赤道附近局地激发LS-TAD的事例观测

潘建宏，蔡红涛，谷骏，周康俊，罗逸楠，高顺组

武汉大学电子信息学院，武汉 430072

0 引言

电离层与热层的能量和动量交换是热层-电离层耦合研究中的重要内容之一.来自太阳风和磁层的能量进入热层高度后，通常在高纬热层形成能量堆积，激发大气重力波.大气重力波向上传播，在F区高度上表现为各种尺度的行进式大气扰动(Traveling Atmospheric Disturbances，TAD)(e.g.Hunsucker,1982;Hocke and Schlegel,1996).行进式电离层扰动(Traveling Ionospheric Disturbance,TID)被广泛理解为大气重力波的电离层印记(Hines,1960).其中，大尺度(>1000 km)行进式扰动是热层-电离层间能量和动量交换的重要物理过程(Yeh and Liu,1974)，在全球能量再分配过程中起着十分重要的作用(e.g.Saito et al.,1998；Tsugawa et al.,2004；Cai et al.,2011,2012).

国内外学者对大尺度行进式扰动进行了大量的实验观测分析(e.g.Borries et al.,2009；Bruinsma and Forbes，2007,2008,2009,2010)和数值模拟研究(e.g.,Hines,1960;Mayr et al.,1990;Balthazor and Moffet,1999;Fujiwara et al.,1996;Fujiwara and Miyoshi,2006;Miyoshi and Fujiwara,2008).研究人员早期关注较多的是大尺度电离层扰动(Large-Scale Travelling Ionospheric Disturbance,LS-TID).国际上开展了多次大型的LS-TID联合观测实验(Williams et al.，1988,1993).近20年来，相关观测研究工作主要集中在强地磁扰动期间LS-TID 的全球传播特征及扰动源区.Valladares等(2009)利用全球GPS TEC观测图像报道了2003年10月强磁暴期间在南北半球同时观测到的电离层行进式扰动，发现南北半球的LS-TID在水平传播速度、扰动幅度以及水平波长等多方面表现出显著的差异.Ding等(2008)对2003—2005年强磁暴期间LS-TID在中纬度的传播特征进行了统计分析，认为极光地磁扰动对中纬度观测到的LS-TID起着主要控制作用.Zhou 等(2012)报道了地磁平静期电离层多站高频返回式探测系统在中低纬白天侧观测到的LS-TID事件.

在热层探测资料极度欠缺的条件下，数值模拟在帮助人们加深了解LS-TAD特征过程中发挥了重要作用.Richmond(1978)，Millward等(1993)，Fuller-Rowell 等(1994)，Fujiwara等(1996)和Balthazor 和 Moffett(1999)等通过模拟计算数值研究了LS-TAD/TID在各种强扰动期间的响应特征.Qian 等(2012)数值研究了LS-TAD对太阳耀斑的响应特征.Shiokawa 等(2007)首次详细对比了LS-TAD模拟结果与观测数据间的异同.总的来说，大多数模拟工作聚焦于LS-TAD/TID对极区假定能量输入的响应特征.

星载加速度仪为开展全球LS-TAD观测研究提供了绝佳的测量手段.Bruinsma 和 Forbes(2007)利用CHAMP卫星的大气密度观测数据，获得了LS-TAD的全球分布图像.这为直接观测研究LS-TAD全球传播特征提供了绝佳的机会.Bruinsma 和 Forbes(2010)利用多年卫星观测数据，进一步统计了LS-TADs的全球传播特征.总的来说，LS-TAD/TID通常被认为是在高纬极光椭圆区纬度激发，随后向赤道方向传播.也曾有LS-TAD/TID跨越赤道进入另一个半球的观测事例(e.g.Guo et al.，2015；Bruinsma and Forbes，2007).本文报道一个起源于低纬赤道局地激发源的LS-TAD观测事例，并探讨了其可能的激发源.第一节介绍了研究所用到的观测数据及处理方法.第二节详细给出了LS-TAD观测结果及其他佐证数据.第三节探讨了可能的激发驱动源，最后对本文进行小结.

1 数据及处理方法

CHAMP卫星于2000年7月15日发射升空，其近圆轨道倾角为87.3°.初始高度456 km，轨道周期约为93 min，轨道平面的进动率为每天1.5°.大气质量密度数据由其STAR加速度仪测量数据计算出，时间分辨率为10 s.为了消除因卫星高度变化引入的密度起伏，本文研究所采用的大气密度数据均已分别按照 MSISE模型(Picone et al.,2002)归一化到400 km高度.

大气密度扰动提取方法我们利用滑动平均的方法得到(Bruinsma and Forbes，2009，2010).由于卫星飞行速度要远远高于LSTAD的水平相速度，因此在卫星过境期间忽略LSTAD的运动是合理的.这样，卫星大气质量密度数据在时间上的采样可理解为空间上的采样.我们分别对卫星观测到的大气密度进行33/91个数据点的滑动平均后求差，可以得到1216～3420 km尺度的大气密度扰动.获取到每个轨道上大气密度扰动信息后，我们依据卫星穿过轨道的地方时，将卫星数据分为夜侧/日侧两部分；分别依照时间和地理纬度组织数据，即可得到卫星在夜侧/日侧观测到的大气密度扰动分布图.当存在LS-TAD时，大气密度扰动分布图会表现为连续轨道间有明显纬度偏移的相似扰动特征(Bruinsma and Forbes，2009，2010).

2 观测结果

2.1 地磁环境

如图1所示，2002年8月10日Sym-H指数在05∶00 UT左右出现一个小幅度扰动，最小值为-48 nT，到07∶00 UT左右大致恢复到正常水平.极光活动指数AU/AL在凌晨出现两个小峰值，在06∶00 UT之后相对平静.图中灰色阴影标示本文所关心LS-TAD事件出现的时间段，在此期间，无论是地磁活动指数Sym-H还是极光活动指数AU/AL都处在较低的数值水平，没有表现出强的扰动.

图1 2002年8月10日Sym-H指数(a)与AU/AL指数(b)灰色阴影标示本文所关注的LS-TAD事件发生时段.Fig.1 Diurnal variations of Sym-H (a)and AU/AL index (b)on 10th Aug.2002The grey shades present the period of LS-TAD event focused on in this paper.

2.2 中性大气行扰观测

图2给出了2002年08月10日CHAMP卫星观测到的大气质量密度扰动.图中斜实线表示卫星轨道，蓝色实线为磁赤道，空白处无数据.为了方便考察极区地磁活动情况，图2同时给出了AE指数的日变化，灰色阴影标示出本文所关心事件所发生的时段.在此期间，极区极光活动相对平静，表明极区的磁层能量堆积无显著增强.

图2 2002年8月10日AE指数日变化(a)以及CHAMP卫星观测到的大气密度扰动(b)LS-TAD事件及其沿纬度方向的传播分别用红色虚线箭头标识出.斜实线为CHAMP卫星轨道，蓝色实线为磁赤道，下图横轴同时给出了大气质量密度扰动对应的地理经度.Fig.2 AE index (a)and neutral density relative disturbances detected by CHAMP (b)on 10th Aug.2002The red dashed arrow marks propagation along the latitude direction of neutral density enhancement.The oblique solid lines present orbits of the spacecraft and the blue one for the magnetic equator.Geographic longitude was superposed as x-axis in the bottom panel.

图2红色虚线箭头标示出本文所关注的事件.CHAMP卫星在美洲(30°W)磁赤道附近观测到了该事件的第一个密度增强，相对增幅为8.9%.在其随后的2个连续轨道上，该密度增强依次出现在北半球26°N和62°N附近，表现出清晰的极向位移，而且密度增强的幅度逐渐减弱.这符合大尺度行进式大气扰动(LS-TAD)典型的运动特征：纬向排列的大气密度增强向极区高纬传播，在此过程中，被CHAMP卫星在不同纬度上观测到.根据大气密度增强的纬度偏移(7303 km)及之间的时间间隔(约为2.807 h)估计，该LS-TAD的子午向平均水平视相速度大约为722 m·s-1.

需要指出的是，上述将一系列大气密度增强解释为LS-TAD事件有个前提假设.即，该LS-TAD的纬向结构足够大，以保证CHAMP卫星在至少连续3条轨道(经度间隔约46°)观测到同一个大气增强结构.如果该假设不成立，那么CHAMP卫星很可能是在不同的经度(轨道)上观测到不同的大气增强.因此，还需要第三方观测来辅助判断CHAMP观测到三个大气密度增强是否可解释为LS-TAD事件.

2.3 电离层行扰观测

电离层-热层紧密耦合在一起.大气重力波在F层高度引发的行进式大气扰动造成局地中性成分密度起伏，打破了原有的电离层等离子体生产/消失过程的平衡，引发局地的电子密度出现相对应的起伏.局地电子密度起伏沿着行进式大气扰动的传播路径相继发生，即行进式电离层扰动.因此，如果上小节CHAMP卫星观测到的确为LS-TAD事件，那么应该会在电离层中留下相应的印记，即大尺度行进式电离层扰动(LS-TID).

地面GNSS接收机台网广泛用于LS-TID传播特性研究(e.g.,Jonah et al.，2018;Eisenbeis et al.，2019；Liu et al.2018).利用沿子午向排列的GNSS台链，可以对LS-TID事件展开有效的监测(Cai et al.，2012).LS-TID引起的局地电子密度起伏会被GNSS接收机与卫星间的斜TEC(sTEC)捕捉到；当LS-TID经过时，GNSS台链各接收机与同一颗卫星间sTEC时间序列会呈现出相类似的周期性扰动；由于各接收机空间位置的偏离，它们观测到的sTEC扰动(sTECP)间还会表现出一定量的相位延迟.根据上述观测信息，可测量LS-TID的周期、水平传播相速度等特征参量.因为该方法直接利用斜TEC而不是垂直TEC，其一大优点是对微小扰动敏感，具体数据处理方法可参考Cai等(2012).本文选取了两个平行的子午向排列的地面GNSS观测台链，一个位于77°W附近，另一个位于82°W附近，各台链接收机的子午向距离在百公里左右.两个GNSS台链均处于本文所关注LS-TAD事件覆盖区域内.各台站地理位置信息分别如表1所示.

表1 北美洲地面GNSS台站地理位置Table 1 Geographic locations of North Ameica ground-based GNSS receivers for Figs.3—4

图3a给出了GNSS接收台链在77°W 附近与GPS PRN10卫星间sTECP的时间变化，图3b给出了对应穿刺点轨迹.为避免重叠，各台站sTECP观测结果依次偏移了1 TECU.不难看出，正负相间的sTECP在各台站都被观测到，且表现出相类似的变化周期，约为3 h.这暗示各台站sTECP的时序变化有共同的物理驱动.仔细对比各台站sTECP随时间变化的相位，容易发现sTECP先被位于较低纬度的台站观测到，依次在各台站上空留下相似的扰动特征，而且扰动幅度逐渐减弱.这表明地面GNSS台链观测到了LS-TID事件经过时引发的局地电离层扰动.从各台站间sTECP时间变化的相位延迟估计，该LS-TID的水平相速度为640 m·s-1，电离层行扰在北半球向极区高纬传播.

图3 (a)地面GNSS台链在北美77°W观测到的sTECP；(b)(a)中相应台站的穿刺点的经纬度信息为了避免重叠，各站点sTECP依次偏移了1 TECU.Fig.3 (a)Slant TEC (sTEC)fluctuations recorded by ground-based GNSS receivers around 77°W in North America；(b)The longitude and latitude information of the corresponding station′s pierce point in (a)They were shifted by 1 TECU accordingly to avoid overlapping.

位于82°W附近的地面GNSS台链(图4)也观测到了与图3类似的电离层行扰.由于GPS卫星轨道的原因，电离层行扰被PRN4卫星在比图3更早的时间观测到，二者的周期和传播方向是一致的.根据各台站间sTECP相位差估计，其水平视在相速度为670 m·s-1，与图3结果相接近.同时，82°W地面GNSS台链的PRN10号卫星观测到与图3相一致的电离层行扰(未给图).

图4 与图3相同，只是在82°W附近观测结果Fig.4 Same as Fig.3,but for GNSS receiver chain around 82°W

仔细对比两个GNSS台链观测的sTECP(图3—4)，二者观测到的sTEC扰动相位也是相吻合的，均在10∶30 UT附近达到极小.这表明两个GNSS子午台链观测到的是同一个LS-TID事件引发的局地电离层扰动.

本文所选取的2个GNSS子午台链虽然只覆盖了北半球中纬有限的区域，但均位于我们所关注LS-TAD事件的传播路径上.GNSS子午台链纬度覆盖虽难以完整观测到LS-TID全貌，却清晰捕捉到了LS-TAD传播过程中引起的局地电离扰动.从这个角度上说，图3—4所示结果至少确认了如下2个事实：(1)该路径上的确有LS-TID经过；(2)该LS-TID在北半球从低纬向极区高纬传播.

地面GNSS子午台链记录到LS-TID的传播方向以及水平相速度等传播特征参数都支持CHAMP卫星观测到的一系列大气密度增强应该解释为LS-TAD事件，而不是相互孤立的大气密度增强.值得一提的是，地面GNSS台链在 82°W观测到了LS-TID，这也间接表明与之相伴随的LS-TAD纬向结构足够大，以至于能够被CHAMP卫星在11∶00 UT左右(其轨道所在经度约80°W)探测到.

3 讨论

3.1 在南半球是否存前序扰动？

一般认为，进入电离层高度的磁层能量，包括焦耳加热和粒子沉降是驱动LS-TAD/TID的主要机制(e.g.Crowley and Jones,1987;Perevalova et al.,2008).LS-TAD/TID常常在夜侧极光椭圆区纬度被激发后向赤道方向传播，或极向跨过极盖区到达日侧、继续向赤道传播(Cai et al.,2012).也有学者报道了LS-TID长距离传播、跨越赤道进入另一个半球的观测事例(e.g.Bruinsma and Forbes,2007;Guo et al.，2015).所以本文所关注的LS-TAD事件在北半球向极区高纬传播，有没有可能是从南半球中高纬区域跨越赤道进入北半球的？

从图2结果看，CHAMP卫星在南半球并没有观测到与之相关联的前序大气密度扰动迹象.为了检查是否存在前序的电离层行扰，我们在南美洲选取了类似的地面GNSS子午台链，其地理位置信息如表2所示.

表2 南美洲地面GNSS台站地理位置Table 2 Geographic locations of South America ground-based GNSS receivers for Figs.5 and 7

依据图3—4所示LS-TID的视在相速度推测，如果其存在前序扰动，那么它应该在05∶30 UT前后出现在南半球的中纬区域.图5给出了该时段前后南美洲地面台链的sTECP观测结果.很明显，各台站并没有观测到相类似的电离层扰动，表明它们间的时序变化缺乏共同的物理过程驱动；另一方面，该GNSS台链也没有观测到与图3—4相类似的扰动特征.因此，我们排除其是图3—4所示LS-TID的前序扰动.

南美洲地面GNSS台链在此时段内与其他卫星间的观测结果与图5类似，各台站均没有观测到相类似变化特征的sTECP.基于此，我们认为本文所关注的LS-TAD事件在南半球中高纬区域不存在前序扰动.进而推断，其可能由局地激发源产生，源自于磁赤道附近.

3.2 可能的局地激发源

在中低纬度，重力波有多个可能的激发源.日食期间，日食区域内太阳辐射急剧减少，与周围日照区域形成显著的温度梯度，成为一个移动的扰动源，沿移动路径激发大气重力波.与之相伴随的行进式电离层扰动经常被GNSS台网或其他设备观测到(Chimonas and Hines，1970；Wodarg et al.，1998；Vadas and Liu，2009；Zhang et al.,2017；McInerney et al.,2018).根据天文信息，我们可以排除日食对本文所关注LS-TAD激发的贡献.

在晨昏分界线附近，太阳辐射发生急剧变化，在热层造成温度梯度.随着地球自转，晨昏分界线附近的温度梯度及其运动也是中低纬激发重力波的一个重要驱动源(Forbes et al.,2008).在本文所关注的事件期间，CHAMP卫星轨道位置近似与晨昏分界线相平行；所在地方时为05∶42 LT，位于晨侧.Liu等(2009)观测发现晨昏分界线激发大气密度扰动的波前在中低纬地区近似与晨昏线相平行.如果本文所关注的LS-TAD由晨昏分界线所激发，那么卫星观测到的波动视在相速度应趋无穷大或数值远超常见的速度；在南半球也应观测到相应的扰动，这与本文图2以及图5所示结果不一致.另外，观测结果表明晨昏分界线引发的大气波动在黄昏侧更显著，且其显著程度在两分点前后是低谷(Forbes et al.,2008;Liu et al.,2009).

图5 与图3相同，只是在南美洲71°W附近观测结果Fig.5 Same as Fig.3,but for GNSS receiver chain around 71°W in South America

赤道电集流可通过洛伦兹力和碰撞过程与中性大气相互耦合，是行进式大气扰动一个重要激发源.数值计算表明，除了剧烈的磁暴期间，洛伦兹力在激发行进式扰动的效率方面要远高于焦耳加热(Chimonas，1970).2002年8月10日07∶30 UT左右，ROCSAT卫星飞经美洲磁赤道上空，轨道高度为600 km.图6给出了ROCSAT卫星在2002年8月10日美洲磁赤道上空(经度10°—50°W、纬度30°S—30°N)5个连续轨道观测到的离子垂直漂移速度.由于卫星轨道的原因，在第1、4和5个轨道期间ROCSAT卫星均没有飞经磁赤道上空.在第2个轨道期间，在磁赤道上空观测到强烈的垂直漂移速度，超过150 m·s-1，起止时间为05∶43—05∶53 UT；在紧接着的下一个轨道，卫星在该区域上空也观测到了强的垂直漂移，速度稍弱，起止时间为07∶26—07∶33 UT.这说明美洲磁赤道上空至少在约05∶50—07∶30 UT期间存在较强的电离层垂直漂移.这个时间段大致与图2中CHAMP卫星观测到LS-TAD的第一个大气密度增强大致吻合.一个可能的过程是：强的垂直漂移驱动电离层等离子体急剧抬升；通过离子-中性成分间的碰撞相互作用，驱动电离层等离子体抬升的部分能量转化为中性大气的局地扰动源，抬升中性大气、激发波动，在局地高高度上形成密度增强.由于CHAMP卫星直到07∶30 UT左右才飞经美洲赤道上空，因此没有观测到在此之前的大气密度增强.

图6 ROCSAT 卫星在2002年8月10日在磁赤道上空5个连续轨道观测到的离子垂直漂移速度图中标识出了卫星飞越磁赤道前后的时间.黑三角表示磁赤道所在位置.Fig.6 Ion vertical drift detected during 5 continuous orbits over the geomagnetic equator on 10th Aug.2002In which the time before and after the satellite flew across the magnetic equator is portrayed.Black triangle marks the magnetic equator.

对流重力波体积力(body force)在热层的耗散和破碎也是热层大尺度二次重力波(second gravity waves)的重要激发源(Vadas and Liu，2009).Vadas 和 Crowley(2010)观测到了与低高度对流相关联的LS-TIDs.由于缺乏该区域低高度对流重力波的观测资料，我们无法判断其对本文所关注LS-TAD的贡献.

既然北半球观测到LS-TAD的激发源位于赤道附近，那么在南半球是否也应观测到与之相对应的极向扰动？从大气密度数据(图2)看，CHAMP卫星在南半球没有观测到明显的极向大气行扰.但是，地面GNSS台链却记录到了极向传播的大尺度电离层行扰，如图7所示.各南半球GNSS台站均观测到了相类似的sTECP扰动，扰动幅度随着纬度增加而减弱；sTECP在各台站间也表现出显著的相位延时，这是典型的LS-TID的特征.其扰动周期与北半球LS-TID(图3—4)相一致.

图7 与图5相同，只是由GPS PRN8的观测结果Fig.7 Same as Fig.5,but for observations by GPS PRN8

4 结论

本文报道了一起地磁平静期在赤道附近局地激发的LS-TAD事件.观测数据表明，该LS-TAD事件在美洲赤道附近被激发，随后以约722 m·s-1的水平视在相速度向北半球高纬传播；地面GNSS台链同时记录到与之相伴随的LS-TID特征.CHAMP卫星和GNSS地面台链在南半球都没有观测到到与之相联系的中性大气/电离层前序扰动，推断其可能由局地激发源产生，源自于磁赤道附近.结合ROCSAT卫星电离层垂直漂移观测数据，我们认为突然增强的电离层垂直漂移是该LS-TAD事件可能的局地激发源.地面GNSS台链在南半球同时也观测到了与之相对应的极向LS-TID.

致谢CHAMP大气质量密度及电子密度数据由德国地学中心提供.ROCSAT数据通过http:∥sdbweb.ss.ncu.edu.tw/v1/ipei_home.html获得.地面GNSS台站观测数据通过http:∥sopac.ucsd.edu/dataBrowser.shtml下载；Sym-H指数通过http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp下载.