2001 號臺風“黃蜂”路徑電離層TEC 異常分析

吳夢瑤，張瑞鵬

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院測繪與檢測學院，陜西 渭南 714000；2.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院土木工程學院，西安 710000）

電離層與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是被部分電離的地球大氣，也是人類賴以生存的地球環(huán)境中的重要組份。全球垂直總電子含量（Vertical Total Electron Content，VTEC），常常被用來描述電離層形態(tài)和表征電離層的變化[1]。電離層的狀態(tài)受到多種因素的影響和制約，如太陽輻射、地磁風暴等均可導致電離層出現(xiàn)不規(guī)則的擾動[2]。然而，研究者們漸漸發(fā)現(xiàn)，在排除空間環(huán)境的影響外，仍有一部分電離層異常不能夠被清楚合理地解釋。二十世紀五十年代，文獻[3]首次發(fā)現(xiàn)了臺風過程會對電離層的狀態(tài)產(chǎn)生不可忽視的影響。文獻[4]又率先提出中低層大氣通過聲重力波影響電離層的理論。自此，電離層與中、低層大氣氣象活動之間的影響機制越來越受到更多學者的關(guān)注。文獻[5]提出了低層大氣的氣象活動主要通過大氣波動的動力學過程來產(chǎn)生電離層形態(tài)變化的相關(guān)理論。研究者們采用不同的數(shù)據(jù)，就眾多臺風事件中發(fā)生的電離層擾動進行了廣泛討論。文獻[6—10]利用電離層多普勒資料、文獻[11]利用GPS 臺站的觀測資料、文獻[12]利用電離層頻高圖數(shù)據(jù)、文獻[13—14]采用總電子含量、文獻[15]采用電子密度數(shù)據(jù)，充分運用理論研究、實驗觀測、數(shù)值模擬等方法得出的大量結(jié)果也均證實臺風發(fā)生發(fā)展期間會導致電離層發(fā)生形擾。

臺風是發(fā)生在熱帶或副熱帶的一種非常強大且典型的天氣系統(tǒng)，從目前的研究情況來看，如若想清楚地描述臺風活動對電離層的影響機制，仍需進一步在分析臺風事件的基礎(chǔ)上探尋。本文采用國際GNSS 服務(wù)組織發(fā)布的全球垂直總電子含量數(shù)據(jù)，通過雙線性內(nèi)插獲得2020 年1 號強臺風“黃蜂”路徑特征點處電離層VTEC 數(shù)值，并通過滑動四分位距的方法加以處理并提取異常，分析臺風“黃蜂”發(fā)生前后路徑特征點區(qū)域的電離層總電子含量（Total Electron Content，TEC）異常時空分布特征。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的全球垂直總電子含量格網(wǎng)數(shù)據(jù)，由GNSS 服務(wù)（International GNSS Services，IGS）組織發(fā)布，數(shù)據(jù)空間分辨率為5°（經(jīng)線）×2.5°（緯線），時間分辨率為2 h；臺風事件選自中國氣象局熱帶氣旋資料中心[16]；采用赤道地磁指數(shù)Dst和全球地磁指數(shù)Kp表征地磁活動強度，數(shù)據(jù)來源于日本京都地磁數(shù)據(jù)中心[17]；采用太陽F10.7 射電通量來表征太陽活動強度，數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣局（NOAA）[18]。

2 電離層異常提取

臺風“黃蜂”于Coordinated Universal Time（世界協(xié)調(diào)時，以下簡稱UTC），2020 年5 月12 日21 時被命名，國際編號“2001”，于5 月13 日發(fā)展成為臺風，14日2 時向西西北方向推進并升格為強臺風，當日12 時15 分在菲律賓沿海登陸，登陸時中心最大風力為14級（45 m/s）的，最終在5 月16 日消失。由于電離層受到太陽輻射和地磁擾動的影響，在分析臺風發(fā)生期間的電離層異常時，需要綜合判斷這段時間內(nèi)空間天氣是否平靜。空間環(huán)境指數(shù)的活動水平見表1。選取2020年年積日119—138（2020 年4 月28 日—5 月17 日）共計20 d 的太陽及地磁活動水平數(shù)據(jù)變化情況，涵蓋了強臺風“黃蜂”發(fā)生前14 d、發(fā)生及消失后1 d 的全部時段。由圖1 可以看到，地磁指數(shù)Kp、赤道地磁指數(shù)Dst以及太陽射電通量F10.7 在整體研究時段內(nèi)均處于低活動水平，空間天氣保持相對平靜。

圖1 2020 年4 月28 日—5 月17 日F10.7、Dst、Kp 指數(shù)變化

表1 空間環(huán)境指數(shù)的活動水平

為更準確地表達臺風中心位置處電子濃度含量，本文以IGS 發(fā)布的數(shù)據(jù)為依托，采用雙線性插值的方法獲得任意一點的TEC 數(shù)值。為了彌補類似平均值法、中位數(shù)法等靜態(tài)探測方法在提取異常中存在的不足，劉正彥教授提出了動態(tài)探測四分位距法[17]，四分位距法（inter quartile rang，IQR）是目前分析電離層異常最常使用到的算法之一。具體來講，一個數(shù)列中的四分位數(shù)分別為下四分位數(shù)、中位數(shù)和上四分位數(shù)，這3個四分位數(shù)就把整個數(shù)列分成了4 個部分。以包含14項元素的數(shù)列為例，將元素按照從小到大的順序進行排列，為X1，X2，…，X14，則

其中：Q1表示在該數(shù)值以下的元素占總數(shù)的25%，Q2表示在該數(shù)值以下的元素占50%，Q3表示在該數(shù)值以下的元素占總數(shù)的75%。在統(tǒng)計學上IQR=1.34σ，即四分位距的期望值是標準差的1.34 倍，該方法探測閾值約為標準差的2 倍，異常檢驗的置信度為95%[18]。本文采用Q2=±1.5IQR作為TEC 是否出現(xiàn)異常的判定標準，即

本文選取的時間窗口為15 d，即取被分析日前14 d 無異常的電離層TEC 為背景值，對2020 年4月28 日—5 月17 日的臺風路徑參考點TEC 數(shù)據(jù)進行異常檢測，采用上式探測上下限，觀測值大于上界限UB視為出現(xiàn)正異常，小于下界限LB視為出現(xiàn)負異常。本文以臺風移動路徑過程中部分強度變化點及臺風中心風速最大點也是臺風登陸點為參考點，具體地理位置、時間、風速及強度信息見表2。

表2 臺風“黃蜂”路徑特征點數(shù)據(jù)

繪制5 個參考點在2020 年4 月28 日—5 月17日臺風中心電離層TEC 變化時間序列曲線，異常提取結(jié)果如圖2 所示，圖中橫坐標0 代表5 月12 日臺風起編日，3 條曲線從上往下分別代表上界限，臺風中心上空電子濃度總含量在研究時段內(nèi)的實際數(shù)值，下界限。

圖2 臺風“黃蜂”路徑參考點電離層TEC 異常變化曲線

總體來看，5 個參考點處電離層均出現(xiàn)了數(shù)值不等的負異常，最早在臺風形成前10 d（5 月2 日）就出現(xiàn)了擾動，但強度極其微弱。5 月5 日16：00—18：00UTC 間分別出現(xiàn)了數(shù)值為0.26 個TECU、0.39 個TECU、0.39 個TECU、0.67 個TECU、0.53 個TECU 的異常；8 日8：00—10：00UTC 分別出現(xiàn)了數(shù)值為0.13個TECU、0.53 個TECU、0.67 個TECU、0.53 個TECU、0.26 個TECU 和左右的異常，持續(xù)時間約2 h。臺風發(fā)生前一日（5 月11 日）的0：00—4：00UTC、發(fā)生當日（5月12 日）的2：00—4：00UTC 及后一日（5 月13 日）的2：00—4：00UTC TEC 負異常最為集中且幅度明顯，異常值均超過了1TECU，其中出現(xiàn)研究階段的峰值，數(shù)值達2.0 個TECU，持續(xù)時間長達4 h。有3 個參考點5月15 日的6：00—8：00UTC 出現(xiàn)了值為0.39 個TECU、0.78 個TECU、1.04 個TECU 的異常。除此之外，在5 月7 日、9 日、10 日部分參考點上空出現(xiàn)電離層的擾動情況，但數(shù)值較小基本保持在0.2 個TECU 左右，本文不將這些微小擾動作為臺風對電離層影響的依據(jù)。

綜上所述，電離層異常從臺風形成前10 d 就已經(jīng)出現(xiàn)但影響強度較小，隨著臺風發(fā)展的大部分時間有零散的異常出現(xiàn)，異常值集中出現(xiàn)在臺風形成當天及前后一天，具體時間在0：00—4：00 UTC 之間，數(shù)值較其他研究時段更大影響效果更強，且異常屬性均屬負異常，排除空間天氣的影響，可以確定該時段內(nèi)的電子總含量的劇烈變化與臺風“黃蜂”之間存在一定聯(lián)系。

3 結(jié)論

本文以2020 年太平洋臺風季首個被命名的風暴——2001 號強臺風“黃蜂”為例，采用國際GNSS 服務(wù)組織發(fā)布的全球垂直總電子含量數(shù)據(jù)，結(jié)合雙線性插值、四分位距和滑動時窗的方法，分析臺風路徑特征點及附近區(qū)域在臺風發(fā)生前后的電離層TEC 異常情況發(fā)現(xiàn)，取被分析日前14 d 無異常的電離層TEC 為背景值，對臺風路徑參考點TEC 數(shù)據(jù)根據(jù)上下限進行異常檢測，提取出與本次臺風可能有關(guān)的異常，分別在5月5 日、8 日、11 日、12 日及13 日的臺風路徑上空電離層發(fā)生擾動，在臺風發(fā)生前一日（5 月11）擾動最為明顯，峰值達2 個TECU。異常屬性均為負異常，異常主要發(fā)生時間段在0：00 UTC 至10：00 UTC 之間。

目前，臺風-電離層耦合關(guān)系并沒有得到明確的解釋，要清楚地了解臺風-電離層耦合機制解需要建立在大量統(tǒng)計事件的基礎(chǔ)上分析可能存在的規(guī)律，根據(jù)臺風發(fā)生前后電離層擾動信息的探測可對規(guī)律的探尋提供一定幫助并為今后的研究做鋪墊。