IMF Bz周期震荡期间日间热层扰动风的经度差异分析

张科灯，王慧*，王文斌，刘晶，高洁

1 武汉大学电子信息学院空间物理系，武汉 430072 2 美国大气研究中心高山天文台，博尔德 80307 3 山东大学空间科学与物理学院，山东威海 264209

0 引言

太阳风携带的能量和动量可以沉降到高纬地区的高热层，驱动热层-电离层耦合系统中的波动现象(Bruinsma and Forbes,2007,2009;Liu et al.,2018b).当该波动现象由源区向其他区域传播时，形成众所周知的行进式大气扰动TADs.由于TADs是人们理解热层-电离层耦合系统时空变化的重要物理现象，其物理机制的研究是近地空间天气的模拟与预测的重要课题.

近几十年来，前人针对TADs物理现象展开了一系列研究(譬如Thome,1964;Shiokawa et al.,2003;Otsuka et al.,2004;Liu and Lühr,2005;Bruinsma and Forbes,2007;Sutton et al.,2009;Liu et al.,2010,2014,2018b;Oliveira et al.,2017;Lu et al.,2019；Zhang et al.,2019；Dang et al.,2020；Abadi et al.,2021；Liu et al.,2021；Zhang et al.,2021)，前人发现TADs的形成与暴时粒子沉降、焦耳加热、重力波、太阳明暗分界线等物理因素密切相关(Liu et al.,2014;Rodríguez-Zuluaga et al.,2016).暴时能量注入能增强高纬热层的大气温度，改变全球环流并通过压力梯度力驱动TADs.重力波在中间层和低热层普遍存在，它可以通过向上传播的方式输运能量与动量到更高的高度，从而产生TADs.Dungey(1961)首次指出行星际磁场南向分量与地磁场之间的相互作用可以产生地磁暴.太阳风携带的大量能量与动量可以沿着开放磁力线沉降到地球高热层，从而改变全球环流状态并促进TADs产生.基于经向风、热层温度、热层氧氮比O/N2、热层大气质量密度等参量，科学家们研究了TADs的相速度、周期、波长等特征.典型的大尺度TADs的相速度为400～1000 m·s-1，周期为0.5～3 h，波长为数千公里；中尺度TADs的相速度为100～300 m·s-1，周期为0.25～1 h，波长为数百公里(Bruinsma and Forbes,2009).

由Liu和Lühr(2005)的图4，我们发现2003年10月29日20UT的暴时正午扇区大气质量密度增强呈现出两种不同的特征：一是从高纬向低纬传播的TADs；另一个是在极区与中纬扇区同时出现的密度增强.大气质量密度扰动首先出现于高纬(70° MLat)的12UT，其幅度为1×10-12kg-3.此后，该扰动随时间向低纬传播，在20UT传播到40° MLat.与此同时，高中低纬扇区在20UT几乎同时出现了较强的大气质量密度扰动，其幅度为1×10-12～2×10-12kg-3.二者汇合重叠于20UT与40° MLat，形成了本文所关注的复合结构，我们将之命名为TADs与瞬时扰动的组合结构.目前人们还没有关注该现象及解释其物理机制.Sharma 等(2011)报道了另一个有趣的物理现象，他们发现暴时氧氮比增强具有典型的经度差异：Yibal(22.18° GLat(地理纬度Geographic latitude)，56.11° GLat(地理经度Geographic longitude))明显强于昆明地区(25.03° GLat,102.79° GLon)和Udaipur(24.67° GLat,74.69° GLon).他们认为该经度差异与赤道向热层风引起的大气向上运动现象密切相关.因此，我们提出了一个新的问题，即热层风TADs是否也有明显的经度差异呢？

尽管前人充分研究了热层风TADs，但是当行星际磁场IMFBz呈周期震荡时，特定地方时扇区的热层风会出现什么样的扰动及其经度、半球差异？目前尚未可知.由于热层风可输运电离层等离子体，影响电子密度的空间分布，因此，它是我们研究热层-电离层耦合系统的关键因素.行星际磁场周期震荡是太阳风蕴含的一个普遍现象，它会引起周期性的能量与动量沉降(Liu et al.,2018a;Zhang et al.,2019).行星际磁场周期震荡与单个脉冲扰动的区别之处在于：单个脉冲扰动持续时间不足时，其扰动无法覆盖正午扇区的所有经度扇区；当单个脉冲扰动持续时间足够覆盖正午扇区的所有经度时，由于能量和动量沉降的累积效应，其持续时间越久，扰动风也愈强，无法揭示扰动风的经度差异；当行星际磁场周期震荡时，太阳风的能量周期性的注入高空大气，行星际磁场北向时，能量注入大幅度减少，以此削弱了太阳风能量注入的累积效应，故而正午扇区的各个经度区间的能量沉降接近，其扰动风来自于单个周期的能量沉降，削弱了前期扰动的影响.综上所述，我们致力于研究行星际磁场周期震荡期间正午经向扰动风的经度与半球差异，其中包括TADs与瞬时扰动风的组合结构、TADs终止于20° MLat的结果(我们命名为TADs传播终止现象，standing feature).本文揭示了正午热层扰动风的潜在驱动机制(包括地磁拓扑结构、电子密度、大气温度等因素).

1 卫星观测与模型介绍

德国CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)卫星为近极轨卫星，轨道倾角为87.3°，2001年飞行高度为460 km，由于大气阻力的影响，卫星于2005年下降到400 km左右，2008年下降到300 km左右.卫星飞行周期大约为93 min，每130天覆盖所有地方时(Reigber et al.,2002).基于加速度计的观测数据，Sutton等(2007)介绍了大气质量密度的反演.因此，结合Häusler 等(2007)采用的逐轨分析法，本文处理了-60°～60° GLat区间的大气质量密度数据以研究TADs.

CMIT模型由两部分组成：一是热层电离层电动力学耦合模型(Thermosphere Ionosphere Electrodynamic General Circulation Model,TIEGCM)；另一个是LFM全球磁流体模型(Lyon-Fedder-Mobarry global magnetohydrodynamic magnetospheric model)(譬如Wang et al.,2004;Wiltberger et al.,2004).TIEGCM模型是研究热层-电离层耦合系统的一款三维物理模型，其外部驱动有高纬电离层电场与粒子沉降(Heelis et al.,1982)，太阳活动指数F10.7(Richards et al.,1994)，向上传播的底层大气潮汐波(Hagan and Forbes,2002,2003).大气潮汐波(迁移与非迁移潮汐)可通过GSWM模型(Global scale wave model)模拟或者SABER/TIDI(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)观测数据反演得到，本文使用的是GSWM输出的迁移与非迁移潮汐波，包括日变化与半日变化波等.TIEGCM的水平精度为2.5° GLat×2.5° Glon，垂直方向上有57个等压力面，其分辨率为0.25标高.TIEGCM模型底边界是97 km，顶边界与太阳活动水平密切相关，太阳活动低年是600 km，高年可达到700 km.Lyon等(2004)大致介绍了LFM模型，其外部驱动是太阳风与行星际磁场，LFM的边界由内边界2RE延伸到向阳面边界30RE及夜侧磁尾边界300RE(RE指的地球半径).CMIT模型的耦合框架如下：TIEGCM模拟的电离层电导率输入LFM模型，LFM模型模拟的极区粒子沉降与高纬电场输入TIEGCM.通过对比CMIT模型输出结果与观测数据、其他模型数据，前人研究表明CMIT模型可以用来研究热层-电离层耦合系统物理过程(比如Cnossen and Richmond,2012;Liu et al.,2018a;Wang et al.,2008).

为了研究IMFBz周期震荡对热层风的影响，本文模拟了两个不同的事件：一是IMFBz周期正弦震荡，其最大幅度是10 nT，周期是60 min(如图1a红线)；一是背景事件，IMFBz为常数，其等于0 nT.其他的外部参数保持一致，比如太阳风密度(5 cm-3)，太阳风速度(400 km·s-1)，行星际磁场Bx与By均为0 nT.当IMFBz周期震荡时，半球能量、焦耳加热、粒子沉降与极光卵等也会出现相应的周期震荡.

2 结果

2.1 TADs与瞬时扰动风的组合结构

图1a是2003年11月11日观测的IMFBz，其中出现了明显的从数十分钟到数小时的周期震荡.本文使用是ACE航天器于L1拉格朗日点观测的IMF数据(数据网址：https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/).与输入CMIT模型的IMFBz相比(图1a红线)，图1a中观测的IMFBz(蓝线)具有相近的周期特征和幅度.本文在模型中设置行星际磁场Bz的震荡幅度为10 nT，是为了在全球电离层-热层耦合系统中引入足够强的扰动，以此研究其引起的TADs相位突变和传播终止现象.图1b是减去CHAMP卫星观测的平静期(2003年11月8日，Kp=1.8)之后的2003年11月11日12LT(local time)中低纬扇区大气质量密度扰动.由于CHAMP无法直接观测低纬经向风，因此，我们采用大气质量密度来代表TADs.众所周知，热层大气的流动形成了热层风.因此，纬向风的时空变化代表了大气成分的纬向移动，经向风则代表热层大气的子午向流动.大气质量密度扰动出现了两个不同的特征：一、几乎同时出现于-60°～-30°GLat扇区的密度增强(Orbit 2)，且Orbit 2的大气质量密度增强明显强于其他轨道.我们之所以认为Orbit 2的大气质量密度增强几乎同时出现，是因为CHAMP卫星的轨道速度为7.6 km·s-1，远大于TADs的相速度；二、-40°GLat处大气质量密度扰动(Orbit 2)在2 h内传播到-20°GLat(Orbit 3)，其相速度为300 m·s-1，如图1b的紫色箭头所示.我们可以通过空间距离(20° GLat乘以108 km/GLat，等于2160 km)除以时间(2 h，即7200 s)计算得到相速度.如上所述的两个不同的密度增强构成了本文所关注的TADs与瞬时扰动风的组合结构.图1c是Liu和Lühr(2005)报道的由CHAMP卫星观测得到的大气质量密度.图中黑色箭头表示TADs与瞬时扰动风的组合结构，TADs由(60° GLat，17UT)向(20° GLat，20UT)传播，同时-60°～20° GLat的大气质量密度增强几乎同时出现：从图中看，南半球也出现与北半球对应的传播过程.

图1 (a)2003年11月11日观测的IMF Bz(蓝线)，红线为重构的周期性IMF Bz，用于模型模拟；(b)CHAMP卫星于2003年11月11日观测的12LT大气质量密度扰动，此时减去了11月8日平静期的观测数据，紫色箭头表示赤道向传播的TADs；(c)Liu and Lühr(2005)报道的2003年10月29—31日CHAMP观测的大气质量密度.黑色箭头表征TADs与瞬时响应构成的TADs与瞬时扰动风的组合结构Fig.1 (a)The universal time (UT)oscillations of IMF Bz (blue)on Nov 11,2003.The red line is the ideal periodic IMF Bz using in CMIT.(b)The geographic latitude variations of neutral density changes observed by CHAMP satellite on Nov 11,2003.The background neutral density during the quiet time (Nov.8)has been removed.The local time of the CHAMP orbit is ～12 LT.The magenta arrows show the equatorward propagation of TADs in neutral density.(c)The universal Time changes of neutral density observed by CHAMP are the same as that reported in Liu and Lühr (2005).The black arrows overplotted are the combined effects of the traveling atmospheric disturbances and simultaneous responses in neutral density on 29—31 Oct,2003

如前所述，该组合结构指的是TADs与瞬时响应风共同构成的复合结果.其中瞬时响应风指的是沿纬度没有明显时间延迟的扰动风，即同步出现于不同纬度的扰动风.为了探究该组合结构，我们模拟了两个不同的理想事件.由于实际外部地磁环境(比如地磁活动等)变化十分大，因此，我们结合控制变量法以理想事件来掌控外部地磁环境，使其维持不变.与此同时，我们通过改变IMFBz，探究IMFBz对TADs与瞬时扰动风的影响.图2是模拟的315 km高度12LT经向风及其扰动.图中横坐标是GLon，纵坐标是GLat.图2a中的背景经向风没有明显的周期震荡.图2b中的经向风出现了与IMFBz同周期的极为清晰的周期变化.20°MLat以上纬度带(黑线上方)的TADs明显强于赤道地区(0°～20° MLat，黑线与红线之间的区域).震荡事件中的热层风减去背景风可以得到热层扰动风，因此我们将图2b与2a相减，可得到图2c中热层扰动风的时空分布.如图2c所示，两个半球100° GLon处均出现了相速度为～462 m·s-1的TADs(红色与黑色箭头).南半球30°～120°扇区的TADs出现了极为复杂而有趣的结构，其波相位在传播路径上出现了较多的突变.该现象随世界时向高纬地区传播.120°～180°扇区也出现了类似的现象，只是其幅度(～8 m·s-1)明显弱于前者.我们在前人的工作中也看到了类似的结构(比如Liu and Lühr,2005的图3).Liu 和 Lühr(2005)主要关注的是暴时大气质量密度扰动，他们并没有探究TADs与瞬时扰动风的组合结构.因此，TADs与瞬时扰动风的组合结构是本文的一个主要的新发现.

图2 CMIT模拟的315km高度12LT热层经向风(a)背景事件;(b)60 min震荡事件;(c)扰动风.扰动风是震荡事件与背景之间的差值.图中红色与黑色线条分别表征地磁赤道与地磁20° MLat.正值代表北向风，速度单位为m·s-1.高度为315 km.红色与黑色箭头表征向赤道传播的TADs.Fig.2 The geographic longitude and latitude variations of thermospheric meridional (VN)winds in the base case (a),in the 60-min case (b),and the wind responses (c)to the temporal oscillations of IMF Bz in the 60-min case at 12 LT.The background winds in the CMIT base case have been removed from that in the 60-min case to show the wind responses.The red and black lines overplotted are the geomagnetic equator and 20° MLat,respectively.The positive in meridional winds is northward.The speed is given in m·s-1.The altitude is ～315 km.The red and black arrows show the equatorward propagation of TADs in meridional winds

2.2 TADs传播终止现象

如图2c所示，北半球-60°～120° GLon扇区出现了由压力梯度力驱动的明显的TADs，其中-60°～0° GLon扇区TADs的幅度(30 m·s-1)强于0°～120° GLon扇区(20 m·s-1).该TADs似乎仅仅传播到了20° MLat，形成了一个明显的TADs传播终止现象，如图中黑线所示.我们在地磁纬度大于20° MLat的区域可以看到极为明显的赤道向热层扰动风，该扰动风呈现出明显的与IMF震荡周期一致的周期特征.其振幅也出现了明显的经度差异：西半球(显著大于30 m·s-1)明显强于东半球(大约20～30 m·s-1).我们在地磁纬度小于20° MLat的区域未曾发现明显的赤道向周期扰动风，甚至在部分区域出现了极向扰动风，并且扰动风的幅度明显弱于20° MLat以上的纬度扇区.因此，以20° MLat为界，热层扰动风在较高与较低的纬度扇区呈现出了显著不同的特征，即为前文描述的TADs传播终止现象.120°～300° GLon (120°～180° and -180°～-60°)扇区出现了由离子拖曳力驱动的明显的瞬时扰动风，于不同的纬度带不存在明显的时间延迟.它们也出现了与类似的传播终止现象.该传播终止现象目前驱动机制未知，因此，我们将使用CMIT模型探究其形成原因.此外，TADs与瞬时扰动风也出现了明显的半球与经度差异.TADs与瞬时扰动风的组合结构仅出现于南半球，连续的TADs与TADs传播终止现象仅出现于北半球.因此，本文接下来将继续探索它们的形成原因.

3 讨论

热层风受控于压力梯度力、离子拖曳力、科里奥利力等各项驱动力(Wang and Lühr,2016).基于Hsu 等(2016)的办法，我们在CMIT模型中也对经向风展开了逐项分析.由于压力梯度力与离子拖曳力显著强于其他的驱动力，本文仅展示二者对热层风的影响.

3.1 TADs与瞬时扰动风的组合结构

图3是IMFBz周期震荡时经向风加速度扰动的全球分布，a—c分别是各项驱动力合力、压强梯度力与离子拖曳力.图3a中30°～180° GLon扇区的波沿波传播方向出现了明显的扰动，具有同组合结构类似的分布，且所处地理经纬度也相近.通过将图3a分别与3b、3c对比，我们可得出结论：离子拖曳力与压强梯度力共同驱动了TADs与瞬时扰动风的组合结构.Dungey(1961)指出离子拖曳力与高纬穿透电场密切相关，压强梯度力则受控于高纬能量注入.当离子拖曳力强于压强梯度力时，向赤道传播的TADs波相位沿波传播方向出现了明显的突变.当IMF由南转北时，离子拖曳力显著弱于压强梯度力，TADs向低纬连续传播，未发生波相位突变.Richmond(1995)指出离子拖曳力与两个物理因素有关：一是电子密度，一是中性成分与离子之间的相对速度.北向IMF期间，白天穿透电场(Prompt penetration electric field，PPEF)为西向(Peymirat et al.,2000).此时，PPEF沿倾斜的磁力线向下驱动电离层等离子体，引起电子密度降低，削弱了离子拖曳力的影响.压强梯度力在高纬扰动风向低纬的传播过程中扮演了重要的角色.当行星际磁场南向时，日侧重联可以使太阳风携带的能量直接注入极区高热层，夜侧重联可以使能量先储存在磁尾，再释放到高纬热层(Liu et al.,2018a).太阳风能量注入可显著增强高纬焦耳加热，提高热层温度，改变压力梯度力(如图4d)，从而驱动高纬扰动风向低纬传播.

图3 不同驱动力引起的315 km高度热层经向风加速度扰动从上到下分别是合力、压强梯度力与离子拖曳力.加速度单位为cm·s-2.Fig.3 Differences of forcing terms of meridional winds between CMIT 60-min oscillation case and the base runFrom top to bottom panels are the acceleration changes due to all forcing,the pressure gradient,and ion drag,respectively.The acceleration is given in cm·s-2.The altitude is ～315 km.

离子拖曳力在TADs与瞬时扰动风的组合结构的形成中有至关重要的影响.调控电子密度的机制是E×B漂移与热层风引起的垂直输运，调控离子与中性成分的相对速度的机制是E×B漂移(Richmond,1995).当IMF出现剧烈的扰动时，R1区(Region 1)场向电流(Field-aligned currents，FACs)与R2区(Region 2)FACs之间的强度失衡，产生了全球范围的瞬时穿透电场PPEF.即当R1 FACs强于R2 FACs时，高纬出现屏蔽效应(under-shielding)，反之则是过屏蔽效应(over-shielding).PPEF可以同时引起全球范围内E×B漂移与电子密度扰动(Rodríguez-Zuluaga et al.,2016;Yizengaw et al.,2004).

图4是行星际磁场震荡引起的电子密度、垂直E×B漂移、经向E×B漂移以及热层温度扰动示意图.图4a中电子密度扰动出现了明显的经度差异.美洲扇区出现了一个与地磁拓扑结构相关的密度峰值，其具体的物理机制如下：由于电离层等离子体主要是沿倾斜的磁力线运动(Rishbeth,1967)，故其空间分布受控于地磁场拓扑结构；另外，美洲扇区地理纬度与地磁纬度之间的偏差较大，因此图4a和4b中0°～-180° GLon扇区的等离子体密度与E×B漂移强于其他经度带.由于电子密度可通过离子-中性成分碰撞效应影响热层风与温度，我们认为可能是电子密度调控了-60°～-180° GLon扇区的风场与温度扰动(Wang and Zhang,2017;Zhang et al.,2019).由于南半球扇区的等离子体密度扰动较弱，该扇区的离子拖曳力主要来自E×B漂移.图4c中南半球-60°～0°～180° GLon扇区的子午向E×B漂移速度(～60 m·s-1)明显强于其他经度带(～15 m·s-1)，同地磁场拓扑结构一致.前人的研究结果表明热层风引起的场向离子漂移与地磁偏角和倾角密切相关(Wang and Zhang,2017;Zhang et al.,2012)，其计算公式如下：

VV=vncosDcos|I|sin|I|±unsinDcos|I|sin|I|，

(1)

式中VV指的是热层风引起的垂直离子漂移，vn是经向风，un是纬向风，I和D分别是磁倾角与磁偏角，正负号分别代表南北半球.沿场向投影的热层风可以驱动等离子体沿倾斜的磁力线运动.东向电离层电场可通过E×B漂移向上输运等离子体，西向电场则相反，且该过程也与地磁场构型密切相关.地磁场构型有明显的经度差异，因此，电子密度扰动也出现明显的经度结构.当地磁场强度较强时，同样强度的电离层电场可以产生更强的E×B漂移，驱动的电子密度扰动也愈强，故而离子拖曳效应俞强，从而离子拖曳力对热层扰动风TADs的调制作用也俞强.因此，热层扰动风TADs与瞬时扰动风的叠加愈明显，构成的TADs与瞬时扰动风的组合结构也更清晰.南半球中纬扇区的东半球地磁场强度强于西半球，从而TADs与瞬时扰动风的组合结构仅出现于东半球.此外，电子密度扰动也可以通过离子拖曳作用反馈影响热层风.综上，该结果进一步证实了热层-电离层耦合系统是紧密耦合的非线性系统.因此，-60°～180° GLon扇区地理纬度与地磁纬度的偏差极为显著，引起相应的离子拖曳效应(图3c)，以此解释TADs与瞬时扰动风的组合结构的经度差异.

由于压力梯度力与离子拖曳力的共同作用，TADs与瞬时扰动风的组合结构也出现了显著的半球差异.南半球-60°～0°和0°～180°GLon扇区的离子拖曳力和压强梯度力的强度相近，因此，二者均无法忽略.从图4a可知，在大于20° MLat的纬度带中，等离子体密度扰动增强幅度大于3×1011m-3，明显强于南半球1×1011m-3.因此，离子拖曳力也有相应的半球差异.北半球0°～ -180° GLon扇区的电子密度扰动值大约为5×1011m-3，明显强于其他经度带(3×1011m-3)，故而离子拖曳力也相应较强.图3b中不同半球间的压强梯度力较为接近，未出现与离子拖曳力相似的明显的经度差异.因此，0°～ -180° GLon扇区的离子拖曳力强于压强梯度力，其他经度带则相反.

3.2 TADs传播终止现象

图2c中TADs似乎终止于20° MLat，没有继续向低纬传播，该TADs传播终止现象也同时出现于电子密度扰动(图4a)和热层温度(图4d).由图3可知，该特征与压强梯度力和离子拖曳力的共同作用息息相关.

前人的研究结果表明，调控中低纬电离层电子密度的物理机制有E×B漂移、双极扩散、热层风与化学作用(比如Breig,1987;Fejer et al.,1999；Otsuka et al.,2021).Peymirat等(2000)指出屏蔽效应引起的白天PPEF为东向，过屏蔽效应引起的则是西向.东向PPEF驱动电离层等离子体沿倾斜的磁力线向上运动，引起等离子体密度增强(图4a)，西向PPEF则引起等离子体密度削弱.图4a中20° MLat处电子密度显著增强，可能是该现象阻碍了TADs传播，其具体物理过程如下：电子密度显著增强，引起较强的离子拖曳力，削弱了经向风，阻碍了TADs继续向南传播，形成了明显的TADs传播终止现象.其中，电子密度增强的物理机制可能是赤道地区等离子体被E×B漂移输运到更高的高度，由于双极扩散、冬夏半球热层风与重力的作用，导致赤道异常(Equatorial ion anomaly，EIA)的增强.由于地磁场构型的影响，20° MLat电子密度增强也出现了明显的经度差异：120°～180°和-180°～-60° GLon扇区明显强于其他经度带(Immel and Mannucci,2013;Greer et al.,2017).因此，该扇区的离子拖曳力强于压强梯度力，阻碍了TADs继续向南传播.图4a中-60° ～120° GLon扇区的等离子体密度扰动较弱，同时，图4d中20° MLat以上纬度带的热层温度增量明显强于0°～20° MLat区间.综合二者的结构，我们认为可能是热层增温阻碍了-60°～120° GLon扇区的TADs传播.这是因为离子与中性成分的碰撞是热层的主要热源(Zhang et al.,2018)，同时20° MLat以上纬度带的等离子体扰动强于低纬度区域.当高纬地磁活动较为强烈时，极区中性温度得到显著增强.由于极区向低纬的热传导效应，增强的中性温度可以向低纬传播，引起中低纬的扰动风，即20° MLat以上纬度带的TADs.由于该扇区的扰动风较弱，故而其传播到20° MLat纬度带时削弱幅度较大，扰动不再显著.

图4 行星际磁场震荡引起的315 km高度(a)电子密度扰动(NE)，(b)垂直等离子体漂移扰动(WI E×B)，(c)子午向等离子体漂移扰动(VI E×B)，(d)热层温度扰动(TN).电子密度的单位是1010m-3.等离子体漂移速度单位为m·s-1.温度单位为KFig.4 Similar to Fig.2,but for (a)electron density (NE),(b)vertical plasma velocity (WI E×B),(c)meridional plasma velocity (VI E×B),and (d)neutral temperature (TN)responses.The density is given in 1010m-3.The plasma velocity is given in m·s-1.The temperature is given in K.The altitude is ～315 km

TADs传播终止现象仅出现于北半球，南半球不存在.该半球差异的主要调控机制是电子密度扰动的半球差异.如图4a所示，由于子午风输运效应，300 km高度北半球电子密度扰动值明显强于南半球.20° MLat以上纬度带的电子密度扰动值为3×1011m-3，而南半球镜像纬度带仅为～1×1011m-3.图2c中，子午向扰动风在20° MLat以上纬度带为南向，在0°～20° MLat扇区为北向.赤道向风可以沿倾斜的磁力线向上输运等离子体，低纬北向风可以将等离子体从南半球输运到北半球.二者共同引起电子密度扰动的半球差异.如图3a和3c所示，电子密度扰动越强，那么离子拖曳力对风场的影响程度愈高.因此，赤道向传播的北半球TADs终止于20° MLat，南半球TADs则未出现阻碍现象.

4 结论

基于CMIT模型，本文研究了行星际磁场周期震荡对经向风的影响，探究了其中的TADs与瞬时扰动风的组合结构与TADs传播终止现象，及其经度与半球差异，主要结果如下：

(1)南半球0°～180° GLon扇区的离子拖曳力和压强梯度力的强度相近，因此，二者均无法忽略.而在其他扇区，离子拖曳力与压强梯度力失衡：西北半球的离子拖曳力明显强于压强梯度力，引起瞬时扰动风；其他区域压强梯度力显著强于离子拖曳力，引起TADs.因此，由于离子拖曳力与压力梯度力的共同作用，TADs与瞬时扰动风的组合结构仅存在于南半球0°～180°GLon扇区.行星际磁场Bz震荡周期从半小时到数小时不等，其最多频率分量是1 h左右，因此本文模拟行星际磁场Bz理想周期震荡(周期：1 h)期间的热层扰动风具有一定的物理意义与理论依据，该结果可能具有一定的普适性.

(2)由于地磁场构型的影响，电子密度扰动存在明显的分界线，20° MLat以下纬度带的电子密度扰动明显弱于20° MLat以上纬度带，故而削弱了向赤道传播的南向扰动风.由于热层热源来自离子与中性成分的碰撞，因此热层温度扰动也出现相应的界线，从而阻碍了向赤道传播的TADs.以上二者的共同作用，使南向TADs的传播终止于20° MLat.

致谢感谢德国地学研究中心提供的CAHMP卫星磁场数据，数据可从网站ftp:∥isdcftp.gfz-potsdam.de/champ/获取.CMIT模拟数据存储于NCAR高性能超级计算机中(https:∥www2.cisl.ucar.edu/resources/storage-and-file-systems/hpss).感谢OMNI网站(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov)提供的太阳风行星际磁场.