基于GPS觀測(cè)分析青島地區(qū)電離層板厚變化特性

周育鋒, 李世誠(chéng), 馮健

(1.北京應(yīng)用氣象研究所,北京 100029;2.火箭軍駐錦州地區(qū)專用保障裝備軍事代表室,天津 300000;3.中國(guó)電波傳播研究所, 山東 青島 266107)

0 引 言

電離層板厚是一個(gè)重要的電離層特征參數(shù),是指電離層的總電子含量(TEC)與F2層峰值電子密度(NmF2)的比值.它包涵有豐富的電離層環(huán)境信息, 如電離層電子密度分布的頂部和底部結(jié)構(gòu)、電子和離子溫度、離子成分等,因此,它在空間工程技術(shù)應(yīng)用和空間物理研究上都有著重要價(jià)值.隨著衛(wèi)星無線電信標(biāo)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,利用衛(wèi)星信標(biāo)測(cè)量能獲取電離層TEC信息,進(jìn)而用電離層板厚變化特征進(jìn)行分析研究.多位學(xué)者[1-5]基于單頻衛(wèi)星信標(biāo)測(cè)量,利用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)提取電離層TEC數(shù)據(jù),并聯(lián)合地基測(cè)高儀數(shù)據(jù),分析探討了不同區(qū)域或地點(diǎn)的電離層板厚的日變化、季節(jié)變化及其隨太陽活動(dòng)變化等特征.20世紀(jì)90年代隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)的廣泛應(yīng)用,利用導(dǎo)航衛(wèi)星雙頻信號(hào)可以獲取高精度電離層TEC信息,進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)電離層板厚變化特征的研究[6-11].

長(zhǎng)期以來,多位學(xué)者也對(duì)中國(guó)地區(qū)不同地點(diǎn)的電離層板厚變化進(jìn)行了分析研究.利用衛(wèi)星單頻信標(biāo)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)測(cè)量,Huang[1]得到了臺(tái)灣地區(qū)電離層板厚的日變化、季節(jié)變化及隨太陽活動(dòng)變化等結(jié)果,吳健等[3]研究了新鄉(xiāng)地區(qū)的電離層板厚變化特征和電離層板厚模式,熊波等[4]分析了武漢地區(qū)電離層板厚季節(jié)變化.Chou[10]利用臺(tái)灣地區(qū)GPS和測(cè)高儀觀測(cè)探討了赤道異常駝峰區(qū)電離層板厚變化特征.本文利用中國(guó)電波傳播研究所在同一地理位置布設(shè)的GPS雙頻接收機(jī)和數(shù)字測(cè)高儀所獲取的超過半個(gè)太陽活動(dòng)周的觀測(cè)數(shù)據(jù),分析了青島地區(qū)(120.3oE,36.0oN)電離層板厚的日變化、季節(jié)變化及其隨太陽活動(dòng)變化等特征,并探討了電離層板厚擾動(dòng)變化分布特征.

1 數(shù)據(jù)和分析方法

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30s.為了減少低仰角帶來的電離層TEC測(cè)量誤差,本文所用觀測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定的截至仰角為45o.獲取電離層TEC數(shù)據(jù)的主要計(jì)算過程如下:首先,采用載波相位方法計(jì)算出每一歷元每一信號(hào)傳播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400km,將sTEC轉(zhuǎn)換為電離層穿刺點(diǎn)垂直TEC(vTEC);最后,所有穿刺點(diǎn)vTEC,采用Kriging方法擬合出GPS觀測(cè)站上空電離層vTEC.

對(duì)青島地區(qū)的GPS和測(cè)高儀在2000年8月至2006年4月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理, 由于電離層測(cè)高儀只給出了地方時(shí)整點(diǎn)小時(shí)的foF2值,因此,提取了地方時(shí)整點(diǎn)小時(shí)的電離層vTEC,并計(jì)算出它們相應(yīng)的月均值.因?yàn)殡婋x層F2層的峰值電子密度(NmF2)與臨頻(foF2)存在式(1)關(guān)系, 因此,按照電離層板厚定義,根據(jù)公式(2)和(3), 可分別計(jì)算出青島地區(qū)整點(diǎn)小時(shí)的電離層板厚值(T)和電離層板厚相對(duì)變化值(dT).

NmF2=1.24×1010(foF2)2,

(1)

(2)

dT=(T-Tm)/Tm.

(3)

其中:T、vTEC和foF2的單位分別為km、TECU(=1016el.m-2)、MHz;Tm為電離層板厚的月均值.

2 分析結(jié)果

2.1 電離層板厚日變化、季節(jié)變化和太陽活動(dòng)變化

圖1示出了青島地區(qū)2000年8月至2006年4月期間的電離層板厚月均值對(duì)地方時(shí)變化的等值線圖.可以看出電離層板厚峰值變化主要在200～500km間,在地方時(shí)的日出前、正午前后和日落后三個(gè)時(shí)段有分布峰,而在季節(jié)分布上,也大體呈現(xiàn)出峰谷交替的趨勢(shì).

圖1 2000年8月至2006年4月青島地區(qū)電離層板厚變化

圖2示出了太陽活動(dòng)高年(2000年7月-2001年6月)和低年(2004年7月-2005年6月)的分季(3、4、9和10月)、夏季(5、6、7和8月)和冬季(11、12、1和2月)的青島地區(qū)電離層TEC、foF2和板厚的月均值隨地方時(shí)變化結(jié)果.可以看出電離層TEC和foF2的周日變化特征明顯,在地方時(shí)12LT附近為極大,在太陽活動(dòng)高年要高于低年,分季要高于夏季和冬季,電離層foF2表明出明顯的冬季異常特征,而TEC并不明顯.

電離層板厚呈現(xiàn)出豐富的變化特征,主要有:

1)無論在太陽活動(dòng)高年和低年,在04:00-06:00LT的日出前時(shí)段,電離層板厚都有一個(gè)提升峰.

2)分季,在太陽活動(dòng)高年的白天時(shí)段(08:00-16:00LT),電離層板厚有一個(gè)明顯的提升峰,白天時(shí)段的平均板厚要高于夜間時(shí)段(20:00-04:00LT),而在太陽活動(dòng)低年,白天時(shí)段電離層板厚沒有明顯的提升,且白天時(shí)段的平均板厚要低于夜間時(shí)段.

3)夏季,無論是太陽活動(dòng)高年還是低年,白天時(shí)段電離層板厚都有一個(gè)明顯的提升峰,且高年的白天時(shí)段均要高于夜間時(shí)段,在太陽活動(dòng)低年的22:00LT附近,電離層板厚還有一個(gè)小的提升.

4)冬季,在太陽活動(dòng)高年的白天時(shí)段,電離層板厚有一個(gè)明顯的提升峰,而低年白天時(shí)段電離層板厚變化平穩(wěn),且在太陽活動(dòng)高年和低年,白天時(shí)段的平均板厚均要低于夜間時(shí)段.

圖2 電離層TEC、foF2和板厚的月均值隨太陽活動(dòng)、季節(jié)和地方時(shí)的變化

表1示出了青島地區(qū)電離層板厚在不同太陽活動(dòng)、季節(jié)和時(shí)段的變化.可以看出:1)在不同太陽活動(dòng)和不同季節(jié),電離層板厚的最大值和最小值的比率在1.43～2.04間變化,以冬季的比率為最大,而在高年以分季最小,低年以夏季最小.從全年的平均比率來看,高年和低年相差不大,前者約為1.73,后者約為1.68.2)夜間平均板厚無論在太陽活動(dòng)高年還是低年,都以冬季最大,分別約為432km和386km,而分季和夏季比較接近,高年為282km和286km,低年為303km和311km.3) 白天平均板厚在太陽活動(dòng)高年和低年,都以夏季最大,分別約為415km和336km,冬季最小,分別約為301km和221km.4)夜間板厚在冬季隨太陽活動(dòng)性降低而減小,分季和夏季夜間板厚卻相反,隨太陽活動(dòng)性降低而增大.而太陽活動(dòng)高年三個(gè)季節(jié)的白天板厚都要高于低年.從全年平均來看,夜間板厚在高年和低年相等,兩者均約為333km,而白天板厚在高年要大于低年,前者約為354km,后者約為265km.5)從夜間與白天的平均板厚比率來看,夏季白天平均板厚無論高年還是低年均大于夜間,且高年變化幅度大,低年變化幅度小;冬季白天平均板厚均小于夜間,且低年變化幅度大,高年變化幅度小;而分季的白天平均板厚,在高年要大于夜間,在低年卻小于夜間,兩者的變化幅度接近.從全年平均結(jié)果來看,高年略小于1,為0.98,低年為1.31.

表1 電離層板厚在不同太陽活動(dòng)、季節(jié)和時(shí)段的變化比較

圖3示出了青島地區(qū)在白天12：00LT和夜間0：00LT的電離層板厚月均值的變化.可以看出電離層板厚總體上呈現(xiàn)出季節(jié)變化趨勢(shì),白天12：00LT的板厚在冬季的12月前后為極小,在夏季5-6月前后為極大;而夜間0：00LT電離層板厚呈現(xiàn)出與白天12：00LT相反的變化趨勢(shì),在冬季11-12月前后為極大,在夏季8月前后為極小.此外,白天板厚隨太陽活動(dòng)性降低有減小的趨勢(shì),而夜間這種變化關(guān)系并不明顯.

圖3 電離層板厚在白天和夜間的變化曲線

2.2 電離層板厚擾動(dòng)變化

在2000年6月至2006年4月期間獲得有效的電離層板厚數(shù)據(jù)點(diǎn)共28 908個(gè),按照公式(2)計(jì)算出每個(gè)電離層板厚數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差(dT),并提取其中的白天時(shí)段(08：00-16：00LT)和夜間時(shí)段(20：00-04：00LT)的相應(yīng)數(shù)據(jù),前者為11 214個(gè),后者為10 108個(gè).然后,對(duì)相對(duì)偏差按照每0.1的分布間隔,白天和夜間的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),相應(yīng)百分比分布結(jié)果如圖4(a)所示.白天時(shí)段分布相較于夜間時(shí)段更為集中,前者占白天總數(shù)據(jù)的93.1%,后者占夜間總數(shù)的83.5%.圖4(b)示出了電離層板厚相對(duì)偏差的絕對(duì)值高于0.3的擾動(dòng)數(shù)據(jù)隨地方時(shí)的分布情況.結(jié)果表明,電離層板厚增強(qiáng)和減弱的分布趨勢(shì)相似,且夜間擾動(dòng)百分比要高于白天,在日出前和日落后時(shí)段為擾動(dòng)分布高峰,在正午前后為擾動(dòng)分布低谷.

(a)電離層板厚白天和夜間分布

(b)電離層板厚相對(duì)偏差絕對(duì)值范圍分布圖4 電離層板厚相對(duì)變化分布

3 結(jié)束語

聯(lián)合半個(gè)太陽活動(dòng)周的GPS-TEC和foF2的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)青島地區(qū)電離層板厚變化進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:

1)電離層板厚在日出前時(shí)段存在明顯的增強(qiáng).

2)電離層板厚日變化隨季節(jié)和太陽活動(dòng)而變化.在太陽活動(dòng)高年,白天時(shí)段在分季、夏季和冬季都會(huì)出現(xiàn)板厚增強(qiáng)峰,而低年只在夏季出現(xiàn)明顯板厚增強(qiáng)．

3)夏季白天時(shí)段板厚在高年和低年均要高于夜間時(shí)段,冬季白天時(shí)段板厚在高年和低年均要小于夜間時(shí)段,而分季白天時(shí)段在高年要高于夜間時(shí)段,在低年則相反.

4)白天時(shí)段電離層板厚在冬季為極小,夏季為極大,且隨太陽活動(dòng)降低而減小,夜間時(shí)段電離層板厚在冬季極大,分季和夏季為極小,且隨太陽活動(dòng)變化并不明顯.

5)電離層板厚相對(duì)偏差主要分布在-0.3～0.3,白天時(shí)段較夜間更為集中.板厚增強(qiáng)和減弱擾動(dòng)具有相似分布趨勢(shì),在白天時(shí)段擾動(dòng)概率要低于夜間時(shí)段.