鄭志超, 王慧, 張科燈, 何楊帆, 高潔, 孫璐媛, 仲云芳

武漢大學(xué)電信學(xué)院空間物理系， 武漢 430072

0 引言

平流層爆發(fā)性增溫(Sudden Stratospheric Warming，SSW)是發(fā)生在冬季平流層的大尺度氣候現(xiàn)象，其主要特點(diǎn)是冬季極區(qū)平流層溫度突然升高和平均緯向風(fēng)減弱甚至轉(zhuǎn)向(e.g., Andrews et al., 1987).自20世紀(jì)50年代以來，人們對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛的研究，它由快速增強(qiáng)的準(zhǔn)靜態(tài)行星波與平均緯向環(huán)流的相互作用引起(Matsuno, 1971).雖然SSW發(fā)生在平流層高度，但相關(guān)研究表明，它對(duì)中間層和較高高度的熱層也存在顯著的影響(Liu and Roble, 2002).對(duì)SSW現(xiàn)象的研究有助于加深人們對(duì)大氣層-電離層-熱層耦合過程的理解.

電離層對(duì)SSW的響應(yīng)一直以來是研究的熱點(diǎn).在SSW期間，潮汐波與行星際波的非線性耦合作用會(huì)引起電離層參數(shù)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，如電子密度、垂直漂移速度和赤道電集流(Equatorial Electrojet, EEJ)(Fejer et al., 2010; Maute et al., 2015; Sridharan, 2017).其中，EEJ會(huì)出現(xiàn)明顯的半日波動(dòng)，研究表明這與太陰潮汐的增強(qiáng)有密切關(guān)系(Fejer et al., 2010).太陰潮汐源于地球和月亮之間的引力，幅度最大的部分來自于12.42太陰時(shí)(M2)，其在新月和滿月時(shí)會(huì)達(dá)到極值(Thurman, 1994).20世紀(jì)40年代，人們發(fā)現(xiàn)太陰半日潮汐對(duì)EEJ存在調(diào)制作用，其峰值出現(xiàn)在冬季(Bartels and Johnston, 1940).后來的研究證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)，并揭示出太陰潮汐的增強(qiáng)與北半球冬季平流層爆發(fā)性增溫有關(guān)(Fejer et al., 2010; Stening, 2011; Park et al., 2012).SSW期間太陰潮汐的增強(qiáng)與背景條件的變化有關(guān)，背景風(fēng)場(chǎng)的分布導(dǎo)致大氣的Pekeris共振峰周期偏移到了12.42太陰時(shí)，這與太陰半日潮汐頻率接近(Forbes and Zhang, 2012).在此基礎(chǔ)上，人們進(jìn)一步研究了SSW對(duì)EEJ中太陰半日潮汐M2分量的影響.Yamazaki(2013)利用Addis Ababa地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，有SSW發(fā)生的冬季EEJ的太陰潮汐M2分量的幅度大約是沒有SSW發(fā)生冬季的3倍.利用時(shí)序疊加分析方法，Siddiqui等(2015)發(fā)現(xiàn)秘魯扇區(qū)EEJ的太陰半日潮汐M2分量的峰值要提前于高緯度平流層溫度的峰值.在一些SSW事件中，EEJ的太陰半日潮汐幅度可以與太陽半日潮汐相當(dāng) (Sathishkumar and Sridharan, 2013；Siddiqui et al., 2018).并且，EEJ中太陰半日潮汐M2分量的幅度存在太陽活動(dòng)、極區(qū)渦流類型和準(zhǔn)兩年振蕩(quasi-biennial oscillation，QBO)相位依賴性，EEJ的太陰潮汐M2分量在東相QBO(eQBO)時(shí)的強(qiáng)度要大于西相QBO的(wQBO)(Siddiqui et al., 2018).

EEJ的經(jīng)度變化的研究十分重要，有大量的工作來說明和解釋EEJ的經(jīng)度結(jié)構(gòu)(Lühr et al., 2008; Wang et al., 2020).EEJ中太陰潮汐本身也存在經(jīng)度變化，而且經(jīng)度結(jié)構(gòu)與EEJ不同(Yizengaw and Carter, 2017; Yamazaki et al., 2017).所以研究EEJ中太陰潮汐的經(jīng)度變化，對(duì)我們加深對(duì)EEJ的理解具有重要意義.雖然目前對(duì)SSW期間EEJ中太陰潮汐變化的研究很多，但對(duì)其經(jīng)度變化的研究較少.Siddiqui 等(2017)基于地磁臺(tái)站和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析了SSW期間EEJ中太陰潮汐的經(jīng)度變化，結(jié)果顯示秘魯扇區(qū)太陰潮汐的強(qiáng)度要比印度扇區(qū)強(qiáng)，并認(rèn)為經(jīng)度變化產(chǎn)生的原因可能與風(fēng)發(fā)電機(jī)區(qū)動(dòng)力學(xué)過程有關(guān).目前缺乏EEJ中太陰半日潮汐經(jīng)度變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究，為更全面地了解SSW中EEJ的太陰半日潮汐的變化特征，本文利用印度和秘魯?shù)貐^(qū)數(shù)十年的地磁數(shù)據(jù)，并結(jié)合CHAMP衛(wèi)星和SWARM衛(wèi)星的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，首次對(duì)SSW期間EEJ中太陰半日潮汐的經(jīng)度變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，揭示了不同經(jīng)度帶SSW期間太陰潮汐的定量特征，并對(duì)有關(guān)經(jīng)度差異進(jìn)行了解釋.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用的EEJ地基數(shù)據(jù)來自于地磁臺(tái)站測(cè)量的水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算EEJ的原理是用位于磁赤道地磁臺(tái)站的水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)減去相同經(jīng)度的非磁赤道低緯度地磁臺(tái)站的水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)(Anderson, 2004).印度扇區(qū)EEJ可以根據(jù)Tirunelveli(簡(jiǎn)稱TIR, 8.7°N, 77.8°E, 磁緯度0.59°N)、Trivandrum(簡(jiǎn)稱TRD，8.48°N，76.9°E，磁緯度0.29°N)和Alibag(簡(jiǎn)稱ABG, 18.6°N, 72.9°E, 磁緯度13.67°N)地磁臺(tái)站的水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到.根據(jù)Huancayo(簡(jiǎn)稱HUA，-12.05°N, 75.3°W, 磁緯度0.59 °N)和Fuquene(簡(jiǎn)稱FUQ, 18.11°N, 66.2°W, 磁緯度17.06°N)地磁臺(tái)站水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出秘魯扇區(qū)的EEJ.在本研究中，所用的地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)為1 h數(shù)據(jù)精度的水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，具體計(jì)算方法可以參見Wang等(2020).

另外，在本文使用的低軌衛(wèi)星觀測(cè)的EEJ數(shù)據(jù)主要利用CHAMP和SWARM衛(wèi)星的1 Hz的標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演得到.CHAMP衛(wèi)星和SWARM衛(wèi)星是極軌衛(wèi)星，CHAMP/SWARM衛(wèi)星的軌道傾角分別為87.3°/87.5°，飛行周期均為93 min.CHAMP衛(wèi)星初始高度為450 km，覆蓋所有地方時(shí)大概需要131天.SWARM-A和SWARM-C飛行高度約為470 km，覆蓋所有地方時(shí)需要將近133 d.SWARM-B飛行高度約為520 km，覆蓋所有地方時(shí)需要145 d(Reigber et al., 2002; Friis-Christensen et al., 2008).利用衛(wèi)星標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演EEJ的方法可參考Lühr 等(2004).

在本研究中，SSW期間 30 km高度(10 hPa)上北緯60°平均緯向風(fēng)和平均緯向溫度的再分析數(shù)據(jù)可以從ERA-40(1958—2002)(Uppala et al., 2005)和ERA-interim(1979—2019) (Dee et al., 2011)獲得，表1給出了SSW事件列表和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)來源，表中的中心日期指的是SSW期間極區(qū)渦旋發(fā)生分裂或者偏移的時(shí)間.

表1 SSW事件列表和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)來源Table 1 The list of SSW event and data usage

1.2 從地磁臺(tái)站EEJ中提取太陰潮汐的方法

太陽周日潮汐(24 h)、半日潮汐(12 h)、8 h和太陰半日潮汐(12.42 h)是EEJ中主要的潮汐分量，在提取各分量之前，應(yīng)先剔除太陽活動(dòng)的影響.EEJ與太陽活動(dòng)可近似看成線性關(guān)系，在本研究中我們根據(jù)Alken和Masu(2007)提出的關(guān)系式對(duì)EEJ進(jìn)行了歸一化處理，歸一化公式如下：

EEJn=4.458×10-5×(150-F10.7)+EEJobs，

(1)

公式(1)中EEJn為歸一化之后的EEJ，F(xiàn)10.7為觀測(cè)是太陽活動(dòng)指數(shù)，EEJobs為EEJ觀測(cè)值.得到歸一化之后的EEJ后，我們采取了與Siddiqui 等(2015)相似的方法從地磁數(shù)據(jù)中提取潮汐分量的方法，提取公式如下：

(2)

sn和σn分別代表太陽潮汐對(duì)應(yīng)n次諧波分量的幅度和相位，t表示太陽地方時(shí),τ表示太陰地方時(shí)(新月對(duì)應(yīng)0 h，滿月對(duì)應(yīng)12 h)，L和λ分別代表太陰半日潮汐的幅度和相位.將觀測(cè)數(shù)據(jù)代入公式(2)中，可得到EEJ強(qiáng)度與各潮汐分量的幅度與相位關(guān)系的方程組，再利用最小二乘擬合解方程組，就可以求解出各潮汐分量幅度和相位.

在實(shí)際的提取過程中，由于太陰半日潮汐和太陽半日潮汐的周期均在12 h附近，因此需要將他們分離開來.頻率分辨率Δf可以用以下公式表示：

(3)

1.3 從衛(wèi)星反演的EEJ中提取太陰潮汐的方法

衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)特點(diǎn)不同，每天可以得到16個(gè)EEJ數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)地方時(shí)基本相同，地理經(jīng)度不同.正是由于其不同，衛(wèi)星數(shù)據(jù)我們需要對(duì)進(jìn)行地方時(shí)和太陽活動(dòng)的歸一化，且衛(wèi)星數(shù)據(jù)只能提取太陰潮汐分量，而不能提取太陽潮汐分量，具體提取步驟如下.

EEJ對(duì)太陽活動(dòng)、地方時(shí)和月相都存在依賴性，為了從衛(wèi)星EEJ數(shù)據(jù)分離出太陰潮汐分量，應(yīng)先將EEJ信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，以去除太陽活動(dòng)和地方時(shí)的影響.歸一化公式如下(Park et al., 2012)：

(4)

我們根據(jù)如下公式提取太陰潮汐：

(5)

公式(5)中L為太陰潮汐波，A為其幅度，d0太陰潮汐相位，d為太陰日，h為地方時(shí)，Tmoon太陰周期(29.53天).其中h和d存在如下關(guān)系：

(6)

公式(6)中，d1為任意相位，TCHAMP為261 d.整理公式(5)和公式(6)，可以得到CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，太陰半日潮汐的提取公式如下：

(7)

2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1a給出了1960—2013年冬季北半球平流層增溫期間(總事件數(shù)30)太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中0時(shí)刻為表1中事件列表時(shí)間，實(shí)線兩側(cè)陰影部分為平均均方根誤差.如圖所示，在這30個(gè)事件中，太陽活動(dòng)指數(shù)的均值在120左右，SSW發(fā)生前后變化不大.

圖1 SSW期間太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7(a)、60°N處10 hPa高度平均緯向溫度(藍(lán)色)和平均緯向風(fēng)(紅色)(b)、秘魯扇區(qū)(紅)和印度扇區(qū)(藍(lán))EEJ中太陰半日潮汐幅度(c)隨時(shí)間變化圖Fig.1 Daily variations of the solar activity index F10.7 (a), zonal mean temperature (red curve) and zonal mean wind (blue curve) at 60°N, 10 hPa (b) and lunar semidiurnal tidal amplitude in EEJ (c) based on Peruvian (red curve) and Indian (blue curve) station during SSW

圖1b為SSW期間10 hPa高度上60°N處平均緯向風(fēng)(東向?yàn)檎?和平均緯向溫度隨時(shí)間的變化，其中紅色表示平均緯向風(fēng)，藍(lán)色表示平均緯向溫度.從圖中可以看到，在-30天之前平均緯向風(fēng)和平均緯向溫度的變化比較穩(wěn)定，緯向風(fēng)接近30 m·s-1，溫度約為210 K.從-30天開始，平均緯向溫度逐漸升高，在0時(shí)達(dá)到峰值，峰值在230 K左右，之后逐漸下降，在35日左右趨于穩(wěn)定，接近215 K.同時(shí)，東向平均緯向風(fēng)從-30天開始減弱，在0時(shí)左右轉(zhuǎn)為西向，3天后達(dá)到西向最強(qiáng)(-6 m·s-1)，隨后開始西向減弱，在40天左右達(dá)到穩(wěn)定(15 m·s-1).

圖1c為SSW期間EEJ 中M2分量的變化圖，紅色代表秘魯扇區(qū)，藍(lán)色代表印度扇區(qū).在SSW期間，秘魯扇區(qū)和印度扇區(qū)EEJ中M2分量均有明顯增強(qiáng).秘魯扇區(qū)EEJ中M2分量在-60 d到-30 d期間在7～8 nT附近波動(dòng)，之后開始上升，在第1 d達(dá)到峰值(11.6 nT)，之后逐漸減弱，在40 d左右穩(wěn)定.與印度扇區(qū)相比，在-60 d—到-25 d期間，EEJ中M2分量在3～4 nT附近波動(dòng)，明顯低于秘魯扇區(qū).然后在第5 d達(dá)到極值(約5.6 nT).隨后開始減弱的過程，在35 d左右趨于穩(wěn)定，幅度在2.7 nT左右.圖中的虛線為大尺度變化趨勢(shì)線，可以通過線性擬合得到.虛線和實(shí)線的對(duì)比可以看出，SSW期間太陰半日潮汐有明顯的增強(qiáng).

與圖1類似， 本研究還統(tǒng)計(jì)了2001—2018年北半球SSW期間印度和秘魯經(jīng)度扇區(qū)衛(wèi)星EEJ數(shù)據(jù)中M2分量的變化，共計(jì)15個(gè)事件，其結(jié)果如圖2所示.圖2a是SSW期間太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7的變化圖，可以看出SSW期間太陽活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，保持在110 s.f.u附近.

圖2 格式與圖1類似，但EEJ由CHAMP和SWARM衛(wèi)星磁場(chǎng)數(shù)據(jù)得到Fig.2 The same as Fig.1, but the EEJ data from CHAMP and SWARM satellite

圖2b顯示在10 hPa高度上60°N的平均緯向風(fēng)(東向?yàn)檎?和平均緯向溫度的變化，其中紅色為平均緯向風(fēng)，藍(lán)色為平均緯向溫度.平均緯向溫度在-30 d之前，大約在205°附近，之后開始明顯上升，在第2 d達(dá)到最高值231 K，之后開始降溫，在35 d后趨于穩(wěn)定.平均緯向風(fēng)從第-25 d左右開始減弱，在第二天達(dá)到極小值，約為1.12 m·s-1，之后開始緩慢增強(qiáng)，30 d之后開始達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).圖2b中，平均緯向風(fēng)和平均緯向溫度與圖1b中的變化情況基本一致，這反映了SSW期間平均緯向風(fēng)和溫度變化的典型特征，雖然存在細(xì)微的差別，這種差別可能是由于事件數(shù)的不同導(dǎo)致的.

圖2c給出了CHAMP/SWARM衛(wèi)星在SSW期間飛越印度扇區(qū)和秘魯扇區(qū)是EEJ 中M2分量隨時(shí)間的變化圖，紅色表示秘魯扇區(qū)，藍(lán)色表示印度扇區(qū).通過與圖1c的對(duì)比，可以看到衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)果與地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)的一致性.秘魯扇區(qū)EEJ 中M2分量的強(qiáng)度始終高于印度扇區(qū)，在SSW發(fā)生之前(-60 d到-30 d)，秘魯扇區(qū)EEJ 中M2分量的幅度高于印度扇區(qū)，分別為30 mA·m-1和19 mA·m-1左右.之后，隨著平流層開始增溫，EEJ 中M2分量開始增強(qiáng)，秘魯扇區(qū)于第2 d達(dá)到最大(39.45 mA·m-1)，印度扇區(qū)于第9 d達(dá)到最大(22.63 mA·m-1).達(dá)到峰值后，兩經(jīng)度帶的EEJ 中M2分量開始減弱.

圖2c和圖1c的結(jié)果存在一定差別，主要表現(xiàn)為印度經(jīng)度帶太陰半日潮汐達(dá)到峰值的時(shí)間差不同.從地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)來看，印度臺(tái)站EEJ 中M2分量達(dá)到峰值的時(shí)間為第5天.從衛(wèi)星數(shù)據(jù)來看，印度扇區(qū)EEJ 中M2分量達(dá)到峰值的時(shí)間是第9 d.我們認(rèn)為，這個(gè)差別可能來自于兩方面，一方面是兩個(gè)統(tǒng)計(jì)所用的事件數(shù)存在差別，另一方面是衛(wèi)星數(shù)據(jù)用的是50°經(jīng)度寬度的數(shù)據(jù)代表某一經(jīng)度，不是嚴(yán)格的某個(gè)經(jīng)度數(shù)據(jù).用同樣的方法，我們對(duì)2000—2010年相同的SSW事件做統(tǒng)計(jì)(本文沒有給出相關(guān)圖形)，發(fā)現(xiàn)二者的差異較小.

潮汐除了幅度變化之外，相位變化也是很重要的信息.以往的研究表明EEJ中太陰半日潮汐波的相位變化受控于太陰時(shí)(月相)，而每個(gè)SSW事件中心時(shí)間所對(duì)應(yīng)的太陰時(shí)不同，因此很難直接統(tǒng)計(jì)單個(gè)臺(tái)站的相位變化(Siddiqui et al.,2018; Sathishkumar and Sridharan, 2013).因此，在本研究將秘魯扇區(qū)的EEJ中M2分量的相位減去印度扇區(qū)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出SSW期間兩地區(qū)相位差變化很小，在0.7 h以內(nèi)，這表明SSW期間M2幅度的經(jīng)度差異與相位差無關(guān).Siddiqui等(2017)在分析SSW事件中M2的相位變化時(shí)也發(fā)現(xiàn)，秘魯扇區(qū)和印度扇區(qū)相位變化差異較小.衛(wèi)星數(shù)據(jù)的相位差結(jié)果與地面臺(tái)站類似，本文沒有給出.由于SSW期間，相位差變化較小，后面的討論中將不再做詳細(xì)討論.

圖3 SSW期間秘魯和印度扇區(qū)地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)中EEJ的M2分量相位差的變化Fig.3 Daily variations of the lunar semidiurnal tidal phase difference in EEJ based on between Peruvian and Indian station during SSW

3 討論

從圖1和圖2中可以看出SSW對(duì)印度和秘魯扇區(qū)EEJ中的M2存在明顯的調(diào)制作用，這兩個(gè)扇區(qū)的EEJ中M2分量都得到了增強(qiáng)，并且存在明顯的經(jīng)度差異.首先，兩個(gè)地區(qū)EEJ 中M2分量達(dá)到峰值時(shí)間不同.其次，兩個(gè)地區(qū)EEJ 中M2分量的幅度不同.接下來，我們將對(duì)此進(jìn)行討論，并分析造成這些差異可能的原因.

3.1 峰值時(shí)間的經(jīng)度差異

本文提取的太陰半日潮汐均為遷移潮汐，理論上應(yīng)不存在經(jīng)度差異.但背景大氣條件(特別是緯向風(fēng))對(duì)太陰潮汐的傳播有明顯的影響(Stening et al.，1997).如圖1c和圖2c所示，印度扇區(qū)與秘魯扇區(qū)相比，EEJ 中M2分量達(dá)到峰值的時(shí)間較晚，這一差異可能是由于兩個(gè)地區(qū)的大氣背景條件不同所致.直接探測(cè)印度扇區(qū)和秘魯扇區(qū)背景大氣條件的變化比較困難，以往的研究表明背景大氣的改變與太陽活動(dòng)和準(zhǔn)兩年振蕩的相位有關(guān)(Labitzke,1987; Siddiqui et al., 2018)，下面我們給出了在SSW期間EEJ的太陰半日潮汐在不同太陽活動(dòng)水平和QBO相位時(shí)的變化情況.

本文對(duì)SSW期間印度和秘魯扇區(qū)地磁臺(tái)站的EEJ在不同太陽活動(dòng)水平時(shí)的太陰半日潮汐的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示，其中左圖為太陽活動(dòng)高年(F10.7>120 s.f.u)，右圖為太陽活動(dòng)低年(F10.7≤120 s.f.u)，相應(yīng)的事件數(shù)分別為15和15.對(duì)比圖4a和4b，我們可以看到太陽活動(dòng)高年F10.7約為150 s.f.u，低年約為85 s.f.u，太陽活動(dòng)高年和低年SSW期間平均緯向風(fēng)和緯向溫度的差異很小(圖4c和4d).根據(jù)歐姆定律，EEJ的強(qiáng)度與電離層電導(dǎo)率成正比，而電離層電導(dǎo)率與F10.7指數(shù)有關(guān)(e.g.Robinson and Vondrak, 1984; Lühr et al.，2012).在圖4e和4f中，雖然太陽活動(dòng)高年EEJ的太陰半日潮汐幅度要強(qiáng)于低年，但是它的差別并沒有像太陽活動(dòng)指數(shù)差別那么明顯，這也證實(shí)了Lühr等(2012)的理論，即EEJ 中M2分量的增強(qiáng)并不能完全用太陽活動(dòng)指數(shù)來解釋.雖然，太陽活動(dòng)指數(shù)不足以解釋其幅度變化，但我們可以看到，在太陽活動(dòng)高年SSW期間，秘魯扇區(qū)太陰半日潮汐達(dá)到峰值的時(shí)間是-5 d，印度扇區(qū)是5 d，秘魯扇區(qū)要早于印度扇區(qū).在太陽活動(dòng)低年，印度扇區(qū)和秘魯扇區(qū)的太陰半日潮汐在SSW期間增強(qiáng)過程明顯，達(dá)到峰值的時(shí)間分別為第6和3 d.研究結(jié)果表明，印度扇區(qū)和秘魯扇區(qū)的太陰半日潮汐在SSW期間達(dá)到峰值的時(shí)間與太陽活動(dòng)有關(guān)，高太陽活動(dòng)時(shí)秘魯扇區(qū)太陰半日潮汐峰值時(shí)間要比低太陽活動(dòng)時(shí)提前10 d左右，而對(duì)印度扇區(qū)的影響并不明顯.綜上所述，我們認(rèn)為SSW期間EEJ 中M2分量達(dá)到峰值時(shí)間的經(jīng)度差異與太陽活動(dòng)水平有關(guān).

圖4 太陽活動(dòng)高年(左)和太陽活動(dòng)低年(右)時(shí)SSW期間太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7(a，b)、60°N處10 hPa高度平均緯向溫度(藍(lán)色)和平均緯向風(fēng)(紅色)(c，d)、秘魯扇區(qū)(紅)和印度扇區(qū)(藍(lán))EEJ中太陰半日潮汐幅度(e，f)隨時(shí)間變化Fig.4 Daily variations of the solar activity index F10.7 (a,b), zonal mean temperature (red curve) and zonal mean wind (blue curve) at 60°N, 10 hPa (c,d) and lunar semidiurnal tidal amplitude in EEJ (e,f) based on Peruvian (red curve) and Indian (blue curve) station during SSW at solar high activity (left) and solar low activity (right)

QBO相位影響潮汐傳播不可忽視的影響因素，它不僅能影響底層大氣，也能影響電離層(Yadav et al., 2019).在平流層?xùn)|相QBO時(shí)，中間層的周日潮汐和半周日潮汐都會(huì)得到增強(qiáng)，在電離層則體現(xiàn)為電流和電場(chǎng)的增強(qiáng)(Davis et al., 2013; Chen et al., 2015).中間層的任何變化都可能會(huì)引起電離層電場(chǎng)或者電流的變化，QBO相位的改變可以引起背景風(fēng)場(chǎng)的變化，從而影響太陰半日潮汐的向上傳播過程(Siddiqui et al., 2018).為了進(jìn)一步研究EEJ 中M2分量峰值時(shí)間與QBO相位的關(guān)系，我們根據(jù)Siddiqui等(2018)劃分的SSW期間QBO相位類別，給出了在QBO東/西相位時(shí)，EEJ中太陰半日潮汐隨時(shí)間的變化(圖5).在圖5e和5f中我們可以看到，東相QBO時(shí)(事件數(shù)19)，印度和秘魯扇區(qū)EEJ 中M2分量達(dá)到峰值的時(shí)間分別為第5和2 d附近，而西相QBO時(shí)(事件數(shù)11)，印度扇區(qū)EEJ 中M2分量達(dá)到峰值的時(shí)間9天附近，而秘魯扇區(qū)在-4 d.因此，我們可以認(rèn)為SSW期間EEJ 中M2分量的峰值時(shí)間的經(jīng)度差異可能與QBO相位有關(guān).

圖5 格式與圖4一致，但是左圖為eQBO，右圖為wQBOFig.5 The same as Fig.4, but SSW is classified as eQBO (left) and wQBO (right)

3.2 幅度峰值的經(jīng)度差異

EEJ的經(jīng)度差異通常與電離層電導(dǎo)率和非遷移潮汐波等因素有關(guān)(Rastogi, 1962；Doumouya et al., 2003; England et al., 2006; Lühr et al., 2008).盡管EEJ中M2分量的幅度的經(jīng)度差異與EEJ的經(jīng)度差異不同，但是在春秋分EEJ中M2分量的經(jīng)度差異依然與背景磁場(chǎng)的強(qiáng)度存在的很好的相關(guān)性，這是由于電導(dǎo)率與背景磁場(chǎng)的強(qiáng)度成反比(Yamazaki et al., 2017).由于磁赤道很大一部分在海洋上，因此可利用的地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)非常有限，利用其統(tǒng)計(jì)SSW期間EEJ中M2分量的強(qiáng)度的經(jīng)度變化也很困難.磁場(chǎng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)給我們提供了新的機(jī)會(huì)，在圖1c和圖2c中，衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)得到的結(jié)果基本一致，這意味著可以利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來研究EEJ中M2分量的經(jīng)度變化.

為了研究SSW期間EEJ中太陰半日潮汐幅度的峰值與背景磁場(chǎng)的關(guān)系，我們給出了IGRF磁場(chǎng)隨地理經(jīng)度的變化(圖6)，以及SSW期間不同經(jīng)度帶EEJ中M2分量的變化情況(圖7).我們選取的經(jīng)度帶為0、75°E、140°E、140°W和75°W，分別用紅色、綠色、藍(lán)色、黑色、青色表示.由圖6可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度由強(qiáng)到弱分別為75°E、140°E、0°、140°W和75°W，電導(dǎo)率的強(qiáng)弱次序與背景磁場(chǎng)相反.如果SSW期間太陰半日潮汐的峰值強(qiáng)度變化與電導(dǎo)率一一對(duì)應(yīng)，那么其峰值強(qiáng)弱順序也該如此.在圖7中，太陰半日潮汐峰值由強(qiáng)到弱分別是75°W，140°W、140°E、75°E和0°.很明顯西半球的太陰半日潮汐峰值要比東半球強(qiáng)，磁場(chǎng)最弱的地方M2分量的峰值強(qiáng)度最強(qiáng)，但是在東半球太陰半日潮汐的峰值強(qiáng)度與背景磁強(qiáng)無正相關(guān)關(guān)系.圖7的結(jié)果表明，太陰半日潮汐的經(jīng)度差異可能與背景磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，但也有其他影響因素.

圖6 IGRF磁場(chǎng)模型下磁赤道處地磁場(chǎng)強(qiáng)度隨經(jīng)度的變化，其中紅、綠、藍(lán)、黑、青色分別代表0°,75°E, 140°E, 140°W, 75°WFig.6 The longitude variation of magnetic field intensity at magnetic equator in the frame of IGRF. Red, green, blue, black, cyan represent 0°, 75°E, 140°E, 140°W, 75°W, respectively

圖7 SSW期間EEJ中M2隨時(shí)間變化圖，其中紅、綠、藍(lán)、黑、青色分別代表0°,75°E, 140°E, 140°W, 75°W經(jīng)度Fig.7 Daily variations of lunar semidiurnal tidal amplitude in EEJ from satellite data at different longitude sector during SSW. Red, green, blue, black, cyan represent 0°,75°E, 140°E, 140°W, 75°W, respectively

一般認(rèn)為，太陰潮汐起源于地球與月球的相互作用，以及海洋的垂直運(yùn)動(dòng).Pedatella等(2012)利用WACCM模型發(fā)現(xiàn)太陰半日潮汐在低緯度存在經(jīng)度變化，而且認(rèn)為這種經(jīng)度變化是太陰半日潮汐與靜態(tài)行星波的非線性作用引起的，而不是海洋潮汐運(yùn)動(dòng).在太陰半日潮汐向上傳播過程中，由于不同經(jīng)度上背景大氣條件存在經(jīng)度差異，因此在E層磁赤道地區(qū)太陰半日潮汐峰值也可能存在經(jīng)度差異(Siddiqui et al., 2017).還有一種解釋是EEJ中太陰半日潮汐的經(jīng)度差異可能與中性風(fēng)和背景磁場(chǎng)的相互作用有關(guān)，也就是說太陰半日潮汐的經(jīng)度差異可能與赤道電離層E區(qū)風(fēng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)有關(guān)(Siddiqui et al., 2017).電離層電流與U×B的變化有關(guān)，Maute等(2015)利用TIME-GCM研究了磁場(chǎng)和中性風(fēng)對(duì)SSW期間E×B的經(jīng)度變化的影響，他們認(rèn)為在SSW期間E×B漂移峰值時(shí)間往午后移動(dòng)的經(jīng)度差異主要是由中性風(fēng)引起的.另一方面，非遷移潮汐波在太陰半日潮汐波的經(jīng)度變化中也扮演著非常重要的作用(Yamazaki et al., 2017).利用遷移潮汐波模來激發(fā)太陰半日潮汐，很難得到太陰半日潮汐的經(jīng)度結(jié)構(gòu)，只有遷移潮汐波模和非遷移潮汐波模同時(shí)存在，才能夠復(fù)現(xiàn)太陰半日潮汐的經(jīng)度結(jié)構(gòu)，其中在冬季電離層E區(qū)高度上SE2和SW4在對(duì)于太陰半日潮汐經(jīng)度結(jié)構(gòu)的形成有顯著的重要性(Paulino et al.，2013).此外，太陰半日潮汐的幅度還與地理緯度有關(guān)，根據(jù)hough模的結(jié)構(gòu)，從地理赤道到中緯度地區(qū)，大氣半日潮汐幅度隨緯度的升高而增強(qiáng)，而Huancayo臺(tái)站的地理緯度高于Tirunelveli臺(tái)站，因此秘魯磁赤道半日潮汐大于印度磁赤道的半日潮汐.以往的研究表明冬季南半球得太陰半日潮汐幅度更強(qiáng)(Paulino et al., 2013; Pedatella et al., 2012).對(duì)于SSW期間EEJ 中M2分量的經(jīng)度差異，我們目前很難給出具體的解釋，從圖6中我們可以認(rèn)為，太陰半日潮汐幅度峰值的經(jīng)度差異可能與背景磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，但也有其他過程的影響，還需要進(jìn)一步的研究.

4 結(jié)論

本文利用地磁臺(tái)站水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)SSW期間EEJ中太陰半日潮汐的經(jīng)度變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)研究，揭示了它們存在的經(jīng)度變化，并分析了太陰半日潮汐達(dá)到峰值的時(shí)間和強(qiáng)度的經(jīng)度差異的影響因素和可能原因，得到了如下主要結(jié)論：

(1)SSW期間，印度扇區(qū)和秘魯扇區(qū)EEJ中太陰半日潮汐均存在明顯的增強(qiáng)，但是達(dá)到峰值的時(shí)間和強(qiáng)度存在差異.

(2)SSW期間EEJ中太陰半日潮汐達(dá)到峰值的時(shí)間與太陽活動(dòng)有關(guān).太陽活動(dòng)低年，印度扇區(qū)和秘魯扇區(qū)的EEJ中太陰半日潮汐達(dá)到峰值時(shí)間的經(jīng)度差異小于太陽活動(dòng)高年.在印度扇區(qū)，不同太陽活動(dòng)水平EEJ的太陰潮汐達(dá)到峰值時(shí)間基本不變，而秘魯扇區(qū)太陽活動(dòng)高年時(shí)EEJ的太陰半日潮汐的峰值時(shí)間比低年早.

(3) SSW期間EEJ中太陰半日潮汐達(dá)到峰值的時(shí)間與QBO相位有關(guān).QBO東相位時(shí)，印度扇區(qū)和秘魯扇區(qū)的EEJ中太陰半日潮汐達(dá)到峰值時(shí)間的經(jīng)度差異較小于QBO西相位時(shí).印度和秘魯扇區(qū)QBO西相位時(shí)EEJ中太陰半日潮汐峰值時(shí)間早于QBO東時(shí).

(4)通過對(duì)比不同地理經(jīng)度磁赤道地區(qū)主磁場(chǎng)強(qiáng)度與SSW期間EEJ中的太陰半日潮汐峰值幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)秘魯扇區(qū)的太陰半日潮汐的峰值強(qiáng)度高于印度扇區(qū)，這可能與背景磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān).但背景磁場(chǎng)強(qiáng)度并不足以解釋太陰半日潮汐強(qiáng)度在其他經(jīng)度帶的差異，還存在其他的影響機(jī)制.

致謝本研究中所用的太陽活動(dòng)指數(shù)可以從OMNIWeb網(wǎng)站獲取(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html)，平均緯向風(fēng)和平均緯向溫度的再分析數(shù)據(jù)可以從歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)網(wǎng)站獲取(https:∥www.ecmwf.int/)，CHAMP衛(wèi)星標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以從http:∥doi.org/10.5880/GFZ.2.3.2019.004 網(wǎng)站獲取，SWARM衛(wèi)星標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以從ftp:∥swarm-diss.eo.esa.int網(wǎng)站獲取，而TIR、TRD、ABG和FUQ臺(tái)站水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以從世界地磁數(shù)據(jù)中心愛丁堡站下載(http:∥www.wdc.bgs.ac.uk/data.html)，HUA臺(tái)站水平磁場(chǎng)數(shù)據(jù)有德國地學(xué)中心數(shù)據(jù)提供(https:∥dataservices.gfz-potsdam.de/portal/index.html)，感謝上述機(jī)構(gòu)或網(wǎng)站對(duì)本文的數(shù)據(jù)支持.