基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征.pdf

第6 6 卷第7 期2023年7 月赵秀宽，李国主，胡连欢等.2 0 2 3.基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征地球物理学报,6 6(7):2 7 0 3-2 7 12,doi:10.6038/cjg2022Q0771.Zhao X K,Li G Z,Hu L H,et al.2023.Solar and geomagnetic activity and seasonal dependence of global equatorial plasmabubbles based on GNSS observations.Chinese J.Geophys.(in Chinese),66(7):2703-2712,doi:10.6038/cjg2022Q0771.地球物理学报CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICSVol.66,No.7Jul.,2023基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征赵秀宽1.2.4，李国主1.3.5，胡连欢1.3.4，解海永1.3,45，孙文杰1.34.5，李怡1.34，宁百齐1.3，刘立波1中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室，北京10 0 0 2 92中国科学院地质与地球物理研究所黑龙江漠河地球物理国家野外科学观测研究站，北京10 0 0 2 93中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外科学观测研究站，北京10 0 0 2 94中国科学院地质与地球物理研究所国家地球系统科学数据中心地球物理分中心，北京10 0 0 2 95中国科学院大学地球与行星科学学院，北京10 0 0 49摘要赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.本文利用2 0 10 一2021年全球低纬地区GNSSTEC监测仪长期观测数据，分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征.结果表明，全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关，赤道等离子体泡的日发生率与F107指数相关系数接近0.7 0.经度一6 0 一30 在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F107的相关关系有明显的饱和效应.在季节变化方面，经度一6 0 一30 赤道等离子体泡主要发生在13月和10 12 月，其他经度主要发生在分季.不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别，在太阳活动上升期，经度一6 0 30 的10 12 月发生率明显高于13月；在太阳活动下降期，0 18 0 经度区3月分季高于9 月分季.此外，地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用，特别是在太阳活动高年、分季。关键词电离层；赤道等离子体泡；季节变化；太阳活动；地磁活动doi:10.6038/cjg2022Q0771Solar and geomagnetic activity and seasonal dependence of global equatorial plasmaZHAO XiuKuan-2-4,LI GuoZhul-3.,HU LianHuan.-3-4,XIE HaiYongl-3.4.5,SUN WenJjiel.3.5,LI Yil4,NING BaiQil3,LIU LiBo1.2.51 Key Laboratory of Earth and Planetary Physics,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029,China2 Heilongjiang Mohe National Observatory of Geophysics,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029,China3 Beijing National Observatory of Space Environment,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029,China4 Geophysics Center,National Earth System Science Data Center,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academyof Sciences,Beijing100029,China5 College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,ChinaAbstract Equatorial plasma bubbles（EPBs)a r e l a r g e-s c a l e i o n o s p h e r i c i r r e g u l a r i t i e s t h a t t y p i c a l l y基金项目国家自然科学基金项目（42 0 2 0 10 40 0 2，42 0 7 419 0），中国科学院网信专项（CAS-WX2021SF-0303CAS-WX2022SF-0103），中国科学院国际伙伴计划项目（18 3311KYSB20200003）资助.第一作者简介赵秀宽，男，19 8 2 年生，高级工程师，主要从事低纬电离层扰动分析与建模研究E-mail：z x k m a i l.i g g c a s.a c.c n支1，2,5中图分类号P352收稿日期2 0 2 2-0 9-2 2,2 0 2 2-11-30 收修定稿bubbles based on GNSS observations2704occur at night over the magnetic equator and low latitudes.In this paper,the long-term GNSSobservation data of the low-latitude regions from 2010 to 2021 are used to analyze the solar andgeomagnetic activity and seasonal dependence of EPBs.The results show that the occurrence rateof EPBs in every longitude region is significantly positively correlated with solar activity,and thecorrelation coefficient between the daily occurrence rate of EPBs and the Fioz index is close to0.70.In the range of longitude from-60 to-30,the correlation between the occurrence rateof post sunset EPBs and Fioz has obvious saturation effect during high-occurrence months.TheEPBs mainly occur in JanuaryMarch and OctoberDecember of longitude from-60 to-30,and typically occur in equinoxes over other longitudes.The seasonal asymmetry of the occurrencerate of post sunset EPBs in different longitude regions is significantly different.During theincreasing phase of solar activity,the occurrence rate of EPBs in longitude-60-30 f r o mOctober to December is much higher than that from January to March.During the decreasingphase of solar activity,the occurrence rate of EPBs in longitude 0180 is higher in Marchequinox than that in September equinox.Additionally,geomagnetic disturbances mainly suppressthe EPBs,especially in the high solar activity years and equinox seasons.Keywords Ionosphere;Equatorial plasma bubble;Seasonal variation;Solar activity;Magnetic0引言赤道等离子体泡（equatorial plasma bubbles，EPBs)是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.在日落反转增强（pre-reversal enhancement,PRE)东向电场的作用下，电离层F层快速抬升及底部等离子体的快速复合导致F层底部有一个垂直向上的、陡峭的电子密度梯度，从而有助于瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor，R-T）不稳定性的发展，进而促进EPBs的产生（Kelley，2009).EPBs的存在会产生不同程度的电离层闪烁现象，影响无线电传播、干扰通信和导航系统.因此，对EPBs发生率及其时空规律的相关研究吸引了许多研究人员的兴趣，是空间天气领域的研究热点之一(Li et al.,2021).采用多种仪器设备，研究者对EPBs进行了探测与分析，例如电离层测高仪（Candidoet al.，201l；A b d u，2 0 12）、全天空气辉成像仪（Sobraletal.,2002;Sun et al.,2016;Wu et al.,2017)、相干散射雷达（Lietal.，2 0 16;H u e t a l.，2 0 2 0）、卫星观测(Burke et al.,2004;Xiong et al.,2010;Huang etal.,2014;Wan et al.,2018;Aa et al.,2020a)和GNSS TEC监测仪（熊波等,2 0 0 7;Nishioka et al.，2008;Buhari et al.,2017;Nguyen et al.,2022)等.不同种类的仪器设备具有不同的空间和时间分辨地球物理学报（Chinese J.Geophys.）activity66卷率，在分析EPBs发生特征方面有各自的优势和局限性（Aa et al.，2 0 2 0 a;Zh a o e t a l.，2 0 2 1).G NSSTEC监测仪可以连续监测电离层不规则结构，全球范围内已经安装了许多GNSS TEC监测仪,形成了密集的观测网络（Takahashi etal.，2 0 14;Bu h a r i e tal.，2 0 17.全球分布的GNSSTEC监测仪积累的长期观测数据，使我们能够开展全球EPBs长期变化特征研究.EPBs与太阳活动、地磁活动、经纬度、季节、地方时等有着密切的关系，前人也开展了很多统计分析工作.但是其时空分布特征仍然存在一些争论：（1)与太阳活动相关性上，Xiong等（2 0 10）和Fejer等(1