吳佳姝，徐良

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430072

1 引言

劇烈的太陽活動可能引起磁暴，使地球空間環(huán)境發(fā)生強烈擾動.伴隨著磁暴的發(fā)生，在全球范圍內(nèi)電離層各層都相繼出現(xiàn)劇烈的變化，表現(xiàn)為電子密度、F2層臨界頻率和總電子含量等電離層參量對平靜日均值的顯著偏離，即電離層暴.電離層暴的研究已經(jīng)超過了50年，人們對電離層暴的理解越來越深入，其間出現(xiàn)了不少優(yōu)秀的綜述性文章（比如，Matsushita，1959；Obayashi，1964；Duncan，1969；Matuura，1972；Fuller－Rowell et al.，1994；Pr?lss，1995；Abdu，1997；Buonsanto，1999；Rishbeth and Mendillo，2001；Mendillo，2006；Danilov，2013），也有大量個例研究（比如，Essex et al.，1981；Batista et al.，1991；Burns et al.，1995；Hanumath Sastri et al.，2000；Mannucci et al.，2005；Sreeja et al.，2009）.還有一些暴時電離層響應(yīng)的統(tǒng)計研究，比如，Balan和Rao（1990）利用TEC和Nmax數(shù)據(jù)，針對磁暴急始發(fā)生的地方時和磁暴強度，研究了1968—1972年間60多個磁暴事件的中低緯電離層響應(yīng)；高琴等人（2008）基于1957—2006年間F2層臨界頻率的觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了東亞扇區(qū)515次磁暴期間中低緯度電離層暴的類型、起始時間、以及季節(jié)和地方時的分布特征；Vijaya Lekshmi等 （2011）對第22—23太陽活動周的磁暴和中低緯電離層暴進行了統(tǒng)計研究.鄧忠新等（2012）利用TEC擾動指數(shù)DI，提取并分析了中國地區(qū)電離層TEC擾動事件.

由于復(fù)雜的物理機制，比如電場、中性風(fēng)和成分變化，對于一個特定的暴，相應(yīng)的電離層擾動取決于很多因素，比如季節(jié)，地方時，地點和磁暴暴相等，這些因素使不同的電離層暴之間有很大區(qū)別.在早期的電離層暴研究中，Seaton（1956）提出F層負暴是由增加的中性大氣分子成分導(dǎo)致β型復(fù)合率增加所致.Duncan（1969）提出高緯能量輸入導(dǎo)致的熱層環(huán)流是引起暴時響應(yīng)的原因.之后，一些學(xué)者（e.g.Mayr and Volland，1973；Matuura，1972）將太陽驅(qū)動的靜日環(huán)流考慮進來，對Duncan（1969）的理論進行了補充.關(guān)于暴時環(huán)流的模型由Burns等（1989，1991，1995）和Fuller－Rowell等 （1994，1996）建立.Burns等 （1995）對暴時等離子體垂直漂移進行了詳細研究，但是還沒建立關(guān)于垂直運動和成分改變的關(guān)系.Fuller－Rowell等（1996）和 Field等（1998）提出正負暴可能都是由成分改變引起，他們將暴時和靜日的電子密度和O／N2用一個簡單的等式表達.中、低緯電離層負暴的產(chǎn)生主要是由于熱層大氣成分的改變，即熱層氮分子濃度的升高和氧原子濃度的降低，使得化學(xué)復(fù)合過程加快 （e.g.，Pr?lss，1995；Fuller－Rowell et al.，1994）.中、低緯電離層正暴的產(chǎn)生主要源于暴時赤道向中性風(fēng)的化學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的復(fù)合過程的迅速減慢和下行等離子體擴散（Pr?lss and Jung，1978；Balan et al.，2010，2011a），以及增強的即時東向穿透電場導(dǎo)致的赤道等離子體噴泉的快速增強 （e.g.，Mannucci et al.，2005；Balan et al.，2009）.中、高緯電離層正暴的產(chǎn)生主要源于亞極光電場的增強和赤道向膨脹 （Foster，1993；Heelis et al.，2009）.磁暴主相期間赤道地區(qū)的即時東向穿透電場與更高緯度的效果相反（e.g.，Batista et al.，1991；Balan et al.，2011b）.

以往的統(tǒng)計研究表明電離層正、負暴依賴于地方時、季節(jié)和緯度.在中、低緯度，對所有季節(jié)，主相發(fā)生在夜間的磁暴，通常導(dǎo)致電離層負暴；主相發(fā)生在白天（尤其是上午—中午）的磁暴，通常在冬季和春秋季導(dǎo)致電離層正暴，在夏季導(dǎo)致先正暴后負暴.也有不少電離層暴與上述一般特征存在較大差異（e.g.，Balan and Rao，1990；Pr?lss，1995；Mendillo，2006）.地磁和地理赤道的傾斜導(dǎo)致即使在地磁共軛的地方，電離層暴也有顯著不同的特征（e.g.，Mendillo and Narvaez，2009，2010）.赤道和高緯電離層的暴時響應(yīng)通常表現(xiàn)出相反的特征（e.g.，Hanumath Sastri et al.，2000；Sreeja et al.，2009；Huang et al.，2010）.由于電離層暴緯度效應(yīng)比較明顯，也有一些學(xué)者針對特定緯度區(qū)域的電離層暴形態(tài)進行了研究和分析（Balan et al.，2010；Belehaki and Tsagouri，2002）.本文利用 Madrigal數(shù)據(jù)庫的TEC數(shù)據(jù)對2001—2010年間的156次單主相型磁暴事件，統(tǒng)計分析了歐洲扇區(qū)從赤道到極光帶共5個緯度區(qū)域的電離層暴特征，包括電離層暴類型隨緯度、季節(jié)、磁暴暴相和地方時的分布特征，以及電離層暴開始時間的地方時分布特征.

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 磁暴事件選取

本文首先以SYM－H指數(shù)最小值小于－50nT為標準選出2001—2010年間的所有磁暴事件，共243次，然后利用Kamide等 （1998）提出的對磁暴主相發(fā)展形態(tài)的判斷方法，剔除主相分兩步發(fā)展的磁暴.Kamide等人認為，主相分兩步發(fā)展的磁暴應(yīng)同時滿足下列條件：（1）兩個主相期間環(huán)電流指數(shù)的恢復(fù)程度不得大于第一個主相下降幅度的0.9倍；（2）兩個主相極大的時間間隔大于3h.我們將滿足條件1而不滿足條件2的磁暴事件看作是單主相磁暴；滿足條件2而不滿足條件1的事件看作是兩次獨立的磁暴事件，因為前一個磁暴的恢復(fù)相已足夠充分.同時滿足條件1和2的磁暴對應(yīng)磁暴主相期間有兩次磁層能量注入過程，對電離層響應(yīng)可能會造成疊加效應(yīng)（Tsagouri et al.，2000），本文不予考慮.這樣挑選出2001—2010年間的156次單主相型磁暴事件.

2.2 電離層暴的判斷方法

本文的TEC數(shù)據(jù)來源于Madrigal數(shù)據(jù)庫提供的網(wǎng)格化的全球垂直TEC，空間分辨率1°，時間分辨率5min.為研究磁暴期間不同緯度電離層暴的分布特征，本文通過對2001—2010年間的TEC數(shù)據(jù)缺失情況進行統(tǒng)計，選取了臺站相對密集、數(shù)據(jù)缺失較少、相同經(jīng)度、不同緯度的5個網(wǎng)格.表1列出了5個網(wǎng)格的地理經(jīng)緯度和地磁經(jīng)緯度.

表1 本文選取的5個網(wǎng)格的地理經(jīng)緯度和地磁經(jīng)緯度Table 1 Geographic and geomagnetic coordinates of the 5selected grids

對地磁坐標而言，5個網(wǎng)格覆蓋了赤道地區(qū)（－4.3°N）、低緯地區(qū)（25.6°N）、中緯地區(qū)（39.5°N）、亞極光區(qū)（57°N）和極光橢圓帶（72.4°N）.由于單一網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)存在一定量的缺失，且文中不考察電離層暴的經(jīng)度效應(yīng)，因此文中以每個網(wǎng)格點為中心，東西各擴展7°，南北各擴展2°，對TEC取空間平均作為網(wǎng)格點中心的數(shù)據(jù).由于電離層暴的判斷依據(jù)之一是擾動持續(xù)時間超過3h，為了排除快速TEC擾動對電離層暴判別可能造成的影響，本文忽略30min以內(nèi)的短時TEC變化，對TEC數(shù)據(jù)進行30min時間平均，由此得到TEC日變化序列.

電離層TEC不僅存在日變化，還存在顯著的逐日變化.為了較準確地考察暴時TEC響應(yīng)，需要盡可能消除TEC逐日變化的影響.此前，不同的研究者曾采用過多種方法.比如，F(xiàn)edrizzi等（2005）以磁暴前一天和后一天的平均日變化或把離磁暴日最鄰近的兩個靜日的平均日變化作為靜日參考，高琴等（2008）和鄧忠新等（2012）將磁暴日為中心的27天滑動中值作為靜日參考，Vijaya Lekshmi等（2011）以暴前7天的平均日變化作為靜日參考.本文借鑒前人的方法，選取磁暴前后各15天，以地磁活動指數(shù)為判據(jù)作為靜日選取標準：（1）SYM－H指數(shù)最小值不低于－50nT；（2）一天之中8個Kp指數(shù)之和小于20，在磁暴前后共30天里同時滿足上述2個條件才被選為靜日.在本文統(tǒng)計的所有磁暴事件中，依據(jù)上述條件選出的靜日天數(shù)都不少于7天.電離層暴的判定標準參考Vijaya Lekshmi等（2011）的方法，首先計算每個磁暴事件的TEC靜日平均日變化，然后將暴時TEC日變化與靜日平均日變化相減，差值超出靜日均值的25%且持續(xù)時間超過3h視為電離層暴，正向超出為正暴，負向超出為負暴.在一次磁暴事件中，只出現(xiàn)電離層正暴記為P型；只出現(xiàn)電離層負暴記為N型；先出現(xiàn)正暴再出現(xiàn)負暴記為PN型，先出現(xiàn)負暴再出現(xiàn)正暴記為NP型，沒有電離層暴發(fā)生記為NS型.圖1給出5種電離層暴類型的示例，圖中實線為暴時TEC日變化，虛線為靜日平均日變化.

圖1 5種電離層暴類型的示例（實線為暴時，虛線為靜日平均）Fig.1 Examples of 5types of ionospheric storms

3 統(tǒng)計結(jié)果

本文首先對磁暴主相急始（Main Phase Onset，MPO）的地方時進行了統(tǒng)計.磁暴 MPO表現(xiàn)為SYM－H指數(shù)開始大幅度下降，也就是磁層環(huán)電流開始迅速增長，標志著與磁暴相關(guān)的極區(qū)能量注入增強.圖2給出156次磁暴MPO隨地方時的分布.可以看出，在歐洲扇區(qū)，磁暴 MPO在白天，尤其是8—16LT分布較少，數(shù)據(jù)表明MPO地方時在白天（06—18LT）和夜間（18—06LT）的次數(shù)分別為65和91，夜間顯著多于白天.

圖2 磁暴MPO隨地方時分布Fig.2 Local time dependence of the MPO of geomagnetic storms

3.1 磁暴事件與電離層暴次數(shù)的總體統(tǒng)計

表2給出不同強度磁暴事件中5個緯度地區(qū)電離層暴次數(shù)的總體統(tǒng)計.本文所選取的磁暴事件共156個，但在不同緯度帶，個別磁暴事件存在TEC數(shù)據(jù)缺失，無法統(tǒng)計其電離層暴特征，所以5個緯度帶計入統(tǒng)計的總磁暴事件數(shù)目有略微差異，在表2中用粗體標出.總體上看，與Vijaya Lekshmi（2011）的結(jié)果相比，除亞極光區(qū)外（60°N），其他4個緯度區(qū)域的NS型響應(yīng)，也就是不發(fā)生電離層暴的次數(shù)都偏高.電離層暴總體次數(shù)偏低可能與磁暴 MPO的地方時在夜間多于白天有一定關(guān)系.此前，我們曾統(tǒng)計過不同經(jīng)度扇區(qū)的中緯度電離層暴特征，發(fā)現(xiàn)磁暴MPO在夜間較多的經(jīng)度扇區(qū)，中緯度發(fā)生電離層暴的次數(shù)少于磁暴MPO在白天較多的經(jīng)度扇區(qū).

通過考察5個緯度區(qū)域的TEC日變化特征，我們發(fā)現(xiàn)，與其他3個緯度相比，5°N和75°N的TEC快速起伏更顯著.圖3給出2次磁暴事件的TEC日變化特征示例，由圖可見，中、低緯度與亞極光區(qū)的TEC日變化相對平緩，而赤道與極光帶的TEC日變化存在顯著的快速起伏，赤道與極光帶TEC日變化的快速起伏可能與這2個緯度歐洲扇區(qū)的IGS臺站分布稀疏有關(guān)，臺站稀疏可能導(dǎo)致在由斜TEC計算垂直TEC以及TEC數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化處理過程中帶來更大的偏差.此外，赤道與極光帶是發(fā)生電離層閃爍最頻繁的地區(qū)，而電離層閃爍也有可能造成TEC的快速起伏.

本文的電離層暴判據(jù)采用的是Vijaya Lekshmi（2011）的方法，即暴時TEC擾動超出靜日均值的25%且持續(xù)時間超過3h.赤道和極區(qū)TEC日變化的快速起伏可能導(dǎo)致這兩個地區(qū)暴時TEC擾動超出靜日均值的25%且持續(xù)3h的條件不容易滿足，從而導(dǎo)致計入統(tǒng)計的正負暴數(shù)量變少，不出現(xiàn)電離層暴的次數(shù)增加.本文也計算了5個緯度區(qū)域磁靜日的TEC逐日變化標準差的平均水平，結(jié)果表明，按緯度從低到高排列，5個緯度的TEC逐日變化標準差的平均水平分別為26.4%，17.8%，14.5%，22.0%和28.7%.35°N 和45°N 兩個緯度 TEC逐日變化標準差的平均水平只有17.8%和14.5%，以暴時TEC擾動超出靜日均值的25%為條件可能導(dǎo)致這兩個緯度電離層暴的統(tǒng)計次數(shù)偏低.為了對比，我們以TEC擾動超出靜日均值的15%且持續(xù)時間超過3h對電離層暴次數(shù)也做了統(tǒng)計，結(jié)果表明，35°N和45°N兩個緯度不出現(xiàn)電離層暴的次數(shù)減少最顯著，分別減到9和13，與Vijaya Lekshmi（2011）的結(jié)果相比，不出現(xiàn)電離層暴的比例似乎又太低了.以上分析說明，要準確判斷電離層暴事件，需要考慮的因素較多，本文后續(xù)的有關(guān)電離層暴類型的統(tǒng)計仍然采用Vijaya Lekshmi（2011）的電離層暴判據(jù).

表2 不同緯度電離層暴次數(shù)的總體統(tǒng)計Table 2 Total numbers of ionospheric storms in different latitudes

圖3 2次磁暴事件的TEC日變化特征示例Fig.3 Examples of TEC diurnal variations during 2geomagnetic storms

3.2 五種類型電離層暴的季節(jié)分布特征

首先按月份統(tǒng)計了磁暴事件中不同緯度的5種電離層暴類型的次數(shù).如圖4所示，圖中5列從左到右緯度依次升高，上圖對應(yīng)P型暴和PN型暴，分別用灰色和黑色表示，中圖對應(yīng)N型暴和NP型暴，分別用灰色和黑色表示，下圖對應(yīng)的是NS型，也就是不發(fā)生電離層暴.由圖4可以看出，正暴在赤道和低緯地區(qū)（磁緯25.6°N）主要分布在春秋季，發(fā)生次數(shù)的峰值在4月和9、10月份，冬季有少量正暴，夏季正暴極少；正暴在亞極光區(qū)和極光帶主要分布在秋末冬初，峰值在10—12月，春季有少量正暴，夏季幾乎沒有正暴；正暴在中緯度主要分布在秋末冬初，峰值在10—12月，其他季節(jié)差異不明顯，夏季相對較少.PN型暴在赤道地區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)極少；在極光帶PN型暴的分布與正暴分布非常相似，只是次數(shù)明顯減少；在其余緯度地區(qū)，PN型暴的分布與正暴分布相近，即春秋季次數(shù)較多，只是夏季PN型暴的比例較正暴有所增加.負暴在赤道和中、低緯地區(qū)分布基本相似，峰值在7、8月份，但從3月到10月都有；負暴在亞極光區(qū)多了一個4月份的峰值，比7月的峰值還要大，而且秋季次數(shù)顯著增多；負暴在極光帶的分布與其他4個緯度差異明顯，峰值在4月和10月，夏季發(fā)生次數(shù)明顯減少.NP型暴在所有緯度的發(fā)生次數(shù)都非常少.NS型響應(yīng)的主要分布特征是所有緯度上冬季較少，中、低緯地區(qū)的峰值在4月和10月，其他3個緯度在7月也有峰值，尤其是極光帶，7月次數(shù)最多.

為了更好地統(tǒng)計電離層暴的季節(jié)特征，我們將月份進行合并，將一年12個月按季節(jié)分成三個部分，其中5月至8月代表夏季，11月至次年2月代表冬季，3、4月和9、10月代表春秋季.圖5給出不同緯度、不同電離層暴類型的季節(jié)分布特征，5幅子圖自上而下緯度依次升高，電離層暴類型用顏色區(qū)分，橫軸的“Total”代表不分季節(jié)，‘Winter’、‘Equinox’和‘Summer’分別代表冬季、春秋季和夏季.

如果不分季節(jié)，正暴發(fā)生次數(shù)的緯度差異非常明顯，在赤道地區(qū)最多，且隨著緯度升高發(fā)生次數(shù)遞減.負暴在亞極光區(qū)和極光帶最多，45°N的負暴發(fā)生次數(shù)減少將近一半，赤道和低緯地區(qū)的負暴次數(shù)還不及亞極光區(qū)和極光帶的一半.在中、低緯度和亞極光區(qū)有一定數(shù)量的PN型暴，赤道和極光帶的PN型暴較少.NP型暴在所有緯度都很少發(fā)生.NS型響應(yīng)的統(tǒng)計情況在3.1節(jié)已有討論.

從不同季節(jié)來看，冬季極光帶正、負暴數(shù)量相當，其他緯度均以正暴為主，負暴極少，亞極光區(qū)和極光帶冬季有一定數(shù)量的PN型暴，在更低緯度上冬季PN型暴很少，冬季NS型響應(yīng)在極光帶最少，在中、低緯度最多.春秋季的電離層暴類型分布與不分季節(jié)的分布特征相似.夏季中、低緯地區(qū)的正、負暴數(shù)量差不多，赤道地區(qū)負暴多于正暴，同時存在一定數(shù)量的PN型暴，亞極光區(qū)和極光帶的夏季幾乎全是負暴，沒有孤立的正暴發(fā)生，但有少量PN型暴.

高琴等人（2008）對東亞扇區(qū)四個緯度地區(qū)上的電離層正負暴隨季節(jié)分布的統(tǒng)計結(jié)果與本文的結(jié)果有相似的趨勢，冬季正暴數(shù)量較多，夏季負暴數(shù)量居多，春秋季低緯地區(qū)正暴較多，較高緯度上負暴較多，低緯地區(qū)正暴較多.與本文不同的是，高琴等人所統(tǒng)計的 TO 站（35.7°N，139.5°E）在夏季負暴數(shù)量略多于正暴，而本文所統(tǒng)計的歐洲扇區(qū)相近緯度區(qū)域（35°N，10°E）夏季正暴的數(shù)量略多于負暴，一方面可能由于高琴等人（2008）與本文關(guān)于電離層暴的判斷方法有一定差異（見2.2節(jié)），另一方面不同經(jīng)度扇區(qū)也可能存在地域性差異.

3.3 主相和恢復(fù)相期間電離層正負暴的季節(jié)分布特征

因為電離層暴發(fā)生在主相和恢復(fù)相的機制可能有所不同，所以我們分別對電離層暴開始時間發(fā)生在主相和恢復(fù)相的情況進行了分類統(tǒng)計，如圖6所示，5行自上而下的緯度依次增加，左右兩列分別為主相和恢復(fù)相期間的正負暴發(fā)生次數(shù)，每幅子圖的橫軸從左至右依次為冬季、春秋季和夏季.

主相期間，冬季所有緯度都以正暴居多，負暴極少發(fā)生；春秋季赤道和中、低緯地區(qū)正暴顯著多于負暴，亞極光區(qū)正、負暴數(shù)量相當，極光帶負暴多于正暴，正、負暴比例基本上隨緯度上升而減少；夏季中、低緯地區(qū)正暴顯著多于負暴，亞極光區(qū)負暴顯著多于正暴，極光帶全是負暴，整體趨勢是正、負暴比例隨緯度降低而增加，但赤道地區(qū)不符合整體趨勢，呈現(xiàn)負暴顯著多于正暴的特征.

恢復(fù)相期間，冬季赤道地區(qū)正暴顯著多于負暴，中、低緯地區(qū)正暴略多于負暴，亞極光區(qū)和極光帶負暴多于正暴，整體趨勢是負暴數(shù)量隨緯度上升而增加，正暴數(shù)量隨緯度上升而減少，例外在于極光帶正暴數(shù)量與更低緯度相比反而增加.春秋季赤道地區(qū)正暴顯著多于負暴，其他都是負暴多于正暴，整體趨勢是正暴數(shù)量隨緯度上升而減少，負暴數(shù)量隨緯度上升而增加.夏季所有緯度都是負暴多于正暴，中、高緯度幾乎沒有正暴發(fā)生.

以前的研究結(jié)果顯示，在主相期間，中緯度地區(qū)在除冬季外所有季節(jié)均以負暴居多，低緯地區(qū)在所有季節(jié)均以正暴居多（Mikhailov，2000）.Adeniyi（1986）對Ibadan（7.4°N，3.9°E）地區(qū)磁暴主相期間NmF2變化的統(tǒng)計結(jié)果顯示，赤道地區(qū)的正暴在春季發(fā)生的次數(shù)最多，在夏季次數(shù)最小，這與本文赤道地區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果的趨勢相近.與本文不同的是，Adeniyi（1986）的統(tǒng)計結(jié)果顯示，雖然正暴在夏季出現(xiàn)的次數(shù)是所有季節(jié)中最少的，但夏季正暴的數(shù)量依然多于負暴.而本文赤道地區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果表明，主相期間夏季明顯以負暴居多，恢復(fù)相期間正負暴數(shù)量相當.Adeniyi（1986）認為恢復(fù)相開始時間有時難以確定，這是可能導(dǎo)致其結(jié)果與本文有差異的部分原因.

圖6 主相和恢復(fù)相期間不同緯度電離層正、負暴的季節(jié)特征Fig.6 Seasonal dependence of positive and negative storms during main phase and recovery phase

Stankov等（2010）對中緯度地區(qū)磁暴期間TEC響應(yīng)的研究結(jié)果顯示，不同季節(jié)TEC均顯示出先增大后減小的趨勢，這與本文主相期間正暴居多，恢復(fù)相期間負暴居多的結(jié)果相似.此外，Stankov等（2010）的研究結(jié)果顯示不同季節(jié)TEC由正暴變?yōu)樨摫┑臅r間不同.夏季和春秋季TEC正暴出現(xiàn)的時間很早，甚至可能在地磁暴前24hTEC就開始增大，在主相結(jié)束前變?yōu)樨摫?而冬季正暴開始的較晚（磁暴前6h），但可以持續(xù)至恢復(fù)相期間.本文中緯度地區(qū)冬季恢復(fù)相期間正負暴數(shù)量相當，可能就是因為TEC在恢復(fù)相期間變成由正暴變成負暴，而其他季節(jié)TEC在主相結(jié)束前就已經(jīng)開始負暴，所以恢復(fù)相期間負暴占絕大多數(shù).

3.4 電離層暴隨磁暴MPO地方時分布

考慮到磁暴MPO發(fā)生在不同地方時可能會導(dǎo)致電離層有不同的響應(yīng)，我們對電離層暴隨 MPO地方時的分布進行了統(tǒng)計.前文的結(jié)果表明，與正、負暴相比，PN型暴數(shù)量較少，NP型暴則極少發(fā)生.相對而言，我們更關(guān)心正暴和負暴的分布特征，因此將正暴與PN型暴一起看作電離層首次響應(yīng)為正暴，負暴與NP型暴一起看作電離層首次響應(yīng)為負暴，進而統(tǒng)計出MPO在不同地方時的電離層首次響應(yīng)的分布特征.如圖7所示，5行自上而下緯度依次上升，灰色代表電離層的首次響應(yīng)為正暴，黑色代表電離層首次響應(yīng)為負暴.

由圖7可以看出，電離層首次響應(yīng)為負暴的分布規(guī)律較明顯，負暴多發(fā)生于磁暴MPO地方時的夜間，尤其是中、低緯度，MPO地方時的白天極少發(fā)生負暴.正暴的分布相對分散，赤道地區(qū)正暴多發(fā)生于MPO地方時的日出和日落前后，MPO地方時在午夜前也有一個高峰；中、低緯地區(qū)正暴多發(fā)生于MPO地方時的白天；亞極光區(qū)正暴多發(fā)生于MPO地方時的日落以后；極光帶正暴數(shù)量相對較少，隨MPO地方時的分布規(guī)律不明顯.

之前很多研究中提到中緯地區(qū)的負暴通常伴隨夜間強地磁活動出現(xiàn)，而正暴通常和日間的地磁活動相聯(lián)系.該規(guī)律在本文低緯地區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果中也有體現(xiàn).但不同研究對于正負暴隨磁暴地方時分布的峰值結(jié)論并不相同.在Vijaya Lekshmi等（2011）的統(tǒng)計結(jié)果中，Kokubunji（35.7°N，139.5°N）及Boulder（40.0°，254.7°E）兩地的正暴均在磁暴 MPO位于09—10LT時段出現(xiàn)的最為頻繁.Balan和Rao（1990）對低緯Hawaii（19.7°N，156°W）和中緯 Hamilton（38.7°N，70°W）兩個地區(qū)電離層暴隨磁暴SSC地方時分布的統(tǒng)計結(jié)果顯示，低緯地區(qū)正暴在SSC位于09LT時出現(xiàn)的次數(shù)最多，負暴主要出現(xiàn)在18LT時，中緯地區(qū)正暴多發(fā)生在SSC位于15LT時，負暴在SSC位于00LT時出現(xiàn)非常頻繁.Balan和Rao（1990）認為他們結(jié)果中兩個地區(qū)正負暴出現(xiàn)的峰值均相差6h，主要是由這兩個地區(qū)經(jīng)度不同引起.文本低緯地區(qū)的正暴在7LT及17—18LT的出現(xiàn)次數(shù)達到峰值，這可能也有部分原因是本文計入統(tǒng)計的磁暴MPO在這兩個時段出現(xiàn)的較多（見圖2）.但從正負暴的比例來看，低緯地區(qū)的負暴在8—16LT時段內(nèi)極少出現(xiàn)，正暴占主導(dǎo)地位.

圖7 不同緯度的電離層首次響應(yīng)隨磁暴MPO地方時的分布特征Fig.7 Dependence of the first ionospheric responses on the local time of MPO

3.5 電離層暴開始時間的地方時分布

發(fā)生磁暴以后，電離層何時開始有顯著響應(yīng)，也就是電離層暴的開始時間一直是人們關(guān)心的問題（高琴等，2008；Meléndez et al.，2005）.本文對5個緯度電離層暴開始時間的地方時分布進行了統(tǒng)計，如圖8所示，自上而下緯度依次上升，灰色代表正暴，黑色代表負暴.由圖8可以看出，正、負暴開始時間有明顯的緯度差異.赤道地區(qū)正暴開始時間多出現(xiàn)在日落前后，少量正暴出現(xiàn)在午夜后，白天很少發(fā)生；中、低緯度正暴開始時間多出現(xiàn)在白天，19點前后也有一個峰值，夜間很少發(fā)生，這與高琴等人（2008）的結(jié)果一致；亞極光區(qū)正暴開始時間多出現(xiàn)在20—01LT之間，10LT也有一個高峰，其他時段很少發(fā)生；極光帶正暴多出現(xiàn)在12—18LT之間.赤道地區(qū)負暴開始時間集中在19—01LT，其他時段很少出現(xiàn)；低緯地區(qū)負暴開始時間在日出和日落后有2個高峰，其他時段分布相對均勻；中緯地區(qū)的顯著特征是負暴很少出現(xiàn)在9—17LT和午夜前，其他時段相對均勻；亞極光區(qū)與極光帶也有類似特征，亞極光區(qū)負暴在9—14LT和午夜前后很少出現(xiàn)，極光帶負暴在12—17LT和午夜前后很少出現(xiàn).這一現(xiàn)象與以往研究得到的所謂中緯度‘時間禁區(qū)’相似（王勁松和肖佐，1994），但本文統(tǒng)計得到的‘時間禁區(qū)’時段比 Meléndez等人（2005）給出的時段更寬，且不同緯度也有一定差異.

4 討論

圖8 電離層暴開始時間隨地方時的分布Fig.8 Local time dependence of the onset of ionospheric storms

到20世紀末，人們已經(jīng)對電離層暴做了大量深入的研究，對電離層暴的產(chǎn)生提出了多種可能的機制.Danilov（2013）在其電離層暴綜述文章中指出，2000年之后，幾乎沒有提出有關(guān)電離層暴的形態(tài)學(xué)和機制方面的新觀點.近10余年來，利用TEC數(shù)據(jù)進行暴時電離層行為的研究（比如：Mendillo，2006；Zhao et al.，2012等）以及利用日益先進的數(shù)值模式模擬暴時電離層響應(yīng)（比如：Lin et al.，2005；Balan et al.，2013等）是電離層暴研究進展的2個重要方面.近年來有不少有關(guān)電離層暴的觀測或數(shù)值模擬的個例研究，對中性成分改變、穿透電場、擾動發(fā)電機電場和中性風(fēng)場等多種已提出的電離層暴機制進行深入考察，研究表明不同機制的相對重要性可能隨季節(jié)、經(jīng)緯度、地方時不同而變化（Lin et al.，2005；Wang et al.，2010；Liu et al.，2013；Lei et al.，2014）.

電離層暴與地磁暴相聯(lián)系，是大量能量向高層大氣輸入的結(jié)果.磁暴期間電離層的行為屬性強烈地受同時發(fā)生的熱層暴的影響，即由于中性風(fēng)和成分的變化導(dǎo)致電離生成率和消失率的改變.被改變了的電子密度反過來改變離子對中性氣體的拖曳.擾動的中性風(fēng)通過擾動發(fā)電機還導(dǎo)致F層電場.這些電場使等離子體重新分布，也會影響生成率和消失率.由于離子和中性氣體之間緊密的耦合，不考慮相應(yīng)的熱層暴理解電離層暴是不可能的，反之亦然.

本文3.2節(jié)給出不同緯度電離層暴類型的季節(jié)分布特征，結(jié)果表明，電離層負暴隨緯度分布的總體特征是極光帶最多，隨著緯度降低負暴數(shù)量越來越少（圖4和圖5）.這可以用以往研究得出的負暴產(chǎn)生機制，即成分擾動帶的理論來解釋（e.g.，F(xiàn)uller－Rowell et al.，1994；Pr?lss，1995）.極區(qū)焦耳加熱引起中性大氣膨脹，快速膨脹引起的上升流，即空氣跨越等壓面的運動，進一步導(dǎo)致對擴散平衡的偏離和平均分子質(zhì)量的增加，即原子氧對分子氧和分子氮密度比例的減小，電離復(fù)合率上升.膨脹還引起壓強梯度，改變?nèi)驘釋迎h(huán)流.增強的朝赤道風(fēng)把成分的變化輸運到較低緯度區(qū)域，以致人們觀測到的平均分子質(zhì)量增大的成分擾動帶，從高緯一直延伸到中低緯，可能導(dǎo)致大范圍的電離層負暴.然而成分擾動帶向低緯傳播的范圍有限，極區(qū)焦耳加熱越顯著，能到達的緯度越低，因此極光帶負暴最顯著，隨著緯度降低，成分擾動帶逐漸削弱，負暴也相應(yīng)減少.

進一步分析負暴的季節(jié)分布特征可知，冬季負暴數(shù)量明顯少于夏季（圖5）.這是因為成分擾動帶還受背景大氣環(huán)流的影響.北半球冬季的極向背景大氣環(huán)流很強，限制成分擾動帶向低緯的傳播，因此冬季除了極光帶，其他緯度負暴都非常少，而北半球夏季的背景大氣環(huán)流是赤道向，有助于成分擾動帶向低緯的傳播，甚至跨過赤道，因此，相對其他季節(jié)，夏季負暴較多.春秋季背景大氣環(huán)流也是極向，但不如冬季顯著，因此負暴數(shù)量比冬季多，但緯度越低，負暴越少.

本文3.3節(jié)分別給出主相與恢復(fù)相期間電離層暴類型的統(tǒng)計特征，結(jié)果表明，磁暴主相和恢復(fù)相期間電離層暴的一個典型特征是主相期間的正暴顯著多于恢復(fù)相期間，但有個例外是赤道地區(qū)恢復(fù)相期間正暴反而更多.這可以用Balan等（2010）提出的中、低緯地區(qū)的正暴機制解釋.主相期間，日側(cè)的東向穿透電場導(dǎo)致電離層抬升，這本是電離層正暴的主要機制，因為電離層被抬升到復(fù)合率較小的高度.但是主相期間，擾動風(fēng)場還來不及到達赤道地區(qū)，僅僅由東向穿透電場引起的抬升無法持續(xù).由于磁力線離開磁赤道向下傾斜，雙極擴散效應(yīng)使等離子體總是沿磁力線向著更高的緯度下沉，導(dǎo)致赤道上空電子密度耗空和TEC減小.到了恢復(fù)相，擾動風(fēng)場可以抑制等離子體的雙極擴散，引起持續(xù)的電離層抬升，使等離子體在赤道上空聚集，進而引起正暴，因此恢復(fù)相期間赤道地區(qū)正暴反而多于主相期間.此外，恢復(fù)相期間，來自南北極區(qū)的擾動風(fēng)場可能在赤道附近匯聚，壓縮等離子體導(dǎo)致電子密度增加，產(chǎn)生正暴（Belehaki and Tsagouri，2002）.Balan等（2013）利用數(shù)值模擬考察了穿透電場和風(fēng)場的作用以及化學(xué)成分的影響，結(jié)果表明，中性風(fēng)的下降流導(dǎo)致赤道地區(qū)的原子氧含量增加，同樣會導(dǎo)致赤道地區(qū)的正暴.而在中低緯地區(qū)，上升流和E×B的共同作用會在恢復(fù)相產(chǎn)生負暴.

3.5節(jié)的結(jié)果表明，中、低緯和赤道地區(qū)的負暴開始時間多出現(xiàn)在夜間到清晨時段（圖8），這可以部分歸因于成分擾動帶的傳播受地方時的影響.冬季和春秋季的背景大氣環(huán)流白天朝極，夜間則朝向赤道，與擾動風(fēng)場共同作用可以使成分擾動帶向低緯區(qū)擴展，隨著地球自轉(zhuǎn)，通常在午夜至清晨扇區(qū)才能到達較低緯度，因此負暴更多出現(xiàn)在這個時段.實際上3.4節(jié)中負暴多發(fā)生于磁暴MPO地方時的夜間的結(jié)果（圖7）也與該機制有關(guān)，如果磁暴MPO出現(xiàn)在地方時白天，冬季和春秋季的背景大氣環(huán)流都會抑制成分擾動帶向低緯傳播，因此不容易發(fā)生負暴.由圖8還可以看出，在赤道和中低緯地區(qū)，存在較長時間增強的黃昏正暴，尤其是赤道地區(qū)更為顯著.這種出現(xiàn)在黃昏時段的持續(xù)正暴被稱為‘黃昏效應(yīng)’，以往研究對黃昏效應(yīng)提出了一些可能的解釋.一些學(xué)者提出源于暴時極區(qū)能量輸入的TADs可導(dǎo)致增強的朝赤道中性風(fēng)，將電離抬升到復(fù)合率較小的區(qū)域，導(dǎo)致電子密度增高（Jones and Rishbeth，1971；Richmond and Matsushita，1975；Anderson，1976；Pr?lss and Jung，1978）.但也有學(xué)者提出 TADs缺少對黃昏效應(yīng)的地方時選擇性的解釋，并提出電場是必要的，而電場翻轉(zhuǎn)前增強恰好與黃昏效應(yīng)的地方時一致（Lanzerotti et al.，1975）.Foster（1993）利用非相干散射雷達的數(shù)據(jù)，表明黃昏效應(yīng)與源于較低緯度快速等離子體對流有聯(lián)系.

本文還考察了電離層暴開始時間對磁暴MPO的時間延遲情況，發(fā)現(xiàn)赤道地區(qū)正暴的延遲時間都在10h以上，而中、低緯度和亞極光區(qū)的正暴延遲時間多數(shù)在10h以內(nèi)，還有不少在5h以內(nèi)，這表明赤道地區(qū)正暴主要是擾動風(fēng)場的作用，中、低緯度和亞極光區(qū)的正暴可能是穿透電場和擾動風(fēng)場的聯(lián)合作用.

5 總結(jié)

本文利用Madrigal數(shù)據(jù)庫的TEC數(shù)據(jù)對2001—2010年間的156次單主相型磁暴事件，統(tǒng)計分析了歐洲扇區(qū)從赤道到極光橢圓帶5個緯度區(qū)域的電離層暴特征，包括電離層暴類型隨緯度、季節(jié)、磁暴暴相和地方時的分布特征，以及電離層暴開始時間的地方時分布特征，得到以下研究結(jié)果：

（1）電離層暴有明顯的緯度分布特征，正負暴出現(xiàn)次數(shù)的比例隨緯度的降低呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，但夏季赤道地區(qū)趨勢相反，正負暴比例比更高緯度反而降低；

（2）與主相相比，恢復(fù)相期間大部分緯度地區(qū)正暴數(shù)量減少，負暴數(shù)量增加，但赤道地區(qū)恢復(fù)相期間正暴數(shù)量反而增加；

（3）中低緯地區(qū)電離層暴隨磁暴MPO地方時分布特征明顯，正暴所對應(yīng)的MPO主要分布在白天，而MPO發(fā)生在夜間容易引起負暴；

（4）電離層負暴主要發(fā)生在夜間，中、高緯地區(qū)負暴的開始時間存在‘時間禁區(qū)’，但不同緯度‘時間禁區(qū)’的地方時分布有一定差異，正暴分布則相對分散.

本文結(jié)果表明電離層暴隨季節(jié)、磁暴暴相和地方時的分布特征都存在明顯的緯度差異，得到一些有意義的新結(jié)果，比如主相期間正暴顯著多于恢復(fù)相，但赤道地區(qū)卻是恢復(fù)相正暴更多；正負暴出現(xiàn)次數(shù)的比例隨緯度的降低呈現(xiàn)非常明顯的增加趨勢，但夏季赤道地區(qū)的正負暴比例比更高緯度的反而降低.文中對部分結(jié)果給出了合理的解釋和討論，也有些結(jié)果的原因還不明確，尚待進一步的研究.本文的統(tǒng)計研究，加深了對不同緯度電離層暴特征及其驅(qū)動機制的認識，對災(zāi)害性空間天氣預(yù)測有重要科學(xué)意義，并為不同緯度的暴時電離層建模提供了一些參考依據(jù).

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