國(guó)際電離層模型磁暴模式的適用性分析

張 嘯，聞德保，2，湯佳明

國(guó)際電離層模型磁暴模式的適用性分析

張 嘯1，聞德保1，2，湯佳明1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.中國(guó)科學(xué)院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077)

針對(duì)IRI2012磁暴模式在中國(guó)大陸強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)程度和磁擾條件下的適用性問(wèn)題，利用該模型模擬了電離層TEC及自由電子密度在2003年8月磁暴發(fā)生前后的時(shí)空變化，并與GPS-TEC 、測(cè)高儀數(shù)據(jù)及GPS電離層層析重構(gòu)結(jié)果作了比較，結(jié)果表明：IRI2012磁暴模式能夠反映強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)程度下TEC的分布特征，模擬精度可達(dá)±2.3 TECU～±7.4 TECU，并隨緯度降低而變大，TEC周日峰值較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提前2 h出現(xiàn)，TEC模擬值在白天偏高，在夜間則偏低；F2層自由電子密度模擬值在峰值密度和峰值高度上與武漢測(cè)高儀數(shù)據(jù)有較好的一致性，但在磁擾發(fā)生的條件下，IRI2012磁暴模式由于不能有效的反映電子密度剖面赤道異常區(qū)域的北向移動(dòng)以及赤道異常核在緯度方向的收縮和在高度方向的擴(kuò)展，使得TEC模擬精度也出現(xiàn)較大衰減，最大達(dá)±14.4 TECU。

IRI2012；磁暴模式；電離層；差異性

0 引言

國(guó)際電離層參考模型(the international reference ionosphere，IRI)是由空間研究委員會(huì)(the committee on space research，COSPAR)和國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)合會(huì)(the international union of radio science，URSI)于二十世紀(jì)六十年代末共同建立的電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可?jì)算距地面50～2000 km空間范圍內(nèi)電子密度、電子溫度、離子構(gòu)成、離子溫度等電離層物理參量的月平均狀態(tài)，目前已經(jīng)更新到2012版本，并且包含磁暴模式。隨著以無(wú)線電測(cè)量為主要手段的衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感、遙測(cè)的廣泛應(yīng)用，電離層時(shí)空物理特性對(duì)電離層延遲的建模和預(yù)測(cè)顯得越來(lái)越重要，IRI作為主要電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，匯集了全球數(shù)百個(gè)電離層觀測(cè)站及衛(wèi)星觀測(cè)資料以及多個(gè)大氣參數(shù)模型，反映了電離層在平均狀態(tài)下的重要物理特征[1～3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)IRI模型作了大量的工作[4～6]，IRI模型也被廣泛應(yīng)用于電離層研究當(dāng)中，文獻(xiàn)[7]利用IRI2007預(yù)測(cè)電子密度剖面，得出太陽(yáng)活動(dòng)高年和活動(dòng)低年F2層峰值密度在白天和夜晚的高度范圍；文獻(xiàn)[8]利用非相干散射雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)同IRI2001進(jìn)行比較，表明太陽(yáng)活動(dòng)低年IRI2001能較好的反映電離層電子密度隨時(shí)間和高度的變化，而在太陽(yáng)活動(dòng)高年500 km以下總電子含量( total electron content，TEC)達(dá)到最高值以后IRI2001計(jì)算的電離層頂電子密度過(guò)大，使得TEC明顯高于雷達(dá)數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[9]比較了IRI、NeQuick和Klubchar三種電離層模式，認(rèn)為三種模式均能較好的模擬出電離層TEC背景特征，而且在電離層延遲改正中IRI精度較其他兩者高；文獻(xiàn)[10]利用IRI2012，IRI plas計(jì)算了歐洲中緯度區(qū)域的垂直總電子含量(vertical total electron content，VTEC)并與由全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)獲取的總電子含量(total electron content by GPS，GPS-TEC)作了比較分析；文獻(xiàn)[11]利用IRI2007作為背景場(chǎng)，將單基站TEC地圖精度在±0.25 個(gè)總電子含量單位(total electron content unit，TECU；相當(dāng)于1016el/m2)范圍內(nèi)的比例提高到70%以上；文獻(xiàn)[12]利用IRI2012模擬的電子密度作為初值，加快電離層層析迭代收斂速率，以拉布拉斯算子抑制結(jié)果對(duì)初值精度的依賴，實(shí)現(xiàn)了一種新的電離層層析算法。

鑒于IRI模型的研究和應(yīng)用需求，本文針對(duì)IRI2012磁暴模式在中國(guó)區(qū)域強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)程度和磁擾條件下的適用性問(wèn)題，模擬了2003年8月磁暴中國(guó)區(qū)域及武漢上空的TEC分布、TEC周日變化及自由電子密度剖面，并與GPS電離層層析結(jié)果、GPS-TEC及測(cè)高儀觀測(cè)的電子密度(Ionosondes -electron density，Ionosondes-Ne)作了對(duì)比，分析了IRI2012磁暴模式與電離層實(shí)況的差異特征，以期利用該差異探求一種以IRI模型為背景的電離層磁暴異常探測(cè)模式。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文所采用的數(shù)據(jù)為2003年8月磁暴期間電離層自由電子總含量以及電離層自由電子密度，主要包括：IRI模型計(jì)算的總電子含量(total electron content calculated by IRI，IRI-TEC)是IRI自由電子密度(electron density calculated by IRI，IRI-Ne)在垂直路徑上的積分值，IRI2012自由電子密度在不同層別則通過(guò)不同的模型計(jì)算得到，本文中頂部電子濃度選用NeQuick模型，底部厚度參數(shù)選擇B0ABT，F(xiàn)2層峰值模型選用CCIR，并且開啟磁暴模式，此外，太陽(yáng)和電離層指數(shù)(ig_rz.dat)、地磁場(chǎng)系數(shù)(dgrfyear.dat計(jì)算，igrfyear.dat預(yù)測(cè))、F10.7(日平均、81日滑動(dòng)平均、365日滑動(dòng)平均)及地磁指數(shù)(apf107.dat)、F2層峰值模型系數(shù)(CCIR%%.ASC)均采取文件形式讀入，并在igrf.for、irifun.for、irisub.for中修改相應(yīng)文件存放路徑。GPS-TEC由國(guó)際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)組織(International GNSS Service，IGS)提供的TEC數(shù)據(jù)，非格網(wǎng)點(diǎn)采用二維雙線性內(nèi)插得到。

圖1 2003年8月磁暴前后地磁擾動(dòng)情況

電離層層析-電子密度(computerized ionospheric tomography-electron density，CIT-Ne)是基于中國(guó)陸態(tài)網(wǎng)GPS數(shù)據(jù)，利用組合電離層層析算法[13]計(jì)算得到的電離層自由電子密度。Ionosondes-Ne為電離層觀測(cè)站數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)。

2 IRI2012模擬數(shù)據(jù)與電離層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

2.1 磁暴前后電離層TEC的空間分布特征

圖2為中國(guó)區(qū)域電離層IRI-TEC與GPS-TEC在磁暴前一天(17日)的分布圖，其間F10.7日平均值達(dá)到122太陽(yáng)通量單位(solar flux unit，sfu)，屬于強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)程度，IRI-TEC能較好的反映出TEC北半球赤道異常區(qū)域(20°N左右)的結(jié)構(gòu)、大小和隨太陽(yáng)高度角變化的TEC峰值位置，以及中國(guó)區(qū)域TEC梯度南向逐漸增大的變化特性，但I(xiàn)RI-TEC整體上較GPS-TEC在白天時(shí)段偏高，在夜間時(shí)段則偏低。

由于赤道電急流的加劇，產(chǎn)生與地磁場(chǎng)相反的強(qiáng)電磁場(chǎng)，造成全球性地磁擾動(dòng)，改變了赤道異常區(qū)域F2層自由電子的沉降位置，加之太陽(yáng)高能離子流加熱兩極大氣，形成赤道向中性風(fēng)[14]，造成赤道異常區(qū)域南移或北移，在局部區(qū)域便體現(xiàn)為正相或負(fù)相暴[15]；18日的磁暴在中國(guó)區(qū)域是正相暴，赤道異常區(qū)域北移，中國(guó)中部南部GPS-TEC升高，梯度變大，北部中高緯區(qū)域GPS-TEC則呈現(xiàn)出負(fù)向擾動(dòng)。而IRI-TEC除了在赤道異常區(qū)域較前日增大以外，未出現(xiàn)上述GPS-TEC的分布變化特征。

圖2 地磁平靜日IRI-TEC與GPS-TEC分布的比較

圖3 磁暴日IRI-TEC與GPS-TEC分布的比較

2.2 IRI-TEC與GPS-TEC的周日變化差異

為比較IRI-TEC與GPS-TEC周日變化差異，本文選取中國(guó)區(qū)域相鄰經(jīng)度鏈上，緯度從高而低的北京、武漢、廣州3個(gè)測(cè)站為研究對(duì)象，如圖4(a)所示，在太陽(yáng)活動(dòng)程度較高但地磁較為平靜的條件下，IRI-TEC能夠反映電離層TEC周日變化趨勢(shì)，但TEC峰值較GPS-TEC提前約2 h左右，且峰值大小在北京區(qū)域較GPS-TEC低，在武漢區(qū)域則與之相當(dāng)，而在廣州則偏高；IRI-TEC的模擬精度隨著緯度降低而逐漸增大，依次為±2.3 TECU、±4.1 TECU、±7.4 TECU；如圖4(b)，當(dāng)磁暴發(fā)生，由于赤道異常區(qū)域北移，GPS-TEC急劇增大，峰值出現(xiàn)時(shí)間與IRI-TEC基本一致，但I(xiàn)RI-TEC的模擬精度也隨磁暴發(fā)生而變低，分別為±9.3 TECU、±14.4 TECU、±8.1 TECU，基本失去了電離層TEC的預(yù)報(bào)功能。

圖4 IRI-TEC與GPS-TEC的周日差異

2.3 IRI-Ne剖面與測(cè)高儀數(shù)據(jù)的比較

圖5展示了武漢站電離層測(cè)高儀觀測(cè)和IRI2012模擬的自由電子密度在白天(01 UT)和夜晚(13 UT)隨高度變化的變化情況其中，UT為世界時(shí)(universal time)。在太陽(yáng)活動(dòng)程度較高但地磁平靜的條件下，IRI2012模型白天F2層峰值密度約6.4×1011el/m3，峰值高度在250 km左右，與測(cè)高儀觀測(cè)的結(jié)果有較好的一致性(如圖5(a))；在夜晚IRI2012與測(cè)高儀在峰值高度上保持一致，在峰值密度上略有差異(如圖5(b))，總體上能較為真實(shí)的反映電離層的電子密度變化。隨著磁暴的爆發(fā)，IRI2012的F2層層頂計(jì)算模型數(shù)值偏低，且峰值高度在250 km左右，低于測(cè)高儀350 km的測(cè)量值(如圖5(c))；在夜晚，雖然峰值高度與測(cè)高儀保持一致300 km左右(如圖5(d))，但峰值密度明顯小于測(cè)高儀觀測(cè)值，這主要與IRI2012中F2層峰值高度模型和峰值密度模型相關(guān)。

圖5 地磁平靜和擾動(dòng)條件下IRI-Ne剖面與測(cè)高儀數(shù)據(jù)的比較

2.4 IRI-Ne經(jīng)度剖面與CIT-Ne的比較

圖6展示了在地磁平靜條件下，利用電離層層析組合算法得到的電子密度重構(gòu)結(jié)果與IRI2012的模擬結(jié)果在114°經(jīng)度鏈上的時(shí)序剖面圖，從圖6各子圖可看出，IRI2012的模擬結(jié)果與GPS電離層層析得到的結(jié)果具有較好的一致性，赤道異常核01 UT開始高度為350 km，07 UT增加到400 km，13UT又降到350 km；從北緯10°到北緯50°的區(qū)域，赤道異常核的層頂具有明顯的傾斜結(jié)構(gòu)，且IRI-Ne較CIT-Ne要緩，這與所用的地磁模型有關(guān)。

圖7展示的是磁擾條件下在114°經(jīng)度鏈上電子密度的時(shí)序剖面圖，由對(duì)應(yīng)子圖可知CIT-Ne相對(duì)于IRI-Ne有明顯的異常特征，如圖4(a)，赤道異常區(qū)域的傾斜結(jié)構(gòu)被破壞，在北緯30°到40°之前開始向高低兩處擴(kuò)展，至07 UT(如圖4(b))，赤道異常核收縮并向北移動(dòng)到而北緯20°左右處，之后不斷向高低兩個(gè)方向延伸(如圖4(c))，擴(kuò)大到100～700 km的高度范圍，這也說(shuō)明了3.2中IRI-TEC的模擬精度在武漢區(qū)域最差的原因；然而IRI-Ne則與前一日并無(wú)明顯差異。

圖6 地磁平靜日IRI電子密度剖面與GPS電離層層析的比較(1012 el/m3)

圖7 地磁平靜日IRI電子密度剖面與GPS電離層層析的比較(1011 el/m3)

3 結(jié)束語(yǔ)

利用IRI2012磁暴模式模擬了強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)程度下，磁暴期間TEC及自由電子密度的分布和變化，通過(guò)與GPS-TEC、Ionosondes-Ne、CIT-Ne的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1)在地磁平靜條件下，IRI2012能夠反映強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)程度下TEC分布隨太陽(yáng)高度角變化的變化特性及經(jīng)向梯度變化特征，包括北半球赤道異常區(qū)域的位置和大?。辉赥EC峰值模擬計(jì)算上比GPS-TEC實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提前2 h，計(jì)算精度最高為±2.3 TECU，并隨緯度的減小而降低至±7.4 TECU；模擬值在白天較GPS-TEC高，夜間則偏低；

2)IRI2012在 F2層峰值高度及峰值密度的模擬計(jì)算上與武漢測(cè)高儀數(shù)據(jù)具有較好的一致性，但在磁暴條件下，由于赤道異常區(qū)移動(dòng)即正負(fù)向擾動(dòng)的不確定性，IRI2012模式F2層頂模型不能很好的描述Ne白天在400～1 000 km的異常變化，夜晚F2層峰值高度與測(cè)高儀一致，但峰值密度偏低4.7×1011el/m3；

3)在自由電子密度剖面模擬方面，IRI2012能夠反映強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)程度下的自由電子密度的時(shí)序變化，磁暴時(shí)CIT-Ne赤道異常核的北向移動(dòng)，緯度向收縮及高度方向的擴(kuò)張則未能有效反映，造成IRI-TEC較大的精度衰減。

[1] ROBERT F，PFAFF R F.The Near-Earth Plasma a Environment[J].Space Science Reviews，2012，168(1-4)：23-112.

[2] FORBES J M，PALO S E，ZHANG Xiao-li.Variability of the Ionosphere[J].Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics，2000，62(8)：685-693.

[3] 蔡超軍，黃江，鄧柏昌，等.IRI-2007預(yù)測(cè)TEC在廣州區(qū)域的適用性分析[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(3)：277-285.

[4] BILITZA D.International Reference Ionosphere 2000[J].Radio Science，2001，36 (2)，261-275.

[5] BILITZA D.International Reference Ionosphere 2002：Examples of Improvements and New Features[J].Advance in Space Research，2003，31(3)，757-767.

[6] BILITZA D，REINISCH B W.International Reference Ionosphere 2007.Improvements and New Features[J].Advance in Space Research，2008，42(4)：599-609.

[7] OLADIPO O A，ADENIYI J O，RADICELLA S M，et al.Variability of the Ionospheric Electron Density at Fixed Heights and Validation of IRI-2007 Profile’s Prediction at Ilorin[J].Advance in Space Research，2011，47(3)：496-505.

[8] 蔡紅濤，馬淑英，SCHLEGEL K.高緯電離層氣候?qū)W特征研究—EISCAT雷達(dá)觀測(cè)及與IRI模式的比較[J].地球物理學(xué)報(bào)，2005，48(3)：471-479.

[9] 方涵先，翁利斌，楊升高.IRI、NeQuick和Klobuchar模式比較研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2005，48(3)：471-479.

[10]KENPANKHO P，SUPNITHI P，NAGATSUMA T.Vertical TEC Representation by IRI 2012 and IRI Plas Models for European Midlatitudes[J].Advance in Space Research，2013，52(10)：1820-1826.

[11]翁利斌，方涵先，楊升高，等.基于IRI背景場(chǎng)的單站電離層TEC地圖重構(gòu)技術(shù)[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(4)：453-458.

[12]聞德保，呂慧珠，張嘯.電離層層析重構(gòu)的一種新算法[J].地球物理學(xué)報(bào)，2014，57(11)：3611-3616.

[13]聞德保.基于GNSS的電離層層析重構(gòu)算法及其應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，2013.

[14]FULLER-ROWELL T J，RICHMOND A D，MARUYAMA N.Global Modeling of Storm-time Thermospheric Dynamics and Electrodynamics[C]//KINTNER Jr PM，COSTER A J，F(xiàn)ULLER-ROWELL T J，et al.Midlatitude Ionospheric Dynamics and Disturbances.New York：John Wiley & Sons，Inc，2008：187-200.doi：10.1029/181GM06.

[15]XIA Chun-liang，WAN Wei-xing，YUAN Hong，et al.Analysis of the Intense Magnetic Storm of July，2000 and of October，2003 Using the Technique for Nowcasting of GPS TEC Data[J].Chinese Journal of Space Science，2005，25(4)：259-266.

The Applicability Analysis of International Reference Ionosphere in Storm Mode

ZHANGXiao1，WENDe-Bao1，2，TANGJia-Ming1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology， Changsha 410004，China；2.State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics，Chinese Academy of Science，Wuhan 430077，China)

For the applicability over China of IRI2012(the international reference ionosphere )in storm mode with strong solar activity or magnetic disturbance，the model is used to simulate the temporal and spatial variation of the ionospheric TEC(total electron content) and free electron density during magnetic storms in August 2003，and compared with the GPS-TEC，ionosondes data and reconstruction of ionospheric electron density by CIT(computerized ionospheric tomograph)，the results showed that：IRI2012 in storm mode can reflect the distribution of TEC over China with strong solar activity，the simulation accuracy is up to ± 2.3 TECU ～ ± 7.4 TECU increasing with latitude decline.In addition，TEC analog values is higher in daytime and lower at night compared with the measured data，its diurnal peak appears two hours earlier than GPS-TEC.The simulation of peak density and peak height of electron density in F2 layer is in well agreement with the ionosondes in Wuhan，but in the condition that magnetic disturbance occurs，the analog values of electron density profiles by IRI2012 in storm mode are unable to effectively reflect such changes of the area of equatorial anomaly that integral movement toward the north，contraction of nuclear in the latitude direction and expansion in the height direction，as a result the simulation accuracy of TEC make larger attenuation over this region，which is up to ± 14.4 TECU.

IRI2012；Storm mode；Ionosphere；Difference

張嘯，聞德保，湯佳明.國(guó)際電離層模型磁暴模式的適用性分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2015,3(3):89-94.ZHANG Xiao，WEN De-Bao，TANG Jia-Ming.The Applicability Analysis of International Reference Ionosphere in Storm Mode[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(3):89-94.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150318.

2015-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(41174001)；湖南省杰出青年基金(14JJ1021)；教育部科學(xué)技術(shù)類項(xiàng)目(213028A)；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(12A002)；湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助(CX2015B350)。

張嘯(1989—)，男(苗族)，貴州安順人，碩士生，主要從事電離層層析成像與電離層天氣的研究。

聞德保(1974—)，河南光山人，教授，博士，主要從事電離層層析成像、GNSS氣象學(xué)和無(wú)線電掩星技術(shù)等方面的研究。

P228

A

2095-4999(2015)-03-0089-06