39-46. |
| [22] | 曹冲. 1993. 两个磁纬度相近的站的电离层特征比较[J]. 电波科学学报, 8(2): 84-91. |
| [23] | 甄卫民, 曹冲, 吴健. 1994. 南极长城站电离层异常的模拟计算和分析[J]. 南极研究, 6(3): 33-37. |
| [24] | 甄卫民, 曹冲, 吴健,等. 1995. 磁暴期间长城站电离层扰动及中性风分析[J]. 电波科学学报, 10(3): 76-79. |