基于2016-2018年IGS臺網觀測的美洲地區的低緯電離層特征分析

羅偉華，馮睿，耿令森

（中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074）

赤道電離異常（Equatorial Ionization Anomaly，EIA）是低緯電離層中非常著名的一種異常結構［1］.在低緯電離層中，電子密度通常在磁赤道上空存在一個極小值，而在離開磁赤道的±15～20°的區域出現兩個極大，呈現一個沿緯度的窄的電子密度槽區［2］.一般情況下，EIA 會在地方時0600-0800 LT（Local Time）附近開始形成，在1400 LT 附近有一個極大，而在夜間2100-2300 LT 消失［3-4］，有時也可以持續至午夜之后［5］.

現在普遍認為，EIA 的形成與背景電離層中的東-西向電場（或等離子體垂直漂移）有關.由于E?×B?的作用，等離子體會向上運動至頂部電離層，導致磁赤道上空的等離子體密度減小，然后沿磁力線擴散到達磁赤道的南北兩側，在磁緯±15～20°的地方堆積，形成等離子體密度增加的兩個峰，即“噴泉效應”［6］.另外，熱層中性風場對EIA 的形成和發展也有著重要作用［6-8］.

EIA強度和南-北半球不對稱是用于表征EIA變化特征的兩個常用參數.一般用EIA 的峰-谷比值（Crest-to-Trough，CTR）表征EIA 的強度；EIA 的南北半球不對稱性包括，南北駝峰處的電子密度大小表現為磁南-北半球不對稱，南北峰所處的緯度也可能關于磁赤道不對稱［9］.對EIA 強度和EIA 南-北半球不對稱的研究可有助于我們進一步理解影響EIA生成和發展的物理因素.近年來，許多研究發現CTR存在日變化和季節變化特征以及對太陽活動的依賴.如CTR 值通常在1300-1400 LT 附近有一個極大；有時在2000-2100 LT 還會出現第二個極大.隨著太陽活動的增強，正午期間的CTR 值可從1.14 增大為約1.43.春/秋季和冬季的CTR 值相對較大，而夏季的CTR 值最?。?，10-11］.有關EIA 南北半球不對稱特征的研究相對較少.一些研究指出，EIA 的南北半球不對稱也存在日變化和季節變化特征，但對太陽活動的依賴相對不明顯［5，12］.

此外，EIA 的變化特征可與低緯電離層不規則結構（Equatorial Spread F，ESF）和電離層閃爍的出現聯系起來.一些個例和統計研究表明［13-17］，在不同經度地區，EIA強度和南北半球不對稱的變化與ESF和閃爍出現率都有較好的相關.例如，ESF更易于在EIA 強度（CTR 值）較大和EIA 較為對稱時出現［18-19］.EIA 的強度和半球不對稱可作為不規則結構和閃爍出現的一個前兆指標，這也有待進一步研究［19］.了解EIA 的強度和南北半球不對稱性隨地方時、季節和太陽活動的變化特征，有助于我們進一步了解低緯電離層中電動力學過程的變化特征，為進一步構建不規則結構和閃爍模型提供幫助.

本文利用國際導航服務組織（International GNSS Service，IGS）提供的地基GPS 觀測數據，反演電離層總電子含量（Total Electron Content，TEC），分析美洲地區（300°E）的低緯電離層變化特征，重點研究赤道電離異常（EIA）和低緯電離異常（Low-latitude Ionization Anomaly，LIA）的強度和南-北半球不對稱性隨地方時、季節和年份的變化特性.本文結果將有助于我們進一步了解低緯電離層的變化特征及其中的電動力學過程，具有實際的科學意義.

1 數據來源及數據處理

在美洲地區，IGS 臺站分布較為密集，數據易于獲取.本文選取了2016—2018年美洲地區（300°E附近）南-北半球諸多臺站中的部分低緯地區地基GPS觀測數據，選用的觀測臺站分布如圖1所示，臺站的具體地理位置信息如表1 所示.本文所用IGS 數據從Madrigal 數據庫獲得（http：//madrigal.haystack.mit.edu/madrigal/index.html），數據的時間采樣頻率為30 s.其中，LMMF 和LPGS 兩個臺站的2017 年數據缺失.TEC的反演方法可參考文獻［20］.

表1 選用IGS臺站的地理位置和數據信息Tab.1 The longitude and latitude of the stations

圖1 美洲地區，IGS臺站地理位置分布Fig.1 The geographical distribution of the ground-based IGS stations in America sector

圖2給出了2012-2018年期間，太陽黑子數的逐日變化.由圖2 可注意到，2016-2018 年期間，太陽活動整體處于較低水平，只有偶爾幾天，太陽黑子數超過100.此外，隨著年份的增加，太陽活動也逐漸減弱.

圖2 2012-2018年，太陽黑子數的逐日變化Fig.2 The daily variations of sun spot number during 2012-2018

為分析赤道電離異常（EIA）和低緯地區的電離異常（LIA）特征，包括EIA 和LIA 強度、以及EIA 和LIA 的南北半球不對稱性，我們對同一經度區的南北半球緯度相近的不同臺站導出的TEC 進行處理.類似文獻［5］和［11］，分別定義可表征EIA 和LIA 的強度和南-北半球不對稱性的計算公式如下：

式（1）-（3）中，TECN代表北半球的TEC 值（如BOGT、LMMF 臺站），TECS代表南半球的TEC 值（如UNSA、LPGS 臺站）.TECA表示南北半球兩站臺的TEC 平均值，可用于表征EIA（LIA）的強度.當TECA的值越大，意味著EIA（LIA）的強度越大.TECB和TECC用于表征EIA（LIA）的南-北半球不對稱性.當TECB的值大于0，說明北半球的值大于南半球的值；當TECC的值越大，說明EIA 和LIA 的南-北半球不對稱性越顯著.

2 EIA強度和南-北半球不對稱性特征

圖3 給出根據近赤道地區的BOGT 和UNSA 臺站觀測數據導出的EIA 強度TECA在2016 年（a）、2017 年（b）和2018 年（c）隨世界時（Universal Time，UT=LT+5）和日期的變化特征.其中，TECA由式（1）計算得到.

圖3 地磁緯度±15°附近，2016（a）、2017（b）、2018（c）年，TECA隨時間的逐日變化（LT=UT-5）Fig.3 Around ±15° geomagnetic latitude，the variations of TECA with times and days in 2016（a）、2017（b）、2018（c）respectively.（LT=UT-5）

由圖3 可以看出，在地磁緯度±15°的近赤道區，TECA的值存在明顯隨時間、季節、年份的變化規律，具體可總結如下：

（1）EIA強度存在日變化特征.EIA強度在1800-2200 UT（1300-1700 LT）期間較大，在2000 UT（1500 LT）附近達到極大；在0200-1100 UT（2100-0600 LT）期間較小，在1000 UT附近達到極小.例如在2016年10月，2000 UT，TECA有極大值，約為80 TECU，在1000 UT附近，TECA有極小值，約為5 TECU.

（2）EIA 強度存在季節變化特征.EIA 強度在春、秋季（3-5 月和9-11 月）較大，在7-8 月較小.其中，最大值一般出現在春季或秋季，最大值可達到約85 TECU；夏季（7-8 月）的EIA 強度最小，TECA極大值約為20 TECU.

（3）EIA 強度存在年變化特征.隨著太陽活動的減弱，EIA 強度逐漸減小.在太陽活動較強的2016年，EIA 強度要明顯大于太陽活動較弱的年份.例如在2016年3月，TECA的極大值可達約80 TECU，在2017年3月和2018年3月，極大值分別約為50 TECU和30 TECU.

圖4 給出EIA 的南-北半球不對稱性（TECB和TECC）在2016年（a、b）、2017年（c、d）和2018年（e、f）期間隨時間和日期的變化特征.其中，圖4（a、c、e）由公式（2）計算得到，圖4（b、d、f）由公式（3）計算得到.由圖4 可以看出，EIA 的南北半球不對稱性也存在顯著的隨時間和季節的變化特征，具體包括：

圖4 地磁緯度±15°附近，2016-2018年，TECB、TECC隨時間的逐日變化Fig.4 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECB and TECC with times and days in 2016-2018，respectively

（1）EIA的南北半球不對稱性存在日變化特征.EIA 南北半球不對稱性通常在2200-0200 UT（1700-2100 LT）期間變得更為顯著，TECC值均在0.5以上.

（2）EIA 的南北半球不對稱性存在季節變化特征.在不同年份，EIA 的半球不對稱性在夏季（5—8月）期間最為顯著，TECC均值可達0.7 以上.最大值出現在5—7 月，最大可到1.2 左右.而在其余季節，南北半球不對稱性相對較弱.另外，整體上看，在夏季期間，TECB的值大于0，即北半球的值大于南半球的值；在冬季期間（12-1 月），會出現南半球的值大于北半球的值.

（3）EIA 南北半球不對稱性隨年份的變化特征并不顯著.如在太陽活動較強的年份（2016 年），夏季期間TECC的最大值約為1.19，而在太陽活動較弱的年份（2018 年），夏季期間TECC的值約為1.21，由此說明，南北半球不對稱性隨年份變化不明顯.

3 LIA強度和南-北半球不對稱性特征

圖5給出根據低緯地區LMMF-LPGS臺站觀測數據導出的LIA 強度（TECA值）在2016年（a）和2018年（b）隨時間和日期的變化特征.

圖5 地磁緯度±25°附近，2016年（a）和2018年（b），TECA隨時間的逐日變化（LT=UT-5）Fig.5 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECA with times and days in 2016（a）and 2018（b），respectively.（LT=UT-5）

由圖5 可以看到，在地磁緯度±25°的低緯度地區TCEA值也存在明顯的隨時間和季節的變化規律，具體可總結如下：

（1）LIA強度也存在顯著的日變化特征.TECA在1600-2200 UT（1200-1800 LT）期間較大，在1800 UT（1300 LT）達到極大；在0200-1100 UT（2200-0700 LT）期間達到極小.

（2）LIA 強度也存在顯著的季節變化特征.與EIA 強度的季節變化特征相似，LIA 在春、秋季期間（3-5月和9-11月）達到極大，冬季期間的LIA強度相對較弱，在夏季（5-8月）達到極小.

（3）LIA強度也存在年變化特征.隨著太陽活動的減弱，LIA強度逐漸減小.

比較圖3 和圖5，可以注意到，LIA 強度的日變化、季節變化和年特征與EIA 的日變化和季節變化特征相似.如，EIA 強度和LIA 強度的極大值出現在1300-1500 LT 附近，EIA 強度和LIA 強度通常在春/秋季（3-5 月/9-11 月）達到極大，與其他經度區（如40°E、120°E 經度區）的EIA 特征一致［4-5，10-11］，這主要是與背景緯圈電場（等離子體垂直漂移）有關［6］.但它們也存在一定的差異.例如，與EIA強度相比，LIA強度相對較弱；但LIA強度的極大值出現時間要稍早于EIA極大值出現時間，這意味著低緯地區的等離子體更早達到運動平衡，使電子密度處于穩定狀態.例如在2016年，EIA強度的極大值出現在2000 UT（1500 LT）附近，可達約85 TECU，如圖3（a）所示，而在1800 UT（1300 LT）附近，LIA 強度的極大值約為60 TECU（如圖5（a）所示）.冬季期間（12—1月），LIA強度仍比較明顯，而EIA 強度則偏弱.這也表明，除了緯圈電場，其他因素也會影響等離子體運動，進而影響EIA和LIA的強度，如中性風場［4，6］、光化學反應［21］等.

圖6 給出2016 年（a、c）和2018 年（b、d）期間，LIA 的南-北半球不對稱性（TECB和TECC）隨時間和天數的變化特征.

圖6 地磁緯度±25°附近，2016年和2018年，TECB、TECC隨時間的逐日變化Fig.6 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECB and TECC with times and days in 2016 and 2018 respectively

由圖6可以看出，LIA南北半球不對稱性也存在明顯隨時間和季節的變化規律.TECB、TECC極大值出現在2100-1000 UT（1700-0600 LT）期間，TECB、TECC的值在5-8月期間相對較大，即夏季期間的LIA南北半球不對稱性更為明顯.在大部分季節，LIA 南北半球不對稱性隨年份的變化特征也不顯著；在冬季期間（1-2 月），太陽活動低年（2018 年）的半球不對稱性相對更為顯著，這意味著除了中性風場，還有其它因素可能影響南北半球不對稱特征.

此外，由圖6 還可以看到，在冬季期間（1-2月），TECB的值為負，即南半球的TEC 值相對較大；而在春/秋季和夏季期間，北半球的TEC 值要大于南半球的TEC 值.這與EIA 的南北半球不對稱性相似，如圖4所示.

比較圖6和圖4可發現，與EIA的南北半球不對稱特征相似的是，LIA 的南-北半球不對稱性也是在夏季期間更為顯著，EIA 和LIA 的南北半球不對稱性隨年份的變化均不顯著，這可能與熱層中性風有關［6，8］.但整體上看，LIA 的南-北半球不對稱特征較EIA 的南北半球不對稱特征更為顯著，特別是在春/秋季，這意味著EIA 和LIA 的南北半球不對稱還可能與其他因素有關，如光化學反應［21］.

4 結論

利用2016—2018 年IGS 臺網提供的南-北半球的地基GPS 觀測數據，反演電離層總電子含量，本文分別對美洲地區（300°E）赤道電離異常（EIA）和低緯電離異常（LIA）隨時間、月份和太陽活動的變化特征進行分析.本文主要結果可總結如下：

（1）EIA 強度和LIA 強度均表現出隨時間、季節和太陽活動的變化.EIA 和LIA 的強度均在地方時1300-1500 LT 附近出現極大；在春/秋季（3—4 月和9—10 月），EIA 和LIA 的強度比其他季節的要大；EIA和LIA的強度還隨著太陽活動的減弱而減小.

（2）EIA 和LIA 的南-北半球不對稱也表現出隨時間和季節的變化.EIA 和LIA 的南-北半球不對稱在地方時1700-2100 LT 出現極大；夏季（5—8 月）的半球不對稱性更為明顯.

（3）EIA和LIA的變化特征存在一定的差異.EIA的強度較LIA 的強度要大，而LIA 的南-北半球不對稱特征較EIA的南-北半球不對稱特征更為顯著.

本文結果表明，除了背景緯圈電場和熱層中性風場，還有其他因素會影響低緯電離層中的等離子體運動和電子密度分布，這有助于我們進一步熟悉低緯電離層的變化特征，為揭示低緯電離層中的電動力學過程及電離層建模提供實驗證據.影響低緯電離層的物理因素有待結合更多的觀測資料和物理模型進一步深入研究.