基于數(shù)字測(cè)高儀和GPS觀測(cè)的三亞地區(qū)電離層-等離子體層總電子含量特征分析

羅偉華，何 康,朱正平

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢430074)

無(wú)線電波傳播路徑上單位截面柱體里的積分電子含量即總電子含量(TEC)是表征電離層特性的一個(gè)重要參數(shù).為計(jì)算TEC，通?？衫脭?shù)字測(cè)高儀觀測(cè)和地基全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)觀測(cè)[1-4].通過(guò)數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)，可得到電離層電子密度隨高度的分布，進(jìn)一步可反演出當(dāng)前時(shí)刻60～1000 km范圍內(nèi)電離層的總電子含量. GPS衛(wèi)星距離地面高度約為20200 km，通過(guò)GPS觀測(cè)可解算出0～20200 km范圍內(nèi)的總電子含量.GPS衛(wèi)星在與地面通信時(shí)，無(wú)線電波會(huì)穿過(guò)電離層和等離子體層，利用GPS觀測(cè)得到的TEC不僅包括了電離層的總電子含量還包括了等離子體層的總電子含量，等離子體層的總電子含量對(duì)信號(hào)的影響也需要考慮，即等離子體層的總電子含量是不能忽視的.結(jié)合電離層數(shù)字測(cè)高儀和GPS觀測(cè)可得到約1000～20200 km范圍內(nèi)的TEC，而20000 km以上區(qū)域的電子密度太小對(duì)于整個(gè)等離子體層的貢獻(xiàn)較小，可以忽略不計(jì)[5]，故由GPS觀測(cè)得到的總電子含量(GTEC)與數(shù)字測(cè)高儀反演得到的總電子含量(ITEC)之差可近似認(rèn)為是等離子體層的總電子含量[6](PTEC).對(duì)于等離子體層總電子含量的分布特征，已有少量研究.如Lunt等[7]利用GPS和NIMS衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的總電子含量，發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)等離子體層的總電子含量對(duì)整個(gè)TEC的貢獻(xiàn)最高可達(dá)到50%.種小燕等[8]結(jié)合非相干散射雷達(dá)和GPS的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)Millstone Hill(42.6°N，288.5°E)地區(qū)等離子體層總電子含量在太陽(yáng)活動(dòng)低年(2005，2008年)的值約為3～7 TECU，在太陽(yáng)活動(dòng)高年(2000，2002年)的值約為4～14 TECU.張滿蓮等[9]利用COSMIC低軌衛(wèi)星2008年的觀測(cè)數(shù)據(jù)反演出等離子體層的總電子含量，發(fā)現(xiàn)等離子體層的總電子含量存在明顯的經(jīng)度變化，且不同經(jīng)度鏈上的等離子體層的總電子含量存在不同的季節(jié)變化特征.當(dāng)前對(duì)我國(guó)低緯地區(qū)(18°N)的相關(guān)研究還相當(dāng)少.此外，當(dāng)今國(guó)際上通用的電離層模型，如國(guó)際電離層參考模型[10](IRI)通常只包含了電離層的總電子含量，而很少考慮等離子層的總電子含量，因此通過(guò)對(duì)等離子體層總電子含量的特性研究，能進(jìn)一步完善等離子體層總電子含量模型，還能對(duì)一些實(shí)際應(yīng)用的誤差修正提供一定的參考.本文將利用2012年海南三亞臺(tái)站(18.34°N，109.62°E)數(shù)字測(cè)高儀和GPS的觀測(cè)資料對(duì)等離子體層的總電子含量的變化特征進(jìn)行分析.本文結(jié)果可為構(gòu)建等離子體層模型奠定理論基礎(chǔ)，具有一定的科學(xué)意義.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)處理

通過(guò)電離層數(shù)字測(cè)高儀獲得電離層高度隨探測(cè)頻率變化的分布圖，可以得到F2層峰高以下的底部電離層電子密度分布；F2層峰高以上的電離層電子密度分布，可利用α-Chapman方程反演計(jì)算[2]得到：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，NmF2、hmF2分別表示電離層F2峰值電子濃度和F2層峰高，HT表示標(biāo)高，Ne(h)表示高度h位置上的電子密度.結(jié)合底部和頂部電離層電子密度分布可得到整個(gè)電離層的電子濃度剖面圖，然后通過(guò)積分運(yùn)算得到電離層的積分電子含量：

(3)

其中s表示60～1000 km的高度范圍.通過(guò)上述方法得到的電子含量可以認(rèn)為是電離層的總電子含量即ITEC.

GPS通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星發(fā)射出的無(wú)線電波信號(hào)的載波相位延時(shí)，比如可以通過(guò)差分群延時(shí)、差分載波相位、法拉第旋轉(zhuǎn)等方法得到較為精確的斜向TEC[11].為了減小多路徑效應(yīng)帶來(lái)的影響，我們選取了仰角大于25°的斜向TEC(STEC，定義符號(hào)NSTEC)，通過(guò)引入電離層薄層模型[4]，將STEC轉(zhuǎn)化為天頂角方向上的垂直TEC(VTEC，定義符號(hào)NVTEC)：

(4)

NVTEC=NSTEC·cosχ,

(5)

式(4)和式(5)中，χ為天頂角，Re為地球半徑，h為薄層高度，為400 km，α為衛(wèi)星仰角.再通過(guò)估算并剔除硬件延遲得到總電子含量即GTEC.

由于20000 km以上區(qū)域的電子密度太小，對(duì)整個(gè)等離子體層的貢獻(xiàn)較小，可以忽略不計(jì)， 故PTEC可認(rèn)為是GTEC與ITEC的差值。為進(jìn)一步分析GTEC與ITEC之間的關(guān)系，在本文中還計(jì)算了每月和每個(gè)時(shí)刻的GTEC與ITEC差值的均方根誤差：

(6)

當(dāng)計(jì)算每月的均方根誤差時(shí)，n為24，xi和yi分別代表當(dāng)月在時(shí)刻i的GTEC和ITEC的月均值；當(dāng)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的均方根誤差時(shí)，n為12，xi和yi分別代表當(dāng)前時(shí)刻第i月的GTEC和ITEC的月均值.

2 GTEC與ITEC的比較分析

圖1給出了2012年1～12月的月平均GTEC與ITEC的日變化特征.圖中橫坐標(biāo)為世界時(shí)(地方時(shí)LT=UT+8)，縱坐標(biāo)為GTEC和ITEC，時(shí)間間隔為1 h，圖中的短豎線表示標(biāo)準(zhǔn)差.從圖1中可以看出，由GPS導(dǎo)出的TEC與測(cè)高儀導(dǎo)出的TEC的變化特征一致，均表現(xiàn)出顯著的日變化特征.極大值點(diǎn)出現(xiàn)在1400～1600 LT，極小值大約出現(xiàn)在0500 LT附近.春秋兩季(春季為3～4月，秋季為9～10月)的GTEC和ITEC的最大值相對(duì)較高，夏冬兩季(夏季為5～8月，冬季為11～2月)相對(duì)較低. GTEC月均值日變化極大值在50～75 TECU范圍內(nèi)，在10月達(dá)到最大(約75 TECU)，ITEC月均值日變化的極大值在40～58 TECU范圍內(nèi)，在10月達(dá)到最大(約58 TECU)這與我國(guó)廣東、海南地區(qū)的TEC變化特征一致[12].

圖2給出了2012年1～12月期間GTEC與ITEC關(guān)系對(duì)比散點(diǎn)圖，圖中橫坐標(biāo)代表ITEC，縱坐標(biāo)代表GTEC，圖中直線為GTEC與ITEC的最小二乘擬合的結(jié)果.從圖2中可以看出相關(guān)系數(shù)平方約為0.88，這意味著GTEC與ITEC有良好的相關(guān)性.從擬合截距可知GTEC與ITEC之差平均值大約為7.5 TECU，這與已有的一些研究結(jié)果大致是相同的，如Belehaki等[3]在2000年10月至2001年9月期間得到雅典臺(tái)站(38°N，23.5°E)此截距約為6.2 TECU. Makinnell等[13]在2005年3～6月期間南非Grahamstown臺(tái)站(22.2°S，26.5°E)得到此值約為3.75 TECU.

圖1 2012年1～12月，月平均GTEC與ITEC的日變化特征.深色線表示GTEC，淺色線表示ITECFig.1 The daily variation of the monthly average values of GTEC and ITEC during 2012. Dark line represents GTEC, Light color line represents ITEC

圖2 2012年1～12月期間，GTEC與ITEC散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.2 Scatter plot of GTEC against the corresponding ITEC during the period January to December 2012

為進(jìn)一步研究GTEC與ITEC的關(guān)系，圖3給出了2012年1～12月每月的GTEC與ITEC的散點(diǎn)關(guān)系圖.圖中橫坐標(biāo)代表ITEC，縱坐標(biāo)代表GTEC，直線表示最小二乘擬合的結(jié)果.

圖3 2012年1～12月，GTEC與ITEC散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.3 Scatter plot of GTEC against the corresponding ITEC of each month in 2012

從圖3中可以看出，在不同月份，相關(guān)系數(shù)平方均大于0.8，在冬季月份可達(dá)到0.95，說(shuō)明GTEC與ITEC的逐月數(shù)據(jù)均有很強(qiáng)的相關(guān)性.夏季月份的擬合截距在10 TECU左右，且最大值不超過(guò)14 TECU.冬季月份的擬合截距在6 TECU以下.春季月份和秋季月份的擬合截距在5～10 TECU變化.

圖4給出了每個(gè)月GTEC與ITEC的均方根誤差和每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的GTEC與ITEC的均方根誤差，RMSE根據(jù)式(6)計(jì)算得出，橫坐標(biāo)分別為月份和世界時(shí)，縱坐標(biāo)為均方根誤差.

圖4 2012年每月的GTEC與ITEC均方根誤差(a)與不同時(shí)刻的GTEC與ITEC均方根誤差(b) Fig.4 RMSE for each month (a) and each moment (b) between GTEC and ITEC

從圖4(a)可以看出，GTEC與ITEC的均方根誤差均小于14 TECU.其中冬季月份均方根誤差較小，在10 TECU以下，夏季月份均方根誤差在10 TECU左右，而在春季月份和秋季月份均方根誤差較大，均超過(guò)10 TECU.從圖4(b)可以看出GTEC與ITEC的均方根誤差在0600～2200 LT時(shí)間段大于10 TECU，其他時(shí)間均小于10 TECU.在1900 LT前后達(dá)到最大值15 TECU.均方根誤差的日變化趨勢(shì)呈日出時(shí)分較小，然后逐漸增大，且在日落時(shí)分達(dá)到最大后逐漸減小.這說(shuō)明利用α-Chapman反演得到F2峰值以上電離層電子濃度的方法是可靠的.

3 等離子體層總電子含量的變化特征

基于GTEC和ITEC的定義，GTEC和ITEC的差值可以認(rèn)為是等離子體層的電子含量.圖5給出了2012年1～12月月平均PTEC的日變化圖，其中橫坐標(biāo)為世界時(shí)，縱坐標(biāo)為PTEC，短豎線為標(biāo)準(zhǔn)差.從圖5中可以看出，PTEC的極大值出現(xiàn)在日落前后，極小值出現(xiàn)在日出前后，冬季月份的PTEC在3～15 TECU范圍內(nèi)變化，在5月和9月最大值能達(dá)到22 TECU.

圖6給出了2012年每個(gè)月PTEC占GTEC的百分比月平均值變化圖，其中橫坐標(biāo)為世界時(shí)，縱坐標(biāo)為PTEC占GTEC的百分比，短豎線為標(biāo)準(zhǔn)差.從圖6中可以看出夜間的百分比要明顯高于白天，白天普遍不高于30%，而在5月和12月0500 LT可以達(dá)到80%.

結(jié)合圖1、圖5和圖6，可以明顯看出在0800-1200 LT范圍內(nèi)，GTEC與ITEC的差值(即PTEC)很小，均不超過(guò)5 TECU，大部分在1～3 TECU甚至有的不到1 TECU，而且PTEC占GTEC的百分比也很小，大部分在10%以下，甚至接近0.因此，在精度要求不高的情況下，可忽略在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的PTEC差值.

圖5 2012年1～12月，月平均PTEC的日變化特征Fig.5 The daily variation of the monthly average values of PTEC for 2012

一般認(rèn)為，在白天，電離層的電子含量迅速增大，使電離層有一部分電子向等離子體層輸送，同時(shí)等離子層電子復(fù)合加快，導(dǎo)致等離子體層電子含量增大.在晚上，電離層電子含量迅速減小，等離子體層有一部分電子向電離層輸送以維持夜間F2層，同時(shí)等離子層電子復(fù)合變慢，等離子體層電子含量減小[2].電離層的電子含量基數(shù)大、復(fù)合反應(yīng)快等原因相對(duì)于等離子體層電子含量變化較大，雖然相互之間會(huì)有一部分的電子輸送，但因等離子體層電子含量變化太小，導(dǎo)致等離子體層電子含量所占百分比在白天比夜間要低.

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用三亞地區(qū)數(shù)字測(cè)高儀和GPS2012年的觀測(cè)資料，比較了由GPS觀測(cè)得到的總電子含量和數(shù)字測(cè)高儀反演得到的總電子含量，并進(jìn)一步計(jì)算了等離子體層的總電子含量，對(duì)等離子體層電子含量的日變化特性、占總的電子含量百分比的日變化特性和隨季節(jié)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析.具體結(jié)果可總結(jié)如下：

(1)電離層的總電子含量表現(xiàn)出顯著的日變化特性，白天值較高，夜間值較低，在0500 LT前后最小，在1400～1600 LT左右達(dá)到最大. GTEC與ITEC的變化趨勢(shì)相同，兩者相關(guān)性很高，全年數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)平方為0.88，各月相關(guān)系數(shù)平方都在0.85以上，冬季月份相關(guān)系數(shù)平方在0.95左右.

(2)等離子體層電子含量具有明顯的日變化，從0800 LT前后開(kāi)始上升，1800 LT前后達(dá)到最大后開(kāi)始下降.等離子體層電子含量白天之值明顯高于夜間.

(3)等離子體層電子含量占總的電子含量百分比也存在顯著的日變化特性，在白天的占比值明顯高于夜間的占比值，且每月月平均占比值均在0500 LT左右達(dá)到最大，月平均占比值的最大值在55%～80%范圍內(nèi)變化，其中12月的占比值可達(dá)到80%.

(4)等離子體層電子含量在北半球低緯地區(qū)冬季月份相對(duì)較小，春秋兩季相對(duì)較大.冬季月份的PTEC在3～15 TECU范圍內(nèi)變化，在5月和9月最大值能達(dá)到22 TECU.

由于本文僅分析了一年的觀測(cè)資料，等離子體層的有些特征可能并未完全揭示.更多地區(qū)和更長(zhǎng)時(shí)間跨度的觀測(cè)資料有待于進(jìn)一步積累以開(kāi)展更深入研究.

致謝本文所用數(shù)據(jù)均來(lái)自于中科院地質(zhì)與地球物理研究所，在此表示感謝.

圖6 2012年1～12月，月平均PTEC占GTEC百分比的日變化特征Fig.6 The daily variation of the monthly average values of the contribution of PTEC (to GTEC) during 2012