基于ZH-1衛星探測的太陽活動低年頂部電離層不規則結構的時空特征

王秀英，楊德賀，張學慶，何宏瑋，郭峰，姜文亮，牛從達，申旭輝

1 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085 2 國防科技大學信息通信學院，武漢 430010 3 云南省地震局，昆明 650224

0 引言

電離層受多種因素的影響會產生不規則結構(Ionospheric Irregularities)，電波通過這些不規則結構傳播時其幅度或相位會改變，一般稱為電離層閃爍(Ionospheric Scintillation).電離層不規則結構會引起GPS信號折射、散射，進而降低系統的定位精度；在嚴重閃爍情況下，甚至可以使GPS接收機失鎖，導致系統無法定位.由于電離層不規則結構對通訊、導航、定位等應用存在重大影響，因此對該現象的研究成為電離層研究中非常重要的內容，有很多這方面的研究工作(Basu et al.,1976,1988,2002;Tsunoda,1985;Aarons,1982,1993;Burke et al.,2004a,b;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Otsuka et al.,2012;Carter et al.,2013;Acharya and Majumdar,2019).

對電離層不規則結構的早期研究主要利用地基測高儀、雷達觀測數據(Aarons,1982,1993;Abdu et al.,1981)，衛星到地基的閃爍觀測數據(Basu et al.,1988;Aarons,1993;Basu et al.,2002;Nishioka et al.,2008)，基于衛星的頂部電離層探測數據(Maruyama and Matsuura,1984)，以及衛星原位觀測數據(Basu et al.,1976;Watanabe and Oya,1986;Aarons,1993;Kil and Heelis,1998).由于早期衛星原位觀測數據量較少，研究難以得到全球不規則結構的演化特征；之后衛星原位觀測數據量大大增加，對赤道附近不規則結構的研究產出大量研究成果(Huang et al.,2002；Burke et al.,2004a,b;Su et al.,2008;Kil et al.,2009).2006年發射的COSMIC星座利用掩星(Radio Occultation)技術得到大批觀測數據，由此出現很多基于掩星數據的電離層不規則結構的研究成果(Dymond,2012;Carter et al.,2013;Yu et al.,2017).

近年來隨著電磁衛星數量增多，電離層原位觀測數據量也迅速增加，利用原位觀測數據研究電離層不規則結構的工作也在增加.由于很多衛星都是變化地方時觀測，如CHAMP、C/NOFS、SWARM等衛星(星座)，而電離層本身也隨地方時變化，這種情況下難以利用變化地方時衛星的觀測數據進行電離層不規則結構精細特征以及氣候特征的研究.DMSP衛星為固定地方時觀測，主要集中于電離層不規則結構最為集中的日落時段，目前對這個時段不規則結構的研究已經有很多研究成果；相對而言，對午夜后不規則結構的詳細時空特征的研究內容卻很少.一些研究表明午夜前的閃爍可以一直延續到午夜后(Otsuka et al.,2012;Brahmanandam et al.,2012)，而Burke等(2009)利用C/NOFS衛星觀測數據的研究結果以及Huba和Joyce(2010)模擬結果表明午夜后在赤道附近區域的電離層會產生新的不規則結構.因此，對午夜后電離層不規則結構的認識尚有待進一步展開研究工作.

2018年2月2日發射的我國首顆地震電磁試驗衛星ZH-1為固定地方時觀測，夜間觀測時間約為02:00LT左右(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，對其夜間電離層原位觀測數據的分析結果顯示：即使在太陽活動低年，午夜后頂部電離層仍有相當數量的不規則結構存在.ZH-1衛星2018年7月完成在軌測試，至今已積累2年多的正式觀測數據，為研究午夜后電離層不規則結構提供了寶貴的原位電子密度觀測數據資源.前期，對ZH-1與Swarm數據的初步對比驗證結果(Wang et al.,2019a)以及由ZH-1衛星2019年全年數據在中國及附近區域的電子密度時空分布特征的檢驗結果(王秀英等，2021)，都表明ZH-1衛星原位電子密度數據可以正確反映不同時空尺度的電離層相對變化現象，對于利用相對變化的研究是一個可用的數據集.

本文擬利用ZH-1衛星2019、2020連續兩年產出的原位電子密度觀測數據，檢測衛星觀測數據中的不規則結構，分析夜間電離層不規則結構的空間分布與季節變化規律，并與之前研究結果進行比較.本文研究結果有助于進一步認識午夜后頂部電離層不規則結構的變化特征，為更好地解決衛星通訊、導航以及定位等應用領域的問題提供參考信息.

1 數據和檢測方法

1.1 數據

本文使用2019、2020連續2年的夜間原位電子密度觀測數據，檢測沿衛星觀測軌道出現的電離層不規則結構，統計其時空變化特征.ZH-1衛星同一軌道白天和夜間觀測數據分別存儲在兩個數據文件中(王秀英等，2021)，而電離層不規則結構主要發生在傍晚及夜間，所以這里僅需處理夜間數據文件.本文分析了2019年的4666個和2020年5319個觀測軌道數據.

ZH-1衛星飛行速度約為7.8 km·s-1，觀測范圍為地理緯度南北65°之間(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，所需觀測時間約為30 min.對于相距不遠或者鄰近數據間的觀測時差，遠小于30 min，如相距1000 km的觀測數據，觀測時差僅約2.1 min，這個時差完全可以忽略；即使對較大空間尺度的數據也可以認為是同時觀測的，可以利用軌道觀測數據間的相對變化劇烈程度檢測電離層不規則結構.

ZH-1衛星在常規情況下采用巡查模式(Yan et al.,2018)，每3 s采樣一次數據，對應的空間距離約為23.4 km，所以根據軌道數據檢測到的最小不規則結構在空間上也有幾十公里的空間距離.衛星在中國區及地震帶飛行時采用詳查模式，每1.5 s采樣一次數據，可以提高不規則結構的空間分辨率.但這些區域在全球觀測中占比很小，所以對全球觀測數據而言，ZH-1衛星電子密度原位觀測數據對不規則結構的空間分辨率約為23.4 km.

圖1給出了兩個相鄰夜間軌道觀測的電子密度數據隨地理緯度的變化曲線，兩個軌道的數據曲線都顯示出從南緯到北緯存在一些大尺度的趨勢性變化，而且這種趨勢性變化隨季節、太陽活動等影響而有所變化.圖1中5096軌道的電子密度(electron density,Ne)觀測數據總體上比較平穩，而5097軌道的觀測數據在赤道附近存在非常明顯的不規則結構.

圖1 夜間電子密度數據隨觀測軌道地理緯度的變化圖形右上角的數字表示軌道編號，觀測日期為2019-01-03；其中5096軌道在赤道附近對應的地理經度約為-157°，5097軌道對應經度約為179°.Fig.1 Variations of the nighttime Ne along the orbiting geographical latitudesNumbers in the upper right corner of each plot indicate orbit number,and the observation date is 2019-01-03.The geographical longitude at the Equator region is about -157° for Orbit No 5096,and about 179° for Orbit No 5097.

鑒于衛星軌道觀測數據的這些特點，為達到對全部數據進行不規則結構統一檢測的目標，需要針對衛星原位觀測數據的特點，設計專門的檢測方法.

1.2 檢測方法

根據以往研究，可以通過接收GNSS信號的S4指數(Fremouw et al.,1978)或通過計算TEC閃爍指數ROTI(Rate of TEC Index)(Pi et al.,1997)實現對電離層閃爍的檢測.S4指數定義為信號強度標準偏差與信號均值的比值，即標準化后的信號標準偏差；而ROTI定義為TEC變化率(Rate of TEC,ROT)的標準差.

S4指數是通過電波信號的變化來反映電離層中的不規則結構，ROTI指數則通過電離層觀測參數(電離層總電子含量)的變化來反映電離層中的不規則結構.相較于前兩者，衛星原位觀測數據的變化可直接反映不規則結構的空間位置、沿衛星軌道的分布形態以及波動幅度等更多信息.

由于衛星原位電子密度觀測數據既不同于GNSS信號，也不同于TEC數據，需要根據前述衛星軌道觀測數據的特點，研制不規則結構的常規檢測方法.本文檢測電離層不規則結構的基本方法：

(1)按軌道對觀測數據進行標準化，以便于采用統一的判定標準.本文采用軌道數據的均值和標準差進行標準化，即觀測數據減去軌道均值后除以標準差.

(2)對歸一化數據進行一階差分計算，以消除觀測數據中存在的趨勢性變化.

(3)計算差分數據的標準差，并以設定的檢測門檻判斷是否存在不規則結構.

為更直觀展示本文的檢測方法，這里以具體軌道觀測數據為例，如圖2所示，對電離層中不規則結構的檢測過程進行說明.計算步驟如下：

(1)獲取夜間軌道的原位電子密度觀測數據，如圖2a.

(2)對夜間軌道觀測數據，以均值和方差進行歸一化處理，結果如圖2b所示.由于歸一化不會改變數據間的相對變化關系，圖2b歸一化后數據隨緯度的變化曲線與圖2a原始數據的曲線在形態上完全一致.

(3)對歸一化后的軌道數據進行一階差分，結果如圖2c所示.由圖2c，差分后的數據可以消除趨勢變化，原始數據中變化劇烈的地方，差分數據同樣變化劇烈.

(4)以設定的窗長，計算窗口內數據序列的標準差；然后以設定的滑動步長移動到下一個窗口，繼續計算標準差，形成一個標準差序列，結果如圖2d所示.本文計算窗口長度為30個數據點、滑動步長為1個數據點，對于中間有多個缺數的情況，該軌道數據不參加計算.

(5)以設定值作為檢測門檻，找出標準差序列中大于門檻值的點.對于大于門檻值的連續標準差，取連續值的平均緯度、平均經度作為一個不規則結構的空間位置.如圖2d中所示情況，以0.3作為門檻值，檢測到兩個不規則結構.

這里對檢測過程中某些參數的設置稍加說明.檢測窗長和滑動步長，可以根據研究目的設定，更長的窗長可以檢測更大空間尺度的不規則結構.本文以30個數據點為窗長，是為確保每個窗口內有足夠的計算數據量，這個窗長對應的空間范圍約為700 km.對于門檻值的選擇，同樣也可以根據檢測目的自由設定.門檻值較大時，只能檢測變化幅度較大或者連續變化較劇烈的不規則結構；門檻值較小時，則可檢測變化幅度較小的不規則結構.

還需要說明的是，圖2中的數據識別出2個不規則結構，實際上這兩個事件可能對應的是一個非常大尺度(跨越地理緯度超過20°)的電子密度耗空區，如圖2b中虛線所標示的區域，在該區域的兩個邊界電子密度劇烈變化，導致算法以兩個事件識別.這種情況不會改變檢測結果的總體統計特征.我們將在第3節對這種不規則結構繼續討論.

圖2 電離層不規則結構檢測方法圖示從上至下依次為：(a)夜間軌道電子密度(單位：104·cm-3)觀測數據隨地理緯度的變化曲線；(b)軌道數據歸一化后隨地理緯度的變化曲線；(c)歸一化數據的一階差分隨地理緯度的變化曲線；(d)一階差分數據的標準差隨地理緯度的變化曲線.Fig.2 Demonstration of the process for detecting the ionospheric irregularitiesFrom top to bottom,(a)Variation curve of the nighttime Ne (unit:104/cm3)with geographical latitude;(b)Variation curve of standardized nighttime Ne with geographical latitude;(c)Variation curve of first order difference of standardized Ne data with geographical latitude;(d)Variation curve of standard deviation of first order difference with geographical latitude.

圖3給出了2019、2020年的地磁活動指數(Dst)和太陽活動指數(F10.7)的時序曲線，對研究時段內的太陽活動、地磁活動情況進行說明.圖3 a 的地磁活動Dst指數表明這2年內沒有大的地磁活動事件，圖3b 的太陽活動F10.7指數則顯示2019年全年以及2020年1到9月份，太陽活動水平一直較低，大概從2020年10月份開始太陽活動水平有所增強.

圖3 2019和2020年Dst和F10.7指數時序曲線Fig.3 Time series of Dst and F10.7 indices in 2019 and 2020

由于2019、2020年處于太陽活動低年，沒有大的空間天氣事件，而且一些研究也指出地磁活動與不規則結構的相關性不大(Aarons,1982;Yu et al.,2017)，所以本文沒有特別排除小的空間天氣事件發生時的觀測數據，而是對全部數據進行檢測和分析.這樣做是為了盡量達到每個統計單元內觀測軌道均勻覆蓋的目的，以消除觀測數據分布不均勻可能對統計結果的影響.

2 檢測結果

對2019、2020年的全部夜間軌道觀測數據按1.2節中的方法檢測不規則結構，檢測結果的時空分布如圖4所示，其中圖4a為2019年數據，圖4b為2020年數據.圖4中，黑色實線為磁傾角為0的地磁赤道(后面稱為磁赤道)；虛線為觀測數據中提供的偶極場地磁緯度，其中黑色虛線為偶極場地磁赤道(后面稱為偶極場磁赤道)，紅色虛線為偶極場±20°緯度線，紫色虛線為偶極場±35°緯度線.

圖4中，2019和2020年不規則結構呈現出明顯的沿固定空間位置分布的特性，這是因為ZH-1衛星重返軌道與之前的軌道重合，即衛星在一個飛行周期內的軌道與上一個周期內的軌道重合(Wang et al.,2019a；王秀英等，2021)，因此沿軌道檢測的電離層不規則結構都分布在這些觀測軌道的沿線上.

很明顯圖4中地理赤道附近區域不規則結構的分布跟磁赤道(黑色實線)符合得更好，而在南北半球地理緯度中緯度區，不規則結構的分布與偶極場緯度大致吻合.由于數據中沒有與磁赤道配套的地磁坐標，僅提供了偶極場地磁坐標，所以后面的統計分析中主要以地理經度和偶極場地磁緯度展開.

2.1 空間分布特點

根據圖4，全部檢測事件在空間上明顯集中在3個緯度區，即地磁赤道沿線、南半球地理緯度50°左右以及北半球地理緯度50°以上區域.其中在赤道附近區域的不規則結構明顯與磁赤道(圖中黑色實線)符合更好，而且沿磁赤道呈現出密集與稀疏相間的類似波形結構的分布形態.另外一個需要特別提及的分布區是，南北半球地理中緯度區，這個區域不規則結構分布與圖中紫色虛線(偶極場磁緯±35°)大致符合，而且沿兩個偶極場磁緯也顯現出密集與稀疏相間的波形分布，但與磁赤道的波形結構似乎相反.

為得到這些不規則結構沿緯度分布更準確的信息，分別繪制2019年和2020年事件隨偶極場磁緯的分布圖，結果如圖5所示.從圖中可以明顯看到事件主要集中在5個緯度區，即地磁赤道附近區域，南北磁緯度約35°～40°左右的區域，以及比南北偶極場磁緯35°～40°更高的兩個緯度區，這兩個區域分別對應圖4中南北地理緯度50°以上的兩個事件集中區.圖5中，南半球中緯區的不規則結構明顯比北半球中緯區多，2019年數據在地磁赤道兩側的分布規律較為明顯，2020年數據在北半球中緯度區的峰值不是很明顯，但兩個年度數據對比結果表明這些事件在磁赤道兩側分布規律相似，2020年數據明顯受到太陽活動增強的影響，第3節會討論這個內容.

將圖5中不規則結構在地磁赤道兩側的這種分布形態與白天電離層赤道異常(Equatorial Ionization Anomaly，EIA)沿地磁緯度的分布形態對比，會發現它們相似又不盡相同.地磁赤道附近區域為白天EIA谷值區，夜間不規則結構在這里卻比較集中，呈現一個峰值區；白天EIA峰值區所在的位置，即南北地磁緯度±15°到±20°的位置，對應圖5中地磁赤道與南北緯40°之間的谷值區，表明在白天EIA峰值區的位置夜間不規則結構反而相對較少，更多的不規則結構出現在距離地磁赤道更遠的位置，即偶極場磁緯±40°附近.關于這個分布特點，我們將在第3節對此繼續進行分析和討論.

圖5 不規則結構隨偶極場磁緯的分布Fig.5 Distribution of irregularities with geomagnetic latitudes

按偶極場地磁緯度挑選上述5個緯度區，即地磁赤道附近區域、南北中緯度區以及南北2個較高緯度區的事件分別進行分析.在地磁赤道附近，由于偶極場磁赤道與磁赤道在某些區域(圖4中非洲到美洲所在經度區)有較大差異，為盡量包含磁赤道附近的事件，這里以偶極場磁緯度±20°為標準(對應圖4中的兩條紅色虛線)，即在偶極場磁緯-20～20°范圍內篩選事件；而在地磁中緯區，按±20～±45°范圍挑選事件；另外兩個緯度區則分別按>45°和<-45°挑選事件.對5個磁緯區的篩選結果，繪制事件隨地理經度的分布，結果如圖6所示.這里以地理經度統計，以便于與圖4聯合分析不同磁緯區不規則結構的空間分布特點.

根據圖6，不規則結構在幾個磁緯區隨地理經度分布的統計結果與圖4呈現的分布特點一致，而且2019與2020年數據在幾個緯度區隨經度的分布形態也完全一致.從整體上看，不規則結構在不同磁緯區隨地理經度的變化呈現出較為明顯的分布規律.在南北半球兩個較高磁緯區(圖6a和6e)，不規則結構分別集中在各自地磁極所在地理經度區，兩個區域的不規則結構在空間上的分布形態相似，但相位(空間位置)相反，呈現出2波結構的分布形態.在南北半球兩個磁中緯區(圖6b和6d)，雖然不規則結構隨地理經度分布也呈現2波結構，但與較高緯度區的分布形態有較大差異，其中北半球這個區域的不規則結構存在一個明顯的峰值集中區，即-80°E～-30°E經度區，對應圖4中北大西洋不規則結構密集分布的區域，其他經度區的不規則結構則相對較少；而在南半球與此對應的磁中緯區，檢測事件的分布形態則與北半球完全相反，除0～80°E經度區不規則結構相對較少外，其他區域的事件都比較多，這個區域的2波結構與北半球對應區域的2波結構在形態上具有反向(相)對稱的特點.最后在地磁赤道附近區域(圖6c)，不規則結構沿地理經度的分布出現兩個明顯的峰值區和兩個谷值區，兩個峰值區一個在經度約-20°E～50°E的大西洋東側到非洲所在的地磁赤道沿線區域，另外一個在經度約-180°E～-100°E的東太平洋所在區域；谷值區夾在兩個峰值區之間，一個在歐亞所在經度區，一個則在大西洋所在經度區，沿地磁赤道在分布形態上呈現4波結構.

圖6 不同磁緯區不規則結構隨地理經度的分布左側為2019年數據，右側為2020年數據；(a)偶極場坐標中磁緯大于45°的區域；(b)偶極場磁緯35°附近區域；(c)地磁赤道區；(d)偶極場磁緯-35°附近區域；(e)偶極場坐標中磁緯小于-45°的區域.Fig.6 Geographical longitude distribution of irregularities in different geomagnetic latitudesLeft panel represents data in 2019 and right panel data in 2020.(a)The region with geomagnetic dipole latitude >45°;(b)The region around geomagnetic latitude 35°;(c)The region near the geomagnetic equator;(d)The region around geomagnetic latitude -35°;(e)The region with geomagnetic latitude <-45°.

圖6中全年不規則結構的空間分布，可以歸納如下空間演化特點：不規則結構在較高磁緯區集中分布于南北地磁極所在地理經度區，呈現2波結構分布形態；隨著緯度降低，不規則結構雖然還是2波結構分布，但出現的空間位置逐漸偏離地磁極所在經度區，而且南北半球對應區域的變化具有反向/相對稱的特性；最終匯集到地磁赤道區域，由南北半球較高及中緯度區的2波結構過度到赤道附近的4波結構.由此推測，地磁赤道附近的4波結構分布的產生可能與南北半球從高緯到中緯相似但相反的事件分布形態逐漸匯集、共同作用有關.

2.2 季節變化特點

分析圖4的總體季節分布特征：南北半球在各自夏季檢測到的不規則結構更多，而且各自夏季不規則結構的波動幅度也更大，赤道附近區域在所有季節都有不規則結構發生.北半球不規則結構發生季節存在明顯的空間差異，其中西半球以夏季事件更多，而東半球則是所有季節都有發生，但數量上比西半球少得多，分布比較稀疏；南半球具有較大幅度變化的事件大都集中在較高緯度區，且多發生于該半球的夏季，而中緯度區的事件似乎更多發生于該半球的冬季，即北半球的夏季.鑒于南北半球不規則結構的季節變化比較復雜，有必要針對季節變化特性進行分析.

根據2.1節的分析結果，不規則結構在空間分布上呈現明顯的規律性，因此對季節變化特征的分析需要針對不同空間區域分別展開.圖7分別給出了2019、2020年數據在全部觀測區、南北半球較高緯度區、南北半球中緯區以及地磁赤道區不規則結構的逐月統計結果.圖8則給出了2019和2020年逐月觀測軌道總數的統計結果，從圖中可以看到ZH-1衛星在2019年2、9、10、11月觀測軌道總數明顯少于其他時間段；而2020年，衛星在所有時間段的觀測軌道基本均勻分布.因此，為防止由于觀測軌道不均勻覆蓋可能導致的統計誤差，圖7同時給出了2020年檢測事件的統計結果.后續統計分析中，兩個年度數據有不一致之處時，兩者匯總作為最終結果.

圖7 不同磁緯區不規則結構隨季節變化左側為2019年數據，右側為2020年數據；(a)全部觀測區域；(b)北磁緯45°以上區域；(c)北磁緯35°附近區域；(d)磁赤道附近區域；(e)南磁緯35°附近區域；(f)南磁緯45°以上區域.Fig.7 Variations of irregularities with seasons in different geomagnetic latitudesLeft panel represents data in 2019 and right in 2020.(a)The region of all the observations;(b)The region with geomagnetic latitude >45°;(c)The region near geomagnetic latitude 35°;(d)The region near geomagnetic equator;(e)The region near geomagnetic latitude -35°;(f)The region with geomagnetic latitude <-45°.

圖8 2019和2020年逐月觀測軌道總數直方圖Fig.8 Histogram of total orbit numbers in each month in 2019 and 2020

圖7中，除個別緯度區，2019年和2020年不規則結構隨季節的變化規律基本一致.為方便后文敘述及與其他研究結果比較，后文分析以季節作為時段.根據一般應用習慣，這里的春季對應2、3、4月，夏季對應5、6、7月，秋季對應8、9、10月，冬季對應11、12、1月，本文的1月份采用同一年度的1月份.后文中對季節的敘述和分析都以此為準，不再專門說明.

對于圖7a所示的全部觀測空間范圍內的檢測事件，2019年和2020年數據隨季節的變化規律基本一致，但10、11月份的數據稍有差異，2020年10、11月事件檢測結果明顯多于2019年，應該與2019年這個時間段觀測軌道數減少有關，但同時也應注意到1.2節圖3所示的情況，從2020年10月份開始，太陽活動水平開始增強，導致從這個時間開始不規則結構數量突然增加.因此將兩個年度的數據結果結合后，年度全部事件的季節變化特點可以歸納為：夏、冬季不規則結構數量明顯多于春秋季，而冬季又明顯多于夏季，秋季事件總數比春季稍多，不規則結構在秋季靠近冬季的月份開始增加一直延續到冬季結束.

對于南北半球兩個較高緯度區(圖7b和7f)的不規則結構，南北半球的季節規律基本呈反相變化.北半球的這個區域(圖7b)，事件主要集中于春季接近夏季、夏季以及秋季靠近夏季的連續時段，峰值持續時間較長；而南半球該區域(圖7f)的事件則主要集中于冬季及春季靠近冬季的連續時段.南北半球在變化規律的時間上基本是反相的，事件的峰值出現在各自的夏季；其中北半球的峰值區由夏季向秋季延長一個較長的時段，南半球則由冬季向春季延長一個較長的時段.這種事件峰值由夏季向后延續的特性在2019、2020兩個年度的數據中都有表現，屬于觀測數據固有的特征，推測與太陽位置有關.我們將在第3節對此進行討論.

對于南北半球中緯度區(圖7c和7e)，2019年數據與2020年大致相似.圖7c所示的北半球中緯區的事件主要集中在夏季，與圖7b的較高緯度區相比，夏季峰值集中時段明顯變窄，另外2019年數據在該區域還表現出了冬季(12、1月)事件有所增加的趨勢；圖7e給出的南半球中緯區，不規則結構除了冬季峰值集中時段，與圖7f具有相似的季節規律外，還出現一個夏季次高峰的不規則結構集中時段，與北半球對應區域中2019年數據表現的冬季次高峰區域有所呼應.所以南北半球中緯區不規則結構的季節變化規律可以概括為：各半球的夏季為不規則結構的高峰時段，冬季有一個次高峰，春秋季事件數量則相對較少.

圖7d所示地磁赤道附近區域，不規則結構的季節變化規律在2019年與2020年也大致相似，但2020年10、11、12連續3個月的事件數量遠遠超過2019年同期的事件數量，導致2020年數據的夏季峰值不明顯，事件突然增加的時段與1.2節中圖3顯示的太陽活動增強時間一致，比較兩個年度10月份之前的不規則結構，數量基本相當，所以2020年10月份開始的事件數量突然大幅增加的主要的原因應與太陽活動增強有關.綜合兩年的數據，在地磁赤道附近區域的不規則結構總體呈現兩個峰值時段，分別出現在夏季和冬季，春秋季則相對較少.

圖7中，2019年和2020年數據逐區域的季節變化規律基本一致，這種一致性表明數據所呈現的季節變化規律是真實存在的特征，而且這個特征可重復出現.從整體上分析，圖7中幾個磁緯區的季節變化規律具有隨緯度逐漸變化、過渡的特點，從北半球較高緯度區以夏季峰值為主，隨緯度降低，夏季峰值集中區逐漸變窄并開始出現冬季次峰值，到地磁赤道附近夏冬兩個峰值大致相當，再到南半球較高緯度區夏季峰值消失，只有冬季峰值出現.不同緯度區季節變化的演化規律很明顯與太陽的直射位置有關，我們將在第3節對此進行分析和討論.

2.3 赤道區不規則結構

對赤道附近區域的不規則結構(亦或稱之為電離層閃爍、等離子氣泡等)已有很多研究結果，本文將這個區域單獨分析，以便與其它研究結果比較.

根據前文定義，偶極場地磁緯度±20°范圍劃分為赤道區.另據前文對4個季節的規定，分別繪制赤道附近區域不規則結構的季節變化規律，結果如圖9所示.

分析圖9地磁赤道區不同季節不規則結構的地理經度分布，春季事件更多的區域在非洲經度區，夏季發生數量最多的區域在非洲和東太平洋經度區，秋季主要集中在東太平洋、南美洲以及非洲經度區，冬季則更多出現在太平洋經度區；太陽活動水平增強后，冬季不規則結構最多的區域則轉移到大西洋經度區，其次才是太平洋經度區.由此可見，太陽活動強度可能會改變赤道區不規則結構的時空分布規律.

圖9 赤道區不規則結構在不同季節的地理經度分布(a,b,c,d)分別代表春、夏、秋、冬.Fig.9 Geographical longitude distribution of equatorial irregularities in different seasons(a,b,c and d)represent the data in Spring,Summer,Autumn,and Winter respectively.

根據Brahmanandam等(2012)，將赤道劃分為4個經度區，依次為：(1)亞洲區，60°E—160°E；(2)太平洋區，160°E—80°W；3)大西洋區，80°W—20°W；以及(4)非洲區，20°W—60°E .分別對4個區域的不規則結構做季節分析，結果如圖10所示.

圖10中，不同經度區的不規則結構隨季節變化規律基本為夏冬季多于春秋季，同2.2節中圖7d反映的季節規律一致，不同之處在于夏、冬季峰值的延續時間有差異.亞洲區和太平洋區(圖10a和圖10b)的夏冬季分明，夏季峰值一直延續到8、9月份，冬季相對持續時間較短；大西洋區(圖10c)的冬季峰值明顯向春季延伸，峰值持續時間較亞洲和太平洋區更長；非洲區冬季峰值僅出現在12月份，不規則結構主要出現在夏季.2020年數據由于受10月份開始的太陽活動水平增強影響，季節變化規律表現不甚明顯.

圖10 赤道附近不同地理經度區不規則結構的季節變化規律(a,b,c和d)分別表示亞洲、太平洋、大西洋以及非洲經度區.Fig.10 Seasonal variations of irregularities in different longitude sectors in equatorial region(a,b,c,and d)indicate Asian,Pacific,Atlantic,and African longitude sector,respectively.

3 分析與討論

利用ZH-1衛星2019、2020連續2年原位電子密度觀測數據，對衛星軌道觀測范圍，即地理緯度南北65°之間觀測數據的電離層不規則結構進行檢測和分析，獲得了對頂部電離層午夜后不規則結構時空分布特征的進一步認識.由于ZH-1衛星為固定重訪軌道、固定地方時觀測，2年近10000個夜間軌道觀測為這一研究提供了大量觀測數據，得到一些不同以往的研究結果，有助于從更多角度認識和了解電離層.

一些研究結果認為：太陽活動低年，電離層閃爍主要集中在300～350 km及以下(Brahmanandam et al.,2012；Dymond,2012)區域，而衛星原位觀測數據結果(Huang et al.,2002;Gentile et al.,2006)顯示太陽活動低年電離層閃爍可出現在800 km以上的區域，本文設計的檢測參數也可反映電離層閃爍現象，因此本文結果也證實了太陽活動低年頂部電離層仍有不規則結構出現；以往研究結果一般認為電離層不規則結構主要集中在日落后到午夜前，太陽活動低年的午夜后幾乎沒有不規則結構出現，本文研究結果卻表明午夜后即使在太陽活動低年，頂部電離層仍有相當數量的不規則結構發生；以往研究結果認為在赤道附近的電離層閃爍季節變化規律為春秋季大于夏冬季，而且在不同經度區有不同的季節規律，本文結果卻表明午夜后全球不規則結構的季節規律基本統一，都是夏冬季峰值，春秋季則相對較少.

針對這些問題，下面分別進行分析和討論.

3.1 軌道高度與觀測地方時

ZH-1衛星飛行高度為507 km，實際夜間觀測軌道平均高度約為511.5 km.由于2019和2020年處于太陽活動水平較低時段，電離層在太陽活動低年時峰值高度較太陽活動高年更低(Basu et al.,1988;Huang et al.,2002)，相對而言，ZH-1衛星飛行高度更加遠離F2層峰值高度區(hmF2)，處于電離層頂部區域.太陽活動低年時hmF2主要集中在200～300 km范圍(Wang et al.,2020a)，距離衛星觀測高度有較大差異，電離層頂部區域與F2層峰值區的不規則結構也會有差異.后續分析中應考慮觀測數據所在高度差異可能引起的結果差異.

ZH-1衛星夜間固定觀測時間主要集中于02∶00LT左右，為午夜后觀測時段.相較于變化地方時的數據量，固定觀測數據更為充分，因此本文結果能反映頂部電離層不規則結構更為精細的變化特征.衛星從地理南緯65°到北緯65°的時間間隔不超過30 min，沿衛星軌道的所有不規則結構可看作是同時觀測的事件，由此得到的全部檢測結果可反映全球不規則結構在02∶00LT前后的分布情況.連續2年的觀測數據可反映這個時間電離層不規則結構的氣候特征，相比于變化地方時觀測數據的粗略氣候特征統計結果，本文的細節特征更加豐富.因此，某些不同的研究結果也可能與數據展現細節的能力有關.

另外，由于本文使用的是午夜后觀測數據，與之前主要聚焦于午夜前數據的研究結果比較時，也應考慮時間差異的問題.

3.2 檢測標準

本文分析所用的檢測結果以1.2節所述的0.3為檢測閾值，即以歸一化數據一階差分序列的標準差大于0.3作為不規則結構的判定標準.為確認自動檢測結果是否可信，通過人工方式核對大量檢測事件，結果可信.以0.3為判定標準所選事件相對變化幅度較大，或者連續變化較為劇烈，該標準適用于太陽活動水平較低時不規則結構判定.2019和2020連續兩年數據結果顯示的空間分布和季節變化規律，具有一致性和重復性，可基本確認所得時空分布特性可信.

為確認檢測閾值是否會影響統計結果，進一步以0.2為閾值標準再次檢測全部數據，最終匯總結果為：2019年檢測結果總數由閾值0.3的5916個增加到閾值0.2的11347個，2020年檢測總數由閾值0.3的5637個增加到閾值0.2的9499.降低檢測閾值后不規則結構的事件總數增長較快，但新檢測結果的時空分布、隨地磁緯度、地理經度的分布以及季節變化的統計特性與第2節的結果一致，可以確認前文中所述的檢測標準不會改變總體分布特性的論述.因此，實際應用時可根據研究目標靈活選擇判定標準而不會改變檢測結果所反映的總體統計特性.

3.3 不規則結構形態

根據2.2節中對統計數據的空間分區，逐區檢查不規則結構沿衛星軌道的分布形態，發現不同磁緯區不規則結構在形態上有較大差異.圖11給出了幾個緯度區典型不規則結構的形態，其中每個圖右上角數字為繪圖數據的軌道編號，圖中虛線標示部分為所要反映的不規則結構的形態.

圖11中，6748軌道反映的是北半球較高磁緯靠近地磁極所在經度區的不規則結構的典型形態，位于北半球電子密度較低(中緯槽)區向較高區過渡的位置；5387軌道則是北半球較高緯度遠離地磁極所在經度區不規則結構的形態，位于北半球電子密度較高區向較低區(中緯槽)過渡的位置.將兩者匯總，北半球較高緯度區的不規則結構可能與中緯槽有關，大致位于中緯槽兩側向較高電子密度區過渡的邊緣位置，由于在過渡區的電子密度急速變化，導致不規則結構的產生.5091軌道為南半球較高緯度區不規則結構的主要表現形態，在軌道觀測數據中表現為電子密度數據劇烈的上下波動.更多檢測事件的數據分析結果表明，南半球較高緯度區的不規則結構基本上都表現為這種形態，大致也是處于由電子密度較低區向較高區或者反過來由較高區向較低區過渡的位置.

圖11中，7041、8208、5409和5249軌道分別表示赤道附近在東太平洋、南美洲和大西洋、非洲以及亞洲所在經度區的典型不規則結構的形態.赤道附近，南美到非洲所在經度區，存在一些較大空間尺度(沿緯度超過1000 km以上)的等離子氣泡(Plasma Bubble)，或者稱之為等離子耗空區(Plasma Depletion)，如圖11中8208、5409軌道所示情況，以及1.2節圖2所示情況.Hei等(2005)利用AE-E衛星原位離子密度數據對赤道附近這個經度區的研究也發現這些大尺度不規則結構的存在，但他們所用數據大致在接近F層峰值高度處，而且觀測數據的地方時限定在午夜前.比較他們給出的大尺度不規則結構與本文的結果，形態上相似，表明這種大尺度不規則結構可以從底部電離層一直延伸到頂部電離層，不僅出現在午夜前，而且可以出現在午夜后；Burke等(2009)對C/NOFS數據的研究結果也表明午夜后仍有大尺度的等離子氣泡存在.這種大尺度不規則結構到底是午夜前生成，然后逐漸上升而出現在午夜后的頂部電離層，還是午夜后重新生成，現有研究結果沒有統一說法.要確定這個問題，還需更多研究工作.

圖11 不同磁緯區典型不規則結構形態每個圖中右上角標注數字為衛星觀測軌道編號；各圖虛線標識部分為算法檢測的不規則結構.Fig.11 Typical structures of irregularities in different geomagnetic latitudesNumbers in the upper right corner of each plot indicate orbit number；dashed line marked part in each plot indicates the irregularities detected by the algorithm.

圖11中，6505軌道所示不規則結構代表北大西洋在中緯事件集中區的典型形態，這個區域的不規則結構在形態上與該經度區在靠近赤道位置的事件(8208、5409軌道)有差異，而且該集中區的事件主要出現在北半球夏季.圖3中2019、2020連續2年檢測結果都表明事件集中區真實存在，不是數據偶然誤差造成.該區不規則結構形態與相同經度赤道區事件的差異進一步表明兩者在形成機制上可能也有差異，關于這個問題我們還會在后續研究中繼續關注.

圖11中，7363軌道反映的是南半球中緯度區不規則結構的典型形態，這種不規則結構主要位于南半球中緯一個電子密度稍高條帶向兩側電子密度較低區的過渡帶，與北半球中緯槽區兩側出現不規則結構的情況類似，但在軌道數據形態上是相反的，即這些不規則結構出現在一個電子密度觀測值較高條帶兩側向較低值區過渡的位置.Wang等(2019b,2020b)對DEMETER衛星和SWARM星座原位觀測數據的研究，發現在南半球中緯區存在電離層分層現象(Stratification)，分層現象的位置大致就在局部電子密度升高的區域，與圖11的情況類似，存在一個電子密度升高的條帶.所以，這個區域電離層的一些獨特特性值得進一步關注.

通過對不同緯度區不規則結構形態的分析，赤道附近區域與其他區域的不規則結構在形態上存在較大差異，有關赤道附近的不規則結構的時空特征及成因研究很多，這里不再贅述.對赤道以外區域不規則結構的形態分析匯總，大致可歸納為：不規則結構大都出現在南北半球夜間電離層升高區域的上升或下降的過渡區，或者反之，出現在電子密度降低區域的下降或上升的邊緣，由于在過渡區電子密度快速升高或降低，導致出現不規則結構.Su等(2006)利用ROCSAT衛星數據的檢測結果也表明：中緯區存在不規則結構，但其形態與赤道區的氣泡形態不同，他們認為中緯區不規則結構屬于赤道不規則結構向中緯區延伸的殘留部分.但本文結果似乎并不支持這種說法，關于中緯區不規則結構的研究內容極少，其成因問題尚需展開更深入的研究.

3.4 隨太陽活動變化

根據1.2節圖3所示太陽活動指數F10.7變化情況，2019到2020年10月之前太陽活動水平極低，2020年10月開始太陽活動水平增強，特別是10、11月，太陽活動水平明顯高于其他時段，而該時段對應不規則結構數量，無論較同一年之前水平還是較2019年同時段水平，都表現為數量上突然增加，且大幅增加，即不規則結構數量增加與太陽活動水平增加同步發生.

很多前期研究結果都表明夜間電離層不規則結構數量隨太陽活動水平增高而增加(DasGupta et al.,1981;Basu et al.,1988,2002;Huang et al.,2002;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Béniguel et al.,2009;Whalen,2009;Carter et al.,2013;Yu et al.,2017)，為進一步確認2020年10月開始的不規則結構數量突然增多的確切影響因素，對2019、2020兩年度同期有不規則結構的軌道數與總軌道數的比例進行對比，以消除2019年幾個月份中軌道總數偏少的影響.圖12給出了總體觀測以及5個磁緯區中有不規則結構的軌道數與總軌道數的逐月比值變化關系圖.

由圖12，在地磁赤道附近(圖12d)和南半球中緯區(圖12e)從2020年10月份開始，不規則結構發生率增加顯著，北半球較高緯度區(圖12b)、北半球中緯區(圖12c)以及南半球較高緯度區(圖12f)的增加并不明顯.由于比例關系已消除2019年10、11月觀測軌道數量少的問題，太陽活動水平增高是導致檢測事件驟增的主要因素.10、11月太陽直射赤道及南半球低緯區，太陽活動水平提高對赤道及南半球中低緯的影響也最大，因此會導致赤道附近區域和南半球中緯區不規則結構的數量突然增加.由此，本文的研究結果也表明夜間電離層不規則結構與太陽活動水平密切相關，隨太陽活動水平提高而增加.電離層不規則結構與太陽活動指數的同步變化也進一步表明：ZH-1衛星原位電子密度數據能正確反映電離層的相對變化，與王秀英等(2021)對這個數據集背景分析及數據質量評價的結論一致.

根據圖12b和12c，北半球較高緯及中緯區不規則結構數量兩個年度沒有明顯差異，因此推測太陽活動水平增強可能對赤道和夏季半球影響更大.另外，根據Nishioka等(2008)對赤道區不規則結構的研究結果：太陽活動水平對不同經度區不規則結構產生存在影響差異，大西洋、非洲和亞洲所在經度區影響最大.比較圖3中2019年、2020年檢測結果分布圖，可以看到赤道附近的大西洋以及亞洲所在經度區2019年不規則結構數量普遍較少，但2020年增加了很多事件.這些增加的事件，尤其在大西洋經度區，使該區成為不規則結構發生最多的區域(圖9)，所以2020年檢測結果在赤道區沿經度的總體分布與前期研究結果基本一致，而2019年檢測結果與之前研究結果不一致的情形可能與太陽活動水平低密切相關.另外，本文結果也進一步證實了Nishioka 等(2008)太陽活動水平對不同區域差異影響的結論.關于這個問題，待積累了不同太陽活動水平的觀測數據后，我們會繼續分析.

圖12 2019和2020年有不規則結構軌道數與軌道總數比值的逐月變化曲線(a)全部觀測；(b)偶極場磁緯>45°的區域；(c)偶極場磁緯20°到45°之間的區域；(d)偶極場磁緯-20°到20°的磁赤道附近區域；(e)偶極場磁緯-20°到-45°之間的區域；(f)偶極場磁緯<-45°的區域.Fig.12 Monthly variations of rates between orbits with irregularities and total orbits in 2019 and 2020(a)The regions with all the observations;(b)The regions with geomagnetic latitude >45°;(c)The regions with geomagnetic latitude between 20° and 45°;(d)The regions near the geomagnetic equator;(e)The regions with geomagnetic latitude between -20° and -45°;(f)The regions with geomagnetic latitude <-45°.

3.5 隨季節變化

已有文獻對不規則結構季節規律的研究主要集中在赤道地區日落后到午夜前時段，相對而言對中緯區不規則結構研究內容極少，可參考文獻也較少.從本文2019和2020連續兩年夜間檢測結果的季節變化規律分析，無論全部數據，還是不同緯度區數據，午夜后不規則結構都呈現了隨季節的規則變化，而且這種變化規律明顯與太陽直射位置有關.具體表現：兩半球較高緯度及中緯區都表現為夏季峰值的季節規律.這兩個區比較，較高緯度區夏季峰值比中緯區延續更長時間，即較高緯度區夏季峰值開始時間早于而結束時間晚于中緯區峰值時段；然后逐漸過渡到赤道區夏冬季兩個峰值、春秋季兩個谷值的季節變化規律.另外，北半球夏季峰值向秋季延伸，南半球冬季峰值向春季延伸很明顯，本文赤道區不規則結構表現的夏冬季峰值、春秋季谷值的季節變化規律與以往研究中得到的春秋季峰值、夏冬季谷值的季節規律(Aarons,1982;Huang et al.,2002;Burke et al.,2004a,b;Hei et al.,2005;Gentile et al.,2006;Nishioka et al.,2008;Su et al.,2008;Kil et al.,2009;Brahmanandam et al.,2012;Carter et al.,2013)完全相反.如何解釋這種截然相反的季節變化規律？

首先，如前文所述，以往研究數據主要集中于日落后到午夜前時段，其季節變化規律主要表現為春秋季峰值，午夜后不規則結構是否繼續延續午夜前的季節變化規律，現有研究內容尚不足以回答這個問題.雖然現有研究有些內容覆蓋所有地方時(Carter et al.,2013;Yu et al.,2017)，但這種情況下對某個時段不規則結構季節變化的詳細信息更少.因為午夜前有更多不規則結構產生，對所有地方時綜合所得結果主要反映的是午夜前不規則結構的季節變化規律.其次，本文所用數據集中在太陽活動低年，雖然已有研究結果表明無論太陽活動高年還是低年，赤道區午夜前電離層不規則結構都是春秋季峰值(Huang et al.,2002;Gentile et al.,2006)，但午夜后是否能延續這種規律不得而知.根據DasGupta等(1981)對靠近赤道異常北峰區單臺地基觀測數據的研究結果：太陽活動低年時，夜間(包括午夜后)不規則結構僅出現在夏季及秋季部分時間；太陽活動高年時所有季節都有不規則結構出現，表現為春秋季大于夏冬季，即不規則結構的季節規律表現為由太陽活動低年的年周期規律逐漸過渡到太陽活動高年時的半年周期規律.另外，對ZH-1衛星原位電子密度數據的分析結果顯示：太陽活動低年時會出現一些特殊空間氣候現象，如夜間冬季異常現象(王秀英等，2021;Wang et al.,2021b)，類似于白天數據在太陽活動高年時的冬季異常現象(即冬季電子密度大于夏季).所以太陽活動水平較低時會有一些截然不同于活動水平較高時的規律，這種情況可能也會發生在電離層不規則結構季節規律的改變上.真實情況是否如此，還有待產出更多數據后繼續進行更深入的研究.

根據太陽直射位置，對午夜后不規則結構的夏冬季峰值的季節規律給出一種解釋.北/南半球夏季時，太陽直射北/南半球，較高緯度區白天時間較長，日落時間相應延后，日落后不規則結構增多的時段可以一直延續到午夜后，所以兩個半球較高緯度區都有很長的夏季高峰時段.同理，這個解釋也適用于兩半球中緯區，但是相比于較高緯度區，中緯區只能在夏/冬至前后才會日落較晚，相應夏季峰值的持續時段比較高緯度區縮短.對于赤道區，根據已有研究(Carter et al.,2013；Yu et al.,2017)，赤道電離層不規則結構最為嚴重的時段發生在日落及之后的2～3個小時，赤道區的季節規律主要是這個時段的規律總結.本文夜間觀測時段發生在02∶00LT前后，屬于不規則結構數量開始減少的時段.根據Yu等(2017)以海口為中心對2007—2013年COSMIC星座S4指數的研究結果，無論太陽活動低年還是高年，02∶00LT時段不規則結構發生率都處于下降過程中.由于不同季節日落后不規則結構出現峰值的地方時有差異，春秋季峰值時間大致相當，夏季峰值時間晚于春秋季，冬季峰值時間最早，相應冬季峰值開始減少的時間也會比較早，其次為春秋季，最后為夏季，這種情況會導致午夜后不規則結構出現夏冬季峰值.另外，根據Su等(2006)對ROCSAT衛星原位數據的分析結果：太陽活動水平較高時，所有季節的不規則結構數量快速上升，21∶00—22∶00LT達到高峰，之后逐漸下降；與此不同的是，在太陽活動水平較低時夏季不規則結構的數量上升較緩慢，有一個比較寬的峰值區可一直延續到午夜后，這種情況也會導致午夜后不規則結構出現夏冬季峰值的季節變化規律.另外，由于夏季太陽直射對電離層影響具有滯后效應，所以北半球夏季峰值向秋季延伸，而南半球夏季峰值則向春季延伸.

最后，Dao等(2011)利用C/NOFS衛星原位觀測數據研究后認為：太陽活動高年時，不規則結構可以升到更高的高度，所以消失得早；但在太陽活動低年時，不規則結構可以整晚都存在.他們的研究結果表明太陽活動會影響到午夜后頂部電離層不規則結構的季節變化規律，所以關于這個主題的研究待收集更多數據后還需要更深入的研究.

3.6 隨空間變化

除明顯的季節規律外，ZH-1衛星原位數據得到的不規則結構也呈現了明顯的空間分布規律.

首先，不規則結構與地磁緯度密切相關，沿地磁緯度出現磁赤道、中緯區以及較高緯度區5個不規則結構的峰值區.以往研究認為不規則結構主要集中在赤道和極區，本文結果對此有不同認識，除赤道和極區外，中緯區太陽活動低年午夜后頂部電離層仍有一定數量的不規則結構存在.赤道附近的不規則結構沿磁緯近似呈正態分布，這種空間分布形態與利用AE-E衛星以及Alouette 1衛星數據的結果一致(McClure et al.,1977;Kil and Heelis,1998)，表明從總體上午夜前和午夜后不規則結構在空間分布上具有延續性，而且本文結果在赤道區的分布與之前研究結果基本一致，也表明向更高緯度延伸所得結果具有可信性.Su等(2006)利用ROCSAT衛星(觀測高度約600 km，范圍為南北地理緯度35°)原位等離子數據的研究結果，也發現中緯區有不規則結構存在.他們認為：赤道附近不規則結構隨太陽活動增強而增加，但中緯區不規則結構可能主要發生在太陽活動水平較低的時間.本文研究數據正好處于太陽活動低年，根據圖4和圖5，中緯區在2019年存在一個小的峰值，而2020年數據受10月份太陽活動增強影響，北半球中緯區的峰值變得不明顯，太陽活動在增強初期未對北半球(冬季半球)不規則結構產生明顯影響.所以，本文結果支持Su等(2006)對不規則結構在空間分布上的推測，但3.3節對不規則結構形態分析結果不支持他們的“中緯區不規則結構是赤道區不規則結構在中緯區殘留”的說法.具體情況如何，有待收集更多數據后的分析和研究才能確定.

其次，不規則結構的經度分布隨磁緯也呈現了規則的空間演化規律.從兩半球較高緯度區不規則結構主要集中在各自地磁極所在經度區的2波結構，到南北半球中緯區相位和數量相反變化的2波結構，逐漸過渡到赤道區的4波結構.這種空間分布的演化規律具有重復性，說明規律真實存在.根據空間演化規律，可進一步推測：赤道區4波結構可能由兩個半球不同形態的2波結構疊加而形成.關于不同緯度區不規則結構的空間演化規律，沒有可以參考的文獻，以下主要分析赤道區不規則結構的經度分布與之前研究結果的異同.

赤道區不規則結構沿地理經度分布大致上與之前研究結果一致，即東太平洋到南美洲以及非洲區屬于不規則結構較多的經度區；與之前研究結果不同之處在于大西洋經度區，圖3中2019年數據顯示這里的不規則結構較少，所以赤道區不規則結構的經度分布呈現為“東太平洋和非洲區為峰值，加在其間的亞洲和大西洋區為谷值”的4波結構.Li等(2007)利用ROCSAT和DMSP衛星原位數據的研究結果認為：非洲和大西洋經度區的不規則結構在夏季達到峰值，與2.3節圖10結果一致.Kil和Heelis(1998)利用AE-E衛星原位數據的研究結果認為：大西洋-非洲所在經度區不規則結構數量最多，印度區最少；另外，Huang(2002)和Burke等(2004a，b)利用DMSP衛星數據以及Su等(2006)利用ROCSAT衛星數據的結果都認為：美洲到大西洋以及非洲區不規則結構最多.同這些研究結果相比，除大西洋外，本文數據在空間分布上基本與他們的結果一致，說明午夜前后電離層不規則結構在空間分布上具有延續性.但同時也應注意，Dao等(2011)利用C/NOFS衛星在太陽活動低年的數據也得到不規則結構沿經度分布的4波結構，他們推測：導致這種空間分布的控制因素不同于之前研究結果所支持的形成機制(Tsunoda,1985)，需要不同成因機制來解釋；Burke等(2009)則認為：由于夜間赤道區電離層4波結構的分布受大氣潮汐控制，反映電離層不規則結構的S4指數相應也會受到大氣潮汐的控制和影響而呈4波結構.分析ZH-1衛星2019年夜間電子密度逐月全球分布，發現赤道附近的4波結構4—9月在大西洋經度區屬于波谷區，而同時段東太平洋區、非洲區屬于波峰區，與圖3中不規則結構密集、稀疏分布的區域正好對應.這種空間分布支持Burke等(2009)對赤道區不規則結構沿經度分布的推測.

與赤道附近大西洋經度區不規則結構缺失相對應，在偏離赤道區的北大西洋中緯區出現一個不規則結構集中區.對這個區域軌道數據進一步核實，不規則結構出現的位置偏離赤道較遠，北大西洋事件集中區真實存在.3.4節給出了這個區域不規則結構的典型形態，主要表現為電子密度觀測數據變化比較劇烈，與赤道區的不規則結構形態上有差異.根據Ko和Yeh(2010)利用COSMIC數據對南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly，SAA)不規則結構的研究，他們認為：SAA區以及與SAA區對應的共軛區不規則結構比較集中，這個共軛區正好跟本文顯示的北大西洋不規則結構集中區一致，由于SAA區的離子沉降會引起電離層的較大波動，繼而導致其共軛區也會產生比較明顯的擾動變化，出現不規則結構增多的情況.關于SAA區更進一步的討論已超出本文范圍，這里不再詳述.

4 總結

本文利用ZH-1衛星2019、2020連續兩年的原位電子密度觀測數據，對衛星在南北地理緯度65°觀測范圍之間的頂部電離層在午夜后沿衛星軌道的不規則結構進行了研究.對衛星飛行高度的不規則結構的時空分布特征可以歸納為以下幾點：

(1)不規則結構沿地磁緯度呈規律分布，其中地磁赤道、南北半球中緯區以及南北半球較高緯度區為不規則結構的峰值區，白天赤道異常峰值區為不規則結構的谷值區.

(2)不同緯度區不規則結構的地理經度分布呈現規律的空間演化過程，由南北半球較高緯度區峰值集中于各自地磁極所在經度區的2波結構，到南北半球中緯區相位和數量相反變化的2波結構，逐漸過渡到赤道區的4波結構.

(3)不同緯度區不規則結構的季節變化也呈現規律的空間演化過程，較高緯度區為當地夏季峰值，中緯區仍為夏季峰值，但持續時間縮短，到赤道區最終演變為夏冬季兩個峰值、春秋季兩個谷值的季節變化規律.

(4)赤道區，除季節變化規律與以往研究結果不同外，大西洋經度區的不規則結構較少，與以往研究結果也有差異.赤道區不規則結構沿經度分布呈現4波結構，與夜間電離層背景的4波結構分布一致.

(5)北大西洋中緯區有一個不規則結構集中的區域，與南大西洋異常區共軛，該區事件大都發生在北半球夏季，推測這里較多的不規則結構與SAA區有關.該區不規則結構較多與大西洋在赤道區不規則結構較少形成對比.

ZH-1衛星獨特的觀測地方時，為研究午夜后頂部電離層的不規則結構提供了一個很好的數據集.午夜后不規則結構在空間分布以及季節變化等方面既展現了與以往研究結果一致的一面，同時也呈現出了不同以往的時空變化規律，太陽活動水平和地方時可能會影響不規則結構的時空分布規律.對檢測結果分析后，仍有一些問題沒有得到解決，我們期望在積累更多觀測數據后可以繼續對這個主題進行更深入的研究.

致謝感謝審稿人的意見和建議，使本文得以完善.本工作使用了中國國家航天局和中國地震局支持的張衡一號的觀測數據.本文使用的Dst指數數據從http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp下載，F10.7指數數據從ftp:∥ftp.swpc.noaa.gov/pub/indices/old_indices/下載.