磁偏角和热层风对中纬电离层TEC经度分布的影响

徐继生，李雪璟，刘裔文，敬 敏

武汉大学电子信息学院，武汉 430072

1 引 言

总电子含量（简称TEC）作为表征电离层特性的重要参量之一，是引起GNSS信号传播附加时延的主要原因．在电离层中，等离子体与热层中性大气强烈耦合，TEC的时空变化能有效地反映电离层等离子体与热层中性大气的耦合过程，在电离层热层耦合研究中起重要的作用．TEC存在各种不同时间尺度和空间尺度的变化，既有规则的变化，也存在异常的变化．时间变化既含有长时间尺度的变化，如日变化、季节变化、半年变化、年变化和逐年变化，也含有短时间尺度的随机变化，如行进式电离层扰动和TEC暴时扰动等［1－4］；空间变化同时含有中小尺度变化、大尺度变化和全球尺度的变化，如等离子体泡、电离赤道异常、固定地方时的纬圈4波结构、威德尔海异常等［5－8］．全球定位系统（GPS）卫星发射升空，为全球电离层TEC监测提供了一种新的有效的技术手段．GPS发射双频信标，频率分别为1575．42MHz和1227．60 MHz．测量GPS双频信标的群时延、载波相位，可以得到沿卫星到接收机路径的TEC．已有许多研究组利用GPS信标接收技术和各种TEC估算方法来监测局域和全球范围的电离层TEC 分布及其变化．

最近，基于北美地基GPS 接收机观测台网数据，张顺荣等［9］以2005年9月为例，比较分析了北美大陆东西海岸中纬电离层TEC 的差异．结果表明，在特定的年份和季节，北美大陆东西海岸中纬电离层TEC存在显著的差异；这种经度差异显示出明显的日变化，晚间美国东岸的TEC 比西岸高，早上的情况则相反．基于磨石山非相干散射雷达电子密度测量长期测量数据的研究［10］也支持文献［9］的发现．文献［9］把北美大陆东西海岸TEC 的这种差异归因于磁偏角和热层纬向风的共同作用．倘若这种差异确实由磁偏角和热层风两者的经度变化所引起，则不仅在北美大陆东西部，在其他具有类似条件的地区，中纬电离层TEC也应该存在这种效应．

本文利用2001年至2010年GPS 地面台网的TEC测量数据，在文献［9］研究的基础上，进一步分析了磁偏角为零的经度线两侧中纬电离层TEC 的差异及其随地方时、季节和太阳活动水平的变化特征．结果表明，在2001 年至2010 年的几乎所有季节，在磁偏角为零的经度的东西两侧，北美、南美和大洋洲中纬电离层TEC都存在规则性的差异；中纬电离层TEC的这种经度差异显著地依赖地方时，对季节和太阳活动水平也有不同程度的依赖．地磁场影响下电离层等离子体与热层中性大气的动力学耦合分析表明，磁偏角和热层风两者的经度变化是引起这种中纬电离层TEC经度变化的重要原因．

2 热层风引起的电离层抬升对TEC的影响

电离层和热层处于几乎相同的空间区域，电离层等离子体和热层中性大气之间存在强烈的动力学耦合．通过碰撞相互作用，热层环流能够引起电离层F层抬升或下降，进而影响电离层等离子体的分布并改变电离层TEC 的大小［11－12］．在F 层高度，电离层等离子体和热层中性大气的动力学耦合在很大程度上受地磁场的控制［13］．

在地理坐标系（x，y，z）中，令x指向东，y指向北，z垂直指向上．热层风在水平面内吹，风速矢量U ＝（u，v，0），u是热层风的纬圈分量，向东为正，v是热层风的子午分量，向北为正．地磁场单位矢量，＾b＝（cosIsinD，cosIcosD，－sinI），式中I表示磁倾角，向下为正，D是磁偏角，偏东为正．

稳定状态，在磁场和热层风场的共同作用下，从运动方程出发，可以得到电子和离子的漂移速度为［14］

式中Ve和Vi分别为电子和离子的漂移速度矢量，ke是电子回旋频率与电子－中性粒子的碰撞频率之比，ki是离子回旋频率与离子－中性粒子的碰撞频率之比．

在较高的F层，比如200km 高度以上，一般满足，ke≫ki≫1［13－14］，这样近似可以得到

本文主要关心等离子体在在垂直方向的运动，由（2）式可以得到

为简化分析，先仅考虑纬圈风和磁偏角的作用，这样，垂直方向上等离子体运动速度为

式（4）表明，在磁赤道以北，I＞0，sin2I＞0，等离子体漂移运动向上还是向下决定于乘积usinD的符号，usinD＜0，漂移向上，usinD＞0，漂移向下．在磁赤道以南，I＜0，sin2I＜0；若usinD＞0，漂移向上，usinD＜0，漂移向下．由于纬圈风的大小和方向都随地方时变化，而磁偏角基本不随时间变化，在同一地点，乘积usinD的符号随时间的变化取决于纬圈风的方向随地方时的变化．另一方面，在磁偏角为零的经度的东西两侧，磁偏角符号相反，而纬圈风的方向基本不变，因此，在同一地方时，磁偏角为零的经度的东西两侧，乘积usinD的符号相反．其结果，在同一半球的中纬度地区，磁偏角为零的经度的东西两侧，整体上电离层F 层是抬升还是下降，将同时依赖纬圈风和磁偏角两者的方向随时间和空间的变化，如表1所示．表中磁偏角取正号表示偏东，取负号表示偏西；纬圈风取正号表示风向东吹，取负号表示风向西吹；垂直漂移取正号表示向上漂移，取负号表示向下漂移．

表1 纬圈风和磁偏角方向对垂直漂移方向的影响Table 1 Effects of the direction of zonal wind and declination on the direction of vertical drifts

在电离层中，随高度降低，复合率呈指数上升，电子－离子对复合消失得更快［13］．向下的等离子体垂直漂移会使等离子体到达复合率更大的高度，消失得更快而使电子密度变小，TEC 也随之变小；反之，向上的等离子体垂直漂移速度会使TEC 变大．对相同半球的中纬电离层，磁偏角为零的经度的东西两侧，磁偏角符号相反，由纬圈风引起的等离子体垂直漂移速度具有相反的方向，经过一定的时间积累，使Vz为正的区域TEC 增加，Vz为负的区域TEC减少，从而导致中纬电离层TEC经度差异．

为了解释北美东西海岸TEC 的差异，文献［9］考虑了纬圈风和磁偏角的影响．实际上，如式（3）所示，子午风对电离层F 层等离子体垂直漂移也有贡献．由于因子cosD始终为正，在同一半球，离子漂移运动向上还是向下主要取决于子午风随地方时的变化．一般情况下，子午风与纬圈风随地方时变化存在相位差，离子漂移运动向上还是向下由式（3）右边括号内两项之和决定．因此，与仅考虑纬圈风相比，综合考虑包含纬圈风和子午风的热层风更合适．

下面将针对北美、南美和大洋洲等三个不同经纬度区域磁偏角为零的经度东西两侧，考察中纬电离层TEC的差异及其随地方时变化的特征，并分析引起这种差异及其随地方时变化的原因．

3 数据分析及其结果

3．1 数据来源和区域选择

本文分析了北美、南美和大洋洲三个地区磁偏角为零的经度两侧中纬电离层TEC的差异，所用的数据由Haystack观测站的Madrigal数据库下载得到．Madrigal数据库的TEC 数据通过遍布全球的GPS接收台网观测数据和软件MAPGPS 计算得到［15－16］．原始TEC 数据的时间分辨率是5 min，空间分辨率分别为经纬度1°．在给定的区域内，首先按相同时刻进行空间平均，得到每个区域中心点TEC随时间的变化．然后通过小波去噪，消除数据的快速起伏．最后，计算月平均的TEC 日变化及TEC逐日变化相对于月平均TEC日变化的标准差．

本文分别选择位于南北半球的三个区域磁偏角为零的经度的东西部作为比较分析的区域，考察中纬度电离层TEC分布的经度差异．表2列出这些区域中心点的地理经、纬度和磁偏角，表中磁偏角是用IGRF模型［17］在350km 高度上计算得到．区域东西部中心点的TEC 是纬度方向和经度方向各±7°的所有TEC的算术平均．由表2可以看出，所选择的三个区域都跨越磁偏角为零的经度，其东西两侧的磁偏角符号相反．

表2 所选区域的地理经纬度以及磁偏角Table 2 Geographical longitudes，latitudes and declinations for selected regions

3．2 北美、南美和大洋洲东西部TEC 随地方时的变化

图1给出2003年春季一天北美、南美和大洋洲东西部中纬电离层TEC随地方时的变化．图中红线代表东部，蓝线代表西部，竖虚线标示东西部TEC值相等出现所在的地方时．

如图1所示，在北美、南美和大洋洲这三个地区磁偏角为零的经度的东西两侧，TEC 日变化都表现出明显的差异，但不同地区TEC差异随地方时的变化特征有所不同．在北美，下午和整个夜间，东部TEC值都比西部高，其余时段，东部TEC值低于西部，这个结果与文献［9］给出的结果一致．在南美，从早晨到黄昏前，东部TEC值高于西部的，其余时段，东部TEC值低于西部的．在大洋洲，从日出前至黄昏前，东部TEC 值低于西部的，其余时段，东部TEC值高于西部的．

图1 2003年春季北美（3月11日）、南美（9月11日）和大洋洲（9月11日）东西部的TEC随地方时的变化．图中实线代表东部，虚线代表西部Fig．1 TEC variations with local time at the east and west sides of North America（March 11），South America（September 11），and Oceania（September 11）in spring，2003．The solid lines and dash lines represent the east and the west side，respectively

我们将结合月平均TEC 日变化和磁场影响下热层风引起的电离层F 层垂直漂移，进一步分析和解释磁偏角为零的经度东西两侧TEC差异及其日变化的特征．水平风场由热层水平风模型HWM07［18］计算得到，热层风产生的电离层F 层垂直漂移速度由式（3）计算得到，Ap指数等所需参数按照HWM07要求的方式输入．基于电离层F层垂直漂移速度，定义3小时累积的东西部电离层抬升高度差Δhe/w，它先由式（3）在3小时间隔内对时间积分得到，然后东西部相减，得到东西部电离层抬升高度差．

图2给出2006年3月北美东西部月平均TEC（图2a）、月平均垂直漂移速度（图2b）和东西部电离层抬升高度差（图2c）随地方时的变化．漂移速度向上为正．2006年3月没有磁暴活动，整个月，Dst指数最小为－43，Ap指数最大为94（3月19日）．

由图2a 可以看到，在北美，实测的月平均TEC，在午夜至04LT 前后以及15LT 至午夜，东部TEC高于西部，最大差值约3TECU（1TECU＝1016el．/m2），相当于西部TEC日变幅的30%左右，显著超出逐日变化的标准差范围；而约04LT 至15LT，西部TEC 高于东部的，最大差值相当于东部TEC日变幅的40%左右．由图2b可以看到，在子午风和纬圈风的共同作用下，等离子体垂直漂移速度在北美东部和西部日变化特征差别很大，北美西部整天等离子体垂直漂移均向上，而东部漂移方向 在 约07LT 和16LT 翻 转，07LT 和16LT 之 间漂移向下．午夜至03LT 前后以及16LT 至午夜时段，东部等离子体垂直漂移速度大于西部；在03LT至16LT 时段，东部的垂直漂移速度小于西部．由图2c可以看到，东西部3小时积分电离层抬升高度差，在午夜至03LT以及15LT至午夜，东部电离层抬升到更高的高度，而在其余时段，西部电离层抬升到更高的高度．如前所述，向下的等离子体垂直漂移会使等离子体到达复合率更大的高度，消失得更快而使TEC 变小．由图2b和2c可以预期，在午夜至03LT 和15LT 至午夜，东部TEC将高于西部；而其余时段，东部TEC将低于西部．可见，北美东西部实测的月平均TEC 差异的日变化趋势与预期的情况完全相符．高度．由图2b 和2c可以推断，从较早的黎明至黄昏，东部TEC将高于西部；而其余时段，东部TEC将低于西部．这与图3a所示实测的东西部月平均TEC差异的日变化形态基本一致．电离层动力学耦合相互作用．

图2 2006年3月北美东西部月平均TEC（a）、月平均垂直漂移速度（b）和东西部3小时积分电离层抬升高度差（c）随地方时的变化．实线代表东部，虚线代表西部，竖直短实线表示逐日变化的标准差范围Fig．2 Monthly averaged TEC（a），monthly averaged vertical drift velocity（b），and 3－hour integrated ionosphere lift height differences with local time（c）for the east and west sides of North America in March，2006．The solid lines and dash lines represent the east and the west side，respectively，and the upright dashed lines refer to the ranges of standard deviation for the day－to－day variation of TEC

图3 2006年9月南美东西部月平均TEC（a）、月平均由热层风产生的垂直漂移速度（b）和东西部3小时积分电离层抬升高度差（c）随地方时的变化．实线代表东部，虚线代表西部，竖直短实线表示逐日变化的标准差范围Fig．3 Monthly averaged TEC（a），monthly averaged vertical drift velocity caused by thermospheric wind（b），and the variation of 3－hour integrated ionosphere lift differences with local time（c）for the east and west sides of South America in September，2006．The solid lines and dash lines represent the east and the west side，respectively，and the upright dashed lines refer to the ranges of standard deviation for the day－to－day variation

图4 2006年9月大洋洲东西部月平均TEC（a）、月平均垂直漂移速度（b）和东西部3小时积分电离层抬升高度差（c）随地方时的变化．实线代表东部，虚线代表西部，竖直短实线表示逐日变化的标准差范围Fig．4 Monthly averaged TEC（a），monthly averaged vertical drift velocity（b），and the variation of 3－hour integrated ionosphere lift differences with local time（c）for the east and west sides of Oceania in September，2006．The solid lines and dash lines represent the east and the west side，respectively，and the upright dashed lines refer to the ranges of standard deviation for the day－to－day variation

3．3 太阳活动水平和季节的影响

图5a至c分别给出2001年至2010年3、6、9和12四个月份北美、南美和大洋洲东西部电离层月平均TEC日变化的比较．图中黑线代表东部，灰线代表西部，竖直短实线表示逐日变化的标准差范围．

如图5所示，从2001年至2010年的10年中，几乎所有季节，在磁偏角为零的经度的东西两侧，北美、南美和大洋洲月平均TEC 都存在规则性的差异．除少数月份外，差异的特征都与2006年春季类似，对季节和太阳活动水平有不同程度的依赖．从2001年至2010年接近一个太阳活动周，太阳活动水平变化的影响主要表现在，从太阳活动高年到低年TEC日变化幅度逐渐变小，但对磁偏角为零的经度东西两侧月平均TEC 的差异特征没有显著的影响．在北美、南美和大洋洲，磁偏角为零的经度东西两侧，电离层TEC的差异在不同季节略有不同．在两至月份，有些年份出现磁偏角为零的经度的一侧TEC全天都高于另一侧的情况，比如北美洲和大洋洲的12月．图5说明，在磁偏角为零的经度的东西两侧，中纬电离层TEC规则性的差异是一种普遍存在的现象．

对北美、南美和大洋洲这三个经纬度不同的区域，为便于统一表述磁偏角为零的经度的两侧TEC差异的特征，借鉴文献［13］的方法，定义同一地方时磁偏角为零的经度东西两侧的TEC相对差值为

式中TEC＋和TEC－分别对应式（4）中纬圈风的系数－sin2IsinD为正和为负的区域TEC的值，这样，对北美和大洋洲，TEC＋表示磁偏角为零的经度的东部，对南美，TEC＋表示磁偏角为零的经度的西部，而TEC－所代表的区域正好相反．

图6给出南北美洲和大洋洲东西部10年平均的R＋/－随地方时的变化，图中竖直短实线表示逐年变化的标准差范围．

图6表明，对于北美洲，南美洲和大洋洲，黄昏至午夜后，R＋/－全部大于零且其值较高，表明系数－sin2IsinD为正的区域TEC值高于系数－sin2IsinD为负的区域；白天包括较早的黎明，R＋/－值较低，小于或接近于零，意味着系数－sin2IsinD为正的区域TEC值低于系数－sin2IsinD为负的区域，或差别不大．图6显示的四个季节10年平均的R＋/－的日变化趋势与用HWM07计算的热层纬圈和子午风综合作用的日变化趋势基本一致，不过，无论磁偏角正负，在相同的地方时，子午风的贡献不变，因此，对磁偏角为零的经度的东西两侧TEC的差异，纬圈风的贡献更大．图6说明对固定的地方时，磁偏角为零的经度两侧，中纬电离层TEC的差异主要是磁偏角符号改变引起的，而它随地方时的变化主要与热层风的日变化有关，对季节变化也有一定程度的依赖．

图7给出南美、北美及大洋洲2001 年至2010年两分月份和两至月份月平均的中纬电离层TEC相对差值R＋/－的极值与东西部等离子体垂直漂移速度差的极值及其发生的地方时的分布．图中，对于北美和大洋洲，δVz用东部垂直漂移速度减去西部垂直漂移速度得到，对于南美，δVz用西部垂直漂移速度减去东部垂直漂移速度得到．

如图7所示，在北美，TEC 相对差值R＋/－的极小值主要发生在较早的黎明至中午前后，而其极大值主要分布在黄昏至午夜后；热层风产生的东西部等离子体垂直漂移速度差的极小值主要分布在黎明至中午之间，而极大值基本都在黄昏至午夜之间．在南美，R＋/－的极小值主要分布在中午前后，而极大值主要分布在黄昏至午夜后；垂直漂移速度差的极小值主要分布在黎明至中午，极大值主要分布在黄昏至午夜．在大洋洲，R＋/－的极小值基本集中地分布在中午前后，而极大值也较为集中地分布在黄昏至午夜前后；垂直漂移速度差的极小值也主要出现在中午前后，极大值主要在黄昏至午夜前后．在所有三个区域，R＋/－和δVz两者的地方时分布基本一致，暗示地磁场影响下热层风产生的东西部等离子体垂直漂移速度差是引起相对差值R＋/－日变化的关键原因．

4 结论和讨论

本文利用北美、南美和大洋洲三个地区的电离层TEC数据，分析了磁偏角为零的经度两侧中纬电离层TEC的差异及其日变化特征以及电离层热层动力学耦合在引起这种经度差异中的作用．研究结果表明，在2001年至2010年近1个太阳活动周的几乎所有季节，在磁偏角为零的经度的东西两侧，北美、南美和大洋洲中纬电离层TEC都存在系统的差异；TEC的这种经度差异显著地依赖地方时，对季节和太阳活动水平也有不同程度的依赖．磁场影响下电离层等离子体与热层中性大气的动力学耦合分析表明，磁偏角的经度变化及热层风随地方时变化两者的共同作用，导致磁偏角为零的经度的东西两侧等离子体垂直漂移速度差，是引起这种中纬电离层TEC经度差异及其随地方时变化的重要原因之一．

本文从电离层－热层动力学耦合的角度，利用实测TEC数据，研究了磁偏角为零的经度的东西两侧中纬电离层TEC的差异．实际上，电离层TEC的经度变化受多种因素控制．中低层大气与电离层的动力学耦合以及磁层与电离层的电动力学耦合对TEC的经度变化也有重要的影响．初步分析表明，强磁暴期间，当磁层与电离层的电动力学耦合影响更强烈时，磁偏角为零的经度的东西两侧中纬电离层TEC的经度差异及其日变化特征，与本文给出的分析结果有很大的差别．有关磁层－电离层电动力学耦合对中纬度电离层TEC经度变化的影响，值得进一步的研究．

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