赤道異常特征對桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的影響

汪文君,鄒玉華,2,李 嬌

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院,廣西桂林 541004; 2.桂林電子科技大學廣西信息科學實驗中心,廣西桂林 541004)

赤道異常特征對桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的影響

汪文君1,鄒玉華1,2,李 嬌1

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院,廣西桂林 541004; 2.桂林電子科技大學廣西信息科學實驗中心,廣西桂林 541004)

為了研究桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的原因,利用桂林地區(qū)(地理坐標:25.29°N,110.33°E;地磁坐標: 15.04°N,181.98°E)的L波段電離層閃爍監(jiān)測儀GSV4004的觀測數(shù)據(jù)和國際GNSS服務中心(IGS)提供的全球VTEC數(shù)據(jù),在磁平靜條件下研究東經110°地區(qū)的赤道異常特征對桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的影響。結果表明,與非閃爍日相比,東經110°地區(qū)的赤道異常特征在閃爍日內有明顯區(qū)別。閃爍日日落后的赤道異常復蘇現(xiàn)象更為明顯,主要表現(xiàn)為:赤道異常峰區(qū)的VTEC數(shù)值更大,峰區(qū)與谷區(qū)的VTEC比值更大,峰區(qū)與谷區(qū)之間的VTEC梯度更大,日落后的赤道異常復蘇現(xiàn)象持續(xù)時間更長,且日落后復蘇的赤道異常結構的北峰所處的緯度更高。

L波段電離層閃爍;閃爍逐日變化;赤道異常

電離層閃爍是指無線電信號穿越電離層傳播時由電子密度不規(guī)則體引起的電波幅度、相位、極化等的快速隨機起伏現(xiàn)象。隨著GPS、GLONASS、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等的廣泛應用,L波段電離層閃爍特征成為研究熱點。桂林(地理坐標:25.29°N,110.33° E;地磁坐標:15.04°N,181.98°E)處在電離層赤道異常區(qū)的北峰附近,屬于電離層閃爍出現(xiàn)最頻繁、影響最嚴重的地區(qū)之一。2006年至今,利用安裝在桂林的L波段電離層閃爍監(jiān)測儀GSV4004的觀測數(shù)據(jù),分析發(fā)現(xiàn),桂林地區(qū)L波段電離層閃爍具有十分顯著的逐日變化特征,即使在磁平靜條件下,其逐日變化依然非常顯著[1]。

在未發(fā)生太陽活動劇烈變化的條件下,可認為連續(xù)2天的太陽輻射通量基本保持不變,即太陽輻射對電離層逐日變化的影響較小。在未發(fā)生太陽活動、地磁活動和地震活動等突發(fā)事件的情況下,電離層電動力學過程很可能是控制低緯地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的主要因素[2]。

赤道異常和強電子密度不規(guī)則體是低緯地區(qū)電離層F層的2個主要特征,赤道異常主要發(fā)生在白天,強電子密度不規(guī)則體主要出現(xiàn)在夜間[3]。磁赤道電離層F層電場對白天赤道異常和夜間電子密度不規(guī)則體的發(fā)展起主要作用。這個電場的方向白天向東,在地方時(local time,簡稱LT)LT21左右向西,其方向由東轉西之前,在日落期間東向電場有明顯增強,即反向前增強[4]。白天磁赤道F層中的東向電場使帶電粒子產生向上的E×B漂移,電子、離子共同的向上漂移運動與沿地磁場線方向的擴散結合,使等離子體運動到高處后沿地磁場線傾斜地向下擴散,因此,磁赤道上空的電子密度/垂直總電子量(vertical total electron content,簡稱VTEC)較兩側小,電子密度/VTEC沿緯度分布的峰值分別發(fā)生在磁赤道向北和向南15°～20°的地方,這就是赤道異?，F(xiàn)象。赤道異常現(xiàn)象通常在LT9-LT11開始產生,至下午得到充分發(fā)展,在夜間逐漸減弱,清晨時趨于消失。

在磁赤道地區(qū),日落以后,東向電場反向前增強引起的等離子體垂直漂移速度增大與復合損失共同作用,導致F層快速抬升,并在底部形成陡峭向上的電子密度梯度,電子的分布呈不穩(wěn)定狀態(tài)。在Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性作用下,磁赤道F層底部生成的等離子體泡上升到達一定高度后,分裂為較小尺度的電子密度不規(guī)則體,并沿地磁場線向南北方向擴散。與背景電子密度相比,這些不規(guī)則體的電子密度較小,到達高背景電子密度的赤道異常峰區(qū)附近,導致穿越該區(qū)域的衛(wèi)星信號產生強閃爍。

低緯地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的原因是近年國際上的研究熱點。為了研究桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的原因,根據(jù)2011年9月至2012年5月的桂林L波段電離層閃爍觀測資料和IGS(international GNSS service)提供的全球VTEC地圖,通過分析東經110°地區(qū)的VTEC隨地理緯度和時間的變化特征,在磁平靜條件下研究赤道異常特征對桂林L波段電離層閃爍逐日變化的影響。

1 數(shù)據(jù)來源

IGS提供的VTEC是目前使用最廣泛的VTEC數(shù)據(jù)源,隨著GPS的廣泛應用,IGS已在全球布設了400多個雙頻地基GPS臺站。IGS向公眾提供時間分辨率分別為0.25、1、2 h的全球VTEC地圖(數(shù)據(jù)下載網址為http://cdaweb.gsfc.nasa.gov),其緯度和經度的分辨率分別為2.5°和5°。利用IGS提供的0.25 h時間分辨率的全球VTEC地圖,分析東經110°地區(qū)的赤道異常特征對桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的影響。

地磁活動的強弱常用Kp指數(shù)和Dst指數(shù)表示。Kp指數(shù)是全球3 h磁情指數(shù),Dst指數(shù)表征赤道環(huán)電流強度(Kp指數(shù)和Dst指數(shù)的下載網址為http:// wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/)。若某日的Dst在[-30 n T,30 n T],且Kp≤3,則可認為該日是磁平靜日[]。

2 逐日變化特征分析

2011-11-20-21二天Dst指數(shù)的取值范圍為[-21 n T,8 n T],Kp≤3,因此,這2天是磁平靜日。圖1為2011-11-20-21期間GSV4004電離層閃爍監(jiān)測儀觀測到的所有GPS衛(wèi)星信號的最大S4隨LT的變化。從圖1(a)可看出,2011-11-20LT20-LT22期間S4大于0.2,其他時段的S4均小于0.1,說明在午夜前發(fā)生了L波段電離層閃爍。從圖1(b)可看出, 2011-11-21的S4均小于0.1,說明當天沒有發(fā)生閃爍現(xiàn)象。

圖2為2011-11-20-21UT7:30、UT12:30和UT16:30(LT15:30、LT20:30和LT00:30)東經110°地區(qū)的VTEC隨地理緯度的變化曲線。由于僅分析低緯地區(qū)的VTEC隨地理緯度的變化,只需繪出±50°N地理緯度范圍內的VTEC變化曲線。

圖1 2011-11-20-21的S4隨LT的變化曲線Fig.1 The variations of S4as LT on 2011-11-20 and 2011-11-21

分析東經110°地區(qū)的VTEC隨地理緯度和時間的變化特征發(fā)現(xiàn),2011-11-20-21都從UT3:00開始出現(xiàn)赤道異常,在UT7:30左右赤道異常得到充分發(fā)展,如圖2(a)所示。日落期間的東向電場反向前增強,使得赤道異?，F(xiàn)象在日落后復蘇。20日和21日赤道異?，F(xiàn)象都從UT11:00開始復蘇,在UT12:30左右赤道異常復蘇現(xiàn)象得到充分發(fā)展,如圖2(b)所示。20日(閃爍日)在UT12-UT13期間,北峰最大VTEC為72.7TECU(1 TECU=1016e/m2),且位于北緯20°,VTEC最大峰谷比(即峰區(qū)VTEC與谷區(qū)VTEC比值)為3.88,VTEC緯度梯度為3.6 TECU/(°)。21日(非閃爍日)在UT12-UT13期間,北峰最大VTEC為64.6 TECU,且位于北緯17.5°,VTEC最大峰谷比為2.38,VTEC緯度梯度為3.51 TECU/(°)。在UT16-UT17期間,20日的日落后復蘇的赤道異?，F(xiàn)象依然比較明顯,然而21日的日落后復蘇的赤道異常現(xiàn)象基本消失,如圖2 (c)所示。

2012-05-01-02二天Dst指數(shù)的取值范圍為[-16 n T,-2 n T],Kp≤3,因此,這2天都是磁平靜日。圖3為2012-05-01-02期間GSV4004觀測到的所有GPS衛(wèi)星信號的最大S4隨LT的變化。從圖3可看出,2012-05-01的S4都小于0.1,說明當天沒有發(fā)生閃爍現(xiàn)象,2012-05-02LT22-LT24期間S4大于0.2,其他時段S4都小于0.1,說明2012-05-02地方時午夜前發(fā)生了L波段電離層閃爍。

圖2 2011-11-20和2011-11-21UT7:30、UT12:30、UT16:30東經110°地區(qū)的VTEC隨緯度的變化曲線Fig2 The variations of VTEC as latitude for the region of 110°E on UT7:30,UT12:30 and UT16:30 2011-11-20 and 2011-11-21

圖4為2012-05-01和2012-05-02UT6:30、UT12:30、UT15:30(LT14:30、LT20:30、LT23:30)東經110°地區(qū)的VTEC隨地理緯度的變化。

圖3 2012-05-01-02的S4隨LT的變化曲線Fig.3 The variations of S4as LT on 2012-05-01 and 2012-05-02

分析東經110°地區(qū)的VTEC隨地理緯度和時間的變化特征發(fā)現(xiàn),2012-05-01從UT4開始出現(xiàn)赤道異常,2012-05-02從UT3開始出現(xiàn)赤道異常,且2012-05-01和2012-05-02都在UT6:30左右赤道異常得到充分發(fā)展,如圖4(a)所示。日落期間,2012-05-01和2012-05-02赤道異?，F(xiàn)象都從UT11開始復蘇,在UT12:30左右赤道異常復蘇現(xiàn)象得到充分發(fā)展,如圖4(b)所示。2012-05-01(非閃爍日)在UT12-UT13期間北峰最大VTEC為46.2 TECU,且位于北緯15°,VTEC最大峰谷比為1.48,VTEC緯度梯度為1.5 TECU/(°)。2012-05-02(閃爍日)在UT12-UT13期間北峰最大VTEC為65.4 TECU,且位于北緯22.5°,VTEC最大峰谷比為2.53, VTEC緯度梯度為2.63 TECU/(°)。在UT15-UT16期間,2012-05-02日落后復蘇的赤道異常現(xiàn)象依然比較明顯,然而2012-05-01日落后復蘇的赤道異?，F(xiàn)象基本消失,如圖4(c)所示。

以上2個事例表明,與非閃爍日相比,閃爍日的日落后復蘇的赤道異常結構的強度更強,且持續(xù)時間更長,閃爍日的日落后復蘇的赤道異常結構的北峰所在的緯度更高。

圖4 2012-05-01和2012-05-02UT6:30、UT12:30、UT15:30東經110°地區(qū)的VTEC隨緯度變化曲線Fig.4 The variations of VTEC as latitude for the region of 110°E on UT6:30,UT12:30 and UT15:30 2012-05-01 and 2012-05-02

3 結束語

利用2011年9月至2012年5月桂林的L波段電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)和IGS提供的全球VTEC數(shù)據(jù),分析了磁平靜條件下東經110°地區(qū)的赤道異常特征對桂林L波段電離層閃爍逐日變化的影響。結果表明,與非閃爍日相比,閃爍日日落后的赤道異常復蘇現(xiàn)象更為明顯,主要表現(xiàn)為:日落后峰區(qū)的VTEC數(shù)值更大,峰區(qū)與谷區(qū)的VTEC比值更大,峰區(qū)與谷區(qū)之間的VTEC梯度更大,日落后的赤道異常復蘇現(xiàn)象持續(xù)時間更長,且閃爍日日落后復蘇的赤道異常結構的北峰所處的緯度更高。這些特征主要是由日落期間磁赤道電離層F層東向電場的反向前增強引起。

僅分析了東經110°地區(qū)的赤道異常特征對桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的影響。近年的研究表明,控制低緯地區(qū)電離層閃爍逐日變化的因素還包括日落期間磁赤道上空的F層等離子體垂直漂移、熱層中性風、白天赤道電激流特征、大尺度波結構等[7-11]。上述因素對桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的影響有待深入研究。

[1] Zou Yuhua.Ionospheric scintillations at Guilin detected by GPS ground-based and radio occultation observations [J].Advances in Space Research,2011,47(6):945-965.

[2] Bagiya M S,Sridharan R,Sunda S.Pre-assessment of the“strength”and“l(fā)atitudinal extent”of L-band scintillation:a case study[J].Journal of Geophysical Research, 2013,118(1):488-495.

[3] Chakraborty S K,Hajra R,DasGupta A.Ionospheric scintillation near the anomaly crest in relation to the variability of ambient ionization[J].Radio Science,2012,47 (2):RS004942.

[4] Ray S,DasGupta A.Geostationary L-band signal scintillation observations near the crest of equatorial anomaly in the Indian zone[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2007,69(4):500-514.

[5] 祁威,鄒玉華.桂林地區(qū)GPS電離層閃爍特征分析[J].桂林電子科技大學學報,2012,32(6):451-455.

[6] Gonzalez W D,Joselyn J A,Kamide Y,et al.What is a geomagnetic storm[J].Journal of Geophysical Research,1994,99:5771-5792.

[7] Chatterjee S,Chakraborty S K.Variability of ionospheric scintillation near the equatorial anomaly crest of the Indian zone[J].Annales Geophysicae,2013,31(4):697-711.

[8] Li Guozhu,Ning Baiqi,Abdu M A,et al.Precursor signatures and evolution of post-sunset equatorial spread-F observed over Sanya[J].Journal of Geophysical Research,2012,117:A017820.

[9] Huba J D,Krall J.Impact of meridional winds on equatorial spread F:revisited[J].Geophysical Research Letters,2013,40(7):1268-1272.

[10] Joshi L M,Patra A K,Rao S V B.Low-latitude Es capable of controlling the onset of equatorial spread F [J].Journal of Geophysical Research,2013,118(3): 1170-1179.

[11] Ngwira C M,Klenzing J,Olwendo J,et al.A study of intense ionospheric scintillation observed during a quiet day in the East African low-latitude region[J].Radio Science,2013,48(4):396-405.

編輯:翁史振

The influence of EIA features on the day-to-day variability of L-band ionospheric scintillations at Guilin

Wang Wenjun1,Zou Yuhua1,2,Li Jiao1
(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Guangxi Experiment Center of Information Science,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to study the reason of the day-to-day variability of L-band ionospheric scintillations at Guilin,the influences of equatorial ionization anomaly(EIA)features along 110°E longitude on the day-to-day variability of L-band ionospheric scintillations at Guilin(geographic coordinates:25.29°N,110.33°E;geomagnetic coordinates:15.04°N,181.98°E) have been investigated under quiet geomagnetic conditions on the basis of L-band ionospheric scintillations data obtained by an ionospheric scintillation monitor GSV4004 installed at Guilin and the global vertical total electron content(VTEC)data provided by the international GNSSservice(IGS).The results show that the EIA features along 110°E longitude in scintillation days are very different from those in non-scintillation days.The resurgence-like features of EIA during the post-sunset period are much more pronounced in scintillation days.Namely,VTEC at the crest of EIA is larger in scintillation days,the ratio of VTEC crest to VTEC trough is larger in scintillation days,the VTEC gradient in the regions between VTEC crest and trough is larger in scintillation days,the duration of the resurgence-like features of EIA lasts longer in scintillation days, and the latitude of the north crest of the resurgent EIA is higher in scintillation days.

L-band ionospheric scintillations;day-to-day variability of scintillations;equatorial ionization anomaly(EIA)

P352.7

A

1673-808X(2015)02-0127-05

2014-11-03

國家自然科學基金(41464005);廣西自然科學基金(2014GXNSFAA118374)

鄒玉華(1976—),女,廣西桂林人,教授,博士,研究方向為電波傳播與電離層物理。E-mail:yhzou@guet.edu.cn

汪文君,鄒玉華,李嬌.赤道異常特征對桂林地區(qū)L波段電離層閃爍逐日變化的影響[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(2):127-131.