利用GPS觀測(cè)研究我國(guó)赤道異常駝峰區(qū)電離層TEC變化

余侯芳,朱云舟,鄧忠新

(1.中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107;2.中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266107)

0 引 言

電離層總電子含量(TEC)的時(shí)空變化對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位、通信、雷達(dá)等無(wú)線電系統(tǒng)電波信號(hào)傳播有著重要影響,特別是對(duì)于穿越電離層傳播的電波信號(hào),電離層引起的傳播效應(yīng)直接正比于TEC的數(shù)值。因此,TEC成為表征電離層電波傳播特性的最重要環(huán)境參數(shù)[1-3]。隨著GPS等全球定位系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,利用GPS雙頻相干信號(hào)能夠得到電離層TEC,這給電離層天氣監(jiān)測(cè)研究帶來(lái)了革命性的變化。

電離層電子密度在地球磁赤道南北兩側(cè)15°附近出現(xiàn)兩個(gè)極大值,分別被稱為赤道異常區(qū)的南、北駝峰,中國(guó)南部地區(qū)就處于電離層赤道異常北駝峰區(qū)。由于赤道異常區(qū)駝峰位置和時(shí)間在不同太陽(yáng)活動(dòng)及季節(jié)下將發(fā)生不同程度的移動(dòng),而且電離層TEC等特征參數(shù)還存在一定的梯度變化,這將給該區(qū)域無(wú)線電信息化系統(tǒng)工作性能帶來(lái)重要影響。因此,分析研究赤道異常區(qū)電離層變化特征始終是電波傳播領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題[4-11]。

本文將利用中國(guó)南部地區(qū)多個(gè)GPS測(cè)站的TEC觀測(cè)數(shù)據(jù),重點(diǎn)探討赤道異常北駝峰出現(xiàn)位置和時(shí)間以及駝峰北側(cè)的電離層梯度變化。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

本文所用數(shù)據(jù)為YONG、QION、GUAN、LUZH、WHJF、ZHNZ和XIAA七個(gè)GPS測(cè)站獲取的2004年電離層TEC觀測(cè)數(shù)據(jù),上述測(cè)站的位置信息如表1所示。

表1 GPS測(cè)站及位置信息

電離層TEC數(shù)據(jù)獲取過(guò)程如下:地面GPS雙頻接收機(jī)在每一時(shí)間歷元能接收到多顆衛(wèi)星信號(hào),原始觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為30 s,為了減少低仰角帶來(lái)的電離層TEC測(cè)量誤差,本文限定仰角不小于30°.首先,采用載波相位方法計(jì)算出每一時(shí)間歷元各星地路徑上的電離層斜向TEC(sTEC);然后,依據(jù)電離層薄殼模型,取電離層電子密度質(zhì)心高度為400 km,將每條星地路徑上的sTEC轉(zhuǎn)換為電離層穿刺點(diǎn)的垂直TEC(vTEC);接著,以每10 min時(shí)間點(diǎn)為中心,將其前后2.5 min內(nèi)每一觀測(cè)衛(wèi)星的所有穿刺點(diǎn)的vTEC和經(jīng)緯度進(jìn)行算術(shù)平均,得到每10 min所有觀測(cè)衛(wèi)星在電離層穿刺點(diǎn)的平均vTEC和經(jīng)緯度;最后,根據(jù)本文分析需要,分為兩種情形進(jìn)行處理:

聯(lián)系人: 余侯芳E-mail: dengzx2@163.com

情形1:在做各測(cè)站電離層TEC變化特性分析時(shí),需要計(jì)算出該測(cè)站上空的電離層vTEC,其計(jì)算方法是:首先,按上述電離層TEC數(shù)據(jù)獲取方法,得到各測(cè)站每10 min所有電離層穿刺點(diǎn)的vTEC和經(jīng)緯度信息;然后,采用Kriging方法[12-13]擬合出對(duì)應(yīng)測(cè)站位置上空的每10 min電離層vTEC.

情形2:在做赤道異常北駝峰電離層TEC特性分析時(shí),需要計(jì)算特定經(jīng)度線上不同緯度點(diǎn)的電離層vTEC,其計(jì)算方法是:首先,根據(jù)七個(gè)測(cè)站的位置分布,選定為112.5°經(jīng)度線,并按0.5度的等緯度間隔,從地理北緯16.0°～31.0°間取定31個(gè)同經(jīng)度不同緯度位置點(diǎn);接著,以該31個(gè)位置點(diǎn)相應(yīng)的經(jīng)緯度為中心,取經(jīng)度差不大于6°且緯度差不大于3°的區(qū)域作為該位置點(diǎn)電離層vTEC計(jì)算的有效區(qū)間;然后,提取該有效區(qū)間內(nèi)每10 min所有電離層穿刺點(diǎn)的vTEC和經(jīng)緯度信息;最后,采用Kriging方法擬合出相應(yīng)位置點(diǎn)每10 min的電離層vTEC值。

2 分析結(jié)果

2.1 測(cè)站電離層TEC變化

圖1 GPS測(cè)站電離層TEC變化

圖1為上述七個(gè)GPS測(cè)站電離層vTEC變化圖。從圖中可以看出:各站的電離層vTEC值在兩分季出現(xiàn)極大,處于較低緯度區(qū)的YONG、QION和GUAN三站電離層vTEC相對(duì)較高,其最大峰值達(dá)到了90 TECu(1TECu=1016m-2),處于相對(duì)較高緯度區(qū)的ZHNZ和XIAA兩站的vTEC的最大峰值約為60 TECu,而位于上述兩個(gè)緯度區(qū)間的WHJF和LUZH兩站vTEC最大峰值也介于兩者之間。這表明在中國(guó)南部地區(qū)電離層TEC隨著緯度變化存在一定傾斜,亦即所謂的電離層梯度。

為了更好地了解該區(qū)域電離層TEC一般變化特征,圖2示出了七個(gè)測(cè)站的vTEC月均值變化,可以看出各站電離層vTEC隨緯度變化特征更為清晰。特別值得注意的是:在冬季的11、12和1月,YONG和QION兩站vTEC較為接近,且要明顯高于GUAN站,這預(yù)示著電離層TEC北駝峰處在該兩站緯度之間;而在分季的3、4和10月,GUAN站vTEC的最大峰值與QION站相仿,且要約高于YONG站,這也意味著分季月電離層TEC北駝峰向北側(cè)發(fā)生了移動(dòng),處在QION和GUAN兩站緯度之間。此外,各站電離層vTEC的最大峰值出現(xiàn)時(shí)間也隨季節(jié)有時(shí)變化。

上述結(jié)果表明處于赤道異常區(qū)的中國(guó)南部地區(qū)電離層TEC存在一定梯度變化,且其駝峰的位置和時(shí)間隨季節(jié)變化而有所改變。

圖2 GPS測(cè)站電離層TEC月均值變化

2.2 北駝峰出現(xiàn)位置和時(shí)間

為了更清晰地考察電離層TEC北駝峰的移動(dòng),按照第2節(jié)的特定位置點(diǎn)vTEC處理方法,獲得了沿112.5°經(jīng)度線上相隔0.5°的同經(jīng)度不同緯度31個(gè)位置點(diǎn)電離層vTEC值,并按自然月計(jì)算出對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)每10 min的vTEC月均值,其結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出: 1) 不同月份的電離層TEC北駝峰位置有所改變,其緯度位置以分季月為高,冬季月相對(duì)為低,尤以3、4月份的位置緯度為最高,大約在22°; 2) 不同月份的電離層TEC北駝峰時(shí)間也有所改變,夏季月相較于其它月份出現(xiàn)時(shí)間為晚,其在6～8月的時(shí)間約為地方時(shí)15～16 h之間(LT=UT+7.5h).

圖3 電離層TEC月均值隨緯度和時(shí)間變化

月份緯度/(°N)地方時(shí)/h月份緯度/(oN)地方時(shí)/h117.513.7720.515.8220.514.5818.515.7322.514.8920.015.3422.014.21021.514.2520.514.71118.013.0621.015.81218.014.2

表2示出了上述駝峰峰值位置和時(shí)間的具體信息?？梢钥闯? 1) 在不同月份其峰值的位置在北緯17.5～22.5之間變化,以3月份位置為最高,約在地理北緯22.5°處,以1月份位置為最低,約為北緯17.5°,全年位置緯度的平均值約在20.0°; 2) 在不同月份其峰值時(shí)間在地方時(shí)13～16 h之間變化,以6和7月出現(xiàn)時(shí)間為最晚,在地方時(shí)15.8 h前后,以11月份時(shí)間為最早,約為地方時(shí)13 h,全年出現(xiàn)時(shí)間的平均值約為地方時(shí)14.7 h.

2.3 駝峰北側(cè)電離層TEC梯度

前面已提到了中國(guó)南部地區(qū)電離層TEC存在一定傾斜,在此著重考察駝峰北側(cè)電離層TEC的梯度情況。具體考察方法是:基于前述每10 min同一經(jīng)度線(112.5°)上31個(gè)不同緯度位置點(diǎn)的電離層vTEC月均值為考察數(shù)據(jù)集,以北緯16.0°～29.5°之間的最大vTEC值為電離層傾斜起點(diǎn),以北緯30°位置點(diǎn)vTEC為電離層傾斜終點(diǎn),以起點(diǎn)和終點(diǎn)之間400 km高度上大圓距離為電離層距離,按公式(1)計(jì)算兩點(diǎn)間電離層梯度。

(1)

式中:TEC0(t) 和TEC1(t)分別為t時(shí)刻電離層傾斜起點(diǎn)和終點(diǎn)位置的vTEC值,其單位為T(mén)ECu;D(t)為兩點(diǎn)間電離層距離,以100 km為計(jì)量單位;G(t)為電離層TEC梯度,單位為T(mén)ECu/100 km.

按照上述方法,計(jì)算出每月每10 min電離層TEC梯度,如圖4所示。可以看出: 1) 各月的電離層梯度在地方時(shí)午后13.5～16.5 h LT時(shí)段(約在6～9 h UT)出現(xiàn)極大,在夜側(cè)4.5 h LT前后(約在21 h UT)為極小; 2) 所有月份的夜側(cè)電離層梯度變化差異不大,基本上處于3 TECu/100 km以內(nèi),尤在21 UT前后其電離層梯度變化均在1 TECu/100 km以下;3) 各月的日側(cè)電離層梯度差異較大,以處于兩分季的3和10月具有較大的電離層梯度值,前者最大梯度超過(guò)了11 TECu/100 km,后者也達(dá)到了9 TECu/100 km.而處于冬季的12和1月以及夏季的6和7月的日側(cè)電離層梯度值較小,其最大值均在5 TECu/100 km以內(nèi),特別是7月的最大梯度也僅有3 TECu/100 km.

圖4 電離層TEC梯度隨月份和時(shí)間變化

3 結(jié)束語(yǔ)

電離層赤道異常的形成通常認(rèn)為是“噴泉效應(yīng)”所致,F層電場(chǎng)是控制赤道異常形態(tài)的最重要因素。對(duì)于非太陽(yáng)活動(dòng)高年,赤道區(qū)F層中電場(chǎng)主要來(lái)自E層發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生的極化電場(chǎng);而在太陽(yáng)活動(dòng)高年,特別是秋冬春季節(jié),熱層風(fēng)驅(qū)動(dòng)的F層發(fā)電機(jī)電場(chǎng)起著重要作用[5]。

陳培仁[5]基于foF2資料所獲得的不同季節(jié)赤道異常北駝峰位置變化大約在23°N～25°N之間,要略高于本文利用TEC觀測(cè)數(shù)據(jù)所獲得的位置緯度,這可能是與所采用的數(shù)據(jù)源差異相關(guān),foF2反映的是電離層F2層峰值電子密度效應(yīng),而TEC所揭示的是電離層電子密度的路徑積分效應(yīng)。

在計(jì)算駝峰北側(cè)電離層TEC梯度時(shí),采用了可變的駝峰緯度和固定的30°N之間的電離層空間距離。在分季月,不僅北駝峰TEC值要高于其它季節(jié),且其位置緯度也更靠近30°N,這是導(dǎo)致電離層TEC梯度增大的直接原因,但其本質(zhì)上是源于分季赤道電離層“噴泉效應(yīng)”的增強(qiáng)。

本文基于我國(guó)南部地區(qū)GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù),重點(diǎn)分析北駝峰位置和出現(xiàn)時(shí)間以及駝峰北側(cè)電離層TEC梯度變化,取得的主要結(jié)論有:

1) 北駝峰位置隨季節(jié)變化,處在北緯17.5°～22.5°之間,以冬季月份的11、12和1月為最低,而分季月份的3、4和10月為最高,其出現(xiàn)位置的全年平均約在北緯20°左右。

2) 北駝峰出現(xiàn)時(shí)間與季節(jié)有關(guān),一般在地方時(shí)13～16 h之間變化,冬季月出現(xiàn)時(shí)間約在14 h LT前后,夏季月約在15～16 h LT之間,出現(xiàn)時(shí)間的全年平均約在地方時(shí)14.7 h.

3) 不同時(shí)刻的電離層梯度有所差異。夜側(cè)梯度要明顯低于日側(cè),且夜側(cè)梯度變化幅度較小,在4.5 h LT前后為極小,日側(cè)梯度在午后時(shí)段出現(xiàn)極大。

4) 日側(cè)電離層梯度變化隨季節(jié)改變存在較大差異,分季月份具有更大的梯度,3月最大梯度超過(guò)了11TECu/100 km,10月也達(dá)到了9TECu/100 km,而冬季的12和1月以及夏季的6～8月的最大梯度均在5 TECu/100 km以內(nèi)。

本文使用的是2004年GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),該年處于太陽(yáng)活動(dòng)性自高(2001年)向低(2008年)下降階段,因此,相關(guān)結(jié)論在不同太陽(yáng)活動(dòng)條件下將可能有所差異。

[1] 司家才, 焦培南. 電離層赤道異常對(duì)返回散射電離圖的影響 [J]. 地球物理學(xué)報(bào),1993, 36 (2): 149-157.

[2] RADICELLA S M, NAVA B, COISSON P. Effects of gradients of the electron density on earth-space communications[J]. Annals of Geophysics(sup), 2004(47): 1227-1246.

[3] KERSLEY L, MALAN D, ELERIPRYSE S,etal. Total electron content-A key parameter in propagation: measurement and use in ionospheric imaging[J]. Annals of Geophysics(sup), 2004(47): 1067-1091.

[4] 宋利,古士芬. 120°E附近電離層赤道異常峰運(yùn)動(dòng). [J].空間科學(xué)學(xué)報(bào), 1988, 8(2): 128-132.

[5] 陳培仁. 東亞扇區(qū)赤道異常北峰的移動(dòng)規(guī)律[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 1990, 33(5): 505-511.

[6] 陳培仁. 赤道異常峰區(qū)電離層的某些特點(diǎn)[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 1990, 10(3),:221-229.

[7] 梁仲寰,宋金安,樊戰(zhàn)友. TEC計(jì)算方法探討和赤道異常北駝峰時(shí)空特征測(cè)量初析[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 1993, 13(1),:63-72.

[8] HUANG Y N, CHENG K. Solar cycle variations of equatorial ionospheric anomaly in total electron content in the Asian region[J]. Journal of Geophysical Research, 1996, 101(A11): 24513-24520.

[9] KUMAR S, Singh A K. Variation of ionospheric total electron content in India low latitude region of the equatorial anomaly during May 2007-April 2008[J]. Advances in Space Research, 2009, 43(10): 1555-1562.

[10]黃文耿,陳艷紅,沈華, 等. 用GPS觀測(cè)研究電離層TEC水平梯度[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(2): 183-187.

[11]黃江,鄧柏昌,黃林峰, 等. 基于IGS的TEC赤道異常南-北不對(duì)稱性分析 [J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013, 52(4): 130-137.

[12]STANISLAWSKA I, JUCHNIKOWSKI G, Cander L R,etal. The kriging method of TEC instantaneous mapping[J]. Advances in Space Research. 2002, 29(6): 945-948.

[13]毛田,萬(wàn)衛(wèi)星,孫凌峰. 用Kriging方法構(gòu)建中緯度區(qū)域電離層TEC地圖[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(4): 279-285.