2018-08-25～29期间全球电离层TEC对地磁暴的响应分析

朱军桃 刘玉升 林知宇 代程远 毛志锋

1 桂林理工大学测绘地理信息学院，桂林市雁山街319号，541006 2 广西空间信息与测绘重点实验室，桂林市建干路12号，541004

电离层是地球高层大气，常受日地相互作用产生的空间天气事件(如磁暴等)影响。在地磁暴期间，电离层状态发生大幅度扰动，称为电离层暴，电离层暴会对航空航天、导航、通讯等多个领域造成影响[1-2]。研究表明，磁暴期间电离层响应受磁暴强度、磁暴起始时间、电离层背景值、地方时、纬度、季节等因素共同控制，这使得电离层暴的机制十分复杂[3-8]。通常认为，在地磁暴期间，高纬粒子沉降产生的焦耳加热作用使中性气体膨胀，高纬电离层发生负暴[3-8]；同时受赤道向风场的作用，热层中性气体变化引起的电离层负暴会向中低纬度地区延伸，中低纬度电离层在电场、风场和地磁场的共同作用下容易引发电离层正暴[3-8]。虽然有大量研究对电离层暴事件进行过统计[3-4]与个例分析[5-8]，但目前对电离层暴的过程及机制的认识仍存在不足，对典型个例进行分析有助于验证或补充以往电离层暴的发展规律，并促进对电离层扰动机制的理解。

随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)不断完善，分析地磁暴时电离层电子总含量(total electron content, TEC)的演变过程成为研究电离层暴的一种重要途径。本文首先分析磁暴期间全球电离层TEC的大致变化，然后采用滑动四分位距法提取磁暴期间全球电离层TEC的异常扰动特征，并对可能的扰动机制进行探讨。2018年为太阳活动低年，稳定的太阳辐射为本次研究提供了良好条件。

1 数据来源与研究方法

本文分析磁暴前后日地空间环境变化时使用的10.7 cm射电流量(F10.7)、太阳风速(Vsw)、星际磁场(interplanetary magnetic field, IMF)Bz分量、星际电场(interplanetary electric field, IEF)Ey分量、地磁Dst、Kp指数等数据均来源于美国宇航局戈达德太空飞行中心(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html)，时间分辨率为1 h。电离层TEC数据是由国际GNSS服务(international GNSS service, IGS)提供的最终电离层产品(https:∥cddis.nasa.gov/archive/gnss/products/ionex/)，时间分辨率为2 h，经纬度分布间隔为5°×2.5°；IGSG-GIM数据根据CODE、UPC、ESA、JPL提供的最终电离层产品加权平均求得，在低纬度地区和海洋区域具有相对较高的精度[9-10]。热层成分O/N2数据产品参考约翰霍普金斯大学应用物理实验室使用TIMED航天器搭载全球紫外线成像仪(GUVI)对全球热层观测得到的平滑结果(http:∥guvitimed.jhuapl.edu/data_products)。

本文采用滑动四分位距法来判定每个格网点TEC在磁暴环境下的扰动程度。四分位距法[11]是一种基于稳健统计技术的数据异常检测方法，在很多领域的异常数据识别与提取方面都有应用[11-12]。具体实施过程如下：选取前16 d不受太阳、地磁影响的TEC值作为滑动起始背景值，将同一时刻的TEC值按照从小到大升序排列，得到x1、x2、x3…x15、x16，计算上四分位数Q1、中位数Q2和下四分位数Q3：

四分位距为：

IQR=Q3-Q1

判定异常值的上界(up)和下界(low)为：

式中，上四分位数Q1、中位数Q2和下四分位数Q3分别表示小于该分位数的数值占25%、50%、75%，四分位距IQR可反映数据的分散情况；up和low分别表示某一时刻TEC的上下限，实验取k值为1.5，以95%的置信度进行判定。若该时刻的TEC值超过上下限，则认为是本次磁暴事件引起的扰动。TEC的扰动程度可用绝对变化和相对变化进行衡量，正负扰动绝对变化量ΔTEC为TEC-up或TEC-low，则相对于正常范围的扰动幅度为ΔTEC/up或|ΔTEC|/low。

2 结果与分析

2.1 太阳-地磁环境分析

2018-08-26UT，全球发生大地磁暴事件(Kp最大值为7.3，Dst最小值为-174 nT)。根据我国空间环境预报中心(space environment prediction center, SEPC)月报概述(http:∥www.sepc.ac.cn/archive2.php)可知，此次磁暴事件主要受08-19～20日冕物质抛射(coronal mass ejections, CME)和日冕洞高速流(coronal hole high speed stream, CHH)共同影响而形成。为分析磁暴前后日地空间环境的变化情况，本文绘制出08-22～30太阳辐射、太阳风速、星际磁场分量、星际电场分量及地磁指数的时间序列变化情况，结果如图1所示。从图中可以看出，F10.7整体相对平稳，08-24～27略微升高，但不足以引起全球电离层的大幅扰动。从08-22起，太阳风速开始降低，至08-25降低至328 km/s，该时间段太阳风速较高是受08-15～18日冕洞高速流的影响，但太阳风基本未携带南向分量磁场，地球磁场活动也相对平稳。08-25～26太阳风速度达到第1个小高峰444 km/s，并于08-25 UT14:00左右携带南向星际磁场IMF-Bz分量到达地球，与地球磁场发生磁重联，太阳风携带的高能粒子进入地球磁层，与地球热层、磁层发生一系列耦合作用而使地环电流增强，Dst指数开始迅速降低，磁暴进入主相阶段。08-26 UT04:00左右，IMF-Bz最强达-14.7 nT；UT06:00～07:00 Dst降至最低，Kp指数最高为7.3，并持续3 h；磁暴在UT08:00左右进入恢复相阶段，Dst指数回升。太阳风速于08-27 UT17:00达到第2个高峰619 km/s，Kp指数峰值为5.7，Dst指数略有降低，表明此时处于地磁亚暴阶段，对高纬地区的地磁影响较大。此后，太阳风速持续下降，至08-30午后降至400 km/s以下，IMF-Bz分量基本稳定，地磁Dst、Kp指数逐渐恢复至地磁平静范围。综上所述，此次磁暴事件过程为：08-19～20太阳日冕物质抛射和日冕洞高速流向日地空间发射大量粒子，经过4～5 d太阳风携带高能粒子和南向星际磁场到达地球磁层，磁重联后大量能量注入地球，从而产生08-25～26的大地磁暴(Dst≤-100 nT)，随后持续发生1 d中等磁暴(-100 nT

图1 2018-08-22～30近地空间环境变化Fig.1 Near-earth space environment changes from 2018-08-22 to 2018-08-30

2.2 全球电离层对磁暴的响应

为研究磁暴期间全球电离层TEC的变化情况，选取70°W、20°E、120°E范围分别代表美洲扇区、欧洲-非洲扇区和东亚-澳洲扇区，并绘制不同纬度的时序变化图，结果如图2所示。从图中可以看出，全球电离层TEC出现明显的不对称现象，北半球TEC含量整体高于南半球，中高纬度地区尤其明显。在磁暴主相期间，美洲扇区和东亚-澳洲扇区日间电离层TEC出现明显的正相扰动，处于夜间的欧洲-非洲扇区扰动并不显著。在恢复相期间，北美扇区白天和夜间均出现负相扰动，而南美扇区均为正扰。东亚-澳洲扇区和欧洲-非洲扇区在低纬度地区出现明显的正相扰动，而中高纬度地区响应不显著，这可能是由于电离层背景较弱，导致电离层TEC的响应不敏感。

图2 磁暴期间全球电离层TEC变化Fig.2 Global ionospheric TEC changes during the geomagnetic storm

为进一步研究磁暴期间电离层的响应情况，采用滑动四分位距法的上限和下限作为背景值，依次判定71×73个TEC格网的扰动程度，然后使用双调和样条插值法对异常值进行加密，该插值方法在曲面插值中具有优势，具体可参见文献[13-14]；最后根据插值结果绘制出08-25～30期间全球电离层TEC扰动情况，结果如图3～8所示，图中黑色曲线表示磁赤道，红色和蓝色虚线表示大致晨昏线，红线以东表示日半球。

图3 08-25电离层TEC扰动情况Fig.3 Ionospheric TEC disturbance on August 25

图4 08-26电离层TEC扰动情况Fig.4 Ionospheric TEC disturbance on August 26

图5 08-27电离层TEC扰动情况Fig.5 Ionospheric TEC disturbance on August 27

图6 08-28电离层TEC扰动情况Fig.6 Ionospheric TEC disturbance on August 28

图7 08-29电离层TEC扰动情况Fig.7 Ionospheric TEC disturbance on August 29

图8 08-30电离层TEC扰动情况Fig.8 Ionospheric TEC disturbance on August 30

08-25 UT00:00～14:00，全球电离层TEC基本正常，在日半球低纬度地区存在微小扰动，并逐渐向西移动；UT14:00开始，磁暴进入主相阶段，日半球北侧高纬度地区发生约2 TECu的微小扰动，并逐步向北美上空移动，赤道低纬度地区的TEC异常开始增强。UT18:00～22:00，日半球低纬度地区电离层TCE呈现约7～12 TECu的南北共轭正相扰动，相对扰动达30%～70%，并逐步向中高纬度地区扩散，北极地区出现电离层TEC负相扰动，扰动程度为10%～30%，但南极地区并未发现电离层TEC负相扰动；夜半球电离层TEC则逐步出现正相扰动。

08-26地磁Dst指数、Kp指数在UT08:00左右达到极值，说明此时磁暴发展至全盛状态。UT00:00～08:00全球电离层TEC扰动持续增强，北半球高纬度极地地区电离层TEC出现间断负相扰动。中低纬度地区电离层TEC正相扰动最大高于背景值20 TECu，日间相对扰动集中在30%～90%，夜间低纬度地区正扰可达180%，并在磁暴最盛期间电离层正暴发展至最盛状态；该时间段TEC扰动仍然大致呈现南北对称分布，全球均出现不同程度的扰动，且日半球电离层TEC正相扰动程度强于夜半球。UT08:00以后，磁暴进入恢复相阶段，全球电离层TEC正相扰动程度逐渐降低，且逐渐向低纬地区缩小；中低纬度地区的TEC正向扰动逐步向西南方向偏移至南半球，北半球TEC负相扰动沿西南方向向低纬地区移动，而南半球TEC在中纬度地区出现轻微负相扰动。至UT22:00，北半球电离层TEC出现不同程度的负相扰动，最大扰动出现在北美低纬度地区，高达10 TECu，相对扰动为20%～40%；而南半球出现TEC正相扰动，仅在中纬度地区出现少量轻微的负相扰动。

08-27地磁Dst指数持续上升，偶尔伴随IMF-Bz分量轻微下降，当日全天达到中等磁暴，Kp指数在UT16:00左右达到第2个峰值。UT00:00～12:00北半球电离层TEC呈现不同程度的负相扰动，相对最大扰动达60%；而南半球电离层TEC依然仅在中低纬度地区出现少量负相扰动。UT12:00以后，电离层TEC负扰主要分布在夜半球，日半球正相扰动再次加强，且明显向南半球移动，扰动程度为40%～80%；至UT20:00后正扰开始扩散并逐渐消失，随后北美低纬度地区出现负扰，扰动程度约为30%。

08-28全天基本处于小磁暴状态。北半球电离层TEC相对于背景值存在约20%的负相扰动，并逐步向西移动，负相扰动最大的区域仍为美洲扇区，全球电离层TEC正相扰动基本出现在低纬赤道地区；UT14:00以后，低纬度地区的TEC正相扰动向西南方向移动。

08-29全天基本处于小磁暴状态。全球电离层TEC负相扰动基本消失，日半球低纬度地区仍然存在正相扰动；UT14:00以后，电离层TEC正相扰动仍然向西南方向飘移，夜半球基本恢复正常。

08-30地磁Dst和Kp指数基本恢复正常，全球电离层TEC仅在日半球低纬度地区出现较大的正相扰动；与08-29相比，异常范围明显减小，基本可认为是电离层TEC在赤道地区的异常现象。

综上所述，本次磁暴引起的电离层扰动具有以下特点：1)在磁暴主相期间，从纬度分布来看，北半球高纬极区电离层TEC存在间断的正负相扰动，而南半球高纬极区出现持续的正相扰动，中低纬度地区电离层TEC存在大幅正相扰动，扰动幅度最大可高于滑动背景值20 TECu，相对扰动集中在30%～90%，并呈现大致对称的共轭形状；从经度分布来看，电离层TEC扰动先在日半球响应，并逐渐向夜半球延伸，同时夜半球逐渐开始出现电离层TEC正相扰动，大范围的电离层异常大多向西移动。2)在磁暴恢复相期间，从纬度分布来看，南北半球对电离层TEC的响应存在差异，北半球不同纬度地区电离层TEC出现持续的大幅负相扰动，相对负扰最大达60%，而南半球仅在中纬度地区出现少量负相扰动，主要表现为电离层TEC的正相扰动，赤道低纬度地区电离层TEC的正相扰动并非对称分布，而是向南半球偏移；从经度分布来看，日半球电离层TEC的正负异常扰动幅度强于夜半球，北半球电离层TEC负相扰动主要从夜半球的高纬度地区飘移至日半球的低纬度地区，随后逐渐恢复到中高纬度地区。电离层TEC异常正相扰动区从欧洲-非洲扇区向西南方向飘移至美洲扇区。在此次磁暴过程中，中低纬度开始发生大幅TEC正负相扰动的地区均在美洲扇区。

3 电离层扰动机制探讨

电离层是以热层为背景的，两者在动量、能量及化学过程上相互耦合。热层暴环流引起的全球大气中性成分变化多次被用来解释电离层暴事件，热层成分变化可用O/N2表示，其中O原子与电离率成正比。从图9热层成分O/N2观测结果可以看出，08-23～24 O/N2较低的位置处于高纬度地区，中低纬度地区O/N2较高，约为0.5。08-26～28电离层TEC扰动相对剧烈，全球O/N2分布与磁暴前后相比有所变化，高纬度低值区在赤道向风场的作用下移动至中低纬度地区，这与北半球电离层TEC负扰的分布和飘移具有明显的一致性，南半球澳洲和印度洋上空的电离层TEC负扰也出现在O/N2低值区。此外，中低纬度地区电离层正暴与O/N2高值区的分布及飘移也具有一致性，说明此次电离层TEC扰动与热层暴环流引起的热层成分O/N2的改变有关。

在南半球高纬极区与北半球高纬度部分地区出现电离层TEC正扰，这与热层暴环流理论不符。结合图1和图3～5也可以看出，高纬度地区电离层TEC扰动均发生在IMF-Bz分量较大的时间段。Mansilla[5]通过对极地地区数次强磁暴条件下的电离层TEC扰动进行研究发现，北极地区比南极地区更容易发生负扰，这种负扰有时会被正扰打断，而处于冬季的南半球更容易发生正扰；此外，南极低纬度地区的磁暴可能是由O/N2升高和东向快速穿透电场(prompt penetration electric field, PPEF)抬升所致。从图9可以看出，O/N2高值区可延伸到南极地区，因此本次磁暴中北半球高纬度地区的正暴可能是由高能粒子沉降和东向快速穿透电场抬升所致，而南半球高纬度地区的正暴除粒子沉降和东向快速穿透电场抬升外，还与热层成分O/N2的升高有关。

Balan等[15]研究发现，在星际磁场南向期间，日间东向快速穿透电场(PPEF)的出现会加强中低纬度地区的电离层正暴。在赤道经向风对电离层进行驱使与抬升的前提下，东向电场可将赤道的电离层驼峰区移动至纬度±30°区域。行星际电场的穿透作用作为低纬度地区电离层电场的来源之一，其穿透到低纬度地区的过程十分迅速[16-17]。魏勇等[16]研究认为，行星际电场日间穿透效率可维持在10%左右；周云良等[17]利用多颗卫星数据对星际电场穿透与电离层效应进行研究，结果发现，行星际电场的穿透效率约为13～19%，日间东向快速穿透电场会引起电离层离子向上飘移。高纬赤道向风场即使按照强磁暴产生1 000 m/s的初始速度进行传播，也需要约5 h，而实际速度随着传播距离的增大衰减，传播到中低纬度地区时约为200～400 m/s[18]。结合图2～4可知，08-25 UT20:00～08-26 UT08:00期间，在星际磁场IMF-Bz、星际电场IEF-Ey较强的时间段，日半球中低纬度地区电离层异常大致呈对称分布，具有明显的电离层喷泉加强现象；随着IMF-Bz恢复和IEF-Ey减小，电离层TEC正扰分布范围逐渐缩小，同时赤道向风场已改变中低纬度地区电离层的异常分布，使其不再呈磁暴初期的对称分布形态。这说明在此次磁暴初期，日半球中低纬度地区电离层TEC扰动与东向快速穿透电场有关，且其很有可能占主导作用。

在此次磁暴恢复相期间，电离层TEC响应出现明显的南北半球不对称现象，且这种现象曾多次在磁暴中出现[6,8,19]。Astafyeva等[19]认为，中性成分O/N2变化、地磁场、1区场向电流(极地区域)的半球不对称性及季节性环流均可能导致电离层TEC响应的南北不对称。从图9可以看出，O/N2分布呈明显的不对称状态；此外，磁暴发生时，北半球为夏季，存在吹向南半球的中性风，大气环流更有利于赤道向热层风对大气成分进行输送[20]。entürk[6]研究认为，夏季至冬季环流可能是主导电离层扰动南北半球不对称的因素。地磁场、1区场向电流的影响及不同因素的贡献程度还需作进一步研究，但可以确定的是，此次电离层暴的不对称主要与南北半球大气O/N2变化有关，同时夏冬半球季节差异引起的环流模式也会促进这种改变。

4 结 语

本文基于滑动四分位距法对2018-08-25～29地磁暴期间电离层TEC的扰动进行研究，并对扰动机制进行初步探讨，得到以下结论：

1)在磁暴主相阶段，电离层TEC除北极地区出现负相扰动外，全球均呈正相扰动，日半球中低纬度地区的扰动大多高于背景值30%～90%，并大致呈共轭分布。在磁暴恢复相阶段，电离层TEC出现明显的南北半球不对称现象，北半球出现长期的负扰状态，最大相对负扰达60%，南半球则主要为正扰。日半球电离层TEC正负扰动分布范围大于夜半球。

2)此次磁暴引起的电离层TEC扰动与热层暴环流引起的热层成分O/N2变化有关。在星际磁场南向期间，日间东向快速穿透电场(PPEF)会促进全球日间电离层正暴，并很可能在磁暴初期占主导作用；高能粒子的沉降可能导致高纬和极区电离层TEC出现正扰。在磁暴恢复相期间，南北半球电离层TEC响应的不对称与大气O/N2变化有关，同时夏冬半球季节差异引起的环流模式也会促进大气成分的改变。