基于全球定位系統(tǒng)的東亞電離層不規(guī)則體特性

尚社平 史建魁 張北辰 王 霄 武順智

（1.空間天氣學國家重點實驗室中國科學院空間科學與應用研究中心，北京100190；2.中國極地研究中心，上海200136）

引 言

赤道電離層在廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性等過程的作用下，會產生電離層F層電子密度不規(guī)則體，又稱為赤道擴展F現(xiàn)象.這些電離層不規(guī)則體會對穿越電離層的衛(wèi)星通訊和導航系統(tǒng)的性能產生影響，導致不同波段無線電信號幅度和相位閃爍的發(fā)生，電離層閃爍通常在磁赤道區(qū)最為嚴重.過去的幾十年中，對電離層不規(guī)則體和閃爍已經進行了許多的觀測和研究，但還遠未達到令人滿意的程度，仍舊存在一些具有挑戰(zhàn)性問題如電離層不規(guī)則體的發(fā)生條件及其逐日變化的問題.其中一個重要的因素就在于各種觀測手段局限以及觀測數據的不足.利用衛(wèi)星就地觀測可以覆蓋到較大區(qū)域，但很大程度上會受制于衛(wèi)星軌道和高度的影響，且一般很難進行長時間觀測數據的積累.利用各種地基觀測手段，可以提供高分辨率的長時間觀測，但一般受觀測位置的限制，很難覆蓋到大范圍的區(qū)域.

近十余年間，隨著全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術的快速發(fā)展和全球范圍內各種GPS觀測網相繼建立，GPS已成為當前電離層探測和研究中的一種非常重要的手段.由GPS接收機提供的觀測資料具有時間分辨率高、空間覆蓋范圍大、連續(xù)性好、可進行長時間積累等優(yōu)點，因此有可能提供一些新的電離層不規(guī)則體活動的信息.利用接收到的GPS L波段信號的幅度起伏，可以實現(xiàn)對L波段的幅度閃爍的有效探測［1］.GPS L波段電離層閃爍實際上反映了400m尺度電離層不規(guī)則體的活動.當電離層中有不規(guī)則體產生時，通常還會導致GPS總電子含量TEC的快速起伏，一些學者試圖利用GPS TEC起伏來研究電離層不規(guī)則體的變化.Aarons等利用國際GPS服務（International GPS Service，IGS）網30s間隔GPS數據，通過計算TEC的變化率ROT，研究了赤道區(qū)電離層等離子體泡不規(guī)則體的特性［2］.Pi等在計算5min期間ROT標準偏差的基礎上，定義了TEC變化率的指數在赤道區(qū)，這種TEC起伏（ROTI）通常反映了幾千米到十幾千米尺度電離層不規(guī)則體的活動.由于TEC起伏對電離層不規(guī)則體反應相當敏感，且相應的觀測資料相對易于獲取，因此近些年來，TEC起伏被當作探測和研究赤道電離層不規(guī)則體的一種重要方法，在實際的研究中得到了逐步的應用［4-5］.

相對于其他區(qū)域，對東亞赤道區(qū)電離層不規(guī)則體和閃爍的研究還相對缺乏.近十年來，國內相關單位在我國中低緯如海南及東南沿海等區(qū)域紛紛建立了一些GPS電離層閃爍觀測站／網，對我國中低緯電離層不規(guī)則體和閃爍活動開展了一些相應的觀測和研究［6-11］，這些不同觀測站／網的結果往往存在一些明顯的差異.國際上在東南亞區(qū)也建立了類似的GPS電離層閃爍觀測站／網，研究結果表明東南亞區(qū)同樣存在類似的電離層不規(guī)則體活動的發(fā)生［12］.由于電離層不規(guī)則體和閃爍通常發(fā)生于整個赤道區(qū)，并且沿磁力線向磁赤道兩側進行擴散，這些單站或局域的結果還不足以反映出整個東亞區(qū)電離層不規(guī)則體形態(tài)及其沿磁緯的分布特性，目前還缺乏完整性的認識.在本研究中，我們在已有工作基礎上，利用IGS網提供的GPS觀測資料，將研究范圍擴展到110°E子午線附近的整個東亞赤道區(qū)以及磁緯±30°以內的低中緯區(qū)，以進一步研究太陽活動下降年期間該區(qū)域電離層不規(guī)則體特性及其隨磁緯的變化，為該區(qū)域電離層不規(guī)則體和閃爍的預報和其他應用研究奠定基礎.

1 數據和方法

本研究中，分析數據主要來源于中科院空間中心海南臺站的GPS電離層閃爍觀測資料及東亞110°E子午線附近11個GPS站的雙頻觀測資料.表1分別給出了這些GPS站的位置和坐標.從表1可以看出，這些GPS站主要處于地理經度100°E～120°E之間以及地磁緯度±30°以內.在東亞赤道區(qū)110°E附近，地磁赤道和地理赤道偏差達到極大，各GPS站的地理緯度一般比其地磁緯度大10°左右.

1.1 GPS閃爍數據和方法

海南臺站的GPS電離層閃爍監(jiān)測儀由康奈爾大學空間物理組開發(fā)，它能以高采樣率（50次／秒）同時并行記錄11個通道GPS信號強度數據.電離層閃爍幅度閃爍指數S4定義為每分鐘信號強度的標準偏差與其平均值的比值.該儀器自2003年7月在海南臺站開始運行，在隨后太陽活動下降年的兩年期間，觀測到了非常明顯的電離層閃爍現(xiàn)象.利用這些觀測數據，我們對海南地區(qū)的電離層閃爍特性進行了分析［6］.本研究將在此基礎上，進一步結合東亞110°E附近的雙頻GPS觀測資料，來研究東亞110°E附近的電離層不規(guī)則體形態(tài)特性.

表1 東亞110°E附近GPS站坐標

1.2 雙頻GPS數據及方法

提供雙頻觀測資料的11個GPS站分別位于我國的北京（BJFS）、武漢（WUHN）、昆明（KUNM）、臺灣（TCMS）、菲律賓（PIMO和TVST）、新加坡（NTUS），印度尼西亞（SAMP和BAKO）和澳大利亞西部（COCO和KARR）等區(qū)域.除個別站外，這些GPS站均屬于IGS網，可以為本研究提供較為長期和可靠的觀測數據.利用IGS網站提供的各GPS站的觀測文件和導航文件，通過偽距和相位的差分等計算，可得到30s時間分辨率的電離層絕對TEC和相對TEC，以及相應的GPS衛(wèi)星的仰角和方位角等參數.

1.3 TEC起伏及ROTI指數

當赤道電離層中出現(xiàn)F層不規(guī)則體活動時，可造成GPS TEC的快速起伏現(xiàn)象.利用GPS TEC起伏可以實現(xiàn)對電離層不規(guī)則體活動的有效探測.由載波相位差分可以得到每30秒的TEC及其變化率ROT，在此基礎上計算得到的每5分鐘ROT的標準偏差，稱為TEC變化率指數ROTI［3］.公式（1）、（2），（3）分別給出了單個衛(wèi)星到地面觀測路徑上的相對TEC、ROT和ROTI的計算公式，其中f1和f2分別為GPS雙頻信號的頻率，L1和L2為對應載波相位觀測量，λ1和λ2為對應載波波長，d為常數.TEC的單位為TECU（1TECU＝1016el／m2），而ROT和ROTI的單位為TECU／min.

圖1 赤道區(qū)NTUS站的電離層TEC起伏

圖1給出了赤道區(qū)NTUS站在2003年10月8日夜間發(fā)生的電離層TEC起伏活動事件.圖中從上向下依次給出了接收到的衛(wèi)星信號的仰角、經過相對TEC平滑處理的絕對TEC以及由相對TEC計算得到的ROTI的變化.其中衛(wèi)星信號的最小仰角取為25°.電離層TEC呈現(xiàn)明顯的晝夜變化，而ROTI在白天幾乎沒有任何的明顯變化.在日落后不久到午夜附近，該臺站出現(xiàn)了明顯的電離層TEC和ROTI擾動現(xiàn)象，表明在此期間該區(qū)域出現(xiàn)了大的電離層不規(guī)則體活動.

盡管赤道區(qū)電離層不規(guī)則體的出現(xiàn)，經?？梢詫е码婋x層閃爍和TEC起伏的同時發(fā)生，但一般情形下，要得到S4和ROTI之間的定量關系是非常困難的，即使是在相同的GPS站.已有的結果表明，ROTI／S4比值范圍主要處于2～5或2～10之間［13-14］.

2 電離層不規(guī)則體活動分析和比較

根據各GPS站觀測數據的具體情況，主要考慮S4＞0.1的電離層閃爍和ROTI＞0.3的電離層TEC起伏時的情形.由于赤道區(qū)電離層F層不規(guī)則體活動主要發(fā)生于夜間，將研究時段限于每天夜間18-06LT之間，并將衛(wèi)星的最小仰角取為25°，以盡可能去除多徑效應和其他低仰角效應的影響.

2.1 電離層不規(guī)則體活動的逐日變化

圖2給出了2003年7月-2005年6月期間東亞110°E附近電離層不規(guī)則體活動的逐日變化，其中各GPS站根據其磁緯的大小從上到下依次進行排列.電離層不規(guī)則體活動以其日發(fā)生率來反映，日發(fā)生率定義為每天夜間（18-06LT）系統(tǒng)所接收到的滿足相應閾值條件（S4＞0.1，ROTI＞0.3）的衛(wèi)星數與所有接收到的衛(wèi)星數的比值.從圖2可以看出，在第23周太陽活動下降年的這兩年期間，在海南HAIN站發(fā)生了明顯的GPS電離層閃爍活動（S4＞0.1），與此同時，處于東南亞區(qū)域的PIMO、TVST，SAMP和NTUS等4個GPS站也發(fā)生了非常明顯的電離層TEC起伏活動，這些GPS站均處于磁緯±10°以內區(qū)域，其不規(guī)則體活動主要發(fā)生于兩分點附近，在其他大部分時間明顯減弱，在兩至點附近達到極小.

在處于磁緯±14°以上的低中緯區(qū)域，電離層不規(guī)則體活動明顯減小，且南北半球呈現(xiàn)明顯的形態(tài)差異.在北半球，KUNM和TCMS站所在位置處于赤道離異常北峰附近，這兩個站的TEC起伏活動在兩分點附近明顯減弱.而處于磁緯更高的WUHN和BJFS站的TEC起伏活動在兩分點附近幾乎完全消失，但在6月夏至附近卻相對增加，但發(fā)生率相對較小.這些較高磁緯區(qū)的不規(guī)則體活動明顯不同于磁赤道區(qū)，已呈現(xiàn)出中緯不規(guī)則體活動特性.在南半球，處于較高磁緯的BAKO站，其不規(guī)則體活動類似于海南和其他東南亞站，且明顯強于北半球電離異常峰附近的GPS站.處于更高磁緯的COCO站，除了兩分點附近的極少數活動外，其他時間的不規(guī)則體活動幾乎完全消失.處于最高磁緯的KARR站，其不規(guī)則體活動幾乎完全消失.在兩至季期間，這些處于較高磁緯的區(qū)域有時也會發(fā)生非常強烈的電離層TEC起伏活動，這些強烈不規(guī)則體活動的出現(xiàn)幾乎總是與一些強磁暴事件的發(fā)生相聯(lián)系，其中以2004年7月下旬和11月上旬發(fā)生的強磁暴所造成的影響最為明顯.

2.2 電離層不規(guī)則體活動的月變化

從以上圖2的結果可以看出，東亞區(qū)電離層不規(guī)則體活動不但會明顯受到地磁緯度變化的影響，而且存在明顯的月和季節(jié)變化.為了進一步定量了解東亞赤道區(qū)電離層不規(guī)則體活動的月分布特性，圖3給出了各GPS站不規(guī)則體活動的月統(tǒng)計分布.不規(guī)則體的月發(fā)生率定義為每月期間發(fā)生電離層不規(guī)則體活動（S4＞0.1，ROTI＞0.3，且日發(fā)生率大于2%）的天數與當月總天數的比值.為了更清晰地得到不規(guī)則體的月分布特性，圖3中對兩年的月統(tǒng)計分布進行平均處理.

從圖3可以看出，對于處于磁緯±10°內的海南和東南亞站，電離層不規(guī)則體活動在分季3-4月和9-10月期間達到最強，最大可達近50%，在其他月份的明顯減小，最大不超過20%，在至季6月和12月達到極小，其中6月較12月的不規(guī)則體活動稍強一些，12月期間幾乎沒有任何不規(guī)則體活動的發(fā)生.對于北半球磁緯大于14°N的低中緯臺站，隨著磁緯的增加，電離層不規(guī)則體活動在分季月份迅速減弱直至消失，而夏季5-7月份逐漸所有增強.其中處于赤道異常峰附近的TCMS和KUNM站，分季月份不規(guī)則體活動明顯減弱，接近于夏季月份.而WUHN站分季月份的不規(guī)則體活動幾乎完全消失，但夏季月份不規(guī)則體活動相對明顯增加，最大可達15%.處于最高磁緯的BJFS站，其不規(guī)則體活動與WUHN站相類似，主要發(fā)生于夏季6-7月之間，但發(fā)生率相對較小.

圖3 東亞110°E附近各臺站電離層不規(guī)則體活動的月份變化

在南半球磁緯大于16°S的低中緯站，隨著磁緯的增加，其不規(guī)則體活動在分季3-4月和9-10月逐漸減弱直至消失，在其他月份沒有明顯的增加.其中BAKO站的不規(guī)則體活動與海南和東南亞其他站類似，但分季月份最大發(fā)生率不超過20%.而處于更高磁緯的COCO站，不規(guī)則體在分季月份發(fā)生率不超過2%.對處于最高磁緯的KARR站，分季月份的不規(guī)則體活動完全消失.

2.3 電離層不規(guī)則體活動的季節(jié)和地方時變化

為了進一步了解東亞電離層不規(guī)則體活動的季節(jié)和地方時特性，圖4給出了各GPS站不規(guī)則體活動隨季節(jié)和地方時的平均變化.不規(guī)則體活動的季發(fā)生率定義為每季度夜間（18-06LT）系統(tǒng)所接收到的滿足相應閾值條件（S4＞0.1，ROTI＞0.3）的衛(wèi)星數與所有接收到的衛(wèi)星數的比值.圖中的4條曲線分別為四個不同季節(jié)（3月分季、6月至季、9月分季和12月至季）不規(guī)則體活動的變化，每個季節(jié)分別由兩分／至點所在的月份及其相鄰的兩個月份所組成，分別以字母ME、JS、SE和DS來表示.每個站的地方時LT分別由世界時UT去除其經度效應而得到.

從圖4可以看出，對處于磁緯±10°以內海南和東南亞站，不規(guī)則體活動在兩分季達到最大，且趨于對稱，主要發(fā)生于地方時18-02LT附近，其發(fā)生率峰值出現(xiàn)于21LT附近，最大可達13%，其中9月分季的不規(guī)則體發(fā)生率峰值的時間稍早于3月分季.不規(guī)則體活動在兩至季明顯減弱.其發(fā)生率峰值在北半球的三個站趨于相等，在南半球兩個站存在明顯不對性，6月至季明顯強于12月至季.兩至季期間不規(guī)則體發(fā)生的地方時存在明顯的差異，其中12月至季不規(guī)則體發(fā)生的時間接近于兩分季，但6月至季不規(guī)則體峰值發(fā)生的時間明顯晚于其他季節(jié)2～3h，主要出現(xiàn)于午夜附近.

圖4 東亞110°E附近臺站電離層不規(guī)則體活動隨季節(jié)和LT的變化

對處于磁緯大于±14°的站，其不規(guī)則體活動明顯減弱，且存在明顯不同的季節(jié)和地方時變化.在北半球，隨著磁緯的增加，兩分季和12月至季的不規(guī)則體活動逐漸減弱直至消失，而6月至季的不規(guī)則體活動相對明顯增加，這種情形在WUHN和BJFS站尤為明顯，6月至季的不規(guī)則體活動主要發(fā)生于21-02LT之間，其峰值主要發(fā)生于23LT附近.在南半球BAKO站，其不規(guī)則體活動的季節(jié)變化與磁赤道區(qū)相類似，但發(fā)生時間存在1～2h的時間延遲，分季不規(guī)則體活動峰值主要發(fā)生于22-23LT之間.在更高磁緯的COCO和KARR站，所有季節(jié)的不規(guī)則體活動幾乎完全消失.

基于不同臺站和觀測手段，對東亞中低緯電離層閃爍和不規(guī)則體特性已經開展較多的研究.何友文等［15］的研究表明，東亞中緯電離層VHF和L波段閃爍基本上發(fā)生于夜間，在22-24LT之間達到極大，閃爍出現(xiàn)率及強度在夏季最強，秋季次之，冬季最弱.徐繼生等［8］的研究表明，武漢與桂林的L-波段振幅與相位閃爍活動主要發(fā)生在夜間，最大振幅閃爍出現(xiàn)率在午夜及其前后數小時；武漢閃爍出現(xiàn)率峰值出現(xiàn)時間平均比桂林滯后約1至2小時.本研究中BEIJ和WUHN站的不規(guī)則體活動隨季節(jié)和地方時的變化與以上這些結果基本相類似.

與所期望的情形相反，處于赤道異常北峰附近的TCMS和KUNM站的不規(guī)則體活動明顯弱于磁赤道區(qū)站.最近甄衛(wèi)民、周彩霞等［7，9］研究也表明，海口站的閃爍頻率和強度明顯強于昆明、廈門等站.這些情形表明，在東亞磁赤道區(qū)，夜間產生的F區(qū)不規(guī)則體一般難以擴散到白天赤道異常北峰所處的區(qū)域.

3 結 論

我們利用2003年7月到2005年6月東亞110°E子午線附近的GPS觀測資料，對太陽活動下降期間該區(qū)域的電離層不規(guī)則體活動進行了分析和比較.主要結果表明：

1）在磁緯±10°以內的磁赤道區(qū)，海南和東南亞站存在明顯的不規(guī)則體活動，海南電離層閃爍活動與東南亞電離層TEC起伏活動之間存在明顯的相似性；而在磁緯±14°以上低中緯區(qū)，不規(guī)則體活動會明顯減弱，且南北半球呈現(xiàn)明顯的形態(tài)差異.

2）在磁赤道區(qū)，不規(guī)則體活動在分季達到極大且趨于對稱，在至季達到極小且呈現(xiàn)一定程度不對稱性.在兩分季和12月至季，不規(guī)則體活動主要發(fā)生于地方時18-02LT之間，在21LT附近達到其峰值，但在6月至季，不規(guī)則體活動的出現(xiàn)存在2-3小時時間延遲，其峰值主要發(fā)生于午夜附近.

3）北半球的不規(guī)則體活動不同于赤道區(qū)，隨著磁緯的增加，兩分季的不規(guī)則體活動會迅速減弱直至消失，而夏季的不規(guī)則體活動卻相對有所增加，主要發(fā)生于21-02LT之間，其峰值主要發(fā)生于23LT附近.

4）南半球的不規(guī)則體活動（如BAKO站）與赤道區(qū)相類似，但發(fā)生時間存在1～2h的時間延遲，兩分季不規(guī)則體活動峰值主要發(fā)生于22-23LT之間.隨著磁緯的增加，兩分季不規(guī)則體活動會逐漸減弱直至消失.

赤道區(qū)電離層不規(guī)則體活動主要受磁偏角變化的影響［16］.磁場強度B、以及地磁赤道與地理赤道位置的相對變化，也會影響到磁赤道區(qū)電離層不規(guī)則 體 活 動［17］.在 東 亞 磁 赤 道 區(qū)，磁 偏 角 很 小（≈-0.4°）且在100°E～120°E之間變化很小，導致東亞赤道區(qū)不規(guī)則體活動在兩分季達到極大，在兩至季達到極小，并呈現(xiàn)明顯的相似性.在東亞磁赤道區(qū)，地磁強度B達到最大（≈0.34nT），地磁赤道相對地理赤道偏離達到極大，緯度相差近10°，且南北半球的地理條件也存在明顯的差異，這些因素也會影響到該區(qū)域不規(guī)則體活動及其隨磁緯的變化.對東亞電離層不規(guī)則體形態(tài)及其影響機制的更深入了解，還有待于進一步結合其他觀測資料，進行更多的觀測分析和理論研究.

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