王秀英，楊德賀，張學慶，何宏瑋，郭峰，姜文亮，牛從達，申旭輝

1 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085 2 國防科技大學信息通信學院，武漢 430010 3 云南省地震局，昆明 650224

0 引言

電離層受多種因素的影響會產(chǎn)生不規(guī)則結(jié)構(gòu)(Ionospheric Irregularities)，電波通過這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)傳播時其幅度或相位會改變，一般稱為電離層閃爍(Ionospheric Scintillation).電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)會引起GPS信號折射、散射，進而降低系統(tǒng)的定位精度；在嚴重閃爍情況下，甚至可以使GPS接收機失鎖，導致系統(tǒng)無法定位.由于電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)對通訊、導航、定位等應用存在重大影響，因此對該現(xiàn)象的研究成為電離層研究中非常重要的內(nèi)容，有很多這方面的研究工作(Basu et al.,1976,1988,2002;Tsunoda,1985;Aarons,1982,1993;Burke et al.,2004a,b;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Otsuka et al.,2012;Carter et al.,2013;Acharya and Majumdar,2019).

對電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的早期研究主要利用地基測高儀、雷達觀測數(shù)據(jù)(Aarons,1982,1993;Abdu et al.,1981)，衛(wèi)星到地基的閃爍觀測數(shù)據(jù)(Basu et al.,1988;Aarons,1993;Basu et al.,2002;Nishioka et al.,2008)，基于衛(wèi)星的頂部電離層探測數(shù)據(jù)(Maruyama and Matsuura,1984)，以及衛(wèi)星原位觀測數(shù)據(jù)(Basu et al.,1976;Watanabe and Oya,1986;Aarons,1993;Kil and Heelis,1998).由于早期衛(wèi)星原位觀測數(shù)據(jù)量較少，研究難以得到全球不規(guī)則結(jié)構(gòu)的演化特征；之后衛(wèi)星原位觀測數(shù)據(jù)量大大增加，對赤道附近不規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究產(chǎn)出大量研究成果(Huang et al.,2002；Burke et al.,2004a,b;Su et al.,2008;Kil et al.,2009).2006年發(fā)射的COSMIC星座利用掩星(Radio Occultation)技術(shù)得到大批觀測數(shù)據(jù)，由此出現(xiàn)很多基于掩星數(shù)據(jù)的電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究成果(Dymond,2012;Carter et al.,2013;Yu et al.,2017).

近年來隨著電磁衛(wèi)星數(shù)量增多，電離層原位觀測數(shù)據(jù)量也迅速增加，利用原位觀測數(shù)據(jù)研究電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的工作也在增加.由于很多衛(wèi)星都是變化地方時觀測，如CHAMP、C/NOFS、SWARM等衛(wèi)星(星座)，而電離層本身也隨地方時變化，這種情況下難以利用變化地方時衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)進行電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)精細特征以及氣候特征的研究.DMSP衛(wèi)星為固定地方時觀測，主要集中于電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)最為集中的日落時段，目前對這個時段不規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)有很多研究成果；相對而言，對午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)的詳細時空特征的研究內(nèi)容卻很少.一些研究表明午夜前的閃爍可以一直延續(xù)到午夜后(Otsuka et al.,2012;Brahmanandam et al.,2012)，而Burke等(2009)利用C/NOFS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的研究結(jié)果以及Huba和Joyce(2010)模擬結(jié)果表明午夜后在赤道附近區(qū)域的電離層會產(chǎn)生新的不規(guī)則結(jié)構(gòu).因此，對午夜后電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的認識尚有待進一步展開研究工作.

2018年2月2日發(fā)射的我國首顆地震電磁試驗衛(wèi)星ZH-1為固定地方時觀測，夜間觀測時間約為02:00LT左右(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，對其夜間電離層原位觀測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示：即使在太陽活動低年，午夜后頂部電離層仍有相當數(shù)量的不規(guī)則結(jié)構(gòu)存在.ZH-1衛(wèi)星2018年7月完成在軌測試，至今已積累2年多的正式觀測數(shù)據(jù)，為研究午夜后電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)提供了寶貴的原位電子密度觀測數(shù)據(jù)資源.前期，對ZH-1與Swarm數(shù)據(jù)的初步對比驗證結(jié)果(Wang et al.,2019a)以及由ZH-1衛(wèi)星2019年全年數(shù)據(jù)在中國及附近區(qū)域的電子密度時空分布特征的檢驗結(jié)果(王秀英等，2021)，都表明ZH-1衛(wèi)星原位電子密度數(shù)據(jù)可以正確反映不同時空尺度的電離層相對變化現(xiàn)象，對于利用相對變化的研究是一個可用的數(shù)據(jù)集.

本文擬利用ZH-1衛(wèi)星2019、2020連續(xù)兩年產(chǎn)出的原位電子密度觀測數(shù)據(jù)，檢測衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，分析夜間電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間分布與季節(jié)變化規(guī)律，并與之前研究結(jié)果進行比較.本文研究結(jié)果有助于進一步認識午夜后頂部電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的變化特征，為更好地解決衛(wèi)星通訊、導航以及定位等應用領(lǐng)域的問題提供參考信息.

1 數(shù)據(jù)和檢測方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用2019、2020連續(xù)2年的夜間原位電子密度觀測數(shù)據(jù)，檢測沿衛(wèi)星觀測軌道出現(xiàn)的電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計其時空變化特征.ZH-1衛(wèi)星同一軌道白天和夜間觀測數(shù)據(jù)分別存儲在兩個數(shù)據(jù)文件中(王秀英等，2021)，而電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要發(fā)生在傍晚及夜間，所以這里僅需處理夜間數(shù)據(jù)文件.本文分析了2019年的4666個和2020年5319個觀測軌道數(shù)據(jù).

ZH-1衛(wèi)星飛行速度約為7.8 km·s-1，觀測范圍為地理緯度南北65°之間(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，所需觀測時間約為30 min.對于相距不遠或者鄰近數(shù)據(jù)間的觀測時差，遠小于30 min，如相距1000 km的觀測數(shù)據(jù)，觀測時差僅約2.1 min，這個時差完全可以忽略；即使對較大空間尺度的數(shù)據(jù)也可以認為是同時觀測的，可以利用軌道觀測數(shù)據(jù)間的相對變化劇烈程度檢測電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu).

ZH-1衛(wèi)星在常規(guī)情況下采用巡查模式(Yan et al.,2018)，每3 s采樣一次數(shù)據(jù)，對應的空間距離約為23.4 km，所以根據(jù)軌道數(shù)據(jù)檢測到的最小不規(guī)則結(jié)構(gòu)在空間上也有幾十公里的空間距離.衛(wèi)星在中國區(qū)及地震帶飛行時采用詳查模式，每1.5 s采樣一次數(shù)據(jù)，可以提高不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間分辨率.但這些區(qū)域在全球觀測中占比很小，所以對全球觀測數(shù)據(jù)而言，ZH-1衛(wèi)星電子密度原位觀測數(shù)據(jù)對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間分辨率約為23.4 km.

圖1給出了兩個相鄰夜間軌道觀測的電子密度數(shù)據(jù)隨地理緯度的變化曲線，兩個軌道的數(shù)據(jù)曲線都顯示出從南緯到北緯存在一些大尺度的趨勢性變化，而且這種趨勢性變化隨季節(jié)、太陽活動等影響而有所變化.圖1中5096軌道的電子密度(electron density,Ne)觀測數(shù)據(jù)總體上比較平穩(wěn)，而5097軌道的觀測數(shù)據(jù)在赤道附近存在非常明顯的不規(guī)則結(jié)構(gòu).

圖1 夜間電子密度數(shù)據(jù)隨觀測軌道地理緯度的變化圖形右上角的數(shù)字表示軌道編號，觀測日期為2019-01-03；其中5096軌道在赤道附近對應的地理經(jīng)度約為-157°，5097軌道對應經(jīng)度約為179°.Fig.1 Variations of the nighttime Ne along the orbiting geographical latitudesNumbers in the upper right corner of each plot indicate orbit number,and the observation date is 2019-01-03.The geographical longitude at the Equator region is about -157° for Orbit No 5096,and about 179° for Orbit No 5097.

鑒于衛(wèi)星軌道觀測數(shù)據(jù)的這些特點，為達到對全部數(shù)據(jù)進行不規(guī)則結(jié)構(gòu)統(tǒng)一檢測的目標，需要針對衛(wèi)星原位觀測數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計專門的檢測方法.

1.2 檢測方法

根據(jù)以往研究，可以通過接收GNSS信號的S4指數(shù)(Fremouw et al.,1978)或通過計算TEC閃爍指數(shù)ROTI(Rate of TEC Index)(Pi et al.,1997)實現(xiàn)對電離層閃爍的檢測.S4指數(shù)定義為信號強度標準偏差與信號均值的比值，即標準化后的信號標準偏差；而ROTI定義為TEC變化率(Rate of TEC,ROT)的標準差.

S4指數(shù)是通過電波信號的變化來反映電離層中的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，ROTI指數(shù)則通過電離層觀測參數(shù)(電離層總電子含量)的變化來反映電離層中的不規(guī)則結(jié)構(gòu).相較于前兩者，衛(wèi)星原位觀測數(shù)據(jù)的變化可直接反映不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間位置、沿衛(wèi)星軌道的分布形態(tài)以及波動幅度等更多信息.

由于衛(wèi)星原位電子密度觀測數(shù)據(jù)既不同于GNSS信號，也不同于TEC數(shù)據(jù)，需要根據(jù)前述衛(wèi)星軌道觀測數(shù)據(jù)的特點，研制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的常規(guī)檢測方法.本文檢測電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的基本方法：

(1)按軌道對觀測數(shù)據(jù)進行標準化，以便于采用統(tǒng)一的判定標準.本文采用軌道數(shù)據(jù)的均值和標準差進行標準化，即觀測數(shù)據(jù)減去軌道均值后除以標準差.

(2)對歸一化數(shù)據(jù)進行一階差分計算，以消除觀測數(shù)據(jù)中存在的趨勢性變化.

(3)計算差分數(shù)據(jù)的標準差，并以設(shè)定的檢測門檻判斷是否存在不規(guī)則結(jié)構(gòu).

為更直觀展示本文的檢測方法，這里以具體軌道觀測數(shù)據(jù)為例，如圖2所示，對電離層中不規(guī)則結(jié)構(gòu)的檢測過程進行說明.計算步驟如下：

(1)獲取夜間軌道的原位電子密度觀測數(shù)據(jù)，如圖2a.

(2)對夜間軌道觀測數(shù)據(jù)，以均值和方差進行歸一化處理，結(jié)果如圖2b所示.由于歸一化不會改變數(shù)據(jù)間的相對變化關(guān)系，圖2b歸一化后數(shù)據(jù)隨緯度的變化曲線與圖2a原始數(shù)據(jù)的曲線在形態(tài)上完全一致.

(3)對歸一化后的軌道數(shù)據(jù)進行一階差分，結(jié)果如圖2c所示.由圖2c，差分后的數(shù)據(jù)可以消除趨勢變化，原始數(shù)據(jù)中變化劇烈的地方，差分數(shù)據(jù)同樣變化劇烈.

(4)以設(shè)定的窗長，計算窗口內(nèi)數(shù)據(jù)序列的標準差；然后以設(shè)定的滑動步長移動到下一個窗口，繼續(xù)計算標準差，形成一個標準差序列，結(jié)果如圖2d所示.本文計算窗口長度為30個數(shù)據(jù)點、滑動步長為1個數(shù)據(jù)點，對于中間有多個缺數(shù)的情況，該軌道數(shù)據(jù)不參加計算.

(5)以設(shè)定值作為檢測門檻，找出標準差序列中大于門檻值的點.對于大于門檻值的連續(xù)標準差，取連續(xù)值的平均緯度、平均經(jīng)度作為一個不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間位置.如圖2d中所示情況，以0.3作為門檻值，檢測到兩個不規(guī)則結(jié)構(gòu).

這里對檢測過程中某些參數(shù)的設(shè)置稍加說明.檢測窗長和滑動步長，可以根據(jù)研究目的設(shè)定，更長的窗長可以檢測更大空間尺度的不規(guī)則結(jié)構(gòu).本文以30個數(shù)據(jù)點為窗長，是為確保每個窗口內(nèi)有足夠的計算數(shù)據(jù)量，這個窗長對應的空間范圍約為700 km.對于門檻值的選擇，同樣也可以根據(jù)檢測目的自由設(shè)定.門檻值較大時，只能檢測變化幅度較大或者連續(xù)變化較劇烈的不規(guī)則結(jié)構(gòu)；門檻值較小時，則可檢測變化幅度較小的不規(guī)則結(jié)構(gòu).

還需要說明的是，圖2中的數(shù)據(jù)識別出2個不規(guī)則結(jié)構(gòu)，實際上這兩個事件可能對應的是一個非常大尺度(跨越地理緯度超過20°)的電子密度耗空區(qū)，如圖2b中虛線所標示的區(qū)域，在該區(qū)域的兩個邊界電子密度劇烈變化，導致算法以兩個事件識別.這種情況不會改變檢測結(jié)果的總體統(tǒng)計特征.我們將在第3節(jié)對這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)繼續(xù)討論.

圖2 電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)檢測方法圖示從上至下依次為：(a)夜間軌道電子密度(單位：104·cm-3)觀測數(shù)據(jù)隨地理緯度的變化曲線；(b)軌道數(shù)據(jù)歸一化后隨地理緯度的變化曲線；(c)歸一化數(shù)據(jù)的一階差分隨地理緯度的變化曲線；(d)一階差分數(shù)據(jù)的標準差隨地理緯度的變化曲線.Fig.2 Demonstration of the process for detecting the ionospheric irregularitiesFrom top to bottom,(a)Variation curve of the nighttime Ne (unit:104/cm3)with geographical latitude;(b)Variation curve of standardized nighttime Ne with geographical latitude;(c)Variation curve of first order difference of standardized Ne data with geographical latitude;(d)Variation curve of standard deviation of first order difference with geographical latitude.

圖3給出了2019、2020年的地磁活動指數(shù)(Dst)和太陽活動指數(shù)(F10.7)的時序曲線，對研究時段內(nèi)的太陽活動、地磁活動情況進行說明.圖3 a 的地磁活動Dst指數(shù)表明這2年內(nèi)沒有大的地磁活動事件，圖3b 的太陽活動F10.7指數(shù)則顯示2019年全年以及2020年1到9月份，太陽活動水平一直較低，大概從2020年10月份開始太陽活動水平有所增強.

圖3 2019和2020年Dst和F10.7指數(shù)時序曲線Fig.3 Time series of Dst and F10.7 indices in 2019 and 2020

由于2019、2020年處于太陽活動低年，沒有大的空間天氣事件，而且一些研究也指出地磁活動與不規(guī)則結(jié)構(gòu)的相關(guān)性不大(Aarons,1982;Yu et al.,2017)，所以本文沒有特別排除小的空間天氣事件發(fā)生時的觀測數(shù)據(jù)，而是對全部數(shù)據(jù)進行檢測和分析.這樣做是為了盡量達到每個統(tǒng)計單元內(nèi)觀測軌道均勻覆蓋的目的，以消除觀測數(shù)據(jù)分布不均勻可能對統(tǒng)計結(jié)果的影響.

2 檢測結(jié)果

對2019、2020年的全部夜間軌道觀測數(shù)據(jù)按1.2節(jié)中的方法檢測不規(guī)則結(jié)構(gòu)，檢測結(jié)果的時空分布如圖4所示，其中圖4a為2019年數(shù)據(jù)，圖4b為2020年數(shù)據(jù).圖4中，黑色實線為磁傾角為0的地磁赤道(后面稱為磁赤道)；虛線為觀測數(shù)據(jù)中提供的偶極場地磁緯度，其中黑色虛線為偶極場地磁赤道(后面稱為偶極場磁赤道)，紅色虛線為偶極場±20°緯度線，紫色虛線為偶極場±35°緯度線.

圖4中，2019和2020年不規(guī)則結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的沿固定空間位置分布的特性，這是因為ZH-1衛(wèi)星重返軌道與之前的軌道重合，即衛(wèi)星在一個飛行周期內(nèi)的軌道與上一個周期內(nèi)的軌道重合(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，因此沿軌道檢測的電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)都分布在這些觀測軌道的沿線上.

很明顯圖4中地理赤道附近區(qū)域不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分布跟磁赤道(黑色實線)符合得更好，而在南北半球地理緯度中緯度區(qū)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分布與偶極場緯度大致吻合.由于數(shù)據(jù)中沒有與磁赤道配套的地磁坐標，僅提供了偶極場地磁坐標，所以后面的統(tǒng)計分析中主要以地理經(jīng)度和偶極場地磁緯度展開.

2.1 空間分布特點

根據(jù)圖4，全部檢測事件在空間上明顯集中在3個緯度區(qū)，即地磁赤道沿線、南半球地理緯度50°左右以及北半球地理緯度50°以上區(qū)域.其中在赤道附近區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)明顯與磁赤道(圖中黑色實線)符合更好，而且沿磁赤道呈現(xiàn)出密集與稀疏相間的類似波形結(jié)構(gòu)的分布形態(tài).另外一個需要特別提及的分布區(qū)是，南北半球地理中緯度區(qū)，這個區(qū)域不規(guī)則結(jié)構(gòu)分布與圖中紫色虛線(偶極場磁緯±35°)大致符合，而且沿兩個偶極場磁緯也顯現(xiàn)出密集與稀疏相間的波形分布，但與磁赤道的波形結(jié)構(gòu)似乎相反.

為得到這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿緯度分布更準確的信息，分別繪制2019年和2020年事件隨偶極場磁緯的分布圖，結(jié)果如圖5所示.從圖中可以明顯看到事件主要集中在5個緯度區(qū)，即地磁赤道附近區(qū)域，南北磁緯度約35°～40°左右的區(qū)域，以及比南北偶極場磁緯35°～40°更高的兩個緯度區(qū)，這兩個區(qū)域分別對應圖4中南北地理緯度50°以上的兩個事件集中區(qū).圖5中，南半球中緯區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)明顯比北半球中緯區(qū)多，2019年數(shù)據(jù)在地磁赤道兩側(cè)的分布規(guī)律較為明顯，2020年數(shù)據(jù)在北半球中緯度區(qū)的峰值不是很明顯，但兩個年度數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明這些事件在磁赤道兩側(cè)分布規(guī)律相似，2020年數(shù)據(jù)明顯受到太陽活動增強的影響，第3節(jié)會討論這個內(nèi)容.

將圖5中不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地磁赤道兩側(cè)的這種分布形態(tài)與白天電離層赤道異常(Equatorial Ionization Anomaly，EIA)沿地磁緯度的分布形態(tài)對比，會發(fā)現(xiàn)它們相似又不盡相同.地磁赤道附近區(qū)域為白天EIA谷值區(qū)，夜間不規(guī)則結(jié)構(gòu)在這里卻比較集中，呈現(xiàn)一個峰值區(qū)；白天EIA峰值區(qū)所在的位置，即南北地磁緯度±15°到±20°的位置，對應圖5中地磁赤道與南北緯40°之間的谷值區(qū)，表明在白天EIA峰值區(qū)的位置夜間不規(guī)則結(jié)構(gòu)反而相對較少，更多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在距離地磁赤道更遠的位置，即偶極場磁緯±40°附近.關(guān)于這個分布特點，我們將在第3節(jié)對此繼續(xù)進行分析和討論.

圖5 不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨偶極場磁緯的分布Fig.5 Distribution of irregularities with geomagnetic latitudes

按偶極場地磁緯度挑選上述5個緯度區(qū)，即地磁赤道附近區(qū)域、南北中緯度區(qū)以及南北2個較高緯度區(qū)的事件分別進行分析.在地磁赤道附近，由于偶極場磁赤道與磁赤道在某些區(qū)域(圖4中非洲到美洲所在經(jīng)度區(qū))有較大差異，為盡量包含磁赤道附近的事件，這里以偶極場磁緯度±20°為標準(對應圖4中的兩條紅色虛線)，即在偶極場磁緯-20～20°范圍內(nèi)篩選事件；而在地磁中緯區(qū)，按±20～±45°范圍挑選事件；另外兩個緯度區(qū)則分別按>45°和<-45°挑選事件.對5個磁緯區(qū)的篩選結(jié)果，繪制事件隨地理經(jīng)度的分布，結(jié)果如圖6所示.這里以地理經(jīng)度統(tǒng)計，以便于與圖4聯(lián)合分析不同磁緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間分布特點.

根據(jù)圖6，不規(guī)則結(jié)構(gòu)在幾個磁緯區(qū)隨地理經(jīng)度分布的統(tǒng)計結(jié)果與圖4呈現(xiàn)的分布特點一致，而且2019與2020年數(shù)據(jù)在幾個緯度區(qū)隨經(jīng)度的分布形態(tài)也完全一致.從整體上看，不規(guī)則結(jié)構(gòu)在不同磁緯區(qū)隨地理經(jīng)度的變化呈現(xiàn)出較為明顯的分布規(guī)律.在南北半球兩個較高磁緯區(qū)(圖6a和6e)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)分別集中在各自地磁極所在地理經(jīng)度區(qū)，兩個區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)在空間上的分布形態(tài)相似，但相位(空間位置)相反，呈現(xiàn)出2波結(jié)構(gòu)的分布形態(tài).在南北半球兩個磁中緯區(qū)(圖6b和6d)，雖然不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨地理經(jīng)度分布也呈現(xiàn)2波結(jié)構(gòu)，但與較高緯度區(qū)的分布形態(tài)有較大差異，其中北半球這個區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)存在一個明顯的峰值集中區(qū)，即-80°E～-30°E經(jīng)度區(qū)，對應圖4中北大西洋不規(guī)則結(jié)構(gòu)密集分布的區(qū)域，其他經(jīng)度區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)則相對較少；而在南半球與此對應的磁中緯區(qū)，檢測事件的分布形態(tài)則與北半球完全相反，除0～80°E經(jīng)度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)相對較少外，其他區(qū)域的事件都比較多，這個區(qū)域的2波結(jié)構(gòu)與北半球?qū)獏^(qū)域的2波結(jié)構(gòu)在形態(tài)上具有反向(相)對稱的特點.最后在地磁赤道附近區(qū)域(圖6c)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿地理經(jīng)度的分布出現(xiàn)兩個明顯的峰值區(qū)和兩個谷值區(qū)，兩個峰值區(qū)一個在經(jīng)度約-20°E～50°E的大西洋東側(cè)到非洲所在的地磁赤道沿線區(qū)域，另外一個在經(jīng)度約-180°E～-100°E的東太平洋所在區(qū)域；谷值區(qū)夾在兩個峰值區(qū)之間，一個在歐亞所在經(jīng)度區(qū)，一個則在大西洋所在經(jīng)度區(qū)，沿地磁赤道在分布形態(tài)上呈現(xiàn)4波結(jié)構(gòu).

圖6 不同磁緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨地理經(jīng)度的分布左側(cè)為2019年數(shù)據(jù)，右側(cè)為2020年數(shù)據(jù)；(a)偶極場坐標中磁緯大于45°的區(qū)域；(b)偶極場磁緯35°附近區(qū)域；(c)地磁赤道區(qū)；(d)偶極場磁緯-35°附近區(qū)域；(e)偶極場坐標中磁緯小于-45°的區(qū)域.Fig.6 Geographical longitude distribution of irregularities in different geomagnetic latitudesLeft panel represents data in 2019 and right panel data in 2020.(a)The region with geomagnetic dipole latitude >45°;(b)The region around geomagnetic latitude 35°;(c)The region near the geomagnetic equator;(d)The region around geomagnetic latitude -35°;(e)The region with geomagnetic latitude <-45°.

圖6中全年不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間分布，可以歸納如下空間演化特點：不規(guī)則結(jié)構(gòu)在較高磁緯區(qū)集中分布于南北地磁極所在地理經(jīng)度區(qū)，呈現(xiàn)2波結(jié)構(gòu)分布形態(tài)；隨著緯度降低，不規(guī)則結(jié)構(gòu)雖然還是2波結(jié)構(gòu)分布，但出現(xiàn)的空間位置逐漸偏離地磁極所在經(jīng)度區(qū)，而且南北半球?qū)獏^(qū)域的變化具有反向/相對稱的特性；最終匯集到地磁赤道區(qū)域，由南北半球較高及中緯度區(qū)的2波結(jié)構(gòu)過度到赤道附近的4波結(jié)構(gòu).由此推測，地磁赤道附近的4波結(jié)構(gòu)分布的產(chǎn)生可能與南北半球從高緯到中緯相似但相反的事件分布形態(tài)逐漸匯集、共同作用有關(guān).

2.2 季節(jié)變化特點

分析圖4的總體季節(jié)分布特征：南北半球在各自夏季檢測到的不規(guī)則結(jié)構(gòu)更多，而且各自夏季不規(guī)則結(jié)構(gòu)的波動幅度也更大，赤道附近區(qū)域在所有季節(jié)都有不規(guī)則結(jié)構(gòu)發(fā)生.北半球不規(guī)則結(jié)構(gòu)發(fā)生季節(jié)存在明顯的空間差異，其中西半球以夏季事件更多，而東半球則是所有季節(jié)都有發(fā)生，但數(shù)量上比西半球少得多，分布比較稀疏；南半球具有較大幅度變化的事件大都集中在較高緯度區(qū)，且多發(fā)生于該半球的夏季，而中緯度區(qū)的事件似乎更多發(fā)生于該半球的冬季，即北半球的夏季.鑒于南北半球不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化比較復雜，有必要針對季節(jié)變化特性進行分析.

根據(jù)2.1節(jié)的分析結(jié)果，不規(guī)則結(jié)構(gòu)在空間分布上呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，因此對季節(jié)變化特征的分析需要針對不同空間區(qū)域分別展開.圖7分別給出了2019、2020年數(shù)據(jù)在全部觀測區(qū)、南北半球較高緯度區(qū)、南北半球中緯區(qū)以及地磁赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的逐月統(tǒng)計結(jié)果.圖8則給出了2019和2020年逐月觀測軌道總數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，從圖中可以看到ZH-1衛(wèi)星在2019年2、9、10、11月觀測軌道總數(shù)明顯少于其他時間段；而2020年，衛(wèi)星在所有時間段的觀測軌道基本均勻分布.因此，為防止由于觀測軌道不均勻覆蓋可能導致的統(tǒng)計誤差，圖7同時給出了2020年檢測事件的統(tǒng)計結(jié)果.后續(xù)統(tǒng)計分析中，兩個年度數(shù)據(jù)有不一致之處時，兩者匯總作為最終結(jié)果.

圖7 不同磁緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨季節(jié)變化左側(cè)為2019年數(shù)據(jù)，右側(cè)為2020年數(shù)據(jù)；(a)全部觀測區(qū)域；(b)北磁緯45°以上區(qū)域；(c)北磁緯35°附近區(qū)域；(d)磁赤道附近區(qū)域；(e)南磁緯35°附近區(qū)域；(f)南磁緯45°以上區(qū)域.Fig.7 Variations of irregularities with seasons in different geomagnetic latitudesLeft panel represents data in 2019 and right in 2020.(a)The region of all the observations;(b)The region with geomagnetic latitude >45°;(c)The region near geomagnetic latitude 35°;(d)The region near geomagnetic equator;(e)The region near geomagnetic latitude -35°;(f)The region with geomagnetic latitude <-45°.

圖8 2019和2020年逐月觀測軌道總數(shù)直方圖Fig.8 Histogram of total orbit numbers in each month in 2019 and 2020

圖7中，除個別緯度區(qū)，2019年和2020年不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨季節(jié)的變化規(guī)律基本一致.為方便后文敘述及與其他研究結(jié)果比較，后文分析以季節(jié)作為時段.根據(jù)一般應用習慣，這里的春季對應2、3、4月，夏季對應5、6、7月，秋季對應8、9、10月，冬季對應11、12、1月，本文的1月份采用同一年度的1月份.后文中對季節(jié)的敘述和分析都以此為準，不再專門說明.

對于圖7a所示的全部觀測空間范圍內(nèi)的檢測事件，2019年和2020年數(shù)據(jù)隨季節(jié)的變化規(guī)律基本一致，但10、11月份的數(shù)據(jù)稍有差異，2020年10、11月事件檢測結(jié)果明顯多于2019年，應該與2019年這個時間段觀測軌道數(shù)減少有關(guān)，但同時也應注意到1.2節(jié)圖3所示的情況，從2020年10月份開始，太陽活動水平開始增強，導致從這個時間開始不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量突然增加.因此將兩個年度的數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)合后，年度全部事件的季節(jié)變化特點可以歸納為：夏、冬季不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯多于春秋季，而冬季又明顯多于夏季，秋季事件總數(shù)比春季稍多，不規(guī)則結(jié)構(gòu)在秋季靠近冬季的月份開始增加一直延續(xù)到冬季結(jié)束.

對于南北半球兩個較高緯度區(qū)(圖7b和7f)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，南北半球的季節(jié)規(guī)律基本呈反相變化.北半球的這個區(qū)域(圖7b)，事件主要集中于春季接近夏季、夏季以及秋季靠近夏季的連續(xù)時段，峰值持續(xù)時間較長；而南半球該區(qū)域(圖7f)的事件則主要集中于冬季及春季靠近冬季的連續(xù)時段.南北半球在變化規(guī)律的時間上基本是反相的，事件的峰值出現(xiàn)在各自的夏季；其中北半球的峰值區(qū)由夏季向秋季延長一個較長的時段，南半球則由冬季向春季延長一個較長的時段.這種事件峰值由夏季向后延續(xù)的特性在2019、2020兩個年度的數(shù)據(jù)中都有表現(xiàn)，屬于觀測數(shù)據(jù)固有的特征，推測與太陽位置有關(guān).我們將在第3節(jié)對此進行討論.

對于南北半球中緯度區(qū)(圖7c和7e)，2019年數(shù)據(jù)與2020年大致相似.圖7c所示的北半球中緯區(qū)的事件主要集中在夏季，與圖7b的較高緯度區(qū)相比，夏季峰值集中時段明顯變窄，另外2019年數(shù)據(jù)在該區(qū)域還表現(xiàn)出了冬季(12、1月)事件有所增加的趨勢；圖7e給出的南半球中緯區(qū)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)除了冬季峰值集中時段，與圖7f具有相似的季節(jié)規(guī)律外，還出現(xiàn)一個夏季次高峰的不規(guī)則結(jié)構(gòu)集中時段，與北半球?qū)獏^(qū)域中2019年數(shù)據(jù)表現(xiàn)的冬季次高峰區(qū)域有所呼應.所以南北半球中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律可以概括為：各半球的夏季為不規(guī)則結(jié)構(gòu)的高峰時段，冬季有一個次高峰，春秋季事件數(shù)量則相對較少.

圖7d所示地磁赤道附近區(qū)域，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律在2019年與2020年也大致相似，但2020年10、11、12連續(xù)3個月的事件數(shù)量遠遠超過2019年同期的事件數(shù)量，導致2020年數(shù)據(jù)的夏季峰值不明顯，事件突然增加的時段與1.2節(jié)中圖3顯示的太陽活動增強時間一致，比較兩個年度10月份之前的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，數(shù)量基本相當，所以2020年10月份開始的事件數(shù)量突然大幅增加的主要的原因應與太陽活動增強有關(guān).綜合兩年的數(shù)據(jù)，在地磁赤道附近區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)兩個峰值時段，分別出現(xiàn)在夏季和冬季，春秋季則相對較少.

圖7中，2019年和2020年數(shù)據(jù)逐區(qū)域的季節(jié)變化規(guī)律基本一致，這種一致性表明數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的季節(jié)變化規(guī)律是真實存在的特征，而且這個特征可重復出現(xiàn).從整體上分析，圖7中幾個磁緯區(qū)的季節(jié)變化規(guī)律具有隨緯度逐漸變化、過渡的特點，從北半球較高緯度區(qū)以夏季峰值為主，隨緯度降低，夏季峰值集中區(qū)逐漸變窄并開始出現(xiàn)冬季次峰值，到地磁赤道附近夏冬兩個峰值大致相當，再到南半球較高緯度區(qū)夏季峰值消失，只有冬季峰值出現(xiàn).不同緯度區(qū)季節(jié)變化的演化規(guī)律很明顯與太陽的直射位置有關(guān)，我們將在第3節(jié)對此進行分析和討論.

2.3 赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)

對赤道附近區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)(亦或稱之為電離層閃爍、等離子氣泡等)已有很多研究結(jié)果，本文將這個區(qū)域單獨分析，以便與其它研究結(jié)果比較.

根據(jù)前文定義，偶極場地磁緯度±20°范圍劃分為赤道區(qū).另據(jù)前文對4個季節(jié)的規(guī)定，分別繪制赤道附近區(qū)域不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律，結(jié)果如圖9所示.

分析圖9地磁赤道區(qū)不同季節(jié)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的地理經(jīng)度分布，春季事件更多的區(qū)域在非洲經(jīng)度區(qū)，夏季發(fā)生數(shù)量最多的區(qū)域在非洲和東太平洋經(jīng)度區(qū)，秋季主要集中在東太平洋、南美洲以及非洲經(jīng)度區(qū)，冬季則更多出現(xiàn)在太平洋經(jīng)度區(qū)；太陽活動水平增強后，冬季不規(guī)則結(jié)構(gòu)最多的區(qū)域則轉(zhuǎn)移到大西洋經(jīng)度區(qū)，其次才是太平洋經(jīng)度區(qū).由此可見，太陽活動強度可能會改變赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的時空分布規(guī)律.

圖9 赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)的地理經(jīng)度分布(a,b,c,d)分別代表春、夏、秋、冬.Fig.9 Geographical longitude distribution of equatorial irregularities in different seasons(a,b,c and d)represent the data in Spring,Summer,Autumn,and Winter respectively.

根據(jù)Brahmanandam等(2012)，將赤道劃分為4個經(jīng)度區(qū)，依次為：(1)亞洲區(qū)，60°E—160°E；(2)太平洋區(qū)，160°E—80°W；3)大西洋區(qū)，80°W—20°W；以及(4)非洲區(qū)，20°W—60°E .分別對4個區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)做季節(jié)分析，結(jié)果如圖10所示.

圖10中，不同經(jīng)度區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨季節(jié)變化規(guī)律基本為夏冬季多于春秋季，同2.2節(jié)中圖7d反映的季節(jié)規(guī)律一致，不同之處在于夏、冬季峰值的延續(xù)時間有差異.亞洲區(qū)和太平洋區(qū)(圖10a和圖10b)的夏冬季分明，夏季峰值一直延續(xù)到8、9月份，冬季相對持續(xù)時間較短；大西洋區(qū)(圖10c)的冬季峰值明顯向春季延伸，峰值持續(xù)時間較亞洲和太平洋區(qū)更長；非洲區(qū)冬季峰值僅出現(xiàn)在12月份，不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在夏季.2020年數(shù)據(jù)由于受10月份開始的太陽活動水平增強影響，季節(jié)變化規(guī)律表現(xiàn)不甚明顯.

圖10 赤道附近不同地理經(jīng)度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律(a,b,c和d)分別表示亞洲、太平洋、大西洋以及非洲經(jīng)度區(qū).Fig.10 Seasonal variations of irregularities in different longitude sectors in equatorial region(a,b,c,and d)indicate Asian,Pacific,Atlantic,and African longitude sector,respectively.

3 分析與討論

利用ZH-1衛(wèi)星2019、2020連續(xù)2年原位電子密度觀測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星軌道觀測范圍，即地理緯度南北65°之間觀測數(shù)據(jù)的電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行檢測和分析，獲得了對頂部電離層午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)時空分布特征的進一步認識.由于ZH-1衛(wèi)星為固定重訪軌道、固定地方時觀測，2年近10000個夜間軌道觀測為這一研究提供了大量觀測數(shù)據(jù)，得到一些不同以往的研究結(jié)果，有助于從更多角度認識和了解電離層.

一些研究結(jié)果認為：太陽活動低年，電離層閃爍主要集中在300～350 km及以下(Brahmanandam et al.,2012；Dymond,2012)區(qū)域，而衛(wèi)星原位觀測數(shù)據(jù)結(jié)果(Huang et al.,2002;Gentile et al.,2006)顯示太陽活動低年電離層閃爍可出現(xiàn)在800 km以上的區(qū)域，本文設(shè)計的檢測參數(shù)也可反映電離層閃爍現(xiàn)象，因此本文結(jié)果也證實了太陽活動低年頂部電離層仍有不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；以往研究結(jié)果一般認為電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要集中在日落后到午夜前，太陽活動低年的午夜后幾乎沒有不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，本文研究結(jié)果卻表明午夜后即使在太陽活動低年，頂部電離層仍有相當數(shù)量的不規(guī)則結(jié)構(gòu)發(fā)生；以往研究結(jié)果認為在赤道附近的電離層閃爍季節(jié)變化規(guī)律為春秋季大于夏冬季，而且在不同經(jīng)度區(qū)有不同的季節(jié)規(guī)律，本文結(jié)果卻表明午夜后全球不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)規(guī)律基本統(tǒng)一，都是夏冬季峰值，春秋季則相對較少.

針對這些問題，下面分別進行分析和討論.

3.1 軌道高度與觀測地方時

ZH-1衛(wèi)星飛行高度為507 km，實際夜間觀測軌道平均高度約為511.5 km.由于2019和2020年處于太陽活動水平較低時段，電離層在太陽活動低年時峰值高度較太陽活動高年更低(Basu et al.,1988;Huang et al.,2002)，相對而言，ZH-1衛(wèi)星飛行高度更加遠離F2層峰值高度區(qū)(hmF2)，處于電離層頂部區(qū)域.太陽活動低年時hmF2主要集中在200～300 km范圍(Wang et al.,2020a)，距離衛(wèi)星觀測高度有較大差異，電離層頂部區(qū)域與F2層峰值區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)也會有差異.后續(xù)分析中應考慮觀測數(shù)據(jù)所在高度差異可能引起的結(jié)果差異.

ZH-1衛(wèi)星夜間固定觀測時間主要集中于02∶00LT左右，為午夜后觀測時段.相較于變化地方時的數(shù)據(jù)量，固定觀測數(shù)據(jù)更為充分，因此本文結(jié)果能反映頂部電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)更為精細的變化特征.衛(wèi)星從地理南緯65°到北緯65°的時間間隔不超過30 min，沿衛(wèi)星軌道的所有不規(guī)則結(jié)構(gòu)可看作是同時觀測的事件，由此得到的全部檢測結(jié)果可反映全球不規(guī)則結(jié)構(gòu)在02∶00LT前后的分布情況.連續(xù)2年的觀測數(shù)據(jù)可反映這個時間電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的氣候特征，相比于變化地方時觀測數(shù)據(jù)的粗略氣候特征統(tǒng)計結(jié)果，本文的細節(jié)特征更加豐富.因此，某些不同的研究結(jié)果也可能與數(shù)據(jù)展現(xiàn)細節(jié)的能力有關(guān).

另外，由于本文使用的是午夜后觀測數(shù)據(jù)，與之前主要聚焦于午夜前數(shù)據(jù)的研究結(jié)果比較時，也應考慮時間差異的問題.

3.2 檢測標準

本文分析所用的檢測結(jié)果以1.2節(jié)所述的0.3為檢測閾值，即以歸一化數(shù)據(jù)一階差分序列的標準差大于0.3作為不規(guī)則結(jié)構(gòu)的判定標準.為確認自動檢測結(jié)果是否可信，通過人工方式核對大量檢測事件，結(jié)果可信.以0.3為判定標準所選事件相對變化幅度較大，或者連續(xù)變化較為劇烈，該標準適用于太陽活動水平較低時不規(guī)則結(jié)構(gòu)判定.2019和2020連續(xù)兩年數(shù)據(jù)結(jié)果顯示的空間分布和季節(jié)變化規(guī)律，具有一致性和重復性，可基本確認所得時空分布特性可信.

為確認檢測閾值是否會影響統(tǒng)計結(jié)果，進一步以0.2為閾值標準再次檢測全部數(shù)據(jù)，最終匯總結(jié)果為：2019年檢測結(jié)果總數(shù)由閾值0.3的5916個增加到閾值0.2的11347個，2020年檢測總數(shù)由閾值0.3的5637個增加到閾值0.2的9499.降低檢測閾值后不規(guī)則結(jié)構(gòu)的事件總數(shù)增長較快，但新檢測結(jié)果的時空分布、隨地磁緯度、地理經(jīng)度的分布以及季節(jié)變化的統(tǒng)計特性與第2節(jié)的結(jié)果一致，可以確認前文中所述的檢測標準不會改變總體分布特性的論述.因此，實際應用時可根據(jù)研究目標靈活選擇判定標準而不會改變檢測結(jié)果所反映的總體統(tǒng)計特性.

3.3 不規(guī)則結(jié)構(gòu)形態(tài)

根據(jù)2.2節(jié)中對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的空間分區(qū)，逐區(qū)檢查不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿衛(wèi)星軌道的分布形態(tài)，發(fā)現(xiàn)不同磁緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)在形態(tài)上有較大差異.圖11給出了幾個緯度區(qū)典型不規(guī)則結(jié)構(gòu)的形態(tài)，其中每個圖右上角數(shù)字為繪圖數(shù)據(jù)的軌道編號，圖中虛線標示部分為所要反映的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的形態(tài).

圖11中，6748軌道反映的是北半球較高磁緯靠近地磁極所在經(jīng)度區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的典型形態(tài)，位于北半球電子密度較低(中緯槽)區(qū)向較高區(qū)過渡的位置；5387軌道則是北半球較高緯度遠離地磁極所在經(jīng)度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的形態(tài)，位于北半球電子密度較高區(qū)向較低區(qū)(中緯槽)過渡的位置.將兩者匯總，北半球較高緯度區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)可能與中緯槽有關(guān)，大致位于中緯槽兩側(cè)向較高電子密度區(qū)過渡的邊緣位置，由于在過渡區(qū)的電子密度急速變化，導致不規(guī)則結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生.5091軌道為南半球較高緯度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要表現(xiàn)形態(tài)，在軌道觀測數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為電子密度數(shù)據(jù)劇烈的上下波動.更多檢測事件的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，南半球較高緯度區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)基本上都表現(xiàn)為這種形態(tài)，大致也是處于由電子密度較低區(qū)向較高區(qū)或者反過來由較高區(qū)向較低區(qū)過渡的位置.

圖11中，7041、8208、5409和5249軌道分別表示赤道附近在東太平洋、南美洲和大西洋、非洲以及亞洲所在經(jīng)度區(qū)的典型不規(guī)則結(jié)構(gòu)的形態(tài).赤道附近，南美到非洲所在經(jīng)度區(qū)，存在一些較大空間尺度(沿緯度超過1000 km以上)的等離子氣泡(Plasma Bubble)，或者稱之為等離子耗空區(qū)(Plasma Depletion)，如圖11中8208、5409軌道所示情況，以及1.2節(jié)圖2所示情況.Hei等(2005)利用AE-E衛(wèi)星原位離子密度數(shù)據(jù)對赤道附近這個經(jīng)度區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)這些大尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)的存在，但他們所用數(shù)據(jù)大致在接近F層峰值高度處，而且觀測數(shù)據(jù)的地方時限定在午夜前.比較他們給出的大尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)與本文的結(jié)果，形態(tài)上相似，表明這種大尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)可以從底部電離層一直延伸到頂部電離層，不僅出現(xiàn)在午夜前，而且可以出現(xiàn)在午夜后；Burke等(2009)對C/NOFS數(shù)據(jù)的研究結(jié)果也表明午夜后仍有大尺度的等離子氣泡存在.這種大尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)到底是午夜前生成，然后逐漸上升而出現(xiàn)在午夜后的頂部電離層，還是午夜后重新生成，現(xiàn)有研究結(jié)果沒有統(tǒng)一說法.要確定這個問題，還需更多研究工作.

圖11 不同磁緯區(qū)典型不規(guī)則結(jié)構(gòu)形態(tài)每個圖中右上角標注數(shù)字為衛(wèi)星觀測軌道編號；各圖虛線標識部分為算法檢測的不規(guī)則結(jié)構(gòu).Fig.11 Typical structures of irregularities in different geomagnetic latitudesNumbers in the upper right corner of each plot indicate orbit number；dashed line marked part in each plot indicates the irregularities detected by the algorithm.

圖11中，6505軌道所示不規(guī)則結(jié)構(gòu)代表北大西洋在中緯事件集中區(qū)的典型形態(tài)，這個區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)在形態(tài)上與該經(jīng)度區(qū)在靠近赤道位置的事件(8208、5409軌道)有差異，而且該集中區(qū)的事件主要出現(xiàn)在北半球夏季.圖3中2019、2020連續(xù)2年檢測結(jié)果都表明事件集中區(qū)真實存在，不是數(shù)據(jù)偶然誤差造成.該區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)形態(tài)與相同經(jīng)度赤道區(qū)事件的差異進一步表明兩者在形成機制上可能也有差異，關(guān)于這個問題我們還會在后續(xù)研究中繼續(xù)關(guān)注.

圖11中，7363軌道反映的是南半球中緯度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的典型形態(tài)，這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要位于南半球中緯一個電子密度稍高條帶向兩側(cè)電子密度較低區(qū)的過渡帶，與北半球中緯槽區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的情況類似，但在軌道數(shù)據(jù)形態(tài)上是相反的，即這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在一個電子密度觀測值較高條帶兩側(cè)向較低值區(qū)過渡的位置.Wang等(2019b,2020b)對DEMETER衛(wèi)星和SWARM星座原位觀測數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)在南半球中緯區(qū)存在電離層分層現(xiàn)象(Stratification)，分層現(xiàn)象的位置大致就在局部電子密度升高的區(qū)域，與圖11的情況類似，存在一個電子密度升高的條帶.所以，這個區(qū)域電離層的一些獨特特性值得進一步關(guān)注.

通過對不同緯度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)形態(tài)的分析，赤道附近區(qū)域與其他區(qū)域的不規(guī)則結(jié)構(gòu)在形態(tài)上存在較大差異，有關(guān)赤道附近的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的時空特征及成因研究很多，這里不再贅述.對赤道以外區(qū)域不規(guī)則結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析匯總，大致可歸納為：不規(guī)則結(jié)構(gòu)大都出現(xiàn)在南北半球夜間電離層升高區(qū)域的上升或下降的過渡區(qū)，或者反之，出現(xiàn)在電子密度降低區(qū)域的下降或上升的邊緣，由于在過渡區(qū)電子密度快速升高或降低，導致出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu).Su等(2006)利用ROCSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果也表明：中緯區(qū)存在不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但其形態(tài)與赤道區(qū)的氣泡形態(tài)不同，他們認為中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)屬于赤道不規(guī)則結(jié)構(gòu)向中緯區(qū)延伸的殘留部分.但本文結(jié)果似乎并不支持這種說法，關(guān)于中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容極少，其成因問題尚需展開更深入的研究.

3.4 隨太陽活動變化

根據(jù)1.2節(jié)圖3所示太陽活動指數(shù)F10.7變化情況，2019到2020年10月之前太陽活動水平極低，2020年10月開始太陽活動水平增強，特別是10、11月，太陽活動水平明顯高于其他時段，而該時段對應不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量，無論較同一年之前水平還是較2019年同時段水平，都表現(xiàn)為數(shù)量上突然增加，且大幅增加，即不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量增加與太陽活動水平增加同步發(fā)生.

很多前期研究結(jié)果都表明夜間電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量隨太陽活動水平增高而增加(DasGupta et al.,1981;Basu et al.,1988,2002;Huang et al.,2002;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Béniguel et al.,2009;Whalen,2009;Carter et al.,2013;Yu et al.,2017)，為進一步確認2020年10月開始的不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量突然增多的確切影響因素，對2019、2020兩年度同期有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的軌道數(shù)與總軌道數(shù)的比例進行對比，以消除2019年幾個月份中軌道總數(shù)偏少的影響.圖12給出了總體觀測以及5個磁緯區(qū)中有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的軌道數(shù)與總軌道數(shù)的逐月比值變化關(guān)系圖.

由圖12，在地磁赤道附近(圖12d)和南半球中緯區(qū)(圖12e)從2020年10月份開始，不規(guī)則結(jié)構(gòu)發(fā)生率增加顯著，北半球較高緯度區(qū)(圖12b)、北半球中緯區(qū)(圖12c)以及南半球較高緯度區(qū)(圖12f)的增加并不明顯.由于比例關(guān)系已消除2019年10、11月觀測軌道數(shù)量少的問題，太陽活動水平增高是導致檢測事件驟增的主要因素.10、11月太陽直射赤道及南半球低緯區(qū)，太陽活動水平提高對赤道及南半球中低緯的影響也最大，因此會導致赤道附近區(qū)域和南半球中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的數(shù)量突然增加.由此，本文的研究結(jié)果也表明夜間電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)與太陽活動水平密切相關(guān)，隨太陽活動水平提高而增加.電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)與太陽活動指數(shù)的同步變化也進一步表明：ZH-1衛(wèi)星原位電子密度數(shù)據(jù)能正確反映電離層的相對變化，與王秀英等(2021)對這個數(shù)據(jù)集背景分析及數(shù)據(jù)質(zhì)量評價的結(jié)論一致.

根據(jù)圖12b和12c，北半球較高緯及中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量兩個年度沒有明顯差異，因此推測太陽活動水平增強可能對赤道和夏季半球影響更大.另外，根據(jù)Nishioka等(2008)對赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果：太陽活動水平對不同經(jīng)度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)產(chǎn)生存在影響差異，大西洋、非洲和亞洲所在經(jīng)度區(qū)影響最大.比較圖3中2019年、2020年檢測結(jié)果分布圖，可以看到赤道附近的大西洋以及亞洲所在經(jīng)度區(qū)2019年不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量普遍較少，但2020年增加了很多事件.這些增加的事件，尤其在大西洋經(jīng)度區(qū)，使該區(qū)成為不規(guī)則結(jié)構(gòu)發(fā)生最多的區(qū)域(圖9)，所以2020年檢測結(jié)果在赤道區(qū)沿經(jīng)度的總體分布與前期研究結(jié)果基本一致，而2019年檢測結(jié)果與之前研究結(jié)果不一致的情形可能與太陽活動水平低密切相關(guān).另外，本文結(jié)果也進一步證實了Nishioka 等(2008)太陽活動水平對不同區(qū)域差異影響的結(jié)論.關(guān)于這個問題，待積累了不同太陽活動水平的觀測數(shù)據(jù)后，我們會繼續(xù)分析.

圖12 2019和2020年有不規(guī)則結(jié)構(gòu)軌道數(shù)與軌道總數(shù)比值的逐月變化曲線(a)全部觀測；(b)偶極場磁緯>45°的區(qū)域；(c)偶極場磁緯20°到45°之間的區(qū)域；(d)偶極場磁緯-20°到20°的磁赤道附近區(qū)域；(e)偶極場磁緯-20°到-45°之間的區(qū)域；(f)偶極場磁緯<-45°的區(qū)域.Fig.12 Monthly variations of rates between orbits with irregularities and total orbits in 2019 and 2020(a)The regions with all the observations;(b)The regions with geomagnetic latitude >45°;(c)The regions with geomagnetic latitude between 20° and 45°;(d)The regions near the geomagnetic equator;(e)The regions with geomagnetic latitude between -20° and -45°;(f)The regions with geomagnetic latitude <-45°.

3.5 隨季節(jié)變化

已有文獻對不規(guī)則結(jié)構(gòu)季節(jié)規(guī)律的研究主要集中在赤道地區(qū)日落后到午夜前時段，相對而言對中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容極少，可參考文獻也較少.從本文2019和2020連續(xù)兩年夜間檢測結(jié)果的季節(jié)變化規(guī)律分析，無論全部數(shù)據(jù)，還是不同緯度區(qū)數(shù)據(jù)，午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)了隨季節(jié)的規(guī)則變化，而且這種變化規(guī)律明顯與太陽直射位置有關(guān).具體表現(xiàn)：兩半球較高緯度及中緯區(qū)都表現(xiàn)為夏季峰值的季節(jié)規(guī)律.這兩個區(qū)比較，較高緯度區(qū)夏季峰值比中緯區(qū)延續(xù)更長時間，即較高緯度區(qū)夏季峰值開始時間早于而結(jié)束時間晚于中緯區(qū)峰值時段；然后逐漸過渡到赤道區(qū)夏冬季兩個峰值、春秋季兩個谷值的季節(jié)變化規(guī)律.另外，北半球夏季峰值向秋季延伸，南半球冬季峰值向春季延伸很明顯，本文赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的夏冬季峰值、春秋季谷值的季節(jié)變化規(guī)律與以往研究中得到的春秋季峰值、夏冬季谷值的季節(jié)規(guī)律(Aarons,1982;Huang et al.,2002;Burke et al.,2004a,b;Hei et al.,2005;Gentile et al.,2006;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Kil et al.,2009;Brahmanandam et al.,2012;Carter et al.,2013)完全相反.如何解釋這種截然相反的季節(jié)變化規(guī)律？

首先，如前文所述，以往研究數(shù)據(jù)主要集中于日落后到午夜前時段，其季節(jié)變化規(guī)律主要表現(xiàn)為春秋季峰值，午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)是否繼續(xù)延續(xù)午夜前的季節(jié)變化規(guī)律，現(xiàn)有研究內(nèi)容尚不足以回答這個問題.雖然現(xiàn)有研究有些內(nèi)容覆蓋所有地方時(Carter et al.,2013;Yu et al.,2017)，但這種情況下對某個時段不規(guī)則結(jié)構(gòu)季節(jié)變化的詳細信息更少.因為午夜前有更多不規(guī)則結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，對所有地方時綜合所得結(jié)果主要反映的是午夜前不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律.其次，本文所用數(shù)據(jù)集中在太陽活動低年，雖然已有研究結(jié)果表明無論太陽活動高年還是低年，赤道區(qū)午夜前電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)都是春秋季峰值(Huang et al.,2002;Gentile et al.,2006)，但午夜后是否能延續(xù)這種規(guī)律不得而知.根據(jù)DasGupta等(1981)對靠近赤道異常北峰區(qū)單臺地基觀測數(shù)據(jù)的研究結(jié)果：太陽活動低年時，夜間(包括午夜后)不規(guī)則結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)在夏季及秋季部分時間；太陽活動高年時所有季節(jié)都有不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，表現(xiàn)為春秋季大于夏冬季，即不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)規(guī)律表現(xiàn)為由太陽活動低年的年周期規(guī)律逐漸過渡到太陽活動高年時的半年周期規(guī)律.另外，對ZH-1衛(wèi)星原位電子密度數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示：太陽活動低年時會出現(xiàn)一些特殊空間氣候現(xiàn)象，如夜間冬季異?，F(xiàn)象(王秀英等，2021;Wang et al.,2021b)，類似于白天數(shù)據(jù)在太陽活動高年時的冬季異?，F(xiàn)象(即冬季電子密度大于夏季).所以太陽活動水平較低時會有一些截然不同于活動水平較高時的規(guī)律，這種情況可能也會發(fā)生在電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)季節(jié)規(guī)律的改變上.真實情況是否如此，還有待產(chǎn)出更多數(shù)據(jù)后繼續(xù)進行更深入的研究.

根據(jù)太陽直射位置，對午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)的夏冬季峰值的季節(jié)規(guī)律給出一種解釋.北/南半球夏季時，太陽直射北/南半球，較高緯度區(qū)白天時間較長，日落時間相應延后，日落后不規(guī)則結(jié)構(gòu)增多的時段可以一直延續(xù)到午夜后，所以兩個半球較高緯度區(qū)都有很長的夏季高峰時段.同理，這個解釋也適用于兩半球中緯區(qū)，但是相比于較高緯度區(qū)，中緯區(qū)只能在夏/冬至前后才會日落較晚，相應夏季峰值的持續(xù)時段比較高緯度區(qū)縮短.對于赤道區(qū)，根據(jù)已有研究(Carter et al.,2013；Yu et al.,2017)，赤道電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)最為嚴重的時段發(fā)生在日落及之后的2～3個小時，赤道區(qū)的季節(jié)規(guī)律主要是這個時段的規(guī)律總結(jié).本文夜間觀測時段發(fā)生在02∶00LT前后，屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量開始減少的時段.根據(jù)Yu等(2017)以?？跒橹行膶?007—2013年COSMIC星座S4指數(shù)的研究結(jié)果，無論太陽活動低年還是高年，02∶00LT時段不規(guī)則結(jié)構(gòu)發(fā)生率都處于下降過程中.由于不同季節(jié)日落后不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)峰值的地方時有差異，春秋季峰值時間大致相當，夏季峰值時間晚于春秋季，冬季峰值時間最早，相應冬季峰值開始減少的時間也會比較早，其次為春秋季，最后為夏季，這種情況會導致午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)夏冬季峰值.另外，根據(jù)Su等(2006)對ROCSAT衛(wèi)星原位數(shù)據(jù)的分析結(jié)果：太陽活動水平較高時，所有季節(jié)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量快速上升，21∶00—22∶00LT達到高峰，之后逐漸下降；與此不同的是，在太陽活動水平較低時夏季不規(guī)則結(jié)構(gòu)的數(shù)量上升較緩慢，有一個比較寬的峰值區(qū)可一直延續(xù)到午夜后，這種情況也會導致午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)夏冬季峰值的季節(jié)變化規(guī)律.另外，由于夏季太陽直射對電離層影響具有滯后效應，所以北半球夏季峰值向秋季延伸，而南半球夏季峰值則向春季延伸.

最后，Dao等(2011)利用C/NOFS衛(wèi)星原位觀測數(shù)據(jù)研究后認為：太陽活動高年時，不規(guī)則結(jié)構(gòu)可以升到更高的高度，所以消失得早；但在太陽活動低年時，不規(guī)則結(jié)構(gòu)可以整晚都存在.他們的研究結(jié)果表明太陽活動會影響到午夜后頂部電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律，所以關(guān)于這個主題的研究待收集更多數(shù)據(jù)后還需要更深入的研究.

3.6 隨空間變化

除明顯的季節(jié)規(guī)律外，ZH-1衛(wèi)星原位數(shù)據(jù)得到的不規(guī)則結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)了明顯的空間分布規(guī)律.

首先，不規(guī)則結(jié)構(gòu)與地磁緯度密切相關(guān)，沿地磁緯度出現(xiàn)磁赤道、中緯區(qū)以及較高緯度區(qū)5個不規(guī)則結(jié)構(gòu)的峰值區(qū).以往研究認為不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要集中在赤道和極區(qū)，本文結(jié)果對此有不同認識，除赤道和極區(qū)外，中緯區(qū)太陽活動低年午夜后頂部電離層仍有一定數(shù)量的不規(guī)則結(jié)構(gòu)存在.赤道附近的不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿磁緯近似呈正態(tài)分布，這種空間分布形態(tài)與利用AE-E衛(wèi)星以及Alouette 1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的結(jié)果一致(McClure et al.,1977;Kil and Heelis,1998)，表明從總體上午夜前和午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)在空間分布上具有延續(xù)性，而且本文結(jié)果在赤道區(qū)的分布與之前研究結(jié)果基本一致，也表明向更高緯度延伸所得結(jié)果具有可信性.Su等(2006)利用ROCSAT衛(wèi)星(觀測高度約600 km，范圍為南北地理緯度35°)原位等離子數(shù)據(jù)的研究結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)中緯區(qū)有不規(guī)則結(jié)構(gòu)存在.他們認為：赤道附近不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨太陽活動增強而增加，但中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)可能主要發(fā)生在太陽活動水平較低的時間.本文研究數(shù)據(jù)正好處于太陽活動低年，根據(jù)圖4和圖5，中緯區(qū)在2019年存在一個小的峰值，而2020年數(shù)據(jù)受10月份太陽活動增強影響，北半球中緯區(qū)的峰值變得不明顯，太陽活動在增強初期未對北半球(冬季半球)不規(guī)則結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響.所以，本文結(jié)果支持Su等(2006)對不規(guī)則結(jié)構(gòu)在空間分布上的推測，但3.3節(jié)對不規(guī)則結(jié)構(gòu)形態(tài)分析結(jié)果不支持他們的“中緯區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)是赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)在中緯區(qū)殘留”的說法.具體情況如何，有待收集更多數(shù)據(jù)后的分析和研究才能確定.

其次，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的經(jīng)度分布隨磁緯也呈現(xiàn)了規(guī)則的空間演化規(guī)律.從兩半球較高緯度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要集中在各自地磁極所在經(jīng)度區(qū)的2波結(jié)構(gòu)，到南北半球中緯區(qū)相位和數(shù)量相反變化的2波結(jié)構(gòu)，逐漸過渡到赤道區(qū)的4波結(jié)構(gòu).這種空間分布的演化規(guī)律具有重復性，說明規(guī)律真實存在.根據(jù)空間演化規(guī)律，可進一步推測：赤道區(qū)4波結(jié)構(gòu)可能由兩個半球不同形態(tài)的2波結(jié)構(gòu)疊加而形成.關(guān)于不同緯度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間演化規(guī)律，沒有可以參考的文獻，以下主要分析赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的經(jīng)度分布與之前研究結(jié)果的異同.

赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿地理經(jīng)度分布大致上與之前研究結(jié)果一致，即東太平洋到南美洲以及非洲區(qū)屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)較多的經(jīng)度區(qū)；與之前研究結(jié)果不同之處在于大西洋經(jīng)度區(qū)，圖3中2019年數(shù)據(jù)顯示這里的不規(guī)則結(jié)構(gòu)較少，所以赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的經(jīng)度分布呈現(xiàn)為“東太平洋和非洲區(qū)為峰值，加在其間的亞洲和大西洋區(qū)為谷值”的4波結(jié)構(gòu).Li等(2007)利用ROCSAT和DMSP衛(wèi)星原位數(shù)據(jù)的研究結(jié)果認為：非洲和大西洋經(jīng)度區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)在夏季達到峰值，與2.3節(jié)圖10結(jié)果一致.Kil和Heelis(1998)利用AE-E衛(wèi)星原位數(shù)據(jù)的研究結(jié)果認為：大西洋-非洲所在經(jīng)度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，印度區(qū)最少；另外，Huang(2002)和Burke等(2004a，b)利用DMSP衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及Su等(2006)利用ROCSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)的結(jié)果都認為：美洲到大西洋以及非洲區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)最多.同這些研究結(jié)果相比，除大西洋外，本文數(shù)據(jù)在空間分布上基本與他們的結(jié)果一致，說明午夜前后電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)在空間分布上具有延續(xù)性.但同時也應注意，Dao等(2011)利用C/NOFS衛(wèi)星在太陽活動低年的數(shù)據(jù)也得到不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿經(jīng)度分布的4波結(jié)構(gòu)，他們推測：導致這種空間分布的控制因素不同于之前研究結(jié)果所支持的形成機制(Tsunoda,1985)，需要不同成因機制來解釋；Burke等(2009)則認為：由于夜間赤道區(qū)電離層4波結(jié)構(gòu)的分布受大氣潮汐控制，反映電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的S4指數(shù)相應也會受到大氣潮汐的控制和影響而呈4波結(jié)構(gòu).分析ZH-1衛(wèi)星2019年夜間電子密度逐月全球分布，發(fā)現(xiàn)赤道附近的4波結(jié)構(gòu)4—9月在大西洋經(jīng)度區(qū)屬于波谷區(qū)，而同時段東太平洋區(qū)、非洲區(qū)屬于波峰區(qū)，與圖3中不規(guī)則結(jié)構(gòu)密集、稀疏分布的區(qū)域正好對應.這種空間分布支持Burke等(2009)對赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿經(jīng)度分布的推測.

與赤道附近大西洋經(jīng)度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)缺失相對應，在偏離赤道區(qū)的北大西洋中緯區(qū)出現(xiàn)一個不規(guī)則結(jié)構(gòu)集中區(qū).對這個區(qū)域軌道數(shù)據(jù)進一步核實，不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的位置偏離赤道較遠，北大西洋事件集中區(qū)真實存在.3.4節(jié)給出了這個區(qū)域不規(guī)則結(jié)構(gòu)的典型形態(tài)，主要表現(xiàn)為電子密度觀測數(shù)據(jù)變化比較劇烈，與赤道區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)形態(tài)上有差異.根據(jù)Ko和Yeh(2010)利用COSMIC數(shù)據(jù)對南大西洋異常區(qū)(South Atlantic Anomaly，SAA)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究，他們認為：SAA區(qū)以及與SAA區(qū)對應的共軛區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)比較集中，這個共軛區(qū)正好跟本文顯示的北大西洋不規(guī)則結(jié)構(gòu)集中區(qū)一致，由于SAA區(qū)的離子沉降會引起電離層的較大波動，繼而導致其共軛區(qū)也會產(chǎn)生比較明顯的擾動變化，出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)增多的情況.關(guān)于SAA區(qū)更進一步的討論已超出本文范圍，這里不再詳述.

4 總結(jié)

本文利用ZH-1衛(wèi)星2019、2020連續(xù)兩年的原位電子密度觀測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星在南北地理緯度65°觀測范圍之間的頂部電離層在午夜后沿衛(wèi)星軌道的不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行了研究.對衛(wèi)星飛行高度的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的時空分布特征可以歸納為以下幾點：

(1)不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿地磁緯度呈規(guī)律分布，其中地磁赤道、南北半球中緯區(qū)以及南北半球較高緯度區(qū)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)的峰值區(qū)，白天赤道異常峰值區(qū)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)的谷值區(qū).

(2)不同緯度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的地理經(jīng)度分布呈現(xiàn)規(guī)律的空間演化過程，由南北半球較高緯度區(qū)峰值集中于各自地磁極所在經(jīng)度區(qū)的2波結(jié)構(gòu)，到南北半球中緯區(qū)相位和數(shù)量相反變化的2波結(jié)構(gòu)，逐漸過渡到赤道區(qū)的4波結(jié)構(gòu).

(3)不同緯度區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化也呈現(xiàn)規(guī)律的空間演化過程，較高緯度區(qū)為當?shù)叵募痉逯?，中緯區(qū)仍為夏季峰值，但持續(xù)時間縮短，到赤道區(qū)最終演變?yōu)橄亩緝蓚€峰值、春秋季兩個谷值的季節(jié)變化規(guī)律.

(4)赤道區(qū)，除季節(jié)變化規(guī)律與以往研究結(jié)果不同外，大西洋經(jīng)度區(qū)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)較少，與以往研究結(jié)果也有差異.赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)沿經(jīng)度分布呈現(xiàn)4波結(jié)構(gòu)，與夜間電離層背景的4波結(jié)構(gòu)分布一致.

(5)北大西洋中緯區(qū)有一個不規(guī)則結(jié)構(gòu)集中的區(qū)域，與南大西洋異常區(qū)共軛，該區(qū)事件大都發(fā)生在北半球夏季，推測這里較多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)與SAA區(qū)有關(guān).該區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)較多與大西洋在赤道區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)較少形成對比.

ZH-1衛(wèi)星獨特的觀測地方時，為研究午夜后頂部電離層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)提供了一個很好的數(shù)據(jù)集.午夜后不規(guī)則結(jié)構(gòu)在空間分布以及季節(jié)變化等方面既展現(xiàn)了與以往研究結(jié)果一致的一面，同時也呈現(xiàn)出了不同以往的時空變化規(guī)律，太陽活動水平和地方時可能會影響不規(guī)則結(jié)構(gòu)的時空分布規(guī)律.對檢測結(jié)果分析后，仍有一些問題沒有得到解決，我們期望在積累更多觀測數(shù)據(jù)后可以繼續(xù)對這個主題進行更深入的研究.

致謝感謝審稿人的意見和建議，使本文得以完善.本工作使用了中國國家航天局和中國地震局支持的張衡一號的觀測數(shù)據(jù).本文使用的Dst指數(shù)數(shù)據(jù)從http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp下載，F(xiàn)10.7指數(shù)數(shù)據(jù)從ftp:∥ftp.swpc.noaa.gov/pub/indices/old_indices/下載.