許九靖,柯福陽(yáng)，趙興旺

(1.安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.南京信息工程大學(xué) 遙感與測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇 南京 210044)

0 引 言

早期的大量研究表明,電離層與低層大氣氣象活動(dòng)是存在相互聯(lián)系的,低層大氣氣象活動(dòng)會(huì)引起電離層結(jié)構(gòu)和物理特性的變化,產(chǎn)生小尺度的電離層擾動(dòng)[1].臺(tái)風(fēng)便是一種典型且復(fù)雜的低層大氣氣象活動(dòng).1958年Bauer[2]首次發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)過境時(shí)電離層會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng):當(dāng)颶風(fēng)向臺(tái)站靠近時(shí),F2層臨界頻率foF2開始增加;當(dāng)颶風(fēng)最接近臺(tái)站時(shí),地面氣壓降到最低,foF2增加到最大;同時(shí),他假設(shè)性地提出了大氣輻散/輻合模式是颶風(fēng)產(chǎn)生電離層擾動(dòng)的機(jī)理.1978年美國(guó)NASA的Hung等[3]利用高頻多普勒探測(cè)儀觀測(cè)到龍卷風(fēng)爆發(fā)期間電離層F層存在重力波并發(fā)生中尺度擾動(dòng),并以此認(rèn)為重力波可能是產(chǎn)生電離層擾動(dòng)的主要原因.臺(tái)灣的Huang等[4]研究發(fā)現(xiàn)高頻多普勒探測(cè)儀對(duì)由臺(tái)風(fēng)激發(fā)的能夠?qū)﹄婋x層產(chǎn)生擾動(dòng)的聲重力波有效探測(cè)性較差.但是,肖冠賽等[5]通過北京大學(xué)高頻多普勒臺(tái)站,對(duì)24次臺(tái)風(fēng)事件進(jìn)行了分析,其中有明顯擾動(dòng)的記錄高達(dá)22次.1982年,沈長(zhǎng)壽[6]統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn):臺(tái)風(fēng)對(duì)電離層foF2的變化有顯著影響,且因臺(tái)風(fēng)的遠(yuǎn)近而不同,臺(tái)風(fēng)登陸前后電離層foF2明顯下降,并假設(shè)性地提出了湍流層頂移動(dòng)是中低層大氣活動(dòng)與電離層耦合的可能機(jī)理.劉依謀等[7]采用一維電離層模型驗(yàn)證了沈長(zhǎng)壽認(rèn)為的臺(tái)風(fēng)期間湍流層頂?shù)奶赡苁桥_(tái)風(fēng)影響電離層F2區(qū)的一種有效機(jī)理的觀點(diǎn).余濤等[8]通過對(duì)登陸廈門的一次臺(tái)風(fēng)分析認(rèn)為:由于臺(tái)風(fēng)登陸前后,強(qiáng)烈的海氣、陸氣相互作用可能影響到電離層高度,從而導(dǎo)致電離層foF2、Es、和擴(kuò)展F等參量的變化.隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始借助GPS-TEC來研究臺(tái)風(fēng)與電離層異常的耦合問題.毛田等[9]利用GPS臺(tái)站資料,研究了臺(tái)風(fēng)“麥莎”對(duì)電離層電子濃度總含量(TEC)的影響.Rice等[10]分析GPS觀測(cè)的電離層TEC發(fā)現(xiàn):Melor臺(tái)風(fēng)期間TEC顯著增強(qiáng),很可能是由臺(tái)風(fēng)引起的.Lin等[11]認(rèn)為臺(tái)風(fēng)期間的電離層異常是由垂直聲重力波引起的,且利用非線性主成分分析法可以準(zhǔn)確探測(cè)出TEC異常在地圖中的位置.Kong等[12]提出臺(tái)風(fēng)激發(fā)的聲重力波引起了電離層行進(jìn)式擾動(dòng)(TID),并給出了擾動(dòng)的速度和方向.

關(guān)于臺(tái)風(fēng)過程電離層擾動(dòng)形態(tài)特征,不同學(xué)者的研究結(jié)果仍存在一些差異.這主要是由臺(tái)風(fēng)路徑上方監(jiān)測(cè)的電離層數(shù)據(jù)精度不高、可靠性低、不連續(xù)及缺失造成的[13].本文利用中國(guó)氣象局布設(shè)在廣州、福建等地的GPS氣象臺(tái)站提取區(qū)域電離層TEC,并結(jié)合IGS提供的全球電離層地理(GIM)數(shù)據(jù),借助滑動(dòng)四分位距法[14]建立TEC的背景值與異常探測(cè)區(qū)間.綜合分析超級(jí)臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂登陸對(duì)廈門地區(qū)電離層TEC的影響.

1 數(shù)據(jù)與方法

本文以1614號(hào)超級(jí)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”為研究對(duì)象,“莫蘭蒂”于2016年9月10日14時(shí),在西北太平洋生產(chǎn),9月13日晚間風(fēng)速達(dá)到極值(75 m/s),9月15日3時(shí)5分登陸廈門,登陸時(shí)中心最大風(fēng)速52 m/s.9月16日凌晨,臺(tái)風(fēng)消散.圖1中粗實(shí)線表示臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”經(jīng)過的路徑.

圖2為9月1日—9月19日空間環(huán)境指數(shù)F10.7、Kp和Dst的變化圖,虛線范圍內(nèi)為臺(tái)風(fēng)生成到消散的時(shí)間段.圖中所示時(shí)間段內(nèi)的F10.7指數(shù)均小于100,尤其在臺(tái)風(fēng)期間,F10.7指數(shù)均小于90.雖然在9月1日—9月10日,臺(tái)風(fēng)生成之前的這段時(shí)間,Kp指數(shù)大部分都大于3,且Dst指數(shù)也均小于-30.但是臺(tái)風(fēng)生成期間,Kp指數(shù)均小于3,且Dst指數(shù)絕大部分都大于-30(只有9月15日有一段時(shí)間小于-30).通常認(rèn)為,F10.7指數(shù)小于100,太陽(yáng)活動(dòng)水平較低;Kp指數(shù)小于等于3和Dst指數(shù)大于-30,地磁活動(dòng)較平靜.因此在臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”生成到消散的這一時(shí)間段內(nèi),太陽(yáng)和地磁活動(dòng)都較為平靜.

本文所用數(shù)據(jù)為中國(guó)氣象局布設(shè)于廣東、福建、廣西、云南和貴州的GPS氣象站資料,站點(diǎn)分布如圖1所示.其中正三角標(biāo)記為提取廈門地區(qū)TEC所用的GPS站點(diǎn),倒三角為提取參照地區(qū)TEC所用的GPS站點(diǎn).已有研究表明TEC的緯度效應(yīng)明顯,經(jīng)度效應(yīng)較小[15].即同緯度地區(qū),經(jīng)度變化對(duì)TEC產(chǎn)生的影響較小.因此本文利用廈門區(qū)域和參照GPS站點(diǎn)分別提取TEC,圖1中實(shí)心圓標(biāo)記為臺(tái)風(fēng)登陸廈門點(diǎn)(24.5°N,118.3°E)與參考點(diǎn)(24.5°N,110.3°E)位置.臺(tái)風(fēng)期間兩地區(qū)的TEC變化差異有可能就是臺(tái)風(fēng)對(duì)廈門地區(qū)TEC的影響.

基于雙頻GPS數(shù)據(jù),利用雙頻P碼之差消去衛(wèi)星、接收機(jī)的鐘差和對(duì)流層延遲可得:

(1)

帶入頻率f可得接收機(jī)至衛(wèi)星路徑上的TEC觀測(cè)方程為

(2)

采用電離層單層模型(SLM)可將接收機(jī)至衛(wèi)星路徑上的TEC投影到穿刺點(diǎn)的天頂方向:

(3)

式中:R為地球半徑;h為電離層薄層高度,一般取450 km;α為衛(wèi)星的地平高度角.

因此,提取TEC的關(guān)鍵就是偽距差的優(yōu)化和接收機(jī)、衛(wèi)星硬件延遲的準(zhǔn)確獲取.本文采用載波平滑偽距[16]的方法來得到較高精度的偽距差;然后利用區(qū)域球諧函數(shù)[17]方法進(jìn)行接收機(jī)、衛(wèi)星硬件延遲估計(jì).

bnmsinms) .

(4)

聯(lián)合式(3)和式(4)即可建立穿刺點(diǎn)的VTEC方程.因?yàn)槊總€(gè)測(cè)站每天有約20 000個(gè)觀測(cè)值,聯(lián)立方程組,基于最小二乘原理即可求出接收機(jī)、衛(wèi)星硬件延遲和球諧函數(shù)的系數(shù)[18].從而準(zhǔn)確提取區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的VTEC.

2 結(jié)果與分析

2.1 本文方法獲取的電離層VTEC與IGS提供的VTEC精度對(duì)比

利用圖1所示站點(diǎn)的GPS雙頻數(shù)據(jù),采用本文方法提取廈門和參考點(diǎn)上空的VTEC時(shí)間序列,并與IGS提供的GIM數(shù)據(jù)內(nèi)插得到的VTEC時(shí)間序列比較.如圖3所示,兩種方法得到的VTEC變化趨勢(shì)一致,其均方差分別為4.12 TECU、3.58 TECU.因此采用本文方法,通過區(qū)域建模得到的VTEC的精度較好,能夠用于臺(tái)風(fēng)影響電離層TEC的研究.

2.2 臺(tái)風(fēng)引起電離層擾動(dòng)分析

為分析臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”對(duì)廈門區(qū)域電離層TEC的影響,利用本文提取TEC的方法,建立廈門與同緯度不同經(jīng)度的參照地區(qū),從臺(tái)風(fēng)生成到消失的TEC時(shí)間序列如圖4所示,虛線為臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻.

圖4顯示,廈門地區(qū)和參照地區(qū)的TEC時(shí)序圖趨勢(shì)基本相同,這進(jìn)一步說明了TEC的經(jīng)度效應(yīng)不明顯.在臺(tái)風(fēng)登陸前,兩地的電離層TEC都較背景值有所上升.尤其是9月13日的上午(世界時(shí)),上升最明顯,這一時(shí)刻臺(tái)風(fēng)正好開始達(dá)到風(fēng)速極值.隨著臺(tái)風(fēng)的不斷臨近,兩地的TEC都開始趨于背景值.在臺(tái)風(fēng)登陸后的第二天,兩地的TEC又較背景值有所上升.圖4(c)為兩地TEC與背景值之差,從中可以看出,廈門地區(qū)的TEC變化在臺(tái)風(fēng)登陸前要大于參照地區(qū),而在臺(tái)風(fēng)登陸后的第二天里,廈門地區(qū)的TEC變化又小于參照地區(qū).之后兩地變化趨于相同.這正說明廈門地區(qū)TEC受臺(tái)風(fēng)影響,先上升后降低.

利用IGS提供的GIM數(shù)據(jù)建立臺(tái)風(fēng)路徑區(qū)域的電離層TEC與其背景值之差的分布如圖5所示，背景值的建立方法為滑動(dòng)四分位距法.

臺(tái)風(fēng)登陸前一天,即世界時(shí)9月13日6：00,福建、臺(tái)灣地區(qū)上空電離層TEC值相較于其背景值有15～20 TECU的正擾動(dòng),且越靠近臺(tái)風(fēng)中心,擾動(dòng)強(qiáng)度越大.這時(shí)臺(tái)風(fēng)開始影響臺(tái)灣島,且臺(tái)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到極值(75 m/s).同一天的12:00,TEC異常值的范圍在12～15 TECU.9月14日6:00,臺(tái)風(fēng)登陸臺(tái)灣島,此時(shí)臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域上空的電離層TEC相較其背景值的正擾動(dòng)為1 TECU左右.而12:00時(shí)的TEC相較其背景值出現(xiàn)了1 TECU左右的負(fù)擾動(dòng),這時(shí)臺(tái)風(fēng)已經(jīng)離開臺(tái)灣島.

世界時(shí)9月14日18:00臺(tái)風(fēng)登陸福建廈門,此時(shí)福建、臺(tái)灣地區(qū)上空電離層TEC值并沒有出現(xiàn)較大的擾動(dòng),其與背景值的差值在1～2 TECU.

借助滑動(dòng)四分位距法,以1.5倍四分位距為限差,對(duì)2016年9月13日全球電離層TEC異常進(jìn)行探測(cè).如圖6所示,6:00時(shí)臺(tái)風(fēng)周邊區(qū)域上空的電離層TEC異常已經(jīng)形成,10:00和12:00異常有所降低.16:00和18:00時(shí),TEC異常降低到8～10 TECU,圖6中，當(dāng)臺(tái)風(fēng)區(qū)域上空產(chǎn)生電離層擾動(dòng)時(shí)，其赤道共軛區(qū)域也產(chǎn)生了電離層擾動(dòng)，但是持續(xù)時(shí)間較短，形成原因還需要進(jìn)一步的深入研究.

綜上,臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸臺(tái)灣島前一天,電離層TEC表現(xiàn)為較強(qiáng)的正擾動(dòng),隨著臺(tái)風(fēng)的臨近,TEC逐漸恢復(fù)到背景值,之后又出現(xiàn)了小尺度的負(fù)擾動(dòng).

2.3 可能機(jī)制分析

當(dāng)臺(tái)風(fēng)臨近臺(tái)灣島時(shí),臺(tái)灣地區(qū)和廈門地區(qū)上空電離層都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的正擾動(dòng);當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸廈門時(shí),電離層TEC并沒有像臺(tái)風(fēng)臨近臺(tái)灣島那樣出現(xiàn)明顯異常.一方面是由于臺(tái)風(fēng)先經(jīng)過臺(tái)灣島后登陸廈門,所以廈門上空電離層TEC在臺(tái)風(fēng)臨近臺(tái)灣島時(shí)就發(fā)生了異常擾動(dòng).另一方面,當(dāng)臺(tái)風(fēng)臨近臺(tái)灣島時(shí),強(qiáng)烈的風(fēng)暴遭遇臺(tái)灣中央山脈的阻攔,為聲重力波的產(chǎn)生創(chuàng)造了一個(gè)絕佳的條件.之后,聲重力波向上傳播,并影響到電離層高度.而廈門地區(qū)的地形條件沒有起到這樣的阻攔作用.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于雙頻GPS數(shù)據(jù)提取的區(qū)域電離層TEC,結(jié)合IGS提供的GIM數(shù)據(jù),共同分析了臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”對(duì)TEC的影響.得出結(jié)論:

1)臺(tái)風(fēng)登陸廈門前一天,即世界時(shí)9月13日,廈門區(qū)域電離層TEC相較于其背景值和同緯度的參考區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的正異常擾動(dòng).

2)臺(tái)風(fēng)引起的區(qū)域電離層異常擾動(dòng),在其臨近臺(tái)灣島前就已經(jīng)出現(xiàn).9月13日的6：00異常值在15～20 TECU之間.隨著時(shí)間的推移,異常值逐漸降低,10小時(shí)后,異常消失;在世界范圍內(nèi),9月13日這一天,只有臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域及其赤道共軛區(qū)出現(xiàn)了電離層TEC的異常.這一天的太陽(yáng)和地磁活動(dòng)都比較平靜,所以此次電離層異常擾動(dòng)應(yīng)該是臺(tái)風(fēng)引起的.考慮到臺(tái)灣島的特殊地形(中央山脈縱貫全島,長(zhǎng)約320 km,有62座山峰高度在3 000 m以上),當(dāng)臺(tái)風(fēng)臨近時(shí),強(qiáng)烈的對(duì)流風(fēng)暴遭遇中央山脈的阻攔,由此產(chǎn)生的聲重力波向上傳播,造成了電離層的異常擾動(dòng).