0 引言

太阳表面发生耀斑、日冕物质抛射事件等剧烈活动时会引发地磁暴。太阳风压缩磁层顶，大量高能粒子由极区和高纬注入，通过焦耳加热影响大气环流，引起大气中性成分和风场的扰动，引发电离层暴(Buonsanto，1999)。电离层暴期间的电离层变化可能导致无线电信号闪烁、卫星信号中断或失锁等，进而对导航和通讯等产生严重影响。因此对磁暴期间不同纬度、不同区域的电离层响应及其特性进行研究具有重要的意义。

通常认为，磁暴期间不同纬度地区的电离层分别受到扰动发电机电场、快速穿透电场、中性风场和中性成分扰动等物理机制不同权重的影响(Blanc et al，1980；Lin et al，2005；Lu et al，2008；Zhao et al，2008；Balan et al，2010)。同时，电离层对不同磁暴事件的响应也随磁暴发生季节、地方时、持续时间和行星际磁场参量等的变化而各有差异。在不同磁暴以及磁暴不同阶段，电离层的特征具有多样性变化，不同电离层暴常常显著偏离其平均统计形态。对同一磁暴，不同地区上空的电离层也往往体现出不同的复杂特征。虽然个例研究、特别是大磁暴期间的电离层变化及其机制研究一直以来是电离层暴研究的主要方式，但如上所述，磁暴期间的电离层变化是诸多因素综合作用的结果，针对单一事件的研究往往很难排除电离层常规变化(如日变化、季节变化等)及诸多偶发因素的影响。因此，对具有一定程度相似性的2个或多个磁暴的对比研究有助于突出其共性和差异，从而排除其他因素的干扰，而着重突出电离层对磁暴引发的各种物理因素的变化的响应，有助于揭示电离层对磁暴响应的一般规律。

在第24太阳活动周，2013年3月和2015年3月分别爆发了强度不同但发生月份和地方时极为相近的2次磁暴。2次磁暴分别对不同地区上空的电离层造成了不同程度的影响，引起了国内外空间物理研究学者的广泛关注。如针对2013年3月的磁暴事件，Ferdousi等(2019)对磁暴期间亚极光区中性风场在热层与电离层耦合中的驱动作用进行了分析研究，Yue等(2016)着重研究了磁暴恢复相期间全球中低纬地区的电离层响应，Tang等(2016)主要关注磁暴期间的大尺度行进式扰动；针对2015年3月的磁暴事件，Sripathi等(2015)分析了印度地区的电离层响应，Kuai等(2016)对扰动发电机电场分别在美洲扇区和亚洲-澳大利亚扇区的作用进行了对比分析，Liu等(2016)着重对暴时密度增强剖面做了研究。

然而，针对2次磁暴在中国地区大尺度空间范围的电离层变化特性观测研究均较少，一是由于传统的电离层观测手段如电离层测高仪、VHF(Very High Frequency，甚高频)雷达等，由于体积庞大因而站点稀少，无法形成大空间范围的覆盖；二是在发生强负相暴时，电离层测高仪可能接收不到电离层F₂层回波，无法准确估计电离层参量。中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)的建成为在大尺度空间范围内监测我国上空电离层的时空变化特性提供了数据支撑(李强等，2012)。利用陆态网络的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)观测数据可反演得到的电离层TEC(Total Electron Content，电子浓度总含量)，其观测稳定，时间分辨率高，多站点的联合探测可覆盖中国大部分地区，对研究中国地区电离层时空变化特性具有明显优势。本文综合利用陆态网络260余个基准站点的GNSS TEC观测数据，结合其他种类仪器的观测，对分别发生于2013年3月和2015年3月的2次磁暴期间中国地区的电离层时空变化特性进行分析，并对磁暴引发中国地区电离层变化特性的有关物理机制进行探讨。

1 设备和数据

GNSS观测数据来自陆态网络约260个连续观测的基准站，采用李强等(2012)给出的站点分布，大部分站点的观测设备兼容GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、GLONASS(Global Navigation Satellite System of Russia，俄罗斯全球卫星导航系统)和Galileo(欧洲伽利略卫星导航系统)多个卫星系统。本文采用陆态网络各站接收机采集到的所有卫星观测数据。原始观测数据转化为国际通用格式RINEX后，再经相位平滑伪距观测量计算得到卫星与接收机链路上的斜TEC，在消除卫星与接收机的硬件延迟偏差后，根据电离层薄壳模型(取F层典型高度300km)，利用卫星仰角和方位角等信息计算得到典型高度穿透点上的垂直TEC(熊波等，2014、2019)，数据时间分辨率为30s。TEC变化率指数(ROTI，Rate of TEC Index)基于TEC变化率(ROT, Rate of TEC)的标准差计算得到(Pi et al，1997)，时间分辨率为5min。根据穿透点经纬度将垂直TEC和ROTI数据投影到二维地图，可分别得到二维TEC地图和二维ROTI地图。基于TEC地图和ROTI地图，可分别研究地图区域上空TEC和电离层F层不均匀体的时空变化特征(Li et al，2009；李强等，2012；熊波等，2014)。

电离层F₂层临界频率f_oF₂数据分别由中国科学院地质与地球物理研究所在漠河(53.5°N，122.3°E)、北京(40.3°N，116.2°E)、武汉(30.5°N，114.4°E)、邵阳(26.9°N，111.5° E)和三亚(18.4°N，109.6°E)5个台站的电离层测高仪测得，其中漠河、北京、武汉和三亚的电离层测高仪型号为DPS4D，邵阳电离层测高仪为中国科学院地质与地球物理研究所联合中南民族大学自主研发的PDI(Lan et al，2018)。f_oF₂由经过人工标定(利用SAO Explorer软件)的频高图提取得到，时间分辨率为15min。电离层不均匀体相干散射回波数据由中国科学院地质与地球物理研究所三亚观测站的VHF雷达测得，雷达采用2×12五单元八木天线阵列，峰值发射功率24kW，工作频率47.5MHz，可得到电离层E区、谷区和F区3m尺度不均匀体相干散射回波(Li et al，2011；宁百齐等，2013)。在本文研究的2次磁暴期间，雷达在夜间工作于电离层F区探测模式，视线距离探测范围为80~800km，距离分辨率2.5km，时间分辨率5min。

行星际磁场(IMF)分量Bz、太阳风速度、动压为ACE卫星数据，从OMNI数据库下载^①，其时间分辨率均为1min；K_p指数和SYM-H数据来自世界数据中心WDC-2 ^②，SYM-H时间分辨率为1min。

① http://omniweb.gsfc.nasa.gov/

② http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html

2 观测结果 2.1 暴时行星际条件

图 1给出了2013年3月16~19日和2015年3月16~19日行星际参量和地磁参量的变化。2015年3月16日，太阳风活动及地磁环境较为平静，3月17日04: 50世界时(UT，北京地方时LT≈UT+8)，太阳风速度和动压突增，引发磁暴急始(SSC)。3月17日06: 00 UT，IMF Bz由北向转为南向，之后在南北向之间振动，直至07: 30 UT，稳定在南向。磁暴主相持续至3月17日23: 00 UT，恢复相持续2~3天。在磁暴主相及恢复相期间，太阳风持续600km/s左右的高速。3月17日磁暴主相期间，IMF Bz于10: 00 UT由南向翻转为北向，并持续至12: 00 UT，在此期间，SYM-H具有上升趋势，之后12: 00 UT左右伴随着IMF Bz再次转为南向，SYM-H继续下降，并在3月17日23: 00 UT左右达到最低值-233nT，K_p指数最大达到8-。2013年3月16~19日，磁暴的SSC、主相和恢复相的开始和结束时间与2015年3月16~19日相近。几个主要不同点：①2013年3月磁暴SSC时间(06: 00 UT)稍晚于2015年3月磁暴，主相结束时间(20: 15 UT)稍早于2015年3月磁暴，主相持续时间更短；②2013年3月磁暴IMF Bz的南北向最大幅度小于2015年3月磁暴，SYM-H最小值达到-132nT，K_p指数最大值达到6+，磁暴强度弱于2015年3月磁暴；③2013年3月磁暴主相期间太阳风持续高压时间短于2015年3月磁暴，在12: 00 UT左右IMF Bz翻转为南向之后动压即维持低值，且对应的SYM-H在短暂回升之后的下降趋势极为缓慢。

2.2 暴时电离层主要参数变化

图 2和图 3分别给出了2013年3月17~19和2015年3月17~19漠河、北京、武汉、邵阳和三亚电离层f_oF₂的变化情况，其中磁静日f_oF₂数据为灰色虚线叠加在每日f_oF₂曲线(红色实线)上作为对比。以往对这2次磁暴的研究多选择3月16日为磁静日(Sripathi et al，2015；Kuai et al，2016；Liu et al，2016；Yue et al，2016)，因此，本文对于2次磁暴事件均选择3月16日为磁静日。由图 2可知，2013年3月磁暴期间，三亚在3月18日的磁暴恢复相期间，f_oF₂相比于磁静日有所增加，且持续了较长时间(大于18h)，其余台站仅观测到不同时段交替出现的f_oF₂小幅度增大或减小。另一个值得注意的现象是，3月17日磁暴主相期间的日落之后(12: 00 UT前后)，漠河、北京、武汉和邵阳f_oF₂均出现短暂的突然增加，其中邵阳增幅最大，而三亚并未出现此现象。由图 3可知，2015年3月17日磁暴SSC之后，各台站均发生了持续时间较短的f_oF₂增大，但发生时间有差异，三亚在磁暴主相期间的日落之后(12: 00 UT左右)发生短暂的f_oF₂突增，此现象在其余台站未发生或不明显，随后3月17日夜间与3月18日全天，各台站f_oF₂相比静日均显著减小，其中邵阳减幅最大，最大差值达到10MHz。五台站f_oF₂数据在磁暴期间均有不同程度的缺失，其中武汉数据缺失时长最长，为7h左右。

2013年3月和2015年3月2次磁暴期间f_oF₂观测结果及变化趋势主要有以下几点异同：①2015年3月磁暴期间不同纬度f_oF₂均显著减小；②2015年3月磁暴期间f_oF₂数据有不同程度的缺失，原因为磁暴导致电离层F₂层电子浓度过低，回波信噪比低，电离层测高仪无法接收到有效反射回波，此现象在2013年磁暴期间并未发生；③3月17日日落后(12: 00 UT)的f_oF₂短暂突增现象，2013年发生在除三亚外的其余台站，而2015年则主要发生在三亚。

f_oF₂数据主要展现了110°E~120°E经度链上不同纬度的电离层变化特性，为在更大空间范围内研究磁暴期间的电离层变化，图 4和图 5分别给出2013年3月16~19日和2015年3月16~19日每隔4h的中国地区TEC图。图 6给出了2013年3月17~18日和2015年3月17~18日分别相对于磁静日的差分TEC(DTEC)图。由图 4和图 6可知，2013年3月磁暴期间中国地区电离层TEC相比于磁静日变化不明显，仅在某些时刻体现为大范围的TEC小幅度增加(2013年3月17日12: 00 UT)和小幅度减小(2013年3月18日08: 00 UT)以及区域性的TEC增加(2013年3月18日04: 00 UT在100°E、20°N附近)。由图 5和图 6可知，2015年3月磁暴期间，中国地区电离层TEC在3月17日日落前后(08: 00~12: 00 UT)除赤道北驼峰地区TEC短暂减小外，其余大部分地区TEC相比磁静日均短暂增大，随后在3月18日电离层TEC相比于磁静日长时间大幅度减小，体现为强负相暴。另外，在2次磁暴恢复相期间(3月18日08: 00 UT)均观测到赤道北驼峰受到不同程度的抑制而发生南移，其中2013年3月磁暴期间南移范围较小，而2015年3月磁暴期间南移范围较大，已超出本文TEC图的观测范围。相比于电离层测高仪有限站点的有限观测范围，陆态网络TEC观测较好地展现了2次磁暴期间中国地区大空间范围的电离层变化。

2.3 暴时电离层不均匀体观测

相关研究发现，磁暴期间低纬电离层受到暴时穿透电场或扰动发电机电场的影响，会促进或者抑制电离层F层不均匀体的产生(Li et al，2009、2010；Abdu，2012；胡连欢等，2013)。图 7给出了低纬三亚VHF雷达2013年3月16~19日和2015年3月16~19日10:00~20:00UT雷达回波的距离-时间-强度图，如图所示在2013年3月18日磁暴恢复相期间(14: 00 UT左右)，三亚VHF雷达观测到了电离层F层不均匀体，而在磁暴前(3月16日)、磁暴主相(3月17日)和磁暴恢复相后期(3月19日)，雷达未观测到电离层F层不均匀体；2015年3月16日(磁暴发生前日)夜间雷达观测到2次电离层F层不均匀体，分别发生在12: 00~14: 00 UT和15: 00~16: 00 UT。磁暴期间(3月17~19日)未观测到电离层F层不均匀体。在三亚VHF雷达记录到电离层不均匀体回波时，三亚的测高仪也同时观测到了扩展F。

为研究2次磁暴期间更大空间范围内电离层F层不均匀体的发生情况，图 8和图 9分别给出了2013年和2015年3月16~19日14: 00~18: 00 UT的ROTI图，较大的ROTI值表示电离层F层不均匀体的发生。由图 8可知，2013年3月18日夜间，在110°E附近，20°N~30° N之间的区域探测到电离层F层不均匀体由西往东漂移，在14: 00~15: 00 UT之间出现在三亚上空，与三亚VHF雷达探测得到的电离层F层不均匀体回波时间较为一致。2013年3月16~17日和3月19日中国地区未探测到电离层F层不均匀体，但3月16日和3月19日夜间在20°N以南的东南亚地区ROTI图似乎记录到电离层F层不均匀体产生。由图 9可知，2015年3月16日夜间，在100°E~120°E、10°N~30°N之间的区域先后探测到2团电离层F层不均匀体由西向东漂移，分别在14: 00 UT之前和15: 00 UT左右经过三亚上空，与三亚VHF雷达探测到的2次电离层F层不均匀体回波时间一致；3月17日和3月19日夜间，ROTI图分别在80°E~90°E、25°N~35°N和100°E~110°E、1°N~30°N之间的区域记录到电离层F层不均匀体，但不均匀体未经过三亚VHF雷达上空，因此雷达未探测到不均匀体的发生；3月18日夜间，中国地区未探测到电离层F层不均匀体的发生。

3 电离层暴和不均匀体机制分析

磁暴期间电离层特性的变化会受到风场、电场以及中性成分扰动的影响。一般认为，东向快速穿透电场和/或赤道向中性风会导致电离层正相暴的发生(Kelley et al，2004；Lin et al，2005；Lu et al，2008；Balan et al，2010；Zhao et al，2012)，而西向扰动发电机电场和/或中性成分扰动会导致电离层负相暴的发生(Abdu，1997；Astafyeva et al，2015；Fagundes et al，2016；Kuai et al，2016；Yue et al，2016)。

对于2013年3月和2015年3月的2次磁暴，不同地区的电离层响应体现出显著差异。如Yue等(2016)利用地基观测优化电离层同化模式的结果发现，2013年3月磁暴期间的电离层响应除在不同经度区各不相同，在南北半球也具有明显的不对称性；Nava等(2016)发现在2015年3月磁暴期间，美洲扇区主要体现为强电离层正相暴，而亚洲-澳大利亚扇区主要体现为强电离层负相暴。不同经度区对同一磁暴电离层响应的差异主要源于磁暴不同阶段对应的地方时差异，而不同纬度区的差异则主要因为不同物理机制在不同纬度的权重不同。虽然这2次磁暴发生的季节和地方时具有高度相似性，但如本文所示，在中国地区的电离层响应却体现出很大不同。如2015年3月磁暴期间，中国地区不同纬度电离层变化均以强负相暴为主，而2013年3月磁暴期间中国地区电离层变化较弱或不明显。孙文杰等(2017)利用110° E~120° E经度链上的观测仪器发现，2015年3月磁暴期间该经度区的强电离层负相暴主要源于强西向扰动发电机电场和成分扰动共同作用，在夜间还可能受赤道向中性风对等离子体沿磁力线向高纬扩散的抑制作用；Nava等(2016)认为，2015年3月亚洲-澳大利亚扇区的强电离层负相暴与磁暴主相发生在该扇区地方时夜间有关，也与磁暴恢复相期间的持续能量注入密不可分。由图 1可知，2015年3月18日磁暴恢复相期间，太阳风仍持续高速，表示此时仍有大量高能粒子由极区注入，地磁K_p指数仍维持在5左右，表示地球磁场仍然处于扰动状态；而2013年3月的磁暴期间，行星际参量与地磁场指数均弱于2015年同时段，磁暴期间能量注入较少，太阳风高压持续时间较短，磁暴恢复相期间地磁指数已恢复平静状态，因此中国地区未观测到强电离层负相暴，一些区域性的电离层TEC变化(如2013年3月18日04: 00 UT在100°E、20°N附近的TEC短暂增加)可能与局地电场变化有关(如区域性附加的东向电场)。磁暴期间的电离层负相暴效应和赤道北驼峰的南移则可能是白天南向IMF Bz导致的西向扰动发电机电场抑制喷泉效应所致。而2015年3月磁暴期间的电离层负相暴强度明显强于2013年3月磁暴，且赤道北驼峰的南移范围也明显大于2013年3月磁暴，其原因是2015年3月磁暴期间的南向IMF Bz更强，导致的西向扰动发电机电场更强。

另一个值得注意的现象是2次磁暴期间f_oF₂均在3月17日12: 00 UT左右短暂增大(图 2、图 3)，2013年发生在邵阳及以北的台站，且增加幅度向北依次减弱，而2015年主要发生在三亚。Sripathi等(2015)认为，日落后低纬的电子浓度突增是由于东向快速穿透电场与日落翻转增强效果叠加所致。2015年3月17日12: 00 UT左右IMF Bz发生突然南向翻转，可能导致了东向快速穿透电场的产生。而2013年3月17日12: 00 UT左右IMF Bz南向翻转的强度较弱，附加的东向快速穿透电场未渗透到低纬地区，因此三亚站未观测到f_oF₂增加，而邵阳及以北台站的f_oF₂短暂增加可能是赤道向中性风场的作用所致(Lin et al，2005；Lu et al，2008；Balan et al，2010)。

以往的研究表明，磁暴期间的快速穿透电场在地方时日落至午夜前倾向于触发电离层F层不均匀体，而在午夜后至日出前倾向于抑制电离层F层不均匀体的发生，扰动发电机电场在日落后至午夜前倾向于抑制电离层F层不均匀体，而在午夜后至日落前倾向于触发电离层F层不均匀体(Abdu，2012)。在2013年3月和2015年3月的磁暴恢复相期间，中国地区分别观测到和未观测到电离层F层不均匀体。图 8所示2013年3月16日和3月19日午夜前，在较低纬度的东南亚地区，仍有电离层F层不均匀体的产生，但未扩展到更高的纬度或漂移到中国地区，而2013年3月18日午夜前110°E附近的电离层F层不均匀体则扩展到30°N。早期观测发现，磁暴期间东向快速穿透电场会促进瑞利-泰勒不稳定性并将赤道F层等离子体抬升到更高的高度，因此触发的赤道F层不均匀体可沿磁力线映射到更高的纬度(Ma et al，2006；Li et al，2010、2018；Aa et al，2018)。2015年3月18日夜间，西向扰动发电机电场占主导地位，抑制了F层的抬升，削弱了瑞利-泰勒不稳定性，不利于低纬赤道地区日落期间F层不均匀体发生。

另外，2015年3月17日夜间ROTI图在80°E~90°E、25°N~35°N记录到电离层F层不均匀体(图 9)，Sripathi等(2015)在印度地区80°E附近、8.7°N~26.8°N范围内的多个站点也同时观测到电离层F层不均匀体，与本文观测结果相互印证并在空间上形成互补。而此区域在磁暴前后并未观测到电离层F层不均匀体的产生，Sripathi等(2015)认为，12: 00 UT左右的IMF Bz南向翻转导致的快速穿透电场与日落翻转增强共同触发了磁暴主相期间电离层F层不均匀体的产生。

4 总结

本文利用陆态网络GNSS电离层TEC在中国及周边地区的观测数据，结合电离层测高仪和VHF雷达观测，对2013年3月和2015年3月的2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了分析，得到以下结论：

(1) 2013年3月磁暴期间，中国地区电离层变化较弱或不明显；2015年3月磁暴期间，中国地区电离层变化主要体现为长时间的强负相暴。2次磁暴期间不同的电离层响应主要是由于不同的磁暴强度和不同的能量输入。

(2) 2013年3月和2015年3月磁暴恢复相期间，在中国及周边低纬地区分别观测到和未观测到电离层F层不均匀体；2015年3月磁暴主相期间中国西南部地区(80°E附近)电离层F层不均匀体被促进。2次磁暴期间，不同的暴时电场可能影响(增强/抑制)了电离层F层不均匀体的产生过程。

(3) 陆态网络GNSS电离层TEC数据给出了不同强度磁暴期间中国地区的电离层变化特性，其高空间覆盖率和高时间分辨率在对较大范围电离层时空变化研究方面具有明显优势。

致谢: 本文GNSS电离层TEC数据来自中国大陆构造环境监测网络，部分数据来自国家地球系统共享平台中国地球物理数据中心和国家重大科技基础设施子午工程项目，在此表示感谢。