岢嵐地區熱層中性風場統計特徵和建模研究獲進展

2020-10-28 中科院之聲

熱層是從地面85 km以上到約1000 km高度的大氣層，其結構主要受太陽輻射和地磁活動的影響，與電離層通過中性成分和電離成分的碰撞相互耦合。熱層中性風場在電離層-熱層耦合系統中的動力過程和沿磁力線的傳輸過程中起到重要作用。以往對於熱層中性風的觀測主要來源於衛星搭載加速度儀、非相干散射雷達探測和FPI光學幹涉儀。但是大部分地基觀測集中在北美和歐洲地區，基於這些觀測，報告較多中緯地區熱層風場特徵，並推出系列理論和經驗風場模型。美國研發的HWM系列全球中低高度大氣層和熱層水平風場模型是目前使用較廣的版本。

在東亞尤其是中國區域，長期缺少對熱層風場的觀測資料，這一地區的熱層風場特徵和HWM系列風場模型在中國地區的適用性缺乏考證。近十年內，中國地區熱層中性風場的測量及相關研究得到發展。中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士楊長俊與其導師、研究員趙必強，收集和整理2011年中國氣象局在山西岢嵐部署的一套FPI觀測系統自2011年11月至今共2087個夜晚的熱層風場觀測數據，研究此地區熱層中性風場對季節、地方時、太陽活動性和地磁活動變化的響應，並與以往的熱層風場觀測進行比較。

與現有的地基觀測系統相比，此套FPI觀測系統處於較為特殊的位置，在經度上處於遠極區，在地理緯度上屬於中緯地區，位置接近美國Millstone Hill非相干雷達，但是兩者磁緯卻相差較大，其與地理緯度接近低緯地區的Arecibo FPI觀測儀更為相近。在地磁平靜期間，研究人員基於該地區的子午風和緯向風的觀測數據，利用三次B樣條曲面建模技術，建立不同季節的地方時和太陽活動性參數模型。在一定程度上，該地區的熱層中性風場表現出較為隨意的太陽活動性依賴。夏季的南向子午風場隨太陽活動性增大而減小，而冬季東向的緯向風場隨太陽活動性增大而增加。不同於美洲地區，岢嵐地區的熱層緯向風在太陽極大年表現出明顯的黃昏後時段的太陽活動性正向依賴，尤其是冬季時期。在太陽活動性增大時，起到粘滯作用的離子拖曳力和加速作用的壓力梯度力增大，兩者在不同地理位置的平衡狀態差異決定熱層風場的太陽活動性變化。研究人員認為，岢嵐地區磁層對流影響較小，且在太陽極大年黃昏後缺少逆光化學作用，均會讓壓力梯度力在此佔據主導地位。同時，在遠極區電離層冬季異常在太陽低年的缺失也是原因之一。

該研究引入相比以往靈活性和精度更高的非均勻有理B樣條建模技術，建立不同地磁活動條件下該地區基於季節和地方時的熱層風場參數模型，基於此模型，研究熱層中性風場的地域氣候學統計特徵，並且與全球中低高度大氣層和熱層水平風場模型HMW的兩個新版本進行對比研究。研究認為，相比於HWM07模型，HWM14模型在量級和形態上與岢嵐地區熱層風場有更好的契合性，且這種一致性在地磁活動較強時更加顯著。儘管如此，HWM14模型依舊會高估在夜晚較早時期的冬季東向風場，並在對子午風和緯向風的方向偏轉時間的估計上與岢嵐熱層風場存在差異。

在地磁擾動較強時期，岢嵐地區的熱層緯向風場表現為明顯的西向擾動。在冬季的子夜前時段以外，這種西向擾動會隨著地磁活動性增強而增強。研究認為，在磁暴期間，伴隨著日落-子夜壓力梯度的赤道向擾動加劇，在科裡奧利力的驅動下，熱層中性風場會出現更強的西向擾動，這一特性得到星載幹涉儀WINDII觀測資料的佐證。地磁擾動對熱層子午擾動風場的影響相對平緩，主要表現在子夜前時段的極向激增和子夜後的赤道向增大。隨著太陽活動性增大，西向的夜間擾動風場逐漸減弱。在太陽活動極大年，子午擾動風場表現出從子夜前的弱極向擾動向子夜後的赤道向激增快速的轉換。

該研究探討岢嵐地區熱層風場的季節、地方時、太陽活動性和地磁活動性差異的特徵，驗證全球水平風場模型HWM系列在此地區的適用性。通過對該地區熱層風場的觀測和研究，為東亞地區熱層和電離層的暴時響應及其東西不對稱性在遠極區的研究奠定基礎。

相關研究成果以Climatology of nighttime upper thermospheric winds from Fabry-Perot interferometer 2011-2019 measurements over Kelan (38.7°N, 111.6°E), China:local time, seasonal, solar cycle and geomagnetic activity dependence為題，發表在JGR: Space Physics上。

圖1.岢嵐FPI觀測夜間熱層風場極大值的季節和太陽活動性分布，左邊一列表示0000-0300LT範圍的子午風，右邊一列表示1900-2300 LT範圍的緯向風。注意子午分量和緯向分量色階選取不同

圖2.地磁活動平靜期間子午（左）和緯向（右）熱層風的地方時和季節分布，從上至下分別是基於岢嵐FPI觀測數據建模結果，HWM07結果，HWM14結果，岢嵐FPI模型和HWM14模型之間的差異分布。空白區域（大部分是白天）表示岢嵐FPI缺乏觀測的時間尺度

圖3.地磁活動活躍期間子午（左）和緯向（右）熱層風的地方時和季節分布，從上至下分別是基於岢嵐FPI觀測數據建模結果，HWM07結果，HWM14結果，岢嵐FPI模型和HWM14模型之間的差異分布。空白區域（大部分是白天）表示岢嵐FPI缺乏觀測的時間尺度

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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