2015, Vol. 40文章信息
- 王泽民, 车国伟, 安家春
- WANG Zemin, CHE Guowei, AN Jiachun
- 南极威德尔海电离层异常的综合观测及分析
- Comprehensive Observation and Analysis of Weddell Sea Anomaly in Antarctica
- 武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(11): 1421-1427
- Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(11): 1421-1427
- http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20150270
-
文章历史
- 收稿日期: 2015-05-04
2. 天津测绘院, 天津, 300381
2. Tianjin Institute of Surveying and Mapping, Tianjin 300381, China
威德尔海异常(Weddell sea anomaly,WSA)亦称为中纬夏季夜晚异常(mid-latitude summer night anomaly,MSNA)，主要表现为夜晚电子密度增强，使得每日的电子密度峰值出现在子夜前后。最早是在西南极的南极半岛和威德尔海发现存在foF2异常现象，夏季时，foF2的最高值出现在LT 22~4 h，最低值出现在LT 12~18 h。其余季节foF2变化正常，在夏季的交替时段，foF2的正常和异常在数天内迅速变化。早期的学者利用电离层垂测仪[1]、甚低频多普勒仪器(very low frequency Doppler)[2]、NNSS[3]等手段研究了南极半岛区域的威德尔海异常。随着卫星手段的普及，有学者用TOPEX测高卫星[4, 5]、COSMIC[6, 7, 8, 9, 10]将研究范围大大增加，其研究结果表明，威德尔海异常与南半球的太平洋区域有密切联系。进而有学者用SUPIM模型[11]、SAMI2模型[12]、TIME3D-IGGCAS模型[13]等对威德尔海异常进行仿真，结果表明，其与中性风的周日变化密切相关。
顾及GPS反演结果的优势是获取测站上空高精度的TEC(total electron content)时间序列，虽然测高的时间分辨率较低，但其优势是能获取海洋广大区域的TEC值[14]。本文在陆地区域用西南极和南美洲的地基GPS，可以提供大范围、高精度、全天时的TEC结果，在海洋区域用测高卫星Jason-2提供的TEC结果，综合海陆数据，进行西南极地区的威德尔海异常在不同时空尺度下的详细分析。
1 数据和方法本文使用了西南极地区的GPS跟踪站数据和Jason-2测高数据，其中约30多个GPS常年跟踪站，分布在西南极和南美南端，所选站点尽量覆盖研究区域，也就是别林斯高晋海和威德尔海。GRW1站为武汉大学中国南极测绘研究中心(Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping,CACSM)在乔治王岛建立的GPS连续跟踪站，于2008年底建成；OHI2、RIO2、VESL、COYQ、PARC、SANT、VALP、ANTC、CONT、LPGS等为IGS(international GNSS service)跟踪站；BENN、CAPF、CRDI、DUPT、FONP、HAAG、HOWN、HUGO、KHLR、LTHW、MCAR、PATN、PECE、RAMG、ROBI、SDLY、SUGG、UTHW、VNAD、WAIT、WHTM、WILN等为POLENET(the polar earth observing network)中的GPS跟踪站。海洋测高卫星Jason-2于2008-06发射升空，轨道高度1 336 km，配有Poseidon-3双频测高仪(Ku波段和C波段)，能够获得高精度海面高，也能够获得海面上空的TEC值。
图 1显示在一个Cycle(约10 d)内Jason-2卫星的星下点分布和GPS测站的分布。可以看出，测高卫星较好地覆盖了海洋区域(图中点线)，却无法包括陆地区域，而GPS测站正好相反，在陆地区域覆盖较好(图中三角形)，因此，两种数据的综合使用有助于研究西南极区域的威德尔海异常的特征。
|
| 图 1 Jason-2星下点和GPS测站在西南极的分布 Fig. 1 Distribution of Sub-satellite Point of Jason-2 and Ground-Based GPS Stations in West Antarctic |
处理GPS数据时，首先进行预处理，考虑到极区电离层变化迅速，要剔除伪距值的粗差和相位值的周跳。然后利用GPS双频观测值组成无几何观测组合，利用载波相位平滑伪距的方法获得高精度TEC，既解决了伪距观测值噪声较大的问题，也避免了相位观测值要确定整周模糊度的问题。获得站星间的STEC(slant TEC)后，利用SLM(single layer mapping)投影函数将其转化到单层模型IPP(ionospheric pierce point)处的VTEC(vertical TEC)。考虑极区F2层的峰值高度，将单层高度设为300 km。卫星位置采用IGS公布的精密星历。硬件延迟通过和模型参数同时求解来剔除，采用2 h的球谐模型和全天固定值的接收机硬件延迟和卫星硬件延迟，并引入卫星硬件延迟之和为0作为约束条件，共同建立法方程，然后用最小二乘求解。
测高数据使用DGFI(German geodetic research institute)基于Jason-2发布的VTEC产品[15]。因为卫星雷达高度是直接测量轨道到海面的垂直距离，所以Jason-2可以直接获取星下点的VTEC。对DGFI发布的VTEC数据，首先要做数据预处理，对每轨的数据进行滑动平均，偏差超限的实测值视为粗差，剔除并修正。然后对多期的轨道进行平均值拟合，获得所需时段内大范围的TEC分布图。
2 GPS反演的区域电离层分布电离层活动与太阳活动密切相关，顾及本文所选的GPS和测高数据时段，图 2显示了相应时段内太阳F10.7指数的变化，在经历了2009、2010年的太阳活动低峰年后，从2011年开始，太阳活动逐渐增强，虽然2012、2013年的太阳活动规模与以往的高峰年相比较低，但与太阳活动低峰年相比，依然表现出显著的太阳活动特征。
|
| 图 2 2009~2014年的太阳F10.7指数变化图 Fig. 2 Solar F10.7 Index Change During 2009-2014 |
图 3显示了长城站(62°12′59″S,301°02′16″E)GPS提取的每日TEC峰值时刻的时序图，计算了2009年到2013年共计5 a的GPS数据，具体算法见§1。选择长城站作为重点研究对象，是因为根据以往的威德尔海异常分布范围，长城站是距离这一异常区域较为接近的GPS跟踪站。
|
| 图 3 长城站每日TEC峰值地方时序列图 Fig. 3 Daily TEC Peak Time in Great Wall Station |
如图 3所示，在南半球冬季期间，每日TEC峰值时刻主要出现在LT 12 h左右，在春末夏初和夏末秋处，TEC峰值主要出现在LT 20 h左右，而到盛夏时节，TEC峰值又在LT 5 h左右。而且，随着太阳活动的增强，如图 2所示，在2012年和2013年，甚至在春末夏初和夏末秋初，TEC峰值也是以LT 5 h左右为主。随后在夏秋交替时，每日TEC峰值重新向正午方向回移，到了秋季期间，每日TEC峰值已完全出现在地方时正午。因此，本文将重点分析LT 5 h、12 h、20 h的TEC时间序列，如图 4所示。
|
| 图 4 长城站在地方时5、12、20时刻的TEC值序列图 Fig. 4 TEC at 5 h,12 h,20 h LT in Great Wall Station |
如图 4所示，与图 3类似，在冬季时，LT 12 h的TEC值最大，在春末夏初和夏末秋初，LT 12 h的TEC值开始明显低于LT 20 h和LT 5 h的TEC值。从2009~2014年的TEC变化趋势来看，2009和2010年的TEC数值相对较低，随着太阳F10.7指数在2011年年末开始急剧攀升，TEC的变化也明显更加剧烈，2012~2013年与2009~2010年相比，白天时的TEC数值达到2~3倍，夜晚时也有1~2倍。在每年的10月到次年的2月期间，正午时的TEC值均低于LT 20 h和LT 5 h。
图 5显示了2012-12-08~17的西南极地区的TEC平均周日变化图，范围是60°S~90°S，180°E~360°E。每幅子图中，从上到下的3个数字分别表示的是360°E、270°E、180°E处的地方时，结合地方时，可以判断威德尔海异常的范围和幅度。从图 5可以看出，在威德尔海异常的分布范围上，威德尔海异常并不局限在威德尔海区域，而是在威德尔海和别林斯高晋海区域普遍存在，这与以前学者的研究成果一致[5, 6, 10]。大量地基GPS资料的优势在于提供了陆地区域高精度的TEC值，从图 5中可以清晰地看出威德尔海异常可达80°S的西南极陆地区域。但如图 1所示，由于GPS测站集中在南极大陆区域，其IPP最远只是覆盖了近岸的海域，所以图 5的范围只是从60°S~90°S，若再向北扩展，也只是根据小范围的实测值外推，其精度难以保证。
|
| 图 5 2012-12-08~17的西南极地区的TEC平均周日变化图 Fig. 5 Average Daily TEC in West Antarctic on Dec. 08-17,2012 |
首先比较了GPS反演的TEC和Jason-2反演的TEC的差异，以2013年1月3日10：28：43.968到11：04：18.912为时间段，如图 6所示，测高卫星反演结果和GPS反演结果整体趋势符合较好，在南极半岛附近两者相差较小。测高反演结果在1 500 s附近明显较低，这是中纬谷所在区域，但GPS结果由于缺乏数据未能探测出。在大西洋南部，两者相差可达5 TECU以上，且GPS的反演结果在最西边和最东边变化平缓，因为缺乏数据为外推结果，说明在GPS数据缺乏的情况下，反演到30°S已经意义不大，所以§2中GPS反演的结果只给出到60°S。根据过往测高卫星的反演结果[5]，虽然测高卫星轨道高度只有1 300多公里，其反演的TEC值不包括等离子体层内的电子含量，但与GIM、IRI等相比，测高卫星的反演结果反而要高出约3 TECU。不过整体上来说，几种观测手段的精度基本相当，测高卫星的精度可以满足研究需要。
|
| 图 6 Jason-2轨迹和两种手段反演的TEC比较 Fig. 6 Track of Jason-2 and Comparison of TEC Derived from Two Methods |
考虑到Jason-2测高卫星的重复周期和星下点轨迹，下面选择了Cycle从159到170的测高数据，即2012-10-25～2013-02-21，按每2 h为间隔划分一天内的地方时，绘制了12幅子图，如图 7所示。虽然跨度近四个月，但均在威德尔海异常的时段内，可以反映出大尺度的威德尔海异常。图 7中的12幅子图范围是30°S~90°S，180°E~360°E，测高卫星的覆盖范围是30°S~66°S、180°E~360°E所在的海洋地区，其中在60°S~66°S、300°E~360°E区域由于海冰较多(根据美国雪冰数据中心NSIDC发布的结果)，几乎没有有效的VTEC反演结果。与图 5相比，经度范围扩大了。每幅子图中，从上到下的3个数字分别表示的是360°E、270°E、180°E处的地方时。从图 7中可以看出，在240°E~300°E、50°S~66°S的区域，TEC峰值明显出现在LT 5 h左右。一方面，这与长城站的变化一致，互相验证了反演的精度；另一方面，这一区域也是威德尔海异常的核心区域。在大范围来看，在180°E~330°E、40°S~66°S区域内，虽然出现TEC峰值的时间并不是严格在子夜时段，但也不是在正午前后，说明均或多或少存在威德尔海异常。而在0°E区域，TEC峰值出现在LT 11~15 h左右，这些区域已经是威德尔海异常的边缘区域。
|
| 图 7 2012-10-25~2013-02-21 Jason-2星下点TEC日变化图 Fig. 7 Sub-Satellite Daily TEC of Jason-2 on Oct. 25,2012-Feb. 21,2013 |
为了进一步揭示TEC峰值与地方时的关系，下面以不同经度区域来进行比较。首先将整个区域沿经线和纬线划分为若干格网，顾及图 7中显示的威德尔海异常范围和测高卫星可用区域范围，以及极区经线收敛的特性，确定经线以10°为间隔，纬线以6°为间隔。然后重点选择了210°E、270°E、330°E这3条经度带绘制不同纬度的VTEC的周日变化，如图 8所示。从图 8(a)中可以看出，南半球处于冬季，不仅TEC值偏低，而且周日变化不显著。而图 8(c)的周日变化却非常明显，这主要是由于南美南部和南极半岛区域的地理纬度较高，但地磁纬度较低，使得这一区域的 TEC值偏高，而且周日变化显著。图 8(b)显示 了典型的威德尔海异常特征，一般认为每日TEC峰值出现在 LT 12~16 h，但从图 8(b)中可以看出，在63°S和57°S区域，每日TEC峰值均出现 在子夜，而在51°S、45°S、39°S区域，每日TEC峰值出现在凌晨，直到33°S，每日TEC峰值才出现在正午。而图 8(a)和图 8(c)中，在高纬区域，也可以观察到每日TEC峰值偏离了LT 12~16 h，结合图 7，说明威德尔海异常出现在西南极的广大区域。
|
| 图 8 210°E、270°E、330°E经度带上的不同纬度的TEC的周日变化 Fig. 8 Daily TEC in Different Latitudes Along the 210°E，270°E，330°E |
关于威德尔海异常的成因，包括中性风的变化、[O]/[N2]的比率的变化、与高纬对流相关的背向太阳的风的作用、等离子体向下的扩散等。从模型仿真的结果来看[11, 12, 13]，中性风对威德尔海异常的影响很大。南磁极位于东南极的法国迪蒙迪维尔站附近，因此，西南极海洋地区虽然地理纬度很高，但地磁纬度却较低，磁倾角在50°~60°S，磁偏角也较大，中性风的作用很强。根据Rishbeth[16]给出的中性风效应关系式：Weff=(WmcosD+WzsinD)cosIsinI，其中Weff表示中性风垂直分量；Wm和Wz表示经向和纬向的中性风分量，以朝向赤道和朝向东为正值；D和I是磁偏角和磁倾角。西南极海洋区域的磁偏角较大[17]，夜晚期间,纬向风使得等离子体向高处抬升，磁倾角接近于45°，使得cosIsinI也很大。 每到夏季，在夜间，朝向赤道的中性风仍然使等离子体向高处抬升，在持续的电子生成作用下，F层的高度不断增加。而在白天，朝向极区的中性风驱动电子沿着磁力线向低处运动，加快了电子和离子的复合。而在东南极海洋地区，磁偏角为负，磁倾角过大，使得中性风很难输送等离子体。
5 结 语从以上分析可以看出，GPS与测高卫星Jason-2的联合观测可以覆盖陆地到海洋的广大区域，而威德尔海异常也是覆盖了西南极的别林斯高晋海、威德尔海以及可达80°S的西南极陆地区域。GPS反演结果可以获取测站上空高精度的TEC时间序列，对于分析威德尔海异常的出现时间和变化程序进行精确描述。测高反演的结果与GPS的结果精度相当，虽然测高的时间分辨率较低，但适用于大尺度的分析，可以观察到威德尔海异常的变化范围。综合来看，威德尔海异常出现在以别林斯高晋海为中心的广大区域，出现时段在每年的10月底到次年3月初，夜晚电子密度增加，白天电子密度降低，随着太阳活动的增强，其异常程度也变大。
致谢：感谢IGS和POLENET提供的GPS观测数据，以及DGFI提供的Jason-2测高数据。
| [1] | Jarvis M J, Jenkins B, Rogers G A. Southern Hemisphere Observations of a Long-Term Decrease in F Region Altitude and Thermospheric Wind Providing Possible Evidence for Global Thermospheric Cooling [J]. J Geophys Res, 1998, 103 (A9): 20 774-20 787 |
| [2] | Clilverd M A, Smith A J, Thomson N R. The Annual Variation in Quiet Time Plasmaspheric Electron Density, Determined from Whistler Mode Group Delays [J]. Planetary Space Science, 1991, 39:1 059-1 067 |
| [3] | Heaton J A T, Jones G O L, Kersley L. Toward Ionospheric Tomography in Antarctica: First Steps and Comparison with Dynasonde Observations [J]. Antarctic Science, 1996, 8 (3):297-302 |
| [4] | Horvath I, Essex E A. The Weddell Sea Anomaly Observed with the Topex Satellite Data [J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2003, 65:693-706 |
| [5] | Horvath I. A Total Electron Content Space Weather Study of the Nighttime Weddell Sea Anomaly of 1996/1997 Southern Summer with Topex/Poseidon Radar Altimetry [J]. J Geophys Res, 2006, 111:A12317, doi:10.1029/2006JA011679 |
| [6] | Burns A G, Zeng Z, Wang W, et al. Behavior of the F2 Peak Ionosphere over the South Pacific at Dusk During Quiet Summer Condition from COSMIC Data [J]. J Geophys Res, 2008, 113: A12305, doi: 10.1029/2008JA013308 |
| [7] | He M, Liu L, Wan W, et al. A Study of the Weddell Sea Anomaly Observed by FORMOSAT-3/COSMIC [J]. J Geophys Res, 2009, 114:A12309, doi: 10.1029/2009JA014175 |
| [8] | Lin C H, Liu J Y, Cheng C Z, et al. Three-dimensional Ionospheric Electron Density Structure of the Weddell Sea Anomaly [J]. J Geophys Res, 2009, 114: A02312, doi: 10.1029/2008JA013455 |
| [9] | Lin C H, Liu C H, Liu J Y, et al. Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly of the Ionospheric Electron Density Observed by FORMOSAT-3/COSMIC [J]. J Geophys Res, 2010, 115:A03308, doi: 10.1029/2009JA014084 |
| [10] | Liu J Y, Chang F Y, Oyama K I, et al. Topside Ionospheric Electron Temperature and Density Along the Weddell Sea Latitude [J]. J Geophys Res Space Physics, 2014, 119, doi: 10.1002/2014JA020227 |
| [11] | Thampi S V, Balan N, Lin C, et al. Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly (MSNA)—Observations and Model Simulations [J]. Ann Geophys, 2011, 29: 157-165 |
| [12] | Chen C H, Huba J D, Saito A, et al. Theoretical Study of the Ionospheric Weddell Sea Anomaly Using SAMI2 [J]. J Geophys Res, 2011, 116: A04305, doi: 10.1029/2010JA015573 |
| [13] | Ren Zhipeng, Wan Weixing, Liu Libo, et al. Simulated Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly in Realistic Geomagnetic Fields [J]. J Geophys Res, 2012, 117:A03323, doi: 10.1029/2011JA017010 |
| [14] | Jin Taoyong, Hu Minzhang, Jiang Tao, et al. Cross-Calibration and Errors Analysis of Ionospheric Correction in Satellite Altimetry[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2012, 37(6): 658-661(金涛勇, 胡敏章, 蒋涛, 等. 卫星测高资料的电离层延迟改正交叉检验及误差分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2012, 37(6): 658-661) |
| [15] | Dettmering D, Schmidt M, Heinkelmann R, et al. Combination of Different Space-Geodetic Observations for Regional Ionosphere Modeling [J].Journal of Geodesy, 2011, 85(12): 989-998 |
| [16] | Rishbeth H. How the Thermospheric Circulation Affects the Ionospheric F2-layer [J]. J Atmos Sol Terr Phys, 1998, 60:1 385-1 402 |