2020年4月20日磁暴恢复相期间舌状中性结构的垂直变化

于婷婷, 任志鹏*, 蔡旭光, 李韶阳

1 中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室, 北京 100029 2 北京空间环境国家野外科学观测研究站, 北京 100029 3 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049 4 科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室, 博尔德 80304

0 引言

近几十年来,人们一直致力于地磁暴期间电离层和热层参量变化的研究.在地磁暴期间,正电离层和负电离层响应都在特定位置被观测到(Mendillo, 2006; Yizengaw et al., 2006; Liu and Wan, 2018; Zhai et al., 2023).其中一种典型的电离层结构,即舌状电离结构(Tongue of Ionization, TOI)通常出现在磁暴期间的亚极光区,它是一种从日侧极光区延伸到夜侧极盖区并在夜侧被拉长的等离子体密度增强结构(Sato, 1959).TOI结构通常由于磁暴期间高度变化的能量和动量沉降而发生动态变化(Liu et al., 2016).Burns等(2004)指出离子漂移在极盖区存在反向阳方向并输运共转通量管.通量管从下午高电子密度区域被传输到夜侧极光卵区,TOI结构就是在这样的通量管作用下对流输运高密度等离子体而形成的(Schunk and Nagy, 2000).TOI可以是连续的结构也可以是离散的斑块,它已经通过观测和理论模型被大量研究(Burn et al., 2004; Foster et al., 2005; Liu et al., 2016; Klimenko et al., 2019; Schunk and Nagy, 2000).

热层对磁暴的响应通常通过主要的热层成分(原子氧(O)、分子氮(N2)和分子氧(O2))以及O与N2柱密度比(ΣO/N2)来进行研究(Burns, et al., 1995a,b; Crowley and Meier, 2008; Cai et al., 2020, 2021, 2023; Zhang et al., 2003, 2004, Yu et al., 2021a,b, 2022a,b).∑O/N2定义为从天顶向下垂直积分的O柱密度与N2柱密度的比值,底部积分高度是N2柱密度值为1017cm-2时对应的高度,大约在140 km高度附近(Strickland et al., 1995).我们利用诊断方程对磁暴期间成分变化的物理机制进行了分析(Burns et al., 2006; Cai et al., 2020, 2021, 2022c; Yu et al., 2021b).主要扰动过程和机制总结如下:磁暴期间,极区磁层注入到大气的能量、动量和物质都急剧增加,导致高纬对流电场的强度增加,从而驱动等离子体对流,增强了极区焦耳加热和上层大气温度(Burns et al., 1995b).驱动高纬地区的上升流(upwelling)作用,引起成分的垂直输运,导致O2和N2分子比例的增加,减小氧氮比(O/N2).温度的增加改变水平压力梯度,进而驱动向赤道方向的热层中性风场扰动(Prölss, 2011),导致成分扰动向低纬度的水平输运,就形成了全球尺度的热层暴.因此,高纬成分变化主要受水平输运和垂直输送的影响,在中低纬度地区,成分扰动的发生和演化主要由水平输运决定(Bruinsma et al.,2006;Yu et al.,2021a).而水平风通过影响水平输送项在磁暴期间成分扰动中起着重要作用(Yu et al., 2022a).

类比TOI结构,Burns等(2004)定义了发生在磁暴期间的舌状中性结构(Tongue of Neutral Composition, TON),指的是暴时引起的高密度O/N2气团从日侧穿过极盖被输运到夜侧.由于热层观测的限制,与TOI相比,对TON的研究极为稀少.Burns等(2004)利用热层-电离层嵌套网格模型(TING)模拟研究了约300 km高度上TON结构的形成和机制,并表明了中性对流模式对这个结构形成的重要性.Burns等(2004)指出,TON结构的形成方式与TOI的类似,但是通常TON结构比TOI要弱一些,并且在极区延伸的距离要短,形成时间则更长,这主要是由于跨极区的中性风比跨极区离子漂移更弱,并且需要更长的时间来建立.Liu等(2016)也利用TIEGCM模型在2015年3月17日这次磁暴事件中模拟再现了TON结构.这种物理模型模拟的TON结构在2019年5月11日的磁暴期间,第一次被GOLD成像仪(Eastes et al.,2020)通过ΣO/N2的二维图像观测到(Cai et al., 2021).Cai等(2021)认为,TON是被两个ΣO/N2暴时降低区夹在中间的ΣO/N2增加区域.TON结构的形成是由于来自低纬度地区的极向中性风携带了高密度ΣO/N2气团,并分离了一个大尺度的ΣO/N2衰减区域而形成的结构.这种发生在磁暴期间的极向风区别于一般的赤道向的风场对流模式,在以往的观测和模拟中也有被提及到,如Fejer(2002)和Zhang等(2015)利用Millstone Hill(42.6°N,71.5°W)Fabryperot干涉仪(FPI)的风场测量结果表明,磁暴引起的极向中性风可以持续几个小时.Zhang等(2015)认为,在亚极光极化流驱动下,离子流会导致西向中性风的形成,而后在科里奥利力作用于该西向风形成了观测到的极向中性风.

然而通过调研发现,之前对TON的研究集中在固定压力面上O/N2结构的二维变化,而没有关注TON结构中O/N2在垂直方向上的变化.而我们知道,在磁暴期间,热层环流会导致热层成分扰动的高度差异(Yu et al., 2021a).并且之前的研究中仍有许多未解决的问题:(1)形成TON结构的低纬地区的O/N2增强是如何发生的?(2)在低纬O/N2暴时增强区域内,导致向西的水平风转为极向的水平风的作用力是什么?它们在热层不同高度都是一样的吗?(3)这些作用力是如何驱动极向风在磁暴期间的变化?因此,基于前期对TON结构以及极向风场的研究,本文利用不同压力面下O和N2数密度比(O/N2),对TON结构的垂直变化进行进一步探讨.在2020年4月20日磁暴的恢复相阶段,GOLD在第112天(day of year, DOY 112)观测到日间∑O/N2增强结构.TIEGCM定性地再现了这个ΣO/N2增强结构.并且我们发现这个被观测和模拟到的经度范围较大的ΣO/N2增强结构是一个被耗散的TON结构,此结构可以追溯到DOY 111上发生的经度分布范围较窄的TON结构.因此我们利用TIEGCM模拟对其模拟到的TON结构的形成和演化以及可能的物理机制进行研究.

1 数据介绍

1.1 GOLD

GOLD仪器搭载于SES-14通信卫星上,该卫星于2018年1月25日发射,位于47.5°W经度的地球静止轨道上.GOLD远紫外(FUV)成像仪是该卫星上唯一的科学仪器,该成像仪对134～162 nm范围内的气辉进行测量,其中包括分辨率为0.2 nm的日间OI 135.6 nm和N2LBH波段,(Eastes et al., 2020; Correira et al., 2021),以及分辨率为0.4 nm的夜间OI 135.6 nm波段(Eastes et al., 2017; Cai et al., 2022a,b).其中日间OI 135.6 nm和N2LBH波段气辉可以反演得到日间ΣO/N2数据,数据经度范围为120°W—20°E,纬度范围大约在南北纬60°之间,每天观测的世界时范围为6∶10—22∶40 UT.在本次研究中,我们利用的是北半球GOLD观测到的空间分辨率为2°×2°的ΣO/N2数据,该数据的测量误差约在5%～10%之间(Eastes et al., 2020; Correira et al., 2021).

1.2 TIEGCM

TIEGCM是综合性的、第一性原理、三维非线性表示形式的热层-电离层电动力学耦合环流模式,用于自洽的求解耦合的热层-电离层系统的连续性、动量、能量和电动力学方程(Qian et al., 2014; Richmond et al., 1992; Roble et al., 1988).TIEGCM为球坐标,水平方向的坐标使用纬度和经度网格,垂直方向上为压力坐标系.压力面定义为z=ln(P0/P),P0是参考压强(P0=5×10-4μb),P是压强.模型的垂直范围约为97～600 km高度,具体高度与太阳活动水平有关.在这项研究中,我们使用TIEGCM 2.0版本,其中Weimer经验模型(Weimer,2005)提供高纬输入,该输入由分辨率为5 min的观测行星际磁场(interplanetary magnetic field,IMF)和太阳风数据驱动.模型的下边界是根据月潮汐气候学确定的(Hagan and Forbes, 2002, 2003),没有考虑到潮汐的逐日变化.我们使用的TIEGCM模型的空间分辨率为1.25°×1.25°×0.25标高(Dang et al., 2021).每5 min保存一次模型输出.

2 结果

2.1 地磁条件

本文选取2020年4月19日—21日(DOY 110-112)发生的磁暴事件,图1显示了地磁指数AE,Kp,Dst,太阳活动指数F10.7p以及行星际磁场(IMF)指数By和Bz从2020年DOY 110到DOY 112期间随时间的分布情况.在DOY 110期间,各个地磁指数量级都相对较低,因此这一天可以作为静日参考.Dst指数表明,该磁暴从DOY 111的约2.5 UT开始,Dst指数量级增加,磁暴初相持续了约6个小时.在此阶段,AE指数快速上升和下降,最大达到600 nT.磁暴主相开始于DOY 111的约9 UT,在此期间AE和Kp指数分别达到最大值1500 nT和5-.Dst指数在约13 UT时达到了最小值-90 nT,这意味着主相段持续了约4个小时(DOY 111,约9—13 UT).在此期间,By大多为正,Bz保持向南(负),最大量级都约为15 nT.磁暴恢复相开始于DOY 111的约13 UT,Dst和AE指数量级都开始减小,在DOY 111的约17 UT后AE指数接近于零,并一直持续到DOY 112的约12 UT,在DOY 112的约12 UT以后,AE指数存在一个接近600 nT的峰值.在DOY 111的22 UT后Dst指数接近于零,在DOY 112的12 UT时Dst指数绝对值又增加到30 nT,之后又逐渐恢复.在此次磁暴恢复相期间,IMFBy也在DOY 111结束时降至接近零,然后转为负值并一直持续到DOY 112的12 UT.IMFBz从DOY 111的13 UT时转为北向(正值),量级持续增加并在DOY 111结束时增加到10 nT,然后开始下降,在DOY 112的12 UT后,IMFBy和Bz都逐渐恢复.在此次磁暴期间,太阳活动指数F10.7p的变化小于1%,因此可以排除太阳活动对热层成分的影响.本文我们重点关注从DOY 111的13 UT开始到DOY 112的12 UT的磁暴恢复阶段热层的扰动情况.

图1 (a) AE(黑线)指数和F10.7p(蓝线)指数从2020年DOY 110到DOY 112期间的变化; (b) Dst(蓝线,蓝色虚线为 Dst零值)指数和3小时Kp(黑线)指数变化; (c) IMF By(黑线)和Bz(蓝线)变化,黑色虚线是By和Bz的零值Fig.1 (a) The variations of Auroral electrojet (AE) (black line) and F10.7p (blue line) indices from DOY 110 to DOY 112 in 2020; (b) The second panel is hourly Dst (blue line, blue dashed line is the zero value of Dst index) and the 3-h Kp (black line) and indices; (c) The By (black line) and Bz (blue line). The black dashed line is the zero value of By and Bz

2.2 观测和模拟的ΣO/N2舌状中性结构

DOY 110作为静日参考,我们将DOY 110和DOY 111(DOY 112)的ΣO/N2数值差除以DOY 110的ΣO/N2值,得到ΣO/N2的暴时百分比变化.图2显示了GOLD观测(左列)和TIEGCM模拟(右列)的DOY 112和110的ΣO/N2暴时百分比变化在10.37 UT,11.37 UT,12.37 UT,13.37 UT,14.37 UT和15.37 UT的经纬度分布,z=-1.5压力面上水平风变化叠加在TIEGCM模拟结果上,黑色虚线表示GOLD观测范围.

在10.37 UT,在中纬地区(约20°N—50°N)经度范围约为40°W—20°E,以及低纬地区(约0°—20°N)经度范围约为60°W—20°E两个区域内观测到ΣO/N2的暴时增强.增强的最大量级约为15%.而ΣO/N2的暴时衰减出现在GOLD观测范围的其他区域,量级约为20%.随着GOLD观测范围的西向扩展,低纬区域(0°—～20°N)ΣO/N2的暴时增强的西部边界从10.37 UT的60°W向西扩展到13.37 UT的110°W,ΣO/N2暴时增强的此经度范围一直持续到15.37 UT.ΣO/N2暴时增强的量级在这个时间范围内有少量增加,从13.37 UT至15.37 UT约为20%.中纬地区(约20°N—50°N)ΣO/N2的暴时增强的经度范围在14.37 UT和15.37 UT随着纬度的增加有所收缩,同时中纬地区ΣO/N2的暴时衰减的经度范围也随着纬度增加而有所增加,在14.37 UT和15.37 UT的经度范围扩展到100°W—10°W,其量级变化不大,依然约为20%.

图2右列的模拟结果显示,在GOLD观测的范围内,TIEGCM模拟到了与观测结果地理位置分布类似的ΣO/N2的暴时增强和衰减现象,但是量级有所差别.模拟的ΣO/N2暴时增强的量级从10.37 UT的25%下降到15.37 UT的15%.在此期间,ΣO/N2暴时衰减的量级基本都保持在15%左右.从10.37 UT到12.37 UT,ΣO/N2暴时增强区域内水平风是向极区方向的,范围大约在10°N—60°N的中低纬以及60°W—30°E经度范围内,极向风把ΣO/N2暴时增强输运到更高纬度.12.37 UT之后,水平风速逐渐减小,向西的水平风在结构中起主导作用,导致ΣO/N2暴时增强向西输运和进一步消散.我们知道观测和模拟的结果必定存在一些差异,这可能是由于模式运行时输入参数的不确定性导致的,如高纬输入参数与实际地磁驱动力之间有差异,以及由潮汐逐日变化带来的潜在影响等都会导致观测和模拟结果的不同.但是在此次磁暴过程,该模式定性地呈现了中纬度地区观测到的ΣO/N2暴时增强现象,因此我们可以利用模拟进一步揭示该ΣO/N2暴时增强现象的形成和演化.

现在我们追溯在DOY 112这一天观测和模拟到的ΣO/N2暴时增强结构是如何产生的.图3呈现了北半球从DOY 111的13 UT到DOY 112的11 UT这一时间段内ΣO/N2暴时百分比变化的极区图,同样叠加z=-1.5压力面上水平风变化在成分的扰动上.绿色圆点对应的经纬度为64°N, 51°E.

图3 北半球从DOY 111的13 UT到DOY 112的11 UT的ΣO/N2暴时百分比变化的极区图 z=-1.5压力面上的水平风用黑色箭头表示,灰色曲线表示ΣO/N2变化零值,绿色圆点经纬度为64°N, 51°E.Fig.3 Polar view of the storm-quiet time percentage changes of ΣO/N2 in the NH from TIEGCM simulations at selected UTs on DOY 111 and DOY 112 The horizontal winds on the z=-1.5 pressure level are overlaid on the panels. In each panel the gray curves indicate the zero value; The green dots indicate the location of 64°N, 51°E.

在DOY 111的13 UT(图3a),ΣO/N2的暴时衰减已经扩展到中高纬度的所有经度,最大量级约为60%.此外,在这个时间,低纬地区(低于30°N)几乎所有经度上都存在ΣO/N2的暴时增强.在14.5 UT(图3b),一个小尺度的ΣO/N2的暴时增强出现在55°N—65°N纬度以及45°E—55°E经度范围内(绿点附近),在这个结构附近,13 UT中的大的ΣO/N2的暴时衰减(约40%)变为较小的降低(约10%).这表明TON结构正在逐渐形成,如图所示该结构首先出现在下午.在这个时间,中性风在这个结构附近是向极方向的,具体来说呈现出西北风向,可以把ΣO/N2的暴时增强的气团输送到更高的纬度.随着磁暴在恢复期的演化,在DOY 111的16 UT(图3c),低纬地区ΣO/N2的增强也通过发生在低纬的极向风的输运与发生在60°N附近ΣO/N2增强合并,然后,ΣO/N2的TON结构在16 UT出现了连续的经纬度分布,最大量级约为20%.该结构目前跨越下午及夜间地方时(约16～20 LT),并继续被输运到更高纬度,量级也有所增加.此次磁暴模拟得到的TON结构形态与Burns等(2004)以及Cai等(2021)等报道的东北向TON结构有所不同,该结构的形态取决于向极风的风向.此外,Burns等(2004)以及Cai等(2021)报道的TON结构主要发生在磁暴主相期间,而本文报道的TON结构则出现在磁暴恢复阶段,而这也可能是导致TON结构差异的原因,并且我们知道,磁暴期间热层成分的扰动形态与磁暴开始的时间、磁暴强度以及演化阶段都有一定的相关性(Yu et al., 2021a).如图所示,在19 UT(图3d),该结构最大的量级可以达到50%.此外,在这个TON结构内,约75°N以上的高纬度水平风的极向分量有所减少,而西向分量增加,导致结构在经度(东西)方向上的扩展.在DOY 111的23 UT时(图3e),TON结构的最大量级下降至约30%,主要存在于夜间地方时.图3f—3i显示,在DOY 112各时间段内,该结构通过水平风输运作用又被逐渐输送到日间地方时,其纬度分布也逐渐扩大,量级有所降低,同时这个耗散的TON结构被GOLD日间ΣO/N2观测捕获到(图2).因此,图2中观测到的发生在DOY 112上ΣO/N2暴时增强其实是在DOY 111形成的TON结构的耗散结果.

2.3 O/N2舌状中性结构的垂直分布

前文我们通过二维图像了解了发生于本次磁暴的TON结构的形态以及随磁暴的演化,并且发现该TON结构最先出现在51°E经度(图3绿点)附近.因此图4显示了51°E经度处的O/N2暴时百分比变化的纬度-压力面分布结果.同样,垂直风和经向风的矢量变化叠加在成分扰动上,可以更好的呈现风场对成分的影响.而暴时扰动的垂直变化可以使我们更好地对发生在一个压力面上扰动的起源及其驱动其扰动的物理机制进行更好的理解(Yu et al.,2021b).

图4 从DOY 111的13 UT到18 UT TIEGCM模拟的经度为51°E的O/N2暴时百分比变化的纬度-压力面分布结果, 中性风叠加在成分变化上 灰色曲线表示O/N2变化零值,水平白色虚线表示z=-1.5 (约160 km高度)和z=2 (约350 km高度)的压力面.Fig 4 Latitude-pressure surface distributions of the storm-quiet time percentage changes in O/N2 at the longitude of 51°E from TIEGCM simulations at selected UTs on DOY 111. The neutral winds are overlaid on the panels In each panel the gray curves indicate the zero value; The horizontal white dashed lines identify the z=-1.5 (～160 km) and z=2 (～350 km) pressure levels.

在DOY 111的13 UT(图4a),整个剖面的TON结构都还没有出现.如图4a所示,O/N2暴时增强首先出现在高热层,然后逐渐向较低热层扩展.在14 UT(图4b),O/N2暴时增强(约20%)扩展到约z=-2的压力面,纬度范围在60°N—70°N.在该时间段内,O/N2暴时增强的量级随高度没有显著变化.图中显示叠加在O/N2暴时结构上的垂直风的方向是向下的,这表明向下的垂直风导致了高高度的O占比较高(相对于N2)的气团被输运到低高度,导致了O/N2的暴时增强.因此,下沉流(垂直输运)可能在TON结构最初的形成中起主要作用.图4c显示,O/N2暴时增强在15 UT呈现出更宽的纬度分布.O/N2增强在高纬度的边界扩大到约75°N,如图所示可以归因于极向风的输运作用.此外该O/N2增强在高纬度地区的底边界延伸到了约z=-3压力面.而图4c中在45°N附近向下的垂直风有所增加,导致该区域高高度O占比较高的气团的向下输运以及在z=0压力面以上O/N2的暴时增强.在16 UT(图4d),O/N2在的暴时增强的量级在60°N左右有明显的增加,且量级随海拔高度的增加而增加.最大的量级在60°N的高高度地区可达到40%左右.与此同时,在35°N附近的下沉风导致了O/N2增强结构进一步的纬向扩展.量级在约30°N—50°N纬度范围内以及z=-1.5压力面以上为20%左右.之后,O/N2的暴时增强在60°N附件继续增加,在z=2压力面以上的量级大于50%,并且极向风将O/N2增强输送到高纬度地区,在17 UT达到80°N(图4e),在18 UT达到85°N(图4f).其他纬度(60°N附件之外)的O/N2增强量级约为30%.此外,在18 UT(4f)O/N2增强峰值区域也存在下沉风,导致其增加量级的进一步增加,并且在靠赤道边的O/N2增强结构内存在赤道向的风场.但总的来说,极向风驱动的水平输运作用在不同高度O/N2的TON结构后续演化中占主导地位.综上,TON结构的强度和纬度范围有明显的高度依赖性,并且随磁暴演化不断变化.

由于O和N2在磁暴期间具有符号相反量级相似的扰动特征,并且驱动扰动的物理机制也是相同的(Yu et al., 2021b).我们这里仅呈现了O的诊断项(O质量混合比Ψo的总时间变化率∂Ψo/∂t,垂直输运,水平输运,分子扩散)的纬度-压力面分布,湍流扩散和化学产生和损失在磁暴期间的作用很小,因此基本可以忽略.具体的诊断方程可以参见Yu等(2021b),主要是分析公式左边(∂Ψo/∂t)与右边各个驱动项的量级与分布形态等确定各个驱动项的贡献,形态和量级与∂Ψo/∂t越接近,则表明该驱动项作用越大.我们选取DOY 111的三个世界时(14 UT,16 UT,18 UT),同样是51°E经度的结果来分析TON结构的产生机制.通过上述分析我们知道,在DOY 111形成的该TON结构在磁暴的演化过程中被向西输运,并在DOY 112被观测和模拟捕获.因此,我们选择经度为0°的结果在图6中呈现在DOY 112期间各个诊断项的分布,以便分析该结构在DOY 112期间演化过程中的物理机制.

图5显示,在14 UT,∂Ψo/∂t在中低纬度地区的形态和量级与垂直输运项类似,特别是在60°N附近对应与TON结构首次出现的位置(如图4所示).∂Ψo/∂t和垂直输运在60°N附近的量级有明显高度依赖性,大约在z=2的压力面上存在变化的极大值.这一对比结果更加证实由下降流驱动的垂直输运在O/N2的TON结构的最初形成中起主要作用.图5显示,高纬度地区(70°N以上)水平输运项和∂Ψo/∂t的暴时变化形态和量级类似,因此该区域的成分扰动也受到水平输运的影响.在16 UT和18 UT,水平输运对于O/N2增强(正的∂Ψo/∂t变化)在60°N附近也变得比较重要.而垂直输运在中低纬度地区较为重要,其中16 UT在30°N附近向下垂直输运的作用对应图4d(16 UT)在该纬度附近又一O/N2增强的产生.如图所示分子扩散效应在此期间的所有高度上的都相对较弱.因此,水平输运作用主导了TON结构的后续向极区的扩展.

图5 O的总的时间变化率∂Ψo/∂t,垂直输运,水平输运,分子扩散的暴时变化在51°E处的纬度-压力面分布, 对应世界时为DOY 111的14 UT,16 UT,18 UT 灰色曲线表示各项变化的零值,水平白色虚线表示z=-1.5 (约160 km高度)和z=2 (约350 km高度)压力面.Fig.5 Latitude-pressure surface distributions of the storm-quiet changes in the total time rate of change of O (∂Ψo/∂t), horizontal advection, vertical advection and molecular diffusion at the longitude of 51°E from TIEGCM simulations at 14 UT, 16 UT, 18 UT on DOY 111 In each panel the gray curves indicate the zero value; The horizontal white dashed lines identify the z=-1.5 (～160 km) and z=2 (～350 km) pressure levels.

如前所述,TON结构在DOY 112期间随着磁暴的演化而被耗散,如图6所示,在2 UT,∂Ψo/∂t在50°N—75°N纬度以及z=-3压力面以上区域呈现的负的暴时变化主导了O/N2增强结构的恢复(减小).图中可以看出水平输运项的形态和大小与∂Ψo/∂t相似.此外,∂Ψo/∂t和水平输运项在50°N—75°N纬度范围内的暴时降低随高度变化存在一个极大值,大约位于z=2的压力面上.在5 UT,∂Ψo/∂t和水平输运项的降低存在一个纬度方向的扩展,大约在40°N—90°N纬度范围内.在8 UT,∂Ψo/∂t和水平输运项暴时降低量级都有所减少.因此,TON结构在后期的耗散过程中也主要归因于水平输运的作用.期间存在一个特殊情况,即在5 UT,分子扩散变化在z=0压力面以上为正值且量级较大,但它对∂Ψo/∂t的影响被更大的负的水平输运作用抵消.综上,由向下垂直风驱动的垂直输运主导了O/N2的TON结构的最初形成,而由极向风驱动的水平输运主导了该结构的后期演化和消散.

图6 与图5一致,对应世界时为DOY 112的2 UT,5 UT,8 UTFig.6 Similar to Fig.5, but at 2 UT, 5 UT, 8 UT on DOY 112

3 讨论

在此次磁暴恢复相初期,发生在中低纬区域向下垂直风驱动导致了高高度O占比较大的气团的向下输运,从而导致了整个高度剖面O/N2密度的增强,即TON结构的最初形成,而随着磁暴的演化,极向风驱动水平输运导致了该结构的极向输运以及后期的消散.并且不同高度TON结构的强度和纬度范围有明显差异,并随磁暴演化而变化.因此针对引言中提到的几个未解决的科学问题,前文通过O/N2的垂直变化解决了‘较低纬度O/N2暴时增强是如何形成’这个问题.并且我们发现极向风在不同高度对于TON结构的演化都至关重要.因此,下面将讨论在O/N2增强的区域内驱动不同高度极向风的作用力以及它们在磁暴期间的演化过程.

图7显示了z=-1.5(约160 km高度)压力面上在DOY 111的15.5 UT时刻Vn(经向风速)及其各加速度项(动量驱动力)的经纬度分布.这些驱动力包括:科里奥利力、离子拖曳力、水平动量输运、气压梯度力和离心力(Wang et al., 2008).在这个等压面,垂直动量平流和黏性力由于其对总动量平衡的贡献很小而被忽略.同时ΣO/N2的暴时百分比变化也呈现在图7中,因此可以更清楚地看出经向风对成分暴时变化的影响.

我们通过图3可以发现极向风首先出现在高纬度地区(70°N—90°N),而后中低纬度地区也出现极向风,共同把ΣO/N2的暴时增加向极区输运.在高纬地区极向风形成的初期,通过∂Vn/∂t和各个加速度项形态和大小的比较,我们发现高纬极向风主要是由压力梯度和科里奥利力控制的,同时水平动量输运也起到一定的正作用.如图7所示在15.5 UT,高纬地区极向风的各个驱动力都有一定作用,其主导作用力的确定可以参见图8及分析.而此时极向风已经延伸到赤道附近,大约在70°E—120°E的经度范围内.图中可以看出,该经度范围(70°E—120°E)中低纬(0°—45°N)的极向风把该区域的ΣO/N2从较低的纬度输运到较高的纬度,贡献于TON结构的形成.而该处的极向风主要也是由压力梯度力控制的,同时科里奥利力对于中低纬度的向极风也有一定的正贡献,而其他力的作用基本可以忽略.

同样我们对影响TON结构垂直变化的风场进行了不同高度结果的呈现.图8显示了DOY 111的15.5 UT在51°E经度Vn(子午风速)、Vn的总时间变化率(∂Vn/∂t)、垂直黏度、科里奥利力、离子阻力、水平动量平流和离心力的纬度-压力面分布,同时O/N2的暴时百分比变化也呈现在其中.如图8所示磁暴期间的经向风具有显著的高度依赖性.极向风在约45°N以上的中高纬度地区存在于所有高度范围,而在约45°N以下的中低纬度地区分布于z=-1.5气压面以上的中高热层.中低纬度地区(小于40°N)的极向风风速随高度增加而增大,最大可达200 m·s-1的速度,40°N—70°N纬度范围内的极向风强度较小,基本在0～100 m·s-1之间,而在大于70°N的其他区域,向极风风场强度随高度变化不大,速度约为250 m·s-1.此外,在z=-1.5压力面以下的中低纬地区(0°N—45°N),经向风主要是向赤道方向的,并且在z=-2的压力面30°N纬度处存在约150 m·s-1的向赤道风场峰值.

图8显示在15.5 UT,在45°N—75°N几乎所有高度上∂Vn/∂t数值基本都是正值,明显正作用于暴时中低纬的向极风.∂Vn/∂t的量级随高度的增加而增加,通过跟各加速度项的比较,正的压力梯度力作用于此处基本所有等压面的极向风.如前所述,在中热层(z=-1.5,约160 km高度),垂直黏性力对极向风的影响可以忽略不计.然而,图8显示,垂直黏性力在z=1(约300 km高度)以上变得很重要,并且可以部分抵消45°N—80°N纬度范围内气压梯度力的大幅增加.因此,在z=1(约300 km高度)以上,中低纬地区极向风由两个作用方向相反的驱动力所控制.同时科里奥利力也有正贡献,但是作用较小,其他力的作用基本可以忽略.∂Vn/∂t的负值出现在z=0(约220 km高度)以上、纬度范围为15°N—45°N的中低纬地区,表明在前期中低纬地区形成的极向风正在减小,类似地,压力梯度加速是主导作用力,而垂直黏性力(正值)对负值的∂Vn/∂t起到一定的相反作用.

4 结论

本文利用GOLD观测和TIEGCM模拟研究了2020年4月20日磁暴恢复相期间(DOY 111的13 UT至DOY 112的12 UT)舌状中性结构(TON)的垂直变化及其物理机制.主要结论总结如下:

(1) TIEGCM模拟结果表明,ΣO/N2的TON结构最初是在磁暴恢复初期的当地下午形成,随着磁暴的演化被输运到夜侧,而后又在DOY 112被输运到日间并被逐渐耗散.

(2) GOLD在DOY 112观测到被耗散的ΣO/N2的TON结构,相较于结构形成的初期,具有较小的量级和较宽的经度分布.TIEGCM定性模拟再现了观测到的耗散TON结构.

(3) TON结构的强度和纬度范围有明显的高度依赖性,并且随磁暴演化不断变化.模式诊断分析表明,垂直向下的中性风驱动的垂直输运导致了30°N—70°N范围内的O/N2暴时增强,主导了TON结构的最初形成.极向风驱动的水平输运将较低纬的O/N2增强输送到较高纬度,主导了TON结构后续的演化和消散.

(4) 在中低热层(约120～300 km高度),主导O/N2的TON结构演变的中低纬极向风主要由气压梯度力决定.科里奥利力对中低纬度地区的极向风也有一定的贡献作用.其他力对其影响可以忽略.

(5) 在z=1(约300 km高度)以上的高热层,垂直黏性力变大,可以部分抵消气压梯度力的作用.因此高热层极向风主要由这两个作用相反的驱动力控制.

致谢所使用的GOLD数据从数据库(http:∥gold.cs.ucf.edu/)获取,Kp,F10.7p,By和Bz指数数据从https:∥cdaweb.gsfc.nasa.gov/cdaweb/sp_phys/网站获取,AE和Dst指数从https:∥supermag.jhuapl.edu/indices/网站获取.