基于IGS數據分析臺風“利奇馬”引起的電離層TEC擾動

宋福成,時爽爽,2,史云飛,3,周瑞宸

(1. 山東省水土保持與環境保育重點實驗室, 臨沂大學 資源環境學院,山東 臨沂 276000;2. 中國礦業大學 環境與測繪學院,江蘇 徐州 221116；3.國土資源部城市土地資源監測與仿真重點實驗區，廣東 深圳 180402)

0 引 言

電離層中存在大量的自由電子和離子,其生成、消失和輸運過程共同決定著帶電粒子的密度變化. 除太陽活動和地磁活動外,中層大氣局部環流變化也會影響電離層電子濃度分布. Bauer[1]最先使用電離層探測儀觀測得出颶風來臨前測站上空的f0F2逐漸增加. 沈長壽[2]和Huang等[3]從統計角度指出電離層與臺風、寒潮等對流層天氣現象具有相關性. 肖賽冠等[4]利用電離層多普勒觀測對1988年和1990年兩次強臺風期間電離層形態中的波狀擾動進行了分析,指出臺風影響期間所激發的聲重波可以傳播到電離層高度并對電離層產生影響. 毛田等[5]利用50余個GPS臺站的觀測資料,研究了臺風“麥莎”對電離層電子濃度總含量(TEC)的影響,得出臺風登陸前一天,臺風及其周邊區域的TEC與月中值的差值可超出5 TECU左右,臺風登陸后,TEC的增大量和增大區域均減小,臺風登陸一天之后,TEC達到最小值,并小于月中值. 余濤等[6]利用中國氣象局廈門電離層監測站的電離層頻高圖數據,研究了2007年登陸地點在廈門附近地區的3次臺風登陸事件期間廈門電離層的變化,分析認為由于臺風登陸前后,強烈的海氣、陸氣相互作用可能影響到電離層高度,從而導致電離層f0F2等參量發生變化及電離層Es和擴展F等擾動現象出現. 程國生等[7]通過對臺風登陸點以及參考點的電離層TEC變化情況進行分析得出,臺風對電離層TEC的影響在臺風登陸并達到臺風量級以及臺風風速達到最大這兩個階段最明顯,臺風在登陸期間TEC增大,在風速到達最大階段,TEC降到最小. Rice[8]認為在排除地磁和太陽擾動因素后,臺風“茉莉”引起了臺風登陸之前電離層TEC的顯著增加. 許九靖[9]及閆慧[10]利用地基GPS數據反演高精度TEC,并對臺風登陸前后多天的電離層TEC進行分析,認為臺風“莫蘭蒂”及臺風“潭美”期間的電離層TEC擾動與臺風具有相關性.

從不同學者的研究可以看出,電離層對不同臺風的響應存在一定的差異,這與臺風發生的時間、地點、強度以及傳播路徑,還有當時的熱層、電離層背景情況及其他地球物理條件均不同有關.臺風對電離層f0F2的影響因測站距臺風的遠近而異,而利用地基GPS計算的區域電離層TEC具有一定的空間范圍. 電離層變化復雜,臺風對于電離層變化的影響范圍不確定,對臺風-電離層耦合機制的深入研究需要利用長時間尺度、大范圍的連續資料進行分析. 本文利用國際GNSS服務(IGS)提供的電離層TEC數據,從時間和空間變化上分析臺風“利奇馬”期間電離層TEC的擾動情況.

1 數據和方法

1.1 數據

本文以1909號超強臺風“利奇馬”為研究對象,根據中央氣象臺臺風網數據記載,臺風“利奇馬”發生在2019年8月4-13日,8月4日生成于16.7°N,131.5°E附近,往北西方向移動,8月7日2:00LT(北京地方時)達到臺風強度,17:00LT升格為強臺風,23:00LT升格為超強臺風,并繼續向西北方向移動,向浙江沿海靠近,8月8日晚間風速達到極值62 m/s,8月10日1:45LT左右在浙江省溫嶺市城南鎮沿海登陸,登陸時中心附近最大風速達52 m/s. 臺風“利奇馬”登錄后沿北西方向逐步向內陸推進,強度迅速減弱,8月10日20:00LT降格為熱帶風暴,22:00LT時許,“利奇馬”由浙江移入江蘇境內,8月11日12:00LT時許,臺風“利奇馬”從江蘇省連云港市附近出海,移入黃海海面,8月11日20:50LT左右,臺風“利奇馬”在山東省青島市黃島區沿海再次登陸,登陸時中心附近最大風速為23 m/s. 圖1為臺風“利奇馬”的路徑圖.

圖1 臺風“利奇馬”路徑圖(黃色圓點表示熱帶低壓,金色圓點表示熱帶風暴,橙色圓點表示強熱帶風暴,深橙色圓點表示臺風,番茄色圓點表示強臺風,紅色圓點表示超強臺風,藍色五角星表示臺風登陸點,藍色三角形表示臺風風速極大值點)

IGS可以提供時間分辨率為2 h,空間分辨率5°×2.5°的全球電離層地圖(GIM)格網電離層資料. 在不同太陽活動周期和全球范圍內,大部分IGSTEC數據的精度都高于2～4 TECU[11],滿足研究的要求. 本文選取2019年7月25日-2019年8月23日的電離層TEC數據對臺風登陸點及風速極值點上的電離層TEC時間序列進行擾動分析. 并對這段時間內全球電離層TEC變化進行分析.

太陽和地磁活動是影響電離層TEC變化的首要因素[12]. 太陽活動數據使用太陽F10.7射電流量,地磁活動數據使用Kp和Dst指數. 太陽活動數據來源于中科院空間環境預報中心,地磁Dst指數數據來源于日本京都世界地磁數據中心,Kp指數數據來源于德國地學研究中心.

1.2 方法

在進行TEC時間序列擾動分析時,使用四分位距法來確定TEC時間序列的上下限值.劉正彥等[13]最先提出了四分位距法,該方法綜合考慮了平均值法、中位數法的弊端.假設待探測時段為T天(T能被4整除)的電離層TEC數據,將該時間段內的TEC數據由小到大排列,并將其等分為4份,其等分點依次表示為Q1,Q2,Q3.T天對應時刻的數據進行排序后,得到I1

{Q1=12(IT4+IT4+1)，

Q2=M=12(IT2+IT2+1)，

Q3=12(IT-4+IT-3)，

(1)

{up=M+1.5(Q3-M)，

low=M-1.5(M-Q1).

(2)

在對臺風期間電離層TEC異常變化分析中,背景值使用滑動時窗法來確定.取滑動時窗長度為16天,計算滑動時窗內每個時刻點上的均值和均方差,以均值為基礎,以2倍的均方差為背景范圍.若時序值在背景范圍之外,則將該時序值剔除,利用相鄰內插法計算正常值將其替換.將時窗逐天向前滑動,依次計算背景時間序列.

2 臺風“利奇馬”期間電離層TEC擾動分析

2.1 臺風期間日地環境分析

圖2 臺風“利奇馬”期間日地環境變化(實線表示臺風產生及消失時刻,灰色陰影部分表示臺風風速極大值時間段,虛線表示臺風登陸時刻)

圖2示出了臺風“利奇馬”期間日地環境變化,圖2(a)示出了該段時間內太陽活動的變化狀態,可以看出F10.7射電通量的變化相對較穩定,在年積日206-235,其值在66～69 SFU范圍內變化,平均值約為67 SFU,表明太陽活動強度較低,不會引起明顯的電離層擾動.

圖2(b)和圖2(c)分別示出了地磁Dst指數和Kp指數的變化情況,根據Dst指數值的大小可以將地磁活動分為四個等級:低強度(-30～-50 nT),中等強度(-50～-100 nT),高強度(-100～-200 nT)和超強度(<-200 nT).根據Kp指數值的大小,可以將磁場活躍度分為四個等級:平靜(0～1),較活躍(2～4),有小的磁暴(4～5),有較大的磁暴(>5).從圖2(b)可以看出,在年積日206-217,地磁Dst指數的變化相對保持穩定,Dst指數在±15 nT內波動,在年積日217,地磁Dst指數突然由正值變為負值,且小于-50 nT,之后地磁Dst指數有逐漸增大趨勢,在年積日219之后,其值大于-30 nT,并逐漸趨于穩定,在±29 nT內波動.同時,圖2(c)也表明,在年積日217之前,Kp指數小于3,在年積日217,Kp指數突然增大,最大值達5.3,之后逐漸減小,在年積日217之后變化穩定,其值小于3.因此,在年積日217可能有小的磁暴出現.綜上所述,日地環境異常擾動出現在臺風風速達到極大值時刻之前,在臺風風速極大值期間,及臺風登陸時,日地環境相對平靜,因此認為該時間段內的電離層TEC異常與日地環境擾動無關.

2.2 風速極值點及臺風登陸點TEC時間序列分析

為了分析臺風“利奇馬”期間風速極值點及臺風登陸點上電離層TEC變化,本文利用IGS提供的電離層TEC數據繪制了TEC時序變化圖及其異常變化圖,并利用滑動四分位距法計算了時序的上下限,如圖3所示,圖中登陸點1位于浙江省溫嶺市城南鎮沿海,登陸點2位于山東省青島市黃島區沿海.

(a)登陸點1上TEC時序變化 (b)登陸點1上TEC時序變化 (c)登陸點1上TEC時序異常變化圖

(d)登陸點2上TEC時序變化 (e)登陸點2上TEC時序變化 (f)登陸點2上TEC時序異常變化圖

(g)風速極值點上TEC時序變化 (h)風速極值點TEC時序變化 (i)風速極值點TEC時序異常變化圖

從圖3(a)、3(d)、3(g)可以看出,在分析時段內三個點位上空電離層TEC均出現了不同程度的異常變化.從圖3(a)可以看出,在年積日211、223、224、230、232登陸點1上空電離層TEC出現了正異常變化,在年積日227出現了負異常變化;從圖3(d)可以看出,在年積日211、217、230登陸點2上空電離層TEC出現正異常變化,在年積日218、227出現負異常變化;從圖3(g)可以看出,在年積日211、223、230、232風速極值點上空電離層TEC出現正異常變化,在年積日227出現負異常變化.從日地環境變化分析來看,在登陸點2上空年積日217出現的正異常及年積日218出現的負異常可能是由地磁活動引起的,其余的異常則認為可能是由臺風引起的.臺風產生前,三個點位上空電離層TEC在年積日211均出現了正異常變化,認為是臺風來臨前的前兆變化.年積日223-224,臺風風速達到極大值之后第二天,風速逐漸減小,并在登陸點1登陸,之后登陸點1及風速極值點上空電離層TEC出現了較明顯的正異常變化.在年積日227、230,臺風消失之后的第二天和第五天,三個點上空電離層TEC同時出現了負異常變化和正異常變化.從圖3(b)、3(e)、3(h)電離層TEC時間序列等值線圖可以看出,在一天中,電離層TEC高值區為UTC05:00:00-UTC10:00:00(地方時13:00:00-18:00:00),低值區為UTC13:00:00-UTC24:00:00(地方時21:00:00-次日8:00:00),在低值區電離層TEC值變化相對穩定,圖3(b)、3(h)中的高值區擾動明顯,在第6、12、18、25、27天(對應年積日211、217、223、230、232)高值區電離層TEC值相較于鄰近幾天明顯增大.從圖3(c)、3(f)、3(i)電離層TEC時序異常變化圖同樣可以看出,在年積日211、217、223、230、232,電離層TEC正異常變化明顯,異常幅度為5～8 TECU,相較于正異常變化,負異常變化幅度較小,異常幅度最大值小于-3.5 TECU.

2.3 臺風期間區域TEC變化分析

從對風速極值點及臺風登陸點上空電離層TEC時序變化及異常變化分析可知,正異常變化明顯的時段包括年積日211UTC08:00:00-UTC11:00:00,年積日223UTC05:00:00-UTC10:00:00,負異常變化明顯的時段為年積日227UTC03:00:00-UTC04:00:00.現對上述異常變化明顯時段進行TEC變化空間分析,如圖4所示.

圖4 臺風期間電離層TEC異常變化空間分析

從圖4可以看出,臺風生成前第五天,即年積日211 11:00:00UTC,在臺風生成方向有8 TECU左右的正異常變化.年積日223 5:00:00UTC-7:00:00UTC,臺風影響區域上空電離層TEC表現為正異常變化,異常幅度逐漸增大,異常區域由西向東變化,年積日223 8:00:00UTC,電離層TEC出現了4 TECU左右的負擾動,9:00:00UTC-10:00:00UTC又變化為正擾動,擾動幅度逐漸減小.年積日223日電離層TEC擾動由正異常變為負異常再變化為正異常的現象可能和此期間臺風移動速度由大減小再增大有關.在臺風消失之后的第二天,即年積日227 3:00:00UTC-4:00:00UTC,臺風影響區域上空電離層TEC表現為負異常變化,異常幅度逐漸減小并消失.

3 結束語

本文通過利用IGS提供的全球電離層電子含量地圖數據,采用滑動四分位距法對臺風“利奇馬”期間臺風登陸點及風速極值點上空的電離層TEC時間序列及臺風期間區域TEC空間變化進行分析.結果表明,從電離層TEC時序變化分析和空間變化分析來看,在臺風發生前5天,電離層TEC出現了正異常變化.此階段為臺風“利奇馬”的生成與發展階段,故該異常可能與臺風“利奇馬”有關.臺風“利奇馬”第一次登陸后,臺風影響區域上空電離層TEC異常變化由正變化為負再變化為正,且最大異常點并不在風眼處,而是在風眼的西南側.此異常變化可能與此期間臺風移動速度由大減小再增大有關.異常區域出現在臺風影響區域的西南側可能與臺風在北半球為逆時針方向旋轉,右半邊的風向與行進方向一致,風速得到加強,氣壓降低有關.