《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Ionospheric observations and modelling results over the African–European sector during the 23–25 March 2023 geomagnetic storm
编辑推荐：
•2023年3月23日，Psw的突然下降导致了低纬度/赤道地区TEC（总电子含量）减少了超过2小时。•2023年3月24日，中纬度地区长时间受到负风暴效应的影响。•TIEGCM和3D-NNstorm模型在2023年3月23日至25日的风暴期间对中纬度地区的预测比低纬度地区更准确。
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2023年3月23日，P的突然下降导致了低纬度/赤道地区TEC（总电子含量）减少了超过2小时。
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2023年3月24日，中纬度地区长时间受到负风暴效应的影响。
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TIEGCM和3D-NN模型在2023年3月23日至25日的风暴期间对中纬度地区的预测比低纬度地区更准确。
引言
2023年3月23日至25日的地磁暴发生在太阳活动周期25的上升阶段，其特点是一些通常不常见于日冕物质抛射（CME）驱动的风暴。整个风暴期间的流动速度低于CME驱动风暴的平均统计值600米/秒（例如，Kataoka和Miyoshi，2006年）。CME驱动风暴的一个常见特征是风暴的突然开始（SSC），表现为由于太阳风到达地球磁层边界激波导致磁层边界压缩而引起的赤道环电流的突然增加（例如，Borovosky和Denton，2006年），但在2023年3月22日至25日的地磁暴中这一特征并不明显。此外，风暴主要阶段期间太阳风动态压力也出现了突然下降，使得风暴的主要进程减缓了大约3小时（例如，Le等人，2024年）。Le等人（2024年）利用美国地区的数据表明，太阳风动态压力的突然下降导致低纬度和赤道地区的电离层受到过度屏蔽，由于等离子体对流减少，使赤道地区的电场方向暂时从向东变为向西，这对低纬度的电离子动力学产生了直接影响。关于电离层-热层动力学，2023年3月23日至25日的风暴在某些经度区域引起了关注。例如，Nykiel等人（2024年）报告了大规模的移动电离层扰动（LSTIDs），其速度范围为500-1600米/秒，起源于极光区域并扩展到欧洲中纬度地区。他们的研究表明，这些扰动主要归因于极光区内的粒子沉降和焦耳加热（Nykiel等人，2024年）。在不同欧洲纬度地区，使用共址的电离层探测器（ionosondes）和GNSS接收器（GNSS receivers）都观测到了正的和负的电离层风暴效应（Paul等人，2024年）。北欧中纬度地区的显著电离层响应与从中纬度电离层槽向赤道的运动有关，而负风暴效应则归因于热层的成分变化（Paul等人，2024年；Burns等人，1995年；Zhang等人，2004年）。Oyama等人（2024年）使用位于特罗姆瑟（69.6°N, 19.2°E）的Fabry-Perot干涉仪观察到，在2023年3月23日至25日地磁暴的主要阶段，大量电磁（EM）能量沉积到电离层-热层系统中，并且极光椭圆的扩展。
在本报告中，我们研究了2023年3月23日至25日地磁暴期间，非洲-欧洲地区南半球和北半球中纬度以及低/赤道地区同时发生的电离层响应。通过电离层探测器和GNSS观测数据，我们探讨了2023年3月23日14:40 UT时太阳风动态压力脉冲对地球磁层的影响如何导致电离层电子密度发生变化。我们详细研究了理论和基于风暴时期的经验模型在重现选定中纬度和低纬度电离层探测位置的电子密度变化以及区域总电子含量（TEC）变化方面的能力，这些变化是2023年3月23日至25日地磁暴引起的。我们还利用Swarm卫星的电子密度数据来评估顶层响应是否与电离层底层的变异性一致。
章节摘要
2023年3月23日至25日的地磁暴描述
根据对CME驱动风暴的一些现有理解，2023年3月23日至25日的风暴演变过程并不简单。例如，风暴开始时太阳风速度处于下降阶段，甚至通过环电流指数变化表达的地磁条件也没有显示出通常表明风暴突然开始的突发信号。尽管这场风暴主要是由部分和晕状结构（partial and halo structures）驱动的，但仍然发生了这种情况。
电离层观测
我们使用了涵盖底层和顶层电离层信息的各种数据集，以及来自GNSS观测的TEC数据，这些数据提供了高达约20,200公里高度的集成电子密度信息。为了评估观测结果与模型之间的一致性或差异，我们使用了热层-电离层电动力学通用环流模型（TIE-GCM，Roble等人，1988年；Richmond等人，1992年；Qian等人，2014年）来模拟F2峰参数。
结果
图3展示了2023年3月22日至25日TEC的二维变化图，显示了随时间变化的纬度分布。2023年3月22日被作为相对平静的日子作为参考，与2023年3月23日至25日风暴期间的TEC进行对比。图3(b)中的黑色虚线表示范围内的地磁赤道位置，该位置大约对应于赤道电离异常（EIA）的位置。图3(b)中的垂直黑色实线显示了太阳风动态压力突然下降的时间
讨论
2023年3月23日至25日的风暴在非洲-欧洲地区的中纬度地区的主要阶段和恢复阶段造成了负风暴效应。PQ052和GR13L的电离层数据显示，北半球中纬度的电子密度下降可能比南半球更为严重。这一点在NmF2/foF2电离层探测器和GNSS TEC观测结果中都有体现。
总结与结论
在本研究中，我们评估了TIEGCM提供的第一原理、三维且自洽的非线性热层-电离层系统表示方法以及专用风暴时期模型在再现2023年3月23日至25日地磁暴期间电离层F2区域变化方面的能力。尽管这些模型在NmF2数值上存在差异，但它们都再现了2023年3月24日GR13L地区中纬度的负风暴效应。TIEGCM也被使用
CRediT作者署名声明
John Bosco Habarulema：撰写 - 原初草稿，软件开发，方法论研究，数据分析，概念构建。Yongliang Zhang：撰写 - 审稿与编辑，方法论研究，数据分析，概念构建。Gang Lu：撰写 - 审稿与编辑，方法论研究，数据分析。Dalia Bure?ová：撰写 - 审稿与编辑，方法论研究，数据分析。Zama Katamzi-Joseph：撰写 - 审稿与编辑，方法论研究，数据分析。Stephan
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
John Bosco Habarulema|Yongliang Zhang|Gang Lu|Dalia Bure?ová|Zama Katamzi-Joseph|Stephan Buchert|Daniel Okoh|Qian Wu|Claudia Borries|Paulo R. Fagundes|Ruoxi Li|Zhang Qinghe
