羅偉華 徐繼生

（1.中南民族大學電子信息工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430072）

引 言

日落以后，赤道電離層底部的電子密度經(jīng)常會發(fā)生損耗，形成泡狀結構，并向上穿透至F2層峰以上高度，即赤道電離層不規(guī)則結構或赤道擴展F（Equatorial Spread F，ESF）.電離層不規(guī)則結構對無線電波傳播存在極大的影響，可導致穿過其中的信號的幅度和相位發(fā)生快速的隨機變化，即電離層閃爍.

由于中性風場和磁偏角的影響，背景電離層中的電子密度、foF2以及赤道電離異常（Equatorial Ionosphere Anomaly，EIA）通常表現(xiàn)出關于磁赤道不對稱［1-2］.羅偉華等［3］利用通量管積分得到的南-北半球積分電子密度N、積分Pedersen電導率～ΣP以及F區(qū)Pedersen電導率同E區(qū)和F區(qū)Pedersen電導率之和的比值～ΣFP／～ΣE+FP均表現(xiàn)出不對稱.電離層背景參量的不對稱分布將導致南-北半球的電動力學過程存在差異，對赤道地區(qū)的等離子體不穩(wěn)定性過程可能產(chǎn)生影響，從而影響ESF的生成和發(fā)展以及閃爍發(fā)生率.

近年來，一些衛(wèi)星觀測結果表明，不規(guī)則結構和閃爍活動的出現(xiàn)率與背景電離層的半球不對稱存在聯(lián)系.例如，Maruyama［4］通過分析太陽活動高年期間（1978-1980）的ISS-b衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在ESF活動被抑制的區(qū)域，電子密度分布呈現(xiàn)不對稱性；而在ESF活動增強時，磁子午面內(nèi)的密度分布基本關于赤道對稱.Raghavarao等［5］、Sridharan等［6］和Jayachandran等［7］分別指出，EIA的強度以及赤道異常峰的位置分布將會影響夜間ESF的出現(xiàn)［7］.Lee等［8］也指出在太陽活動高年期間（1999—2000），當ESF的出現(xiàn)率較高時，EIA的不對稱特征越顯著（表征EIA不對稱特征的指數(shù)｜Ia｜的值越大）.Thampi等［9］進一步研究了太陽活動低年期間（2005.8-2006.1），根據(jù)EIA的強度得到的EIA不對稱強度與ESF出現(xiàn)率之間的聯(lián)系，指出利用表征EIA不對稱的特征參數(shù)可用于預報ESF的出現(xiàn).Mendillo等［10］曾嘗試利用觀測數(shù)據(jù)分析日落時的EIA的不對稱對夜間ESF出現(xiàn)率進行預測.

由于積分Pedersen電導率主要受電子密度的影響，這意味著的不對稱分布與不規(guī)則結構出現(xiàn)率之間也可能存在聯(lián)系.Mendillo等［11］討論了E區(qū)Pedersen電導率在南-北半球的不同分布對R-T不穩(wěn)定性的影響，但沒有考慮E區(qū)和F區(qū)Pedersen電導率之和的不對稱的影響.Kil等［12］基于TIMED衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析指出，F(xiàn)區(qū)積分Pedersen電導率存在顯著的季節(jié)不對稱分布的不對稱分布對不規(guī)則結構的季節(jié)變化有重要影響.

因此，研究電離層背景參量的半球不對稱特，有助于我們進一步了解不規(guī)則結構的生成和發(fā)展機制，進一步理解不規(guī)則結構和閃爍活動的變化規(guī)律.本文將利用通量管積分技術計算電離層背景參量，分析電離層背景參量的半球不對稱性與不規(guī)則結構和閃爍活動出現(xiàn)率之間的聯(lián)系，進而提出一種新的可應用于電離層閃爍預報系統(tǒng)的預報指數(shù).

1 通量管積分電離層背景參量

將粒子守恒和電荷守恒方程沿通量管積分，積分從一個半球通量管的根部通過磁通量管的頂點直到另一個半球通量管的根部，包括E區(qū)和F區(qū).可以分別給出積分電子密度、積分Pedersen電導率的表達式為［3，13-14］

式中:ne是局地電離層電離密度；σP是局地Pedersen電導率；RE為地球半徑；L為 McIlwain參數(shù)；ζ=sinθ，θ為磁緯；上標N和S分別表示北半球和南半球沿通量管積分的物理參量.線積分（1）和（2）從一個半球E層底高度開始沿磁力線到磁力線頂點高度處.

由式（1）和（2）可知，當電子密度和Pedersen電導率存在半球不對稱分布時，沿通量管積分得到的積分電子密度、積分Pedersen電導率以及F區(qū)積分Pedersen電導率～ΣFP與E區(qū)和F區(qū)積分Pedersen電導率之和～ΣE+FP的比值～ΣFP／～ΣE+FP也會表現(xiàn)出半球不對稱特征［3］.下面將研究積分電子密度和Pedersen電導率的不對稱分布與不規(guī)則結構出現(xiàn)率之間的聯(lián)系.

2 計算結果分析

為了研究積分電子密度和Pedersen電導率的半球不對稱特征，下面將首先根據(jù)前面得到的表達式分別計算積分電子密度、積分Pedersen電導率.計算所用的模型為IRI2001［15］和 NRLMSIS00［16］.

2.1 積分電子密度

為研究電子密度的不對稱性特征與不規(guī)則結構出現(xiàn)率和閃爍活動之間的聯(lián)系，類似于Mendillo等［12］和 Thampi等［9］定義的表征 EIA 不對稱強度的參數(shù)AF，定義表征積分電子密度不對稱性強度的特征參數(shù)

式中，上標N和S分別表示北半球和南半球沿通量管積分的物理參量.如果磁赤道兩邊的電子密度分布呈顯著不對稱性，則IN應該較大.反之，如果電子密度的不對稱性并不顯著，則IN較小.下面主要研究IN隨季節(jié)和太陽活動的變化.

2.1.1 逐月變化

圖1給出太陽活動高年（2001）和太陽活動低年（2005年），地理經(jīng)度120°E，積分電子密度的南-北不對稱特征參數(shù)IN的逐月變化.

圖1 IN隨月份的變化

由圖1可以看到，在太陽活動高年，在3—4月和10—11月期間，IN較?。辉?—8月，IN較大.這與圖2給出的不規(guī)則結構的出現(xiàn)率隨月份變化特征正好相反［17］.在太陽活動低年，IN在至點（6月和12月）期間較小，兩分點（3月和9月）較大，與不規(guī)則結構出現(xiàn)率的變化特征一致.這與 Maruyama［4］給出的觀測結果一致.另外，Mendillo等［12］和Lee等［9］計算分析太陽活動高年期間的EIA不對稱參數(shù)得到的結果也表明，在ESF出現(xiàn)率較低時，EIA不對稱更顯著，當ESF出現(xiàn)率較高時，EIA不對稱特征較弱.

圖2給出120°～130°E地理經(jīng)度區(qū)，ROCSAT-1衛(wèi)星在1999—2004年期間觀測到的頂部赤道不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨月份的變化特征［17］.

圖2 1999—2004期間，ROCSAT-1衛(wèi)星觀測到的頂部不規(guī)則結構的出現(xiàn)率隨月份的變化特征［17］

2.1.2 逐年變化

圖3給出一個太陽活動周期（1997—2007）內(nèi)，在不同季節(jié)，積分電子密度的不對稱特征參數(shù)IN的逐年變化.

由圖3可以看到，在春／秋和冬季，IN與太陽活動呈負相關；在夏季，IN與太陽活動呈正相關.衛(wèi)星觀測結果表明，在不同經(jīng)度區(qū)和不同季節(jié)，不規(guī)則結構的出現(xiàn)率與太陽活動呈正相關［18］，但是子午風場也可能導致不規(guī)則結構的出現(xiàn)率與太陽活動呈現(xiàn)負相關［19］.

由圖1和圖3可以看到，積分電子密度的不對稱性IN與等離子體泡的出現(xiàn)率隨季節(jié)和太陽活動的變化存在聯(lián)系.而且，在不同季節(jié)和不同太陽活動期間，IN的變化規(guī)律與等離子體泡出現(xiàn)率的變化規(guī)律存在差異，這可能是由于不同季節(jié)和不同太陽活動期間，子午風場對電子密度運動過程的影響存在差異［10］，導致電子密度的半球不對稱特征不同.這意味著中性風場在不同太陽活動和不同季節(jié)期間對背景電離層和等離子體不穩(wěn)定性的影響不同，可能導致不規(guī)則結構的出現(xiàn)率與太陽活動呈負相關.

圖3 IN隨太陽活動的變化

2.2 積分Pedersen電導率

類似于參數(shù)IN，定義表征積分Pedersen電導率不對稱性強度的特征參數(shù)和F區(qū)積分Pedersen電導率與E區(qū)和F區(qū)積分Pedersen電導率之和的比值不對稱性強度的特征參數(shù)分別為:

如果磁南北半球的ΣP、呈顯著不對稱，則IP、IrP的值應該較大.反之，如果ΣP、的不對稱性并不顯著，則IP、IrP較小.下面將分別研究IP、IrP隨季節(jié)和太陽活動的變化.

2.2.1 逐月變化

圖4給出在不同太陽活動期間，參數(shù)IP隨月份的變化.圖4（a）為太陽活動高年（2001年），圖4（b）為太陽活動低年（2005年）.磁力線頂點高度為410 km.

圖4 不同太陽活動期間IP隨月份的變化

圖5給出在不同太陽活動期間，參數(shù)IrP隨月份的變化.圖5（a）為太陽活動高年（2001年），圖5（b）為太陽活動低年（2005年）.磁力線頂點高度為410 km.

圖5 不同太陽活動期間，IrP隨月份的變化

由圖4和圖5可以看到，參數(shù)IrP和IrP隨月份變化的趨勢與IN隨月份的變化趨勢一致.太陽活動高年期間，IrP和IrP隨月份變化的趨勢與圖2所示的不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨月份的變化趨勢［17］相反；太陽活動低年，IrP和IrP隨月份變化的趨勢與不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨月份的變化趨勢一致.

由圖4和圖5還可以看到，相比IrP，IP的值較大.這表明ΣP的半球不對稱特征較的半球不對稱特征更為顯著.另外，IP和IrP隨月份的變化存在一些差異，這意味著E區(qū)積分Pedersen電導率可能也存在不對稱.由于EIA和半球不對稱分布的電離密度可能產(chǎn)生一個局地的風場，導致E區(qū)電導率增強，導致E區(qū)積分Pedersen電導率呈現(xiàn)不對稱，使得IP和IrP的變化規(guī)律存在一些差異.

2.2.2 逐年變化

圖6給出不同季節(jié)，參數(shù)IP、IrP在一個太陽活動周期內(nèi)（1997—2007年）隨太陽活動的變化.黑實線為春季（3月）、紅色點虛線為夏季（6月）、黑虛線為秋季（9月）、藍色雙點虛線為冬季（12月）.磁力線頂點高度為410km.

圖6 不同季節(jié)參數(shù)IP、IrP隨太陽活動的變化

由圖6可以看到，在不同季節(jié)，參數(shù)IP和IrP隨太陽活動變化的趨勢不同.與不規(guī)則結構和閃爍活動的出現(xiàn)率也不同.在3月和9月，IP和IrP隨太陽活動的變化趨勢與不規(guī)則結構的出現(xiàn)率隨太陽活動變化的趨勢［18］相反；在6月和12月，IP隨太陽活動的變化趨勢與不規(guī)則結構的出現(xiàn)率隨太陽活動變化的趨勢一致.但是，在6月和12月，IrP隨太陽活動的變化不是很明顯，與不規(guī)則結構的出現(xiàn)率似乎沒有關系.這也意味著當積分Pedersen電導率不對稱特征越顯著時，不規(guī)則結構的出現(xiàn)率越低.

2.3 討 論

南-北半球電子密度的不對稱可能對R-T不穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進而影響不規(guī)則結構（ESF）和閃爍活動隨季節(jié)和太陽活動的變化.導致電子密度的南北不對稱的主要因素就是中性風場和磁偏角，因此，電子密度的不對稱特征也能間接反映出中性風場和磁偏角對等離子體不穩(wěn)定性存在影響.

由圖1和圖3～5可以看出，分別表征積分電子密度和積分Pedersen電導率半球不對稱強度的參數(shù)IN和IP存在隨太陽活動和季節(jié)的變化，與不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨太陽活動和季節(jié)的變化規(guī)律存在顯著相關.在太陽活動高年期間，IN和IP隨月份的變化與不規(guī)則結構出現(xiàn)率的變化規(guī)律相反，這與實驗觀測到的結果一致.在太陽活動低年期間，IN和IP隨月份的變化與不規(guī)則結構出現(xiàn)率的變化規(guī)律相同.這可能是由于在不同太陽活動和不同季節(jié)期間，中性風場對背景電離層的影響不同.此外，導致電子密度的半球不對稱還有其他因素，如日落時間、磁傾角等［20］，這些因素對電子密度的半球不對稱分布強度也可能會存在影響.

基于電子密度的不對稱分布強度和Pedersen電導率的不對稱分布強度與不規(guī)則結構的出現(xiàn)率存在聯(lián)系，可以考慮用參數(shù)IN和IP進行ESF和閃爍活動出現(xiàn)率的預測.一些研究表明，EIA的強度與ESF的出現(xiàn)存在聯(lián)系［5］.表征EIA強度的不對稱性參數(shù)AF的值在沒有ESF出現(xiàn)的時候較大［9］.當利用TEC得到的EIA及其強度的不對稱對ESF出現(xiàn)率進行預測時，準確率可達85%［9，12］.因此，當考慮利用積分電子密度和積分Pedersen電導率的不對稱強度對ESF和閃爍出現(xiàn)率進行預測時，需要進一步的工作將各種實驗觀測結果與理論計算結果進行對比研究建模.

3 結 論

本文首次根據(jù)電離層經(jīng)驗模型計算得到表征沿通量管積分的電子密度、Pedersen電導率以及F區(qū)Pedersen電導率與E區(qū)和F區(qū)Pedersen電導率之和的比值的不對稱強度的參數(shù)IN、IP和IrP，分別計算分析了IN、IP和IrP隨季節(jié)和太陽活動的變化規(guī)律，并與閃爍活動的出現(xiàn)率規(guī)律進行了比較.根據(jù)理論和計算分析，本文的結果可總結如下:

1）積分電子密度的不對稱性特征參數(shù)IN的不對稱性特征參數(shù)IP和的不對稱性特征參數(shù)IrP存在隨季節(jié)和太陽活動的變化.

2）IN、IP和IrP與閃爍活動的出現(xiàn)率相關，相關關系隨季節(jié)和太陽活動變化.在太陽活動高年，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化相反；在太陽活動低年，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化一致.在兩分點期間，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化相反；在兩至點期間，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結構出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化一致.

3）IN和IP可作為一種應用于電離層閃爍預報／現(xiàn)報系統(tǒng)中的預報指數(shù).

對于IN和IP應用于閃爍預報，需要結合更多的實驗觀測數(shù)據(jù)加以修正和完善，這也將在今后的研究工作中展開.

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