吳夢瑤，張瑞鵬

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪與檢測學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，西安 710000）

電離層與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是被部分電離的地球大氣，也是人類賴以生存的地球環(huán)境中的重要組份。全球垂直總電子含量（Vertical Total Electron Content，VTEC），常常被用來描述電離層形態(tài)和表征電離層的變化[1]。電離層的狀態(tài)受到多種因素的影響和制約，如太陽輻射、地磁風(fēng)暴等均可導(dǎo)致電離層出現(xiàn)不規(guī)則的擾動[2]。然而，研究者們漸漸發(fā)現(xiàn)，在排除空間環(huán)境的影響外，仍有一部分電離層異常不能夠被清楚合理地解釋。二十世紀(jì)五十年代，文獻(xiàn)[3]首次發(fā)現(xiàn)了臺風(fēng)過程會對電離層的狀態(tài)產(chǎn)生不可忽視的影響。文獻(xiàn)[4]又率先提出中低層大氣通過聲重力波影響電離層的理論。自此，電離層與中、低層大氣氣象活動之間的影響機制越來越受到更多學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[5]提出了低層大氣的氣象活動主要通過大氣波動的動力學(xué)過程來產(chǎn)生電離層形態(tài)變化的相關(guān)理論。研究者們采用不同的數(shù)據(jù)，就眾多臺風(fēng)事件中發(fā)生的電離層擾動進行了廣泛討論。文獻(xiàn)[6—10]利用電離層多普勒資料、文獻(xiàn)[11]利用GPS 臺站的觀測資料、文獻(xiàn)[12]利用電離層頻高圖數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)[13—14]采用總電子含量、文獻(xiàn)[15]采用電子密度數(shù)據(jù)，充分運用理論研究、實驗觀測、數(shù)值模擬等方法得出的大量結(jié)果也均證實臺風(fēng)發(fā)生發(fā)展期間會導(dǎo)致電離層發(fā)生形擾。

臺風(fēng)是發(fā)生在熱帶或副熱帶的一種非常強大且典型的天氣系統(tǒng)，從目前的研究情況來看，如若想清楚地描述臺風(fēng)活動對電離層的影響機制，仍需進一步在分析臺風(fēng)事件的基礎(chǔ)上探尋。本文采用國際GNSS 服務(wù)組織發(fā)布的全球垂直總電子含量數(shù)據(jù)，通過雙線性內(nèi)插獲得2020 年1 號強臺風(fēng)“黃蜂”路徑特征點處電離層VTEC 數(shù)值，并通過滑動四分位距的方法加以處理并提取異常，分析臺風(fēng)“黃蜂”發(fā)生前后路徑特征點區(qū)域的電離層總電子含量（Total Electron Content，TEC）異常時空分布特征。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的全球垂直總電子含量格網(wǎng)數(shù)據(jù)，由GNSS 服務(wù)（International GNSS Services，IGS）組織發(fā)布，數(shù)據(jù)空間分辨率為5°（經(jīng)線）×2.5°（緯線），時間分辨率為2 h；臺風(fēng)事件選自中國氣象局熱帶氣旋資料中心[16]；采用赤道地磁指數(shù)Dst和全球地磁指數(shù)Kp表征地磁活動強度，數(shù)據(jù)來源于日本京都地磁數(shù)據(jù)中心[17]；采用太陽F10.7 射電通量來表征太陽活動強度，數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣局（NOAA）[18]。

2 電離層異常提取

臺風(fēng)“黃蜂”于Coordinated Universal Time（世界協(xié)調(diào)時，以下簡稱UTC），2020 年5 月12 日21 時被命名，國際編號“2001”，于5 月13 日發(fā)展成為臺風(fēng)，14日2 時向西西北方向推進并升格為強臺風(fēng)，當(dāng)日12 時15 分在菲律賓沿海登陸，登陸時中心最大風(fēng)力為14級（45 m/s）的，最終在5 月16 日消失。由于電離層受到太陽輻射和地磁擾動的影響，在分析臺風(fēng)發(fā)生期間的電離層異常時，需要綜合判斷這段時間內(nèi)空間天氣是否平靜?？臻g環(huán)境指數(shù)的活動水平見表1。選取2020年年積日119—138（2020 年4 月28 日—5 月17 日）共計20 d 的太陽及地磁活動水平數(shù)據(jù)變化情況，涵蓋了強臺風(fēng)“黃蜂”發(fā)生前14 d、發(fā)生及消失后1 d 的全部時段。由圖1 可以看到，地磁指數(shù)Kp、赤道地磁指數(shù)Dst以及太陽射電通量F10.7 在整體研究時段內(nèi)均處于低活動水平，空間天氣保持相對平靜。

圖1 2020 年4 月28 日—5 月17 日F10.7、Dst、Kp 指數(shù)變化

表1 空間環(huán)境指數(shù)的活動水平

為更準(zhǔn)確地表達(dá)臺風(fēng)中心位置處電子濃度含量，本文以IGS 發(fā)布的數(shù)據(jù)為依托，采用雙線性插值的方法獲得任意一點的TEC 數(shù)值。為了彌補類似平均值法、中位數(shù)法等靜態(tài)探測方法在提取異常中存在的不足，劉正彥教授提出了動態(tài)探測四分位距法[17]，四分位距法（inter quartile rang，IQR）是目前分析電離層異常最常使用到的算法之一。具體來講，一個數(shù)列中的四分位數(shù)分別為下四分位數(shù)、中位數(shù)和上四分位數(shù)，這3個四分位數(shù)就把整個數(shù)列分成了4 個部分。以包含14項元素的數(shù)列為例，將元素按照從小到大的順序進行排列，為X1，X2，…，X14，則

其中：Q1表示在該數(shù)值以下的元素占總數(shù)的25%，Q2表示在該數(shù)值以下的元素占50%，Q3表示在該數(shù)值以下的元素占總數(shù)的75%。在統(tǒng)計學(xué)上IQR=1.34σ，即四分位距的期望值是標(biāo)準(zhǔn)差的1.34 倍，該方法探測閾值約為標(biāo)準(zhǔn)差的2 倍，異常檢驗的置信度為95%[18]。本文采用Q2=±1.5IQR作為TEC 是否出現(xiàn)異常的判定標(biāo)準(zhǔn)，即

本文選取的時間窗口為15 d，即取被分析日前14 d 無異常的電離層TEC 為背景值，對2020 年4月28 日—5 月17 日的臺風(fēng)路徑參考點TEC 數(shù)據(jù)進行異常檢測，采用上式探測上下限，觀測值大于上界限UB視為出現(xiàn)正異常，小于下界限LB視為出現(xiàn)負(fù)異常。本文以臺風(fēng)移動路徑過程中部分強度變化點及臺風(fēng)中心風(fēng)速最大點也是臺風(fēng)登陸點為參考點，具體地理位置、時間、風(fēng)速及強度信息見表2。

表2 臺風(fēng)“黃蜂”路徑特征點數(shù)據(jù)

繪制5 個參考點在2020 年4 月28 日—5 月17日臺風(fēng)中心電離層TEC 變化時間序列曲線，異常提取結(jié)果如圖2 所示，圖中橫坐標(biāo)0 代表5 月12 日臺風(fēng)起編日，3 條曲線從上往下分別代表上界限，臺風(fēng)中心上空電子濃度總含量在研究時段內(nèi)的實際數(shù)值，下界限。

圖2 臺風(fēng)“黃蜂”路徑參考點電離層TEC 異常變化曲線

總體來看，5 個參考點處電離層均出現(xiàn)了數(shù)值不等的負(fù)異常，最早在臺風(fēng)形成前10 d（5 月2 日）就出現(xiàn)了擾動，但強度極其微弱。5 月5 日16：00—18：00UTC 間分別出現(xiàn)了數(shù)值為0.26 個TECU、0.39 個TECU、0.39 個TECU、0.67 個TECU、0.53 個TECU 的異常；8 日8：00—10：00UTC 分別出現(xiàn)了數(shù)值為0.13個TECU、0.53 個TECU、0.67 個TECU、0.53 個TECU、0.26 個TECU 和左右的異常，持續(xù)時間約2 h。臺風(fēng)發(fā)生前一日（5 月11 日）的0：00—4：00UTC、發(fā)生當(dāng)日（5月12 日）的2：00—4：00UTC 及后一日（5 月13 日）的2：00—4：00UTC TEC 負(fù)異常最為集中且幅度明顯，異常值均超過了1TECU，其中出現(xiàn)研究階段的峰值，數(shù)值達(dá)2.0 個TECU，持續(xù)時間長達(dá)4 h。有3 個參考點5月15 日的6：00—8：00UTC 出現(xiàn)了值為0.39 個TECU、0.78 個TECU、1.04 個TECU 的異常。除此之外，在5 月7 日、9 日、10 日部分參考點上空出現(xiàn)電離層的擾動情況，但數(shù)值較小基本保持在0.2 個TECU 左右，本文不將這些微小擾動作為臺風(fēng)對電離層影響的依據(jù)。

綜上所述，電離層異常從臺風(fēng)形成前10 d 就已經(jīng)出現(xiàn)但影響強度較小，隨著臺風(fēng)發(fā)展的大部分時間有零散的異常出現(xiàn)，異常值集中出現(xiàn)在臺風(fēng)形成當(dāng)天及前后一天，具體時間在0：00—4：00 UTC 之間，數(shù)值較其他研究時段更大影響效果更強，且異常屬性均屬負(fù)異常，排除空間天氣的影響，可以確定該時段內(nèi)的電子總含量的劇烈變化與臺風(fēng)“黃蜂”之間存在一定聯(lián)系。

3 結(jié)論

本文以2020 年太平洋臺風(fēng)季首個被命名的風(fēng)暴——2001 號強臺風(fēng)“黃蜂”為例，采用國際GNSS 服務(wù)組織發(fā)布的全球垂直總電子含量數(shù)據(jù)，結(jié)合雙線性插值、四分位距和滑動時窗的方法，分析臺風(fēng)路徑特征點及附近區(qū)域在臺風(fēng)發(fā)生前后的電離層TEC 異常情況發(fā)現(xiàn)，取被分析日前14 d 無異常的電離層TEC 為背景值，對臺風(fēng)路徑參考點TEC 數(shù)據(jù)根據(jù)上下限進行異常檢測，提取出與本次臺風(fēng)可能有關(guān)的異常，分別在5月5 日、8 日、11 日、12 日及13 日的臺風(fēng)路徑上空電離層發(fā)生擾動，在臺風(fēng)發(fā)生前一日（5 月11）擾動最為明顯，峰值達(dá)2 個TECU。異常屬性均為負(fù)異常，異常主要發(fā)生時間段在0：00 UTC 至10：00 UTC 之間。

目前，臺風(fēng)-電離層耦合關(guān)系并沒有得到明確的解釋，要清楚地了解臺風(fēng)-電離層耦合機制解需要建立在大量統(tǒng)計事件的基礎(chǔ)上分析可能存在的規(guī)律，根據(jù)臺風(fēng)發(fā)生前后電離層擾動信息的探測可對規(guī)律的探尋提供一定幫助并為今后的研究做鋪墊。