中高层大气风场对地磁活动的响应特征.pdf
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1、Chinese).Chinese Journal of spaceScience,2023,43(3):466-474.D01:10.11728/cjss2023.03.2022-0016LIU Jinfang,JIANG Guoying,XU Jiyao,ZHU Yajun.Responses of the Middle and Upper AtmosphericWind to Geomagnetic Activities(i n0254-6124/2023/43(3)-0466-09Chin.J.Space Sci.空间科学学报中高层大气风场对地磁活动的响应特征1,21,31,31,3刘晋
2、芳姜国英徐寄遥朱亚军1(中国科学院国家空间科学中心北京100190)2(中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049)3(中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049)摘要统计研究漠河、北京、武汉流星雷达观测到的2 0 12 一2 0 18 年8 0 10 0 km高度的风场数据,比较在地磁平静期(Kp2)和地磁扰动期(Kp4)的日平均风场数据,得到在地磁活动期风场的变化特征。研究结果表明,在地磁扰动时风场变化具有季节差异和纬度差异。地磁扰动期间,纬向风在较高纬度地区倾向于中间层西风增强,低热层东风增强,纬度较低地区倾向于东风增强。春季,地磁活动对纬向风的影响没有纬度差异,在夏冬季随着
3、纬度的降低中间层东风增强明显。地磁活动对经向风的影响具有季节差异,对春冬季节的影响强于夏秋季节。研究表明,地磁活动对纬向风的影响可达9 ms左右,对经向风的影响可达5msl左右。地磁活动对中性大气风场的影响可达8 0 km。关键词中高层大气风场,地磁活动,中纬度中图分类号P351Responses of the Middle and Upper AtmosphericWind to Geomagnetic Activities1,2LIU JinfangJIANG Guoying.1,3XU Jiyaol.3ZHU Yajun l:31(National Space Science Cente
4、r,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)2(College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)3(School of Astronomy and Space Science,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)AbstractResponses of the middle and upper atmospheric(80100
5、 km height)wind to geomagneticactivities have been investigated using neutral wind data from 2012 to 2018 years,which were observedby Mohe,Beijing and Wuhan Meteor radars.Daily averaged wind data for geomagnetic quiet condition(Kp 2)and geomagnetic disturb condition(Kp 4)were chosen for comparison,a
6、nd the variation*国家自然科学基金项目(418 310 7 3,42 17 42 12),中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划项目(YSBR-0 18),国家重点研发计划项目(2 0 2 1YFE0110200)和空间天气学国家重点实验室专项基金项目共同资助2022-04-29收到原稿,2 0 2 2-12-2 5收到修定稿E-mail:l i u j i n f a n g 9 7 16 3.c o m.通信作者姜国英,E-mail:g y j i a n g s w l.a c.c nThe Author(s)2023.This is an open access a
7、rticle under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)467刘晋芳等风场对地磁活动的响应特征characteristics of wind during geomagnetic disturbances were obtained.The observations show that theinfluence of geomagnetic activity on zonal wind varied with seasons and latitudes.For zonal wind,theef
8、fect of geomagnetic activity at higher latitudes tended to be more westerly wind in the upper meso-sphere and more easterly wind in the lower thermosphere;while for the lower latitudes,it tended to bemore easterly wind.In spring,the three stations had similar tendencies,and had no latitude differenc
9、es.But the easterly wind in the middle atmosphere became stronger with the decrease of latitude in sum-mer/winter.The effect of geomagnetic activities on the meridional wind had seasonal differences.The in-fluence of geomagnetic activities in spring and winter was stronger than that in summer and au
10、tumn.According to the calculation results,the influence on zonal wind can be up to about 9 m-s,and onmeridional wind can be up to about 5 m-s.The impact of geomagnetic activities on MLT wind can pen-etrate down to about 80 km.KeywordsMiddle and upper atmospheric wind,Geomagnetic activity,Middle lati
11、tude0引言在地磁扰动期间,中高层大气在高纬度极光区域,有增强的极光加热源,包括焦耳加热和高能粒子加热。其中,焦耳加热是主要的极光加热源,高能粒子沉降对中性气体加热的平均每日贡献约为焦耳加热的1/3。此外,研究结果表明,焦耳加热可以改变电离层、热层的结构和化学性质,甚至可以改变极光椭圆形中的中间层 2-4。对中间层和低热层(Meso-sphere and Lower Thermosphere,MLT)地区的模式研究表明,亚暴会导致中间层臭氧的减少,这与高能粒子沉降有关 5 。臭氧的减少会导致中间层的冷却,这已经被研究所证实 极光加热是高纬地区能量来源的重要方式,其能量在中高层大气中由高纬向低
12、纬传递耦合。在极区,太阳能通量和极光加热是8 0 km以上大气的主要能源。理论模拟研究表明,极光加热有助于中间层以上大气的能量输人,其在约1 0 0 km以下急剧下降1 7.8 Xu等 9 利用2 0 0 2 一2 0 1 2 年TIMED/SABER仪器和2 0 0 8-2 0 0 9 年的Envisat/MIPAS仪器观察到的中性温度数据,研究了低热层温度的纵向结构,发现极光加热会导致中性温度的纵向变化,其对中性大气热力学的影响可达1 0 5 km。Liu等 1 0 基于TIMED/SABER仪器观察到的中性温度数据,根据理论计算表明,地磁活动对大气中性温度可以影响到1 0 0 km以下的
13、高度。随着纬度和海拔的增加,温度上升的峰值在1 5 30 K变化,提出温度变化可能与极光区能量和动量输人导致的全球环流风暴时间变化有关。Chang等 1 利用TIMED/SABER仪器探测到的温度数据研究了中间层和低热层(8 0 1 2 0 km)温度9 天周期性振荡的纬向和垂直结构。其研究结果表明,2 0 0 5 年纬向平均SABER温度在1 1 0 1 2 0km存在9 天的周期性振荡,当两个半球的纬度高于40时,9 天的温度振荡更明显。其研究还表明,在共转相互作用区(CorotatingInteractionRegions,CIRs)事件驱动的周期性地磁活动的频谱中,较低热层温度的9 天
14、振荡与同期地磁活动指数Kp的变化具有良好的相关性。Jiang等 1 2 基于NCAR-TIME-GCM数值模拟温度数据与TIMED/SABER仪器观察到的中性温度数据,研究了2 0 0 2 一2 0 0 7 年低热层(1 0 0 1 2 0 km)温度与周期性地磁活动的相关性。研究结果表明,地磁活动的周期性变化是低热层温度9 天和1 3.5 天变化的主要原因。Balsley等 1 3 分析了阿拉斯加州的中间层-平流层-对流层雷达观测到的极光电极流强度与极光带中间层纬向风之间的相关性。Johnson等 1 4 在此基础上研究了高纬度中间层顶(8 7 km)中性风与地磁活动的相关性。研究表明极冠吸
15、收(Polar Cap Absorp-tion,PCA)事件和地磁风暴发生之后,中性风与地磁活动会显示出不同程度的互相关,其特征是西风明显增加和2 4h纬向风振幅增强。Arnold等 1 5 模拟了冬季中间层大气对磁通量增加的响应,并发现极地平4682023,43(3)空间科学学报Chin.J.SpaceSci.流层的冷却导致了中间层纬向风的增加。Singer等 1 6 也揭示了地磁对风场影响的纬度差异,Yi等 1 7 报告了地磁活动对南极高纬度纬向平均风的明显影响。有研究表明,在地磁暴期间观测到中高纬度中间层密度下降,并提出这将影响中间层动力学。推测强地磁暴可能会影响MLT区域的全球环流,进
16、而影响极光区域外的中间层密度的变化 1 8.1 9 。磁层来源的能量是中高层大气重要的能量来源,可以影响到中间层-低热层高度,引起中高层大气密度,温度,风场等的改变,然而,由于中高层大气风场的复杂性,对于地磁活动对中高层大气风场影响的研究结果较少,迄今为止,地磁活动对中性大气动力学的确切影响还没有量化。本文利用漠河、北京、武汉站流星雷达观测到的风场数据,对2 0 1 2 一2 0 1 8 年的数据进行统计研究,得出在地磁活动期间中纬度地区MLT大气风场的变化情况并将其量化,并初步判断其影响深度。1数据与方法1.1数据来源使用的中高层大气风场数据来源于国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据中
17、心*的流星雷达数据,流星雷达每小时风速的计算采用了全天拟合方法2 0.2 1。其数据覆盖当地时间的2 4 h,时间分辨率为1h,可以探测的高度范围为7 0 1 1 0 km,步长为2km。本文使用的风场数据高度范围为8 0 100km,使用漠河站(5 3.5 N,1 2 2.3E,磁纬48.3N)、北京站(40.3N,1 1 6.2 E,磁纬34.9 N)、武汉站(30.5N,1 1 4.2 E,磁纬2 4.8 N)2012-2018年来的数据研究地磁活动期纬向风与经向风的变化情况,3个台站均在1 2 0 E附近,处于不同的纬度,各个台站的主要参数见表1。3hKp指数可以用来表示地磁活动的水平
18、1.2数据处理中高层大气受到来自低层大气的各种波的能量和动量通量的影响,其中潮汐波是不可忽略的影响因素。在这里,首先对纬向风与经向风数据进行日平均值处理,以去除潮汐、其他短周期的波以及周期小于一天的湍流的影响 2 2 。在得到的日平均数据序列中,如果连续缺省值的天数5 天,则采用线性拟合插值填补;若大于5 天,则不做任何处理(2 3)1.3统计方法利用3个台站2 0 1 2 一2 0 1 8 年的风场数据与3h地磁活动指数Kp,采用统计法 2 4 研究地磁活动对中高层大气的影响特征。利用3h的Kp指数统计2 0 1 2 一2 0 1 8 年地磁平静期与扰动期的天数。在这里,认为地磁活动指数Kp
19、2为地磁平静期,这是一个非常严格的条件;Kp4为地磁扰动期,其中也包括不稳定的地磁条件。图1 给出了在2 0 1 2 一2 0 1 8 年Kp指数的统计结果,其中红色区域表示平静期与扰动期的选择范围。从图1 可以看到,在2 0 1 2 一2 0 1 8 年间Kp值大部分集中在2,3,4左右,这期间没有发生非常大的磁暴事件(K p 6)。地磁平静期(Kp2)的天数大约有1600天,地磁扰动期(Kp4)的天数大约有30 0 天。将统计好的平静期与扰动期的天数按照季节进行分类。3,4,5 月(March,April,May,MAM)为春季,6,7,8 月(June,July,A u g u s t,
20、JJA)为夏季,9,1 0,11月(September,October,No v e mb e r,SO N)为秋季,1 2,1,2 月(December,January,February,DJF)为冬季。图2 给出了2 0 1 2 一2 0 1 8 年漠河、北京、武汉在地磁平静期(左)与地磁扰动期(右)的有效数据天数。从图2 可知,漠河、北京、武汉站在各个季节地磁平静期的有效数据在1 8 0 天左右,且没有明显数据缺失。在地磁扰动期,各个季节的有效数据在表1流星雷达的主要参数Table1Main parameters of meteor radarMeteor radarMoheBeijin
21、gWuhanLatitude/()N53.540.330.5Longitude/()E122.3116.2114.2Magnetic48.334.924.8latitude/()NFrequency/MHz38.938.938.9Peak power/kW207.520Height range/km701107011070110Height222resolution/kmTime resolution/h111http:/*ftp:/ftp.ngdc.noaa.gov/STP/GEOMAGNETIC_DATA/INDCES。469刘晋芳等风场对地磁活动的响应特征50天左右,数据质量较好,不存在
22、明显数据缺失情况。分别计算每个季节扰动期与平静期纬向风和经向风的平均值,并将各个季节扰动期与平静期的风场平均值做差值。2结果与分析2.1纬向风结果分析通过统计研究计算,得到2 0 1 2 一2 0 1 8 年漠河、北京、武汉站4个季节(春季-MAM、夏季-JJA,秋季-SON,冬季-DJF)纬向风在地磁扰动期与平静期的差值结果(见图3)。图3显示了2 0 1 2 一2 0 1 8 年漠河800600400200012 345678910Kp index图12012一2 0 1 8 年Kp指数的统计直方图(红色区域表示扰动期的选择范围)Fig.1Histogram of Kp indices d
23、uring 2012 and 2018(The red area indicates the selection range ofdisturbed conditions)站、北京站、武汉站4个季节日平均纬向风的垂直廓线,误差棒表示标准误差,每一张图从左到右分别为地磁平静期(左列)、地磁扰动期(中列)、扰动期与平静期的差值(右列),从上到下分别为春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)的情况。纬向风垂直廓线显示了已知的纬向平均风的季节循环 2 5-2 8)。首先来观察各个季节的情况,如图3(a)所示,从地磁平静期(左列)中可以看出,在春季漠河站、北京站、武汉站中间层盛行东风(Easter
24、lyWind),在低热层风向逆转为西风(WesterlyWind),且风向出现逆转的高度与纬度有关。在地磁扰动期(中列),3个台站均受到地磁活动的影响。从地磁扰动期与平静期差值图(右列)可以得到,春季地磁活动对3个台站的影响效果是相同的:在中间层差值为正,即在地磁扰动期,西风增强,在低热层差值为负,即在地磁扰动期东风增强。在较高纬度漠河站,在80km处地磁活动导致的西风增强的效果最强,约为3msl,随着高度的增加其影响效果逐渐减弱;在86km以上区域地磁活动对纬向风的影响表现为东风增强,随着高度的增加影响增强;在9 6 km处达到最大值为5 ms,之后随高度增加影响效果略微减弱。对于武汉站,地
25、磁活动对纬向风的影响在84km以下区域表现为西风增强;在8 0 km影响效果最强为4msl;在8 4km以上区域表现为东风增强,随着高度的增加效果增强;在9 4km处达到最大值5ms-1,之后随着高度的增加影响效果略微减弱。对于北京站而言,地磁活动对纬向风的影响在8 7 km以Geomagnetic quietGeomagneticdisturb28080(a)(b)MoheBeijingWuhanMoheBeijingWuhan24070602005016040120308020401000MAMJJASONDJFMAMJJASONDJFMonthMonth图22012一2 0 1 8 年漠
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