蘇燁 李婧媛 呂建永 王明 魏官純 孫夢(mèng) 熊世平 李正

(南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院空間天氣研究所 南京 210044)

0 引言

熱層大氣位于中間層與逸散層之間，是中高層大氣的重要組成部分，熱層大氣風(fēng)場(chǎng)受地磁活動(dòng)影響很大。相對(duì)于水平風(fēng)而言，熱層垂直風(fēng)很小，測(cè)量的難度也導(dǎo)致相關(guān)觀測(cè)結(jié)果非常缺乏[1]。但是對(duì)地磁暴期間垂直風(fēng)場(chǎng)的研究從未停止，關(guān)于水平風(fēng)場(chǎng)與垂直風(fēng)場(chǎng)之間聯(lián)系的理論研究可以追溯到20 世紀(jì)70年代，Dickinso等[2]認(rèn)為連續(xù)性方程中的垂直速度可分為由壓力面總質(zhì)量散度決定的垂直速度和等壓面抬升引起的垂直速度。Rishbeth等[3]將總的垂直風(fēng)速也分為兩部分：表示在高度上平衡水平輻合或輻散的散度速度；表示熱層收縮或膨脹時(shí)等壓面上升或下降的氣壓速度。Burnside等[4]建立了關(guān)于垂直風(fēng)場(chǎng)與水平風(fēng)場(chǎng)散度相關(guān)方程。由于高層大氣探測(cè)手段缺乏，對(duì)于垂直風(fēng)場(chǎng)與水平風(fēng)場(chǎng)之間聯(lián)系的研究?jī)H停留在理論階段。

隨著天基和地基探測(cè)的發(fā)展，關(guān)于地磁暴期間熱層垂直風(fēng)場(chǎng)變化的分析也隨之增多，其中地基探測(cè)數(shù)據(jù)多使用法布里–珀羅探測(cè)儀（FPIs）研究熱層的垂直風(fēng)場(chǎng)。Hernandez[5]指出在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或隨時(shí)間變化的情況下，強(qiáng)烈的局部加熱和地磁擾動(dòng)造成的熱層風(fēng)場(chǎng)加速可產(chǎn)生接近100 m·s–1以上的垂直風(fēng)速。Spencer等[6]使用WATS（Wind and Temperature Spectrometer）觀測(cè)數(shù)據(jù)得到，在有地磁擾動(dòng)的情況下，極光卵附近300 km 以上的熱層區(qū)域能夠觀測(cè)到的最大垂直風(fēng)速約100～200 m·s–1。Harding等[7]分析了北美熱層–電離層觀測(cè)網(wǎng)（NATION）5年（2011－2016年）的數(shù)據(jù)，表明在地磁暴期間中緯度地區(qū)能觀測(cè)到風(fēng)速較大的熱層垂直風(fēng)變化，并且這種垂直風(fēng)的變化會(huì)持續(xù)存在。Hu等[8]分析了從北極黃河站全天FPIs 觀測(cè)中獲取的熱層垂直風(fēng)數(shù)據(jù)，得到高熱層與低熱層的垂直風(fēng)平均速度分別為40 m·s–1和15 m·s–1，并且存在日變化和與地磁活動(dòng)水平相關(guān)的變化。以上研究均證明在地磁暴期間，由地磁擾動(dòng)引起的熱層垂直風(fēng)場(chǎng)變化非常劇烈,但是造成磁暴期間垂直風(fēng)場(chǎng)變化的物理機(jī)制尚不明了。

FPIs 數(shù)據(jù)和非相干散射雷達(dá)（ISR）數(shù)據(jù)的分析研究印證了垂直風(fēng)場(chǎng)與水平風(fēng)場(chǎng)的聯(lián)系[9,10]。Biondi[11]研究表明，觀測(cè)到的向上和向下垂直運(yùn)動(dòng)是對(duì)中緯度熱層水平風(fēng)場(chǎng)輻散和輻合的響應(yīng)。Rees等[12]發(fā)現(xiàn)高度積分（height-integrated）的垂直風(fēng)速可能超過(guò)100～150 m·s–1，垂直風(fēng)的變化與水平風(fēng)場(chǎng)的高度相關(guān)，這種變化是對(duì)地磁能量輸入的響應(yīng)，平均垂直風(fēng)的強(qiáng)度能夠達(dá)到約30 m·s–1（或100 km·h–1）且持續(xù)3～6 h，認(rèn)為這種持續(xù)且強(qiáng)烈的垂直風(fēng)場(chǎng)變化是熱層受地磁強(qiáng)烈擾動(dòng)的表現(xiàn)。Peteherych等[13]的研究結(jié)果表明，在110～125 km 高度，焦耳加熱直接導(dǎo)致上行風(fēng)發(fā)生，而水平風(fēng)的散度導(dǎo)致了下行風(fēng)。Smith等[14]發(fā)現(xiàn)在地磁擾動(dòng)強(qiáng)且伴隨強(qiáng)烈西風(fēng)時(shí)，觀測(cè)到高達(dá)150 m·s–1的向下氣流，而夜間這種垂直氣流則以相同速度上行。他們認(rèn)為造成這種較高熱層垂直風(fēng)場(chǎng)變化的一個(gè)主要機(jī)制是水平風(fēng)的散度。由此可以得出，在地磁暴期間，熱層中緯度垂直風(fēng)的變化與水平風(fēng)密切相關(guān)。

近年也有研究利用模型研究磁暴期間垂直風(fēng)場(chǎng)變化與溫度變化的聯(lián)系，Li等[15]使用TIMEGCM 模型研究了中緯度中間層-低熱層（MLT）中性溫度對(duì)地磁暴的響應(yīng)。結(jié)果表明地磁暴發(fā)生后，在中緯度MLT區(qū)域的垂直風(fēng)先發(fā)生變化，這種垂直風(fēng)的變化通過(guò)絕熱加熱/冷卻與垂直熱輸送過(guò)程導(dǎo)致局地暴時(shí)溫度變化。Li等[16]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，中緯度地區(qū)來(lái)自熱層的下行垂直風(fēng)會(huì)造成MLT 區(qū)域的溫度增加，這種溫度增加在磁暴早期會(huì)驅(qū)動(dòng)局地氣流向赤道運(yùn)動(dòng)，從而造成向南的擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。隨著磁暴的發(fā)展，MLT 溫度升高會(huì)在中緯度產(chǎn)生分流，使得擾動(dòng)風(fēng)的方向變?yōu)橄虮毕蛏稀Ｒ恢币詠?lái)，由于探測(cè)手段和模型精度的制約，對(duì)于磁暴期間垂直風(fēng)場(chǎng)變化的研究十分缺乏。雖然垂直風(fēng)在量級(jí)上比水平風(fēng)小得多，但對(duì)于熱層大氣環(huán)境（溫度及環(huán)流等）的影響卻是顯著的，在垂直方向梯度較小的波動(dòng)也能引起熱層巨大的變化，因此研究磁暴期間垂直風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)于理解太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)中高層大 氣影響具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 TIMEGCM 模型

研究主要基于TIMEGCM 模型。TIMEGCM模型的發(fā)展可追溯至20 世紀(jì)80年代初，美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）開(kāi)始建立TGCM 模型（Thermospheric General Circulation Models），以研究熱層的全球溫度、環(huán)流和化學(xué)成分及其對(duì)太陽(yáng)和極光活動(dòng)的響應(yīng)，隨后擴(kuò)展為三維TIGCM 模型，包含電離層與熱層之間電動(dòng)力學(xué)相互作用自洽的TIEGCM 模型。TIEGCM 模型向下延伸至30 km 高度，包括中間層和平流層上層，被稱(chēng)為T(mén)IMEGCM，其需要的輸入?yún)?shù)包括57 個(gè)主要波長(zhǎng)的太陽(yáng)紫外通量（由F10.7通量參數(shù)化得到）、極光粒子沉降、高緯度電場(chǎng)以及從30 km 下邊界向上傳播的潮汐，TIMEGCM 在了解高層大氣的特征方面發(fā)揮了重要作用[17-22]。在本研究中，使用的TIMEGCM 模型水平分辨率為2.5°×2.5°（緯度×經(jīng)度），垂直分辨率為1/4 個(gè)標(biāo)高。高緯對(duì)流電場(chǎng)使用由3 h的Kp指數(shù)驅(qū)動(dòng)的高緯對(duì)流電場(chǎng) Heelis 模型[23]。

1.2 垂直風(fēng)診斷

中性大氣連續(xù)性方程為

在Boussinesq 假設(shè)條件下可得

化簡(jiǎn)得到

其中，un和vn分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)速，R為地球半徑，λ為緯度，φ為經(jīng)度，z為高度，W為垂直風(fēng)速。等價(jià)于，表示緯向風(fēng)場(chǎng)沿著模型水平網(wǎng)格的變化等價(jià)于，表示經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)沿模型水平網(wǎng)格的變化；表示垂直風(fēng)沿模型高度網(wǎng)格的變化。因此可以得到

通過(guò)式（4）可以看出，垂直風(fēng)速由高層的垂直風(fēng)速變化及同層水平風(fēng)速變化求得。由于TIMEGCM模式計(jì)算的是壓力面間的垂直風(fēng)速，因此地面加熱使得壓力面起伏產(chǎn)生的垂直風(fēng)速不包括在式（4）的計(jì)算內(nèi)。

使用TIMEGCM 模型進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)：一個(gè)由地磁平靜條件的2.3 常數(shù)Kp值（圖1 中黑色橫虛線）驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)由真實(shí)的Kp值（圖1 中黑色折線）驅(qū)動(dòng)。3 h 指數(shù)Kp值在2005年9月10日為2+、3?、4、3+、4、6?、5+、5。可以看到，在24 h的Kp值變化中，15～18 h的Kp值最大。

圖1 2005年9月10日全天的Kp 值（黑色折線為Kp 值，黑色橫虛線表示Kp=2.3，黑色豎虛線表示磁暴擾動(dòng)開(kāi)始的時(shí)間）Fig.1 Kp value of the whole day on 10 September 2005 (The black polyline is the Kp value,the black horizontal dashed line represents Kp=2.3,and the black vertical dashed line is the time of the start of the magnetic storm)

除了Kp值條件不同外，這兩次實(shí)驗(yàn)在00:00 UT使用完全相同的初始條件和相同的其他模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)。因此，兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差值即為地磁暴對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響。其中，06:00 UT（黑色豎虛線）為2005年9月10日地磁暴擾動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間[24]。

2 結(jié)果與分析

以下涉及的風(fēng)場(chǎng)及溫度數(shù)據(jù)均采用磁暴值減去平靜值的方法處理，確保是地磁暴期間由于地磁擾動(dòng)影 響所引起的變化。

2.1 水平風(fēng)場(chǎng)沿水平網(wǎng)格的變化與垂直風(fēng)場(chǎng)在高度上的對(duì)比

圖2 顯示TIMEGCM 模擬了中緯度（30°N－50°N 緯度平均）地磁暴期間，4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)（06:00 UT、10:00 UT、14:00 UT、18:00 UT）的熱層（100～650 km高度）水平風(fēng)場(chǎng)沿經(jīng)度和壓力面網(wǎng)格的變化（圖2 a～d）和垂直風(fēng)場(chǎng)（圖2 e～h）?？梢钥闯?，06:00 UT的風(fēng)場(chǎng)整體速度較小，即由磁場(chǎng)擾動(dòng)引起的風(fēng)速變化較小，且水平風(fēng)場(chǎng)與垂直風(fēng)場(chǎng)的變化基本均為負(fù)值，此時(shí)主要是較高高度（約250 km 以上）的垂直風(fēng)拉動(dòng)較低高度（約250 km 以下）的垂直風(fēng)且保持向下傳播；而到了10:00 UT，磁場(chǎng)擾動(dòng)增大，風(fēng)場(chǎng)的整體擾動(dòng)速度隨之增大，出現(xiàn)了向上的垂直風(fēng)，但是擾動(dòng)的垂直風(fēng)場(chǎng)始終保持其連續(xù)性；到了14:00 UT 和18:00 UT，磁場(chǎng)擾動(dòng)劇烈，風(fēng)場(chǎng)速度變化激增，但依然是較高高度拉動(dòng)較低高度。并且在這4 個(gè)圖中，250 km 高度以上的水平風(fēng)場(chǎng)散度與垂直風(fēng)場(chǎng)始終保持基本一致。

圖2 中緯度地磁暴期間熱層水平風(fēng)場(chǎng)沿緯度壓力面網(wǎng)格的變化(F)與垂直風(fēng)場(chǎng)(向上為正，向下為負(fù)；黑色虛線表示250 km 高度，黃色和綠色虛線分別代表06:00 UT 和18:00 UT 時(shí)刻)Fig.2 Variation of horizontal wind along the grid of longitude (F) and vertical wind in the thermosphere during mid-latitude geomagnetic storms (Up is positive,down is negative;the black dotted line indicates 250 km height,and the yellow and green dashed lines indicate 06:00 UT and 18:00 UT respectively)

圖3 顯示TIMEGCM 模擬了中緯度（30°N－50°N）地磁暴期間，4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)（06:00 UT、10:00 UT、14:00 UT、18:00 UT）的熱層（100～650 km）水平風(fēng)場(chǎng)沿緯度和壓力面網(wǎng)格的變化（圖3 a～d）和垂直風(fēng)場(chǎng)（圖3 e～h）在107.5°W?？梢钥闯?，在4 個(gè)時(shí)間段內(nèi)，250 km 高度以上水平風(fēng)場(chǎng)的散度與垂直風(fēng)場(chǎng)始終保持基本一致。

圖4 顯示TIMEGCM 模擬了中緯度（30°N－50°N）地磁暴期間，4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)（06:00 UT、10:00 UT、14:00 UT、18:00 UT）的熱層（100～650 km 高度）水平風(fēng)場(chǎng)在92.5°E 沿緯度和壓力面網(wǎng)格的變化（圖4 a～d）和垂直風(fēng)場(chǎng)（圖4 e～h）?？梢钥闯?，在4 個(gè)時(shí)間段內(nèi)，250 km 高度以上水平風(fēng)場(chǎng)的散度與垂直風(fēng)場(chǎng)始終保持基本一致。由圖3 和圖4 可得，固定經(jīng)度下的緯度變化并不影響本節(jié)的結(jié)論。

圖3 中緯度地磁暴期間熱層水平風(fēng)場(chǎng)沿緯度壓力面網(wǎng)格的變化(F)與垂直風(fēng)場(chǎng) (向上為正，向下為負(fù)；黑色虛線為250 km)Fig.3 Variation of horizontal wind along the grid of longitude (F) and vertical wind in the thermosphere during mid-latitude geomagnetic storms (up is positive,down is negative,and the black dotted line is marked as 250 km)

圖4 中緯度地磁暴期間熱層水平風(fēng)場(chǎng)沿緯度壓力面網(wǎng)格的變化(F)與垂直風(fēng)場(chǎng) (向上為正，向下為負(fù)；黑色虛線為250 km 高度)Fig.4 Variation of horizontal wind and vertical wind along the grid of longitude (F) in the thermosphere during mid-latitude geomagnetic storms（Up is positive,down is negative,and the black dotted line is marked as 250 km height）

結(jié)果表明，在250 km 高度以上，水平風(fēng)場(chǎng)的散度與垂直風(fēng)場(chǎng)基本相同，即可以使用水平風(fēng)場(chǎng)散度在地磁暴期間的變化解釋垂直風(fēng)場(chǎng)變化。在250 km 高度以下，可以看到垂直風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)變化都是由于較高高度擾動(dòng)垂直風(fēng)場(chǎng)拉動(dòng)的，低高度垂直風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)變化量級(jí)遠(yuǎn)小于高高度，因此100～650 km 高度的擾動(dòng)垂直風(fēng)場(chǎng)具有很好的連續(xù)性。由此可以進(jìn)一步研究是經(jīng)向還是緯向風(fēng)場(chǎng)在地磁暴期間的變化導(dǎo)致了垂直風(fēng) 場(chǎng)的產(chǎn)生。

2.2 經(jīng)向與緯向風(fēng)場(chǎng)對(duì)水平風(fēng)場(chǎng)變化的影響

將水平風(fēng)場(chǎng)拆分成緯向風(fēng)場(chǎng)與經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)，將三個(gè)風(fēng)場(chǎng)在固定時(shí)間點(diǎn)及統(tǒng)一坐標(biāo)軸的情況下進(jìn)行比較，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得到兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)水平風(fēng)場(chǎng)變化的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步理解影響垂直風(fēng)場(chǎng)變化的物理機(jī)制。

圖5 顯示TIMEGCM 模擬了中緯度（30°N－50°N）地磁暴期間（高度平均約250 km 以上）熱層緯向風(fēng)場(chǎng)散度（圖5 a～d）、經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)散度（圖5 e～h）及水平風(fēng)場(chǎng)的散度（圖5 i～l）沿經(jīng)緯度網(wǎng)格在4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)（06:00 UT、10:00 UT、14:00 UT、18:00 UT）上的變化。地磁暴擾動(dòng)開(kāi)始時(shí)（06:00 UT），向東變化的緯向風(fēng)與向南變化的經(jīng)向風(fēng)疊加合成后產(chǎn)生了向下的垂直風(fēng)，這時(shí)明顯可以看出經(jīng)向風(fēng)的變化起到主導(dǎo)作用；10:00 UT 時(shí)，垂直風(fēng)主要集中在夜側(cè)（06:00 UT 以西18:00 UT 以東的區(qū)域），變化更大的緯向風(fēng)與經(jīng)向風(fēng)疊加合成后，垂直風(fēng)的變化主要由緯向風(fēng)的散度造成；到了14:00 UT，其與10:00 UT 的疊加合成效應(yīng)相同，可以看出緯向風(fēng)的變化對(duì)垂直風(fēng)產(chǎn)生了更大貢獻(xiàn)；在18:00 UT，通過(guò)分析夜側(cè)風(fēng)場(chǎng)，可以看出緯向風(fēng)變化對(duì)垂直風(fēng)場(chǎng)變化的影響與經(jīng)向風(fēng)相差不大，但在日側(cè)（06:00 UT 以東18:00 UT 以西的區(qū)域），主要是緯向風(fēng)變化影響了垂直風(fēng)。

圖5 中緯度地磁暴期間高熱層緯向風(fēng)場(chǎng)、經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)與水平風(fēng)場(chǎng)的散度暴時(shí)變化（向東和向北為正，向西和向南為負(fù)；黃色虛線和綠色虛線分別注明了06:00 UT 和18:00 UT）Fig.5 Divergence velocity changes of the zonal wind,meridional wind and horizontal wind during geomagnetic storm in the middle latitude (the east is positive and the west is negative;the yellow dotted line and the green dotted lines indicate 06:00 UT and 18:00 UT respectively)

因此，擾動(dòng)開(kāi)始時(shí)，經(jīng)向風(fēng)變化比緯向風(fēng)場(chǎng)更大一些，即對(duì)于水平風(fēng)場(chǎng)散度的影響也更大。隨著地磁暴的發(fā)展，在10:00 UT 和14:00 UT，緯向風(fēng)變化相對(duì)于經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)更大一些，同理可得，在這個(gè)時(shí)間對(duì)于水平風(fēng)場(chǎng)散度影響更大的是緯向風(fēng)場(chǎng)。到了18:00 UT，地磁擾動(dòng)更為劇烈，緯向風(fēng)場(chǎng)與經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的變化也隨之加劇。隨著兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)一步的疊加和合成作用，水平風(fēng)場(chǎng)的變化也同樣變得更為劇烈，但依舊是緯向風(fēng)變化相對(duì)較大，此時(shí)其對(duì)水平風(fēng)場(chǎng)散度變化的作用也更大。因此可以得到如下結(jié)論：在地磁暴擾動(dòng)開(kāi)始階段（06:00－08:00 UT），在250 km 高度以上，相比緯向風(fēng)場(chǎng)，熱層經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的變化是產(chǎn)生垂直風(fēng)的更大動(dòng)力源，而當(dāng)?shù)卮疟_動(dòng)發(fā)展起來(lái)后，緯向風(fēng)場(chǎng)的變化相 對(duì)更大，在垂直風(fēng)的變化趨勢(shì)上起到更大推動(dòng)作用。

2.3 水平風(fēng)場(chǎng)與溫度傳播的聯(lián)系

為了將經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)沿水平方向的變化與其風(fēng)場(chǎng)本身及溫度的變化聯(lián)系起來(lái)，將經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)及溫度沿經(jīng)緯線的變化與風(fēng)場(chǎng)自身數(shù)據(jù)在固定時(shí)間點(diǎn)及統(tǒng)一坐標(biāo)軸的情況下進(jìn)行比較，由此得到地磁暴期間溫度傳播與水平風(fēng)場(chǎng)變化的內(nèi)在聯(lián)系。

圖6 顯示TIMEGCM 模擬了中緯度（30°N－50°N）地磁暴期間（高度平均250 km 以上）熱層溫度場(chǎng)（圖6 a～d）和緯向風(fēng)場(chǎng)（圖6 e～h）沿緯線的差值以及緯向風(fēng)場(chǎng)（圖6 i～l）在4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)（06:00 UT、10:00 UT、14:00 UT、18:00 UT）上的變化。在06:00 UT，溫度梯度（東邊格點(diǎn)溫度減去西邊相鄰格點(diǎn)溫度）值極小，且主要出現(xiàn)在夜側(cè)；10:00 UT 夜側(cè)的溫度梯度正值變化區(qū)域比負(fù)值的大一些，日側(cè)也出現(xiàn)了溫度梯度負(fù)值區(qū)域；在14:00 UT 溫度梯度值比之前增大一些，并且在日側(cè)主要為正值區(qū)域，在夜側(cè)主要為負(fù)值區(qū)域；在18:00 UT，相比之前的3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，溫度梯度值最大，延續(xù)了14:00 UT 的正負(fù)值區(qū)域的分布特點(diǎn)。圖6 中?u的變化與圖5中的變化基本一致。緯向風(fēng)場(chǎng)在06:00 UT 主要為夜側(cè)的西向風(fēng)，但在其東側(cè)也有一個(gè)較小的東向風(fēng)；10:00 UT 夜側(cè)西向風(fēng)增大，東側(cè)的東向風(fēng)也隨之增大，并且在日側(cè)也出現(xiàn)了明顯的西向風(fēng)，但量級(jí)比夜側(cè)的風(fēng)場(chǎng)小得多；到了14:00 UT，100°W 東側(cè)（日側(cè)）和西側(cè)（夜側(cè)）均存在一個(gè)較小的東向風(fēng)，其余區(qū)域均為風(fēng)速較大的西向風(fēng)，且西向風(fēng)的風(fēng)速大值區(qū)域主要存在于夜側(cè)；18:00 UT 整個(gè)中緯度全是風(fēng)速極大的西向風(fēng)，但夜側(cè)的西向風(fēng)風(fēng)速大于日側(cè)。

圖6 中緯度地磁暴期間熱層緯向風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)沿緯線的差值與緯向風(fēng)場(chǎng)（向東為正，向西為負(fù)；黃色和綠色虛線分別表示06:00 UT 和18:00 UT 時(shí)刻）Fig.6 Difference between the zonal wind and temperature along the latitude line and the zonal wind during geomagnetic storm in the middle latitude (The east is positive,the west is negative,and the yellow and the green dotted lines indicate 06:00 UT and 18:00 UT respectively)

地磁擾動(dòng)開(kāi)始（06:00 UT）后，溫度梯度值在中緯度夜側(cè)比日側(cè)大得多，沿東向緯線升高的溫度（圖6 a～d）產(chǎn)生了西向的緯向風(fēng)（圖6 i～l），反之沿東向緯線降低的溫度產(chǎn)生東向的緯向風(fēng)。到了10:00 UT，溫度沿東向緯線在夜側(cè)的變化比日側(cè)大得多，仍然是向東增加的溫度梯度形成西向風(fēng)，向西增加的溫度梯度形成東向風(fēng)。隨著擾動(dòng)增強(qiáng)，到了14:00 UT，日側(cè)溫度梯度也隨之增強(qiáng)，但依然是夜側(cè)溫度梯度更大，緯向風(fēng)場(chǎng)仍遵循與溫度梯度的關(guān)系。進(jìn)入18:00 UT，日側(cè)和夜側(cè)的緯向風(fēng)場(chǎng)整體速度都很大，但隨著擾動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，溫度梯度與緯向風(fēng)場(chǎng)依舊呈現(xiàn)出很好的對(duì)應(yīng)性，溫度梯度在日側(cè)呈現(xiàn)出沿東向緯線升高的趨勢(shì)，在夜側(cè)呈現(xiàn)出沿東向緯線降低的趨勢(shì)，而緯向風(fēng)場(chǎng)無(wú)論在日側(cè)還是夜側(cè)都是西向風(fēng)?？梢钥闯?，溫度梯度和緯向風(fēng)場(chǎng)均隨地磁暴擾動(dòng)的增強(qiáng)而增大。并且在地磁暴擾動(dòng)期間，溫度梯度與緯向風(fēng)的變化趨勢(shì)基本一致，可以看出沿緯線分布的緯向風(fēng)基本由沿緯線分布的溫度梯度決定。

圖7 顯示TIMEGCM 模擬了中緯度（30°N－50°N）地磁暴期間（高度平均250 km 以上）熱層溫度場(chǎng)（圖7 a～d）和經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)（圖7 e～h）沿經(jīng)線的差值以及經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)（圖7 i～l）在4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)（06:00 UT、10:00 UT、14:00 UT、18:00 UT）上的變化。溫度梯度（北南）在06:00 UT 的值極小，且主要是沿北向經(jīng)線增大的溫度梯度（正）出現(xiàn)在夜側(cè)；10:00 UT 夜側(cè)的溫度梯度正值區(qū)域擴(kuò)大，在日側(cè)出現(xiàn)一個(gè)較小的沿北向經(jīng)線減小的溫度梯度（負(fù)）區(qū)域；14:00 UT 的溫度梯度正值區(qū)域急劇增大并擴(kuò)展到整個(gè)北半球，但夜側(cè)的溫度梯度量級(jí)更大；18:00 UT 的溫度梯度正值在整個(gè)中緯度的量級(jí)急劇增大，此時(shí)日側(cè)和夜側(cè)的量級(jí)相差不大。圖7 中?v的變化與圖5中的變化基本一致。經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)在06:00 UT 僅在夜側(cè)產(chǎn)生一個(gè)較小的南向風(fēng)；10:00 UT 的夜側(cè)南向風(fēng)風(fēng)速有所增大；14:00 UT 的經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)延續(xù)了上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的夜側(cè)南向風(fēng)，同時(shí)在日側(cè)也出現(xiàn)一個(gè)風(fēng)速較小的南向風(fēng)；南向風(fēng)在18:00 UT 擴(kuò)展至整個(gè)北半球，并且風(fēng)速急劇增大，形成一個(gè)超大型的南向風(fēng)。

圖7 中緯度地磁暴期間熱層溫度場(chǎng)和經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)沿經(jīng)線的差值與經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)（向東為正，向西為負(fù)，黑色虛線標(biāo)注的是250 km，黃色和綠色虛線分別表示06:00 UT 和18:00 UT 時(shí)刻）Fig.7 Difference between the temperature of the hyperthermia and the meridional wind along the meridian during the mid-latitude geomagnetic storm and the meridional wind (North is positive,south is negative,and the yellow and the green dotted lines indicate 06:00 UT and 18:00 UT respectively)

地磁擾動(dòng)開(kāi)始（06:00 UT）后，溫度梯度在中緯度夜側(cè)的量級(jí)大于日側(cè)，沿北向經(jīng)線升高的溫度（圖7a～d）產(chǎn)生了南向的經(jīng)向風(fēng)（圖7 i～l），即高緯度的溫度沿南向的經(jīng)向風(fēng)向低緯度擴(kuò)散，且僅有南向的經(jīng)向風(fēng)。在10:00 UT，溫度梯度沿北向經(jīng)線在夜側(cè)的變化占溫度傳播的主導(dǎo)地位，依然遵循沿北向經(jīng)線升高的溫度產(chǎn)生南向經(jīng)向風(fēng)的規(guī)律。隨著擾動(dòng)增強(qiáng)，到了14:00 UT，日側(cè)溫度梯度沿北向經(jīng)線的變化也隨之增強(qiáng)，但依然是夜側(cè)的溫度梯度更大，經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)仍遵循與溫度梯度的關(guān)系，整個(gè)中緯度北半球都是南向經(jīng)向風(fēng)。而進(jìn)入18:00 UT，日側(cè)和夜側(cè)的經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)整體速度都很大，但隨著擾動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，溫度梯度的變化與經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)對(duì)應(yīng)得更好，溫度梯度在整個(gè)中緯度北半球呈現(xiàn)出沿北向經(jīng)線急劇升高的趨勢(shì)，即越來(lái)越多的高緯度溫度沿經(jīng)線向低緯度傳播，而經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)都是南向的經(jīng)向風(fēng)。因此可以得出，地磁擾動(dòng)開(kāi)始后，溫度開(kāi)始沿著經(jīng)線擴(kuò)散，溫度與經(jīng)向風(fēng)的變化也隨擾動(dòng)增大而增強(qiáng)，沿北向經(jīng)線升高的溫度梯度產(chǎn)生了向南的經(jīng)向風(fēng)。因此，溫度梯度對(duì)于經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的影響在擾動(dòng)增強(qiáng)時(shí)更明顯。

由圖6 和圖7 可知，前兩個(gè)小時(shí)經(jīng)向風(fēng)的變化更明顯地導(dǎo)致了垂直風(fēng)的變化，由磁暴導(dǎo)致的增溫從高緯度向低緯度擴(kuò)散，沿經(jīng)線的風(fēng)速變化較大；08:00 UT之后，溫度沿緯線擴(kuò)散得更快，風(fēng)速沿緯線變化更大，因此緯向風(fēng)的變化更明顯導(dǎo)致了垂直風(fēng)的變化。而隨著擾動(dòng)增強(qiáng)，溫度不再是影響水平風(fēng)場(chǎng)的唯一因素，緯向風(fēng)沿緯線的變化比經(jīng)向風(fēng)沿經(jīng)線的變化更大，緯向風(fēng)場(chǎng)的變化更明顯地導(dǎo)致了垂直風(fēng)場(chǎng)的變 化。

3 結(jié)論

利用TIMEGCM 模型，研究了2005年9月10日中緯度地磁暴期間熱層（100～650 km 高度）水平風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)垂直風(fēng)的影響，依據(jù)模型中垂直風(fēng)求解公式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析，主要得到結(jié)果和結(jié)論如下。

（1）在地磁暴期間，250 km 以上的垂直風(fēng)場(chǎng)變化與水平風(fēng)場(chǎng)的散度相同，因此可以得到水平風(fēng)場(chǎng)變化引起垂直風(fēng)場(chǎng)變化的結(jié)論，由于100～650 km 高度的垂直風(fēng)是連續(xù)的，250 km 以下的垂直風(fēng)場(chǎng)主要由較高高度垂直風(fēng)拉動(dòng)。

（2）在地磁暴初期（06:00－08:00 UT），經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的變化比緯向風(fēng)場(chǎng)更大，因此對(duì)垂直風(fēng)場(chǎng)變化做出了更大貢獻(xiàn)，而隨著擾動(dòng)的增強(qiáng)，緯向風(fēng)場(chǎng)變化更大，在08:00 UT 之后，相比經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)，緯向風(fēng)場(chǎng)對(duì)垂直風(fēng)場(chǎng)的變化影響更大。

（3）結(jié)合溫度沿經(jīng)緯線的變化分析，在地磁暴初期（06:00－08:00 UT），溫度沿經(jīng)線傳播得更快，經(jīng)向風(fēng)沿經(jīng)線的方向變化更大，而在08:00 UT 之后，溫度沿緯線傳播得更快，緯向風(fēng)沿緯線的方向變化更大，與結(jié)論2 有很好的對(duì)應(yīng)。

雖然已通過(guò)TIMEGCM 模型模擬研究了中緯度地磁暴期間熱層垂直風(fēng)場(chǎng)的變化，以及其與水平風(fēng)場(chǎng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并得出了初步結(jié)論，但是對(duì)于地磁暴期間影響熱層水平風(fēng)場(chǎng)變化的物理過(guò)程尚不了解，今后將對(duì)其進(jìn)行更深入研究。

致謝地磁活動(dòng)指數(shù)Kp數(shù)據(jù)來(lái)源于ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/GEOMAGNETIC_DATA/INDICES/KP_AP/網(wǎng)站。