羅偉華，馮睿，耿令森

（中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074）

赤道電離異常（Equatorial Ionization Anomaly，EIA）是低緯電離層中非常著名的一種異常結(jié)構(gòu)［1］.在低緯電離層中，電子密度通常在磁赤道上空存在一個極小值，而在離開磁赤道的±15～20°的區(qū)域出現(xiàn)兩個極大，呈現(xiàn)一個沿緯度的窄的電子密度槽區(qū)［2］.一般情況下，EIA 會在地方時0600-0800 LT（Local Time）附近開始形成，在1400 LT 附近有一個極大，而在夜間2100-2300 LT 消失［3-4］，有時也可以持續(xù)至午夜之后［5］.

現(xiàn)在普遍認(rèn)為，EIA 的形成與背景電離層中的東-西向電場（或等離子體垂直漂移）有關(guān).由于E?×B?的作用，等離子體會向上運(yùn)動至頂部電離層，導(dǎo)致磁赤道上空的等離子體密度減小，然后沿磁力線擴(kuò)散到達(dá)磁赤道的南北兩側(cè)，在磁緯±15～20°的地方堆積，形成等離子體密度增加的兩個峰，即“噴泉效應(yīng)”［6］.另外，熱層中性風(fēng)場對EIA 的形成和發(fā)展也有著重要作用［6-8］.

EIA強(qiáng)度和南-北半球不對稱是用于表征EIA變化特征的兩個常用參數(shù).一般用EIA 的峰-谷比值（Crest-to-Trough，CTR）表征EIA 的強(qiáng)度；EIA 的南北半球不對稱性包括，南北駝峰處的電子密度大小表現(xiàn)為磁南-北半球不對稱，南北峰所處的緯度也可能關(guān)于磁赤道不對稱［9］.對EIA 強(qiáng)度和EIA 南-北半球不對稱的研究可有助于我們進(jìn)一步理解影響EIA生成和發(fā)展的物理因素.近年來，許多研究發(fā)現(xiàn)CTR存在日變化和季節(jié)變化特征以及對太陽活動的依賴.如CTR 值通常在1300-1400 LT 附近有一個極大；有時在2000-2100 LT 還會出現(xiàn)第二個極大.隨著太陽活動的增強(qiáng)，正午期間的CTR 值可從1.14 增大為約1.43.春/秋季和冬季的CTR 值相對較大，而夏季的CTR 值最?。?，10-11］.有關(guān)EIA 南北半球不對稱特征的研究相對較少.一些研究指出，EIA 的南北半球不對稱也存在日變化和季節(jié)變化特征，但對太陽活動的依賴相對不明顯［5，12］.

此外，EIA 的變化特征可與低緯電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)（Equatorial Spread F，ESF）和電離層閃爍的出現(xiàn)聯(lián)系起來.一些個例和統(tǒng)計研究表明［13-17］，在不同經(jīng)度地區(qū)，EIA強(qiáng)度和南北半球不對稱的變化與ESF和閃爍出現(xiàn)率都有較好的相關(guān).例如，ESF更易于在EIA 強(qiáng)度（CTR 值）較大和EIA 較為對稱時出現(xiàn)［18-19］.EIA 的強(qiáng)度和半球不對稱可作為不規(guī)則結(jié)構(gòu)和閃爍出現(xiàn)的一個前兆指標(biāo)，這也有待進(jìn)一步研究［19］.了解EIA 的強(qiáng)度和南北半球不對稱性隨地方時、季節(jié)和太陽活動的變化特征，有助于我們進(jìn)一步了解低緯電離層中電動力學(xué)過程的變化特征，為進(jìn)一步構(gòu)建不規(guī)則結(jié)構(gòu)和閃爍模型提供幫助.

本文利用國際導(dǎo)航服務(wù)組織（International GNSS Service，IGS）提供的地基GPS 觀測數(shù)據(jù)，反演電離層總電子含量（Total Electron Content，TEC），分析美洲地區(qū)（300°E）的低緯電離層變化特征，重點研究赤道電離異常（EIA）和低緯電離異常（Low-latitude Ionization Anomaly，LIA）的強(qiáng)度和南-北半球不對稱性隨地方時、季節(jié)和年份的變化特性.本文結(jié)果將有助于我們進(jìn)一步了解低緯電離層的變化特征及其中的電動力學(xué)過程，具有實際的科學(xué)意義.

1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理

在美洲地區(qū)，IGS 臺站分布較為密集，數(shù)據(jù)易于獲取.本文選取了2016—2018年美洲地區(qū)（300°E附近）南-北半球諸多臺站中的部分低緯地區(qū)地基GPS觀測數(shù)據(jù)，選用的觀測臺站分布如圖1所示，臺站的具體地理位置信息如表1 所示.本文所用IGS 數(shù)據(jù)從Madrigal 數(shù)據(jù)庫獲得（http：//madrigal.haystack.mit.edu/madrigal/index.html），數(shù)據(jù)的時間采樣頻率為30 s.其中，LMMF 和LPGS 兩個臺站的2017 年數(shù)據(jù)缺失.TEC的反演方法可參考文獻(xiàn)［20］.

表1 選用IGS臺站的地理位置和數(shù)據(jù)信息Tab.1 The longitude and latitude of the stations

圖1 美洲地區(qū)，IGS臺站地理位置分布Fig.1 The geographical distribution of the ground-based IGS stations in America sector

圖2給出了2012-2018年期間，太陽黑子數(shù)的逐日變化.由圖2 可注意到，2016-2018 年期間，太陽活動整體處于較低水平，只有偶爾幾天，太陽黑子數(shù)超過100.此外，隨著年份的增加，太陽活動也逐漸減弱.

圖2 2012-2018年，太陽黑子數(shù)的逐日變化Fig.2 The daily variations of sun spot number during 2012-2018

為分析赤道電離異常（EIA）和低緯地區(qū)的電離異常（LIA）特征，包括EIA 和LIA 強(qiáng)度、以及EIA 和LIA 的南北半球不對稱性，我們對同一經(jīng)度區(qū)的南北半球緯度相近的不同臺站導(dǎo)出的TEC 進(jìn)行處理.類似文獻(xiàn)［5］和［11］，分別定義可表征EIA 和LIA 的強(qiáng)度和南-北半球不對稱性的計算公式如下：

式（1）-（3）中，TECN代表北半球的TEC 值（如BOGT、LMMF 臺站），TECS代表南半球的TEC 值（如UNSA、LPGS 臺站）.TECA表示南北半球兩站臺的TEC 平均值，可用于表征EIA（LIA）的強(qiáng)度.當(dāng)TECA的值越大，意味著EIA（LIA）的強(qiáng)度越大.TECB和TECC用于表征EIA（LIA）的南-北半球不對稱性.當(dāng)TECB的值大于0，說明北半球的值大于南半球的值；當(dāng)TECC的值越大，說明EIA 和LIA 的南-北半球不對稱性越顯著.

2 EIA強(qiáng)度和南-北半球不對稱性特征

圖3 給出根據(jù)近赤道地區(qū)的BOGT 和UNSA 臺站觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)出的EIA 強(qiáng)度TECA在2016 年（a）、2017 年（b）和2018 年（c）隨世界時（Universal Time，UT=LT+5）和日期的變化特征.其中，TECA由式（1）計算得到.

圖3 地磁緯度±15°附近，2016（a）、2017（b）、2018（c）年，TECA隨時間的逐日變化（LT=UT-5）Fig.3 Around ±15° geomagnetic latitude，the variations of TECA with times and days in 2016（a）、2017（b）、2018（c）respectively.（LT=UT-5）

由圖3 可以看出，在地磁緯度±15°的近赤道區(qū)，TECA的值存在明顯隨時間、季節(jié)、年份的變化規(guī)律，具體可總結(jié)如下：

（1）EIA強(qiáng)度存在日變化特征.EIA強(qiáng)度在1800-2200 UT（1300-1700 LT）期間較大，在2000 UT（1500 LT）附近達(dá)到極大；在0200-1100 UT（2100-0600 LT）期間較小，在1000 UT附近達(dá)到極小.例如在2016年10月，2000 UT，TECA有極大值，約為80 TECU，在1000 UT附近，TECA有極小值，約為5 TECU.

（2）EIA 強(qiáng)度存在季節(jié)變化特征.EIA 強(qiáng)度在春、秋季（3-5 月和9-11 月）較大，在7-8 月較小.其中，最大值一般出現(xiàn)在春季或秋季，最大值可達(dá)到約85 TECU；夏季（7-8 月）的EIA 強(qiáng)度最小，TECA極大值約為20 TECU.

（3）EIA 強(qiáng)度存在年變化特征.隨著太陽活動的減弱，EIA 強(qiáng)度逐漸減小.在太陽活動較強(qiáng)的2016年，EIA 強(qiáng)度要明顯大于太陽活動較弱的年份.例如在2016年3月，TECA的極大值可達(dá)約80 TECU，在2017年3月和2018年3月，極大值分別約為50 TECU和30 TECU.

圖4 給出EIA 的南-北半球不對稱性（TECB和TECC）在2016年（a、b）、2017年（c、d）和2018年（e、f）期間隨時間和日期的變化特征.其中，圖4（a、c、e）由公式（2）計算得到，圖4（b、d、f）由公式（3）計算得到.由圖4 可以看出，EIA 的南北半球不對稱性也存在顯著的隨時間和季節(jié)的變化特征，具體包括：

圖4 地磁緯度±15°附近，2016-2018年，TECB、TECC隨時間的逐日變化Fig.4 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECB and TECC with times and days in 2016-2018，respectively

（1）EIA的南北半球不對稱性存在日變化特征.EIA 南北半球不對稱性通常在2200-0200 UT（1700-2100 LT）期間變得更為顯著，TECC值均在0.5以上.

（2）EIA 的南北半球不對稱性存在季節(jié)變化特征.在不同年份，EIA 的半球不對稱性在夏季（5—8月）期間最為顯著，TECC均值可達(dá)0.7 以上.最大值出現(xiàn)在5—7 月，最大可到1.2 左右.而在其余季節(jié)，南北半球不對稱性相對較弱.另外，整體上看，在夏季期間，TECB的值大于0，即北半球的值大于南半球的值；在冬季期間（12-1 月），會出現(xiàn)南半球的值大于北半球的值.

（3）EIA 南北半球不對稱性隨年份的變化特征并不顯著.如在太陽活動較強(qiáng)的年份（2016 年），夏季期間TECC的最大值約為1.19，而在太陽活動較弱的年份（2018 年），夏季期間TECC的值約為1.21，由此說明，南北半球不對稱性隨年份變化不明顯.

3 LIA強(qiáng)度和南-北半球不對稱性特征

圖5給出根據(jù)低緯地區(qū)LMMF-LPGS臺站觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)出的LIA 強(qiáng)度（TECA值）在2016年（a）和2018年（b）隨時間和日期的變化特征.

圖5 地磁緯度±25°附近，2016年（a）和2018年（b），TECA隨時間的逐日變化（LT=UT-5）Fig.5 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECA with times and days in 2016（a）and 2018（b），respectively.（LT=UT-5）

由圖5 可以看到，在地磁緯度±25°的低緯度地區(qū)TCEA值也存在明顯的隨時間和季節(jié)的變化規(guī)律，具體可總結(jié)如下：

（1）LIA強(qiáng)度也存在顯著的日變化特征.TECA在1600-2200 UT（1200-1800 LT）期間較大，在1800 UT（1300 LT）達(dá)到極大；在0200-1100 UT（2200-0700 LT）期間達(dá)到極小.

（2）LIA 強(qiáng)度也存在顯著的季節(jié)變化特征.與EIA 強(qiáng)度的季節(jié)變化特征相似，LIA 在春、秋季期間（3-5月和9-11月）達(dá)到極大，冬季期間的LIA強(qiáng)度相對較弱，在夏季（5-8月）達(dá)到極小.

（3）LIA強(qiáng)度也存在年變化特征.隨著太陽活動的減弱，LIA強(qiáng)度逐漸減小.

比較圖3 和圖5，可以注意到，LIA 強(qiáng)度的日變化、季節(jié)變化和年特征與EIA 的日變化和季節(jié)變化特征相似.如，EIA 強(qiáng)度和LIA 強(qiáng)度的極大值出現(xiàn)在1300-1500 LT 附近，EIA 強(qiáng)度和LIA 強(qiáng)度通常在春/秋季（3-5 月/9-11 月）達(dá)到極大，與其他經(jīng)度區(qū)（如40°E、120°E 經(jīng)度區(qū)）的EIA 特征一致［4-5，10-11］，這主要是與背景緯圈電場（等離子體垂直漂移）有關(guān)［6］.但它們也存在一定的差異.例如，與EIA強(qiáng)度相比，LIA強(qiáng)度相對較弱；但LIA強(qiáng)度的極大值出現(xiàn)時間要稍早于EIA極大值出現(xiàn)時間，這意味著低緯地區(qū)的等離子體更早達(dá)到運(yùn)動平衡，使電子密度處于穩(wěn)定狀態(tài).例如在2016年，EIA強(qiáng)度的極大值出現(xiàn)在2000 UT（1500 LT）附近，可達(dá)約85 TECU，如圖3（a）所示，而在1800 UT（1300 LT）附近，LIA 強(qiáng)度的極大值約為60 TECU（如圖5（a）所示）.冬季期間（12—1月），LIA強(qiáng)度仍比較明顯，而EIA 強(qiáng)度則偏弱.這也表明，除了緯圈電場，其他因素也會影響等離子體運(yùn)動，進(jìn)而影響EIA和LIA的強(qiáng)度，如中性風(fēng)場［4，6］、光化學(xué)反應(yīng)［21］等.

圖6 給出2016 年（a、c）和2018 年（b、d）期間，LIA 的南-北半球不對稱性（TECB和TECC）隨時間和天數(shù)的變化特征.

圖6 地磁緯度±25°附近，2016年和2018年，TECB、TECC隨時間的逐日變化Fig.6 Around ±25° geomagnetic latitude，the variations of TECB and TECC with times and days in 2016 and 2018 respectively

由圖6可以看出，LIA南北半球不對稱性也存在明顯隨時間和季節(jié)的變化規(guī)律.TECB、TECC極大值出現(xiàn)在2100-1000 UT（1700-0600 LT）期間，TECB、TECC的值在5-8月期間相對較大，即夏季期間的LIA南北半球不對稱性更為明顯.在大部分季節(jié)，LIA 南北半球不對稱性隨年份的變化特征也不顯著；在冬季期間（1-2 月），太陽活動低年（2018 年）的半球不對稱性相對更為顯著，這意味著除了中性風(fēng)場，還有其它因素可能影響南北半球不對稱特征.

此外，由圖6 還可以看到，在冬季期間（1-2月），TECB的值為負(fù)，即南半球的TEC 值相對較大；而在春/秋季和夏季期間，北半球的TEC 值要大于南半球的TEC 值.這與EIA 的南北半球不對稱性相似，如圖4所示.

比較圖6和圖4可發(fā)現(xiàn)，與EIA的南北半球不對稱特征相似的是，LIA 的南-北半球不對稱性也是在夏季期間更為顯著，EIA 和LIA 的南北半球不對稱性隨年份的變化均不顯著，這可能與熱層中性風(fēng)有關(guān)［6，8］.但整體上看，LIA 的南-北半球不對稱特征較EIA 的南北半球不對稱特征更為顯著，特別是在春/秋季，這意味著EIA 和LIA 的南北半球不對稱還可能與其他因素有關(guān)，如光化學(xué)反應(yīng)［21］.

4 結(jié)論

利用2016—2018 年IGS 臺網(wǎng)提供的南-北半球的地基GPS 觀測數(shù)據(jù)，反演電離層總電子含量，本文分別對美洲地區(qū)（300°E）赤道電離異常（EIA）和低緯電離異常（LIA）隨時間、月份和太陽活動的變化特征進(jìn)行分析.本文主要結(jié)果可總結(jié)如下：

（1）EIA 強(qiáng)度和LIA 強(qiáng)度均表現(xiàn)出隨時間、季節(jié)和太陽活動的變化.EIA 和LIA 的強(qiáng)度均在地方時1300-1500 LT 附近出現(xiàn)極大；在春/秋季（3—4 月和9—10 月），EIA 和LIA 的強(qiáng)度比其他季節(jié)的要大；EIA和LIA的強(qiáng)度還隨著太陽活動的減弱而減小.

（2）EIA 和LIA 的南-北半球不對稱也表現(xiàn)出隨時間和季節(jié)的變化.EIA 和LIA 的南-北半球不對稱在地方時1700-2100 LT 出現(xiàn)極大；夏季（5—8 月）的半球不對稱性更為明顯.

（3）EIA和LIA的變化特征存在一定的差異.EIA的強(qiáng)度較LIA 的強(qiáng)度要大，而LIA 的南-北半球不對稱特征較EIA的南-北半球不對稱特征更為顯著.

本文結(jié)果表明，除了背景緯圈電場和熱層中性風(fēng)場，還有其他因素會影響低緯電離層中的等離子體運(yùn)動和電子密度分布，這有助于我們進(jìn)一步熟悉低緯電離層的變化特征，為揭示低緯電離層中的電動力學(xué)過程及電離層建模提供實驗證據(jù).影響低緯電離層的物理因素有待結(jié)合更多的觀測資料和物理模型進(jìn)一步深入研究.