2023年11月4日至5日期间多步骤地空间风暴中的扰动特征：“电离层-热层”系统响应的比较研究

《Advances in Space Research》：Features of Disturbances During November 4-5, 2023, Multi-Step Geospace Storm: Comparative Study of the “Ionosphere-Thermosphere” System Response

本文通过多仪器综合分析2023年11月4-5日地磁 storms，揭示其级联演变特征。研究发现4日中等强度扰动（SYM-H≈-60nT）通过增加中性密度（+45%）进行热力学预热，导致5日强扰动（SYM-H≈-188nT）期间出现异常严重的GNSS信号损失（scintillation index>0.3），但电离层扰动相对较小。与2015年3月、2023年3月及2024年5月重大 storms对比，证实级联效应下电动力学与热力学过程耦合作用显著，传统地磁指数不足以评估实际影响，需结合中性风、O/N2比值等多参数进行综合预报。

　　

L.F. 切尔诺戈尔 | M.尤. 特卡琴科

V. N. 卡拉津 | 哈尔科夫国立大学，4斯沃博迪广场，哈尔科夫 61022，乌克兰

摘要

我们对2023年11月4日至5日的多阶段地磁暴进行了全面的多仪器分析，该事件的主阶段表现出级联式的演变特征。尽管被划分为两次独立的风暴（G2和G3），但我们的研究结果表明，这些扰动实际上是同一地磁空间风暴的连续阶段。通过使用OMNI提供的太阳风和IMF参数、基于GNSS的全球和区域TEC及GEC变化数据、SMU、SML和SME地磁活动指数、电离层闪烁指数以及Swarm卫星数据，我们研究了电离层-热层系统的耦合响应。分析显示，11月4日的中等强度扰动通过增加中性物质密度（+45%）对电离层和热层进行了预处理，使得系统对后续的扰动更加敏感。这导致了北欧地区强烈的电离层闪烁现象（${\sigma }_{\phi }>0.3$）和GNSS信号丢失。相比之下，11月5日的强风暴（SYM-H ≈ ?188 nT）主要表现为南半球热层O/N₂比例减少了四倍，从而在较少的闪烁相关影响下产生了持续较长的负TEC阶段。与2015年3月、2023年3月和2024年5月的超级风暴相比，2023年11月的事件具有独特的级联特性，其中电动力学驱动因素（PPEF、DDEF）之后是成分驱动过程。研究结果证实，仅依靠地磁指数不足以理解和预测风暴的影响，包括LEO卫星、全球GNSS网络、电离层探测仪和光学仪器在内的多参数监测是必要的。本研究的新颖之处在于首次证明了11月4日的中等强度扰动起到了“热预处理”作用，放大了11月5日的电离层-热层响应。我们发现，相对较弱的扰动可以由于电动力学过程导致最严重的GNSS中断，而较强的地磁扰动可能主要引发成分驱动效应，对信号传播的影响较小。这种矛盾行为凸显了热层成分（O/N₂比例）和中性风在风暴期间电离层动力学中的决定性作用。这些发现加深了我们对风暴期间电离层-热层耦合的理解，并强调了改进空间天气预报框架的必要性，以确保导航和通信系统的可靠性。

引言

近年来，人们对地磁空间和全球规模的风暴、空间天气变化及其对太空和地面技术系统运行的影响给予了越来越多的关注。这些问题在早期的研究中已有充分探讨（Campbell, 1980; Pirjola, 2001; Boteler, 2000, 2003, Chernogor, 2003, 2011, 2021, 2025a, 2025b, 2025c; Chernogor and Rozumenko, 2008）。现代技术越先进，它们以及我们的文明就越容易受到空间天气扰动的影响。

地磁风暴传统上被描述为一系列由< />_st或SYM-H指数随时间演变所追踪的阶段：先是一个突然的增加，然后迅速下降到最低值，最后恢复到风暴前的水平（Wanliss and Showalter, 2006; Turner et al., 2001; Bergin et al., 2023）。然而，许多风暴表现出更复杂的演变过程，其特征是多个连续的最小值。Kamide等人（1998）指出，大约67%的强烈风暴（D_st ≤ ?100 nT）遵循这种多阶段结构。Richardson和Zhang（2008）以及Gonzalez等人（1998, 1999）进一步强调，仅基于< />_st、Bz或Ey的分类过于简化了太阳-磁层-电离层-热层系统内的实际动态，需要采用多仪器方法进行准确解释。

2023年11月4日至5日的事件就是一个多阶段风暴的典型例子。在文献中，它经常被划分为两次独立的G2和G3强度风暴（Agyei-Yeboah et al., 2025）。然而，本文和其他研究（Smirnov et al., 2025）对行星际和地磁参数的分析表明，这次风暴的主阶段呈现出级联式演变。11月4日的中等强度扰动通过“热预处理”使电离层和热层对11月5日的强烈扰动更加敏感，并放大了后续响应。

值得注意的是，11月4日的较弱扰动对基于卫星的系统的可用性和可靠性造成的影响比11月5日的较强扰动更为严重。

与其他近年来的重大风暴进行比较分析，突显了这次事件的独特性。2015年3月的圣帕特里克风暴期间，由于热层成分的变化，观测到TEC相位从正变为负的快速转变（Astafyeva et al., 2015）。2023年3月的风暴表现为半球不对称的O/N₂响应，这种响应在不同经度区域有所不同（Younas et al., 2024）。2024年5月的超级风暴产生了极端的SYM-H值（≈ ?518 nT），热层密度翻倍，GEC（全球电子含量）减少了40%（Wu, Zakharenkova et al., 2025）。尽管整体强度较低，2023年11月的风暴仍产生了类似的后果，这归因于其多阶段性质和物理过程的级联激活。

对这些事件的研究具有基础性和应用性意义。从基础角度来看，它们提供了对太阳-行星际介质-磁层-电离层-大气-地球系统内部相互作用以及这一耦合环境中电动力学、流体动力学、热力学和化学过程之间联系的更深入理解。

本研究对2023年11月4日至5日的多阶段地磁暴进行了全面分析，研究了其行星际驱动因素、全球和区域范围内的TEC和GEC变化、电离层闪烁以及热层参数。特别关注了与2015年3月和2023年3月的风暴以及2024年5月超级风暴的比较，从而识别出共同模式和2023年11月事件扰动级联演变的独特特征。

论文的结构如下。数据与方法部分概述了研究中使用的数据来源、分析的参数列表及其描述，以及数据处理和分析技术。空间天气条件部分描述了观测期间的空间天气参数，包括风暴前的两个平静控制日、风暴初期和主要阶段的两个日子，以及参数逐渐恢复到风暴前水平的两个后续日子。结果部分展示了测量结果及其详细解释。具体来说，我们分析了2023年11月2日至8日的空间天气条件，随后检查了GEC、SME、SMU和SML指数时间序列，作为电离层和磁层响应的通用描述符。还研究了振幅和相位电离层闪烁指数地图，以及来自近地轨道卫星观测的电离层和热层响应。讨论部分将这次风暴期间的电离层和磁层响应与2024年5月的超级风暴、2015年3月的圣帕特里克风暴和2023年3月的风暴进行了比较。最后，结论部分总结了主要发现，并强调了通过改进物理模型来提高电离层和磁层状态预报和诊断的重要性。

数据与方法

为了分析2023年11月4日至5日的多阶段地磁暴，我们使用了描述太阳-行星际介质-磁层-电离层-大气-地球（SIMIAE）系统的各种参数。所有数据均来自公开来源，时间跨度为2023年11月2日00:00 UT至11月9日00:00 UT，包括两个平静控制日、风暴活跃期的两天以及恢复期的两天。

行星际和地磁参数

太阳风

空间天气条件

在本研究中，首先概述了分析期间的空间天气条件。图1展示了空间天气参数的图表，以便清晰简洁地呈现相关信息。

直到11月4日中午，太阳风粒子的密度没有超过5×10??m?³。11月4日下午和整个11月5日，该密度分别上升到了50×10??m?³和42×10??m?³。

11月4日

全球电子含量

在分析电离层对个别扰动的响应之前，有必要考虑其对整体空间天气参数变化的反应。为此引入了全球电子含量（GEC）这一参数，以表征电离层的整体行为。图3展示了2023年11月2日至8日期间GEC的时间演变，以及描述磁层状态的参数

2023年11月4日至5日地磁风暴的分类

分析2023年11月4日至5日地磁扰动的一个关键问题是其分类。虽然Agyei-Yeboah等人（2025）将这次扰动分为两次独立的风暴——一次始于11月4日大约13:00的G2风暴和一次始于11月5日大约09:00的G3风暴——但我们的分析（与Kamide等人（1998）、Gonzales等人（1999）和Richardson与Zhang（2008）的解释一致）表明，这种划分过于简化了实际动态。

结论

2023年11月4日至5日地磁风暴分析的主要结果可以总结如下：

1.

多阶段结构。 该事件表现出多阶段特征。11月4日的中等强度扰动（SYM-H ≈ ?60 nT）和11月5日的较强扰动（SYM-H ≈ ?188 nT）并非独立的风暴，而是同一风暴主阶段的连续阶段。这一点通过< />和< />分量的同步极值以及< />_st指数的峰值得到了证实

未引用的参考文献

Afraimovich et al., 2009, Boteler et al., 1998, De Abreu et al., 2010, Du et al., 2025, Gomez Socola et al., 2025, Gonzalez et al., 1999, Hofmann-Wellenhof et al., 1992, Jin and Song, 2023, Kumar and Kumar, 2019, Wu et al., 2025, Yenen et al., 2015, Zhang et al., 2021.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢OmniWeb项目数据库（omniweb.gsfc.nasa.gov）提供太阳风和地磁数据。我们还要感谢Madrigal数据库（millstonehill.haystack.mit.edu）编制和维护全球电离层地图及电离层闪烁产品。同时感谢SIMuRG项目（simurg.iszf.irk.ru）提供GEC数据集，以及Swarm任务和VirES提供的服务