2005年至2015年拉薩地區(qū)電離層變化特性分析

朱農(nóng)

摘? 要：針對(duì)電離層對(duì)無線電傳播帶來的影響，該文利用2005—2015年拉薩站GPS雙頻接收機(jī)觀測(cè)到的電離層垂直總電子含量（vertical total electron content， VTEC）數(shù)據(jù)，研究了拉薩地區(qū)的電離層變化的特性。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明：拉薩地區(qū)的電離層VTEC值分別有明顯的半年周期和年周期變化。在2011年和2014年出現(xiàn)“冬季異?！爆F(xiàn)象。此外，拉薩地區(qū)垂直電離層VTEC與太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7之間的為強(qiáng)相關(guān)性，兩者之間的相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.99。

關(guān)鍵詞：電離層? 垂直電離層? 時(shí)間特性? 冬季異常

中圖分類號(hào)：P352.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）02（b）-0101-07

Analysis of Ionospheric Variation Characteristics in Lhasa from 2005 to 2015

ZHU Nong

（Fujian Gutian Zhongmei Ecological Environment Development Co.， Ltd.， Ningde， Fujian Province， 352200 China）

Abstract：In view of the influence of ionosphere on radio propagation， the ionospheric vertical total electron content （VTEC） data observed by GPS dual-band receiver at Lhasa Station from 2005 to 2015 are used in this paper， we study the characteristics of the ionospheric variation in Lhasa area. The experimental analysis show that the ionospheric VTEC values in Lhasa region have obvious semi-annual and annual cycle changes respectively. In 2011 and 2014， "Winter Anomaly" phenomenon occurred. In addition， there is a strong correlation between the vertical ionospheric VTEC and the solar activity index F10.7 in Lhasa， and the correlation coefficient between them is 0.99.

Key Words：Ionosphere;Vertical total electron content;Time characteristic;Winter anomaly

在太陽輻射和磁層下沉的高能粒子的影響下，地球大氣層中的中性氣體就會(huì)發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的離子與自由電子，形成電離層。對(duì)于使用無線電衛(wèi)星導(dǎo)航的客戶端而言，電離層是對(duì)導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確度和精度產(chǎn)生影響的重要距離誤差源之一，同時(shí)也對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響[1]。這是因?yàn)殡婋x層會(huì)對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，導(dǎo)致在時(shí)間上有了延遲。電離層延遲是當(dāng)前GNSS精密定位過程中最重要的誤差來源之一[2]。故而這種誤差是不可以忽視的。電離層VTEC是一個(gè)描述電離層變化特性的關(guān)鍵參數(shù)。VTEC的變化會(huì)受到季節(jié)、經(jīng)緯度、地方時(shí)、太陽活動(dòng)以及地磁活動(dòng)的影響，這就使VTEC在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出豐富的變化特性[3]。為了有效地削弱電離層延遲帶來的影響，可以對(duì)VTEC進(jìn)行研究和分析。

對(duì)于電離層的時(shí)空特性分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做了許多研究：靳婷婷為了研究北京—天津—河北3個(gè)地區(qū)的電離層時(shí)空變化，采用IGS中心2000—2018年共計(jì)19年的全球總電離層TEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)，研究該區(qū)域電離層時(shí)空分布特征并分析太陽活動(dòng)指數(shù)與電離層TEC之間的相關(guān)性[4];李涌濤等研究者通過歐洲定軌中心提供的3年TEC數(shù)據(jù)，分析相鄰格網(wǎng)點(diǎn)電離層的變化和某一格網(wǎng)點(diǎn)不同時(shí)期電離層的變化范圍，該研究為小范圍電離層建模提供理論支撐[5];此外，李涌濤等研究者還基于中國(guó)陸態(tài)網(wǎng)的連續(xù)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究在小尺度空間和高分辨率情況下，中國(guó)區(qū)域電離層的變化特性和精度評(píng)估[6];劉磊等研究者利用2008—2015年武漢站獲得的垂直電離層數(shù)據(jù)，得到了武漢站垂直電離層變化特性以及電離層與太陽活動(dòng)之間的相關(guān)性強(qiáng)度[7];黃良珂根據(jù)IGS提供的1999—2015年電離層數(shù)據(jù)，計(jì)算不同緯度情況下的電離層峰值不對(duì)稱指數(shù)，并分析其與太陽活動(dòng)指數(shù)和地磁活動(dòng)指數(shù)之間的關(guān)系，為建立高精度電離層模型提高參考依據(jù)[8];廖章回等研究者根據(jù)IGS中心電離層數(shù)據(jù)，對(duì)北京地區(qū)、阿克拉地區(qū)以及墨爾本地區(qū)進(jìn)行了年周期變化和半周期變化分析[9];袁菲等研究者針對(duì)電離層延遲對(duì)GNSS精密定位精度的影響，在廣西和周邊地區(qū)，基于IGS數(shù)據(jù)中心提供的4年電離層數(shù)據(jù)，分析太陽活動(dòng)、地產(chǎn)活動(dòng)對(duì)電離層的影響[10]。

以上大多是關(guān)于全球、中國(guó)區(qū)域或者某區(qū)域的短期的電離層變化特性的分析，對(duì)于研究中國(guó)某局部區(qū)

域的年限較長(zhǎng)的電離層變化特性則比較少。故該文將分析我國(guó)拉薩地區(qū)2005—2015年這11年的數(shù)據(jù)，對(duì)拉薩地區(qū)的VTEC值從時(shí)序變化、地磁活動(dòng)和太陽活動(dòng)。

對(duì)VTEC產(chǎn)生影響的這些方面進(jìn)行分析。研究結(jié)果將會(huì)對(duì)改進(jìn)拉薩地區(qū)的電離層模型提供參考價(jià)值。

1? 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

拉薩（東經(jīng)91°06′北緯29°36′）是我國(guó)西藏自治區(qū)的省會(huì)，海拔3 650 m，是目前世界上平均海拔最高的城市之一。同時(shí)也被認(rèn)為是我國(guó)西藏自治區(qū)的歷史文化、政治、經(jīng)濟(jì)和宗教中心。拉薩坐落于遼闊的青藏高原中部、喜馬拉雅山脈的北側(cè)。一年中晴朗的天氣相對(duì)較多，降水稀少，氣候宜人。拉薩地區(qū)太陽輻射強(qiáng)，全年平均日照3 000 h以上，素來?yè)碛小叭展獬恰钡拿婪Q。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該文選取的研究對(duì)象是拉薩地區(qū)上空的電離層，所用的2005—2015年VTEC數(shù)據(jù)由拉薩站GPS雙頻接收機(jī)觀測(cè)到的，采樣間隔為30 s?？梢詫?duì)拉薩地區(qū)的VTEC值進(jìn)行時(shí)序變化分析。

2? 拉薩地區(qū)電離層特性分析

圖1是2005—2015年拉薩地區(qū)VTEC日均值時(shí)序變化圖。將2005—2015年拉薩地區(qū)的VTEC值以日為尺度，取2005—2015年VTEC月均值，用MATLAB軟件繪出拉薩地區(qū)2005—2015年VTEC月均值時(shí)序變化圖（見圖2）。

由圖1和圖2可知，拉薩地區(qū)VTEC值每年在3～5月份會(huì)出現(xiàn)全年的第一個(gè)峰值，之后又在每年的9～10月份有全年的第二峰值。因此拉薩地區(qū)VTEC值具有明顯的年周期和半年的周期變化（電離層半年度變化是指在春秋分季節(jié)的時(shí)候出現(xiàn)極大值）特征，這符合文獻(xiàn)[9]全球電離層具有周年變化和半年變化的結(jié)果。半年變化成因分析：拉薩屬于我國(guó)低緯地區(qū)，電離層VTEC值在春秋季節(jié)比冬夏季節(jié)相對(duì)較高，這是位于低緯地區(qū)電離層VTEC值的一種季節(jié)異?，F(xiàn)象，這種季節(jié)異?，F(xiàn)象可以用大氣中性成分和經(jīng)向中性風(fēng)變化來解釋。當(dāng)北半球到了夏季的時(shí)候，經(jīng)向中性風(fēng)向地球的赤道這個(gè)方向吹，這和地球赤道上方的對(duì)應(yīng)的那部分等離子體順著磁線分散的方向是正好相反的，故而會(huì)削弱等離子體的擴(kuò)散作用;當(dāng)北半球到了春季時(shí)，經(jīng)向中性風(fēng)從地球的赤道向北這個(gè)方向吹，這與地球赤道上空的那部分等離子體擴(kuò)散的方位是相同的并且是相互平行的，這就導(dǎo)致了更多來自地球赤道上空的那部分等離子體與大氣中性成分向地球赤道兩旁的低緯區(qū)域的擴(kuò)散。

從圖2可以看出，每一年拉薩地區(qū)的VTEC值都會(huì)在3～5月具有峰值，接著VTEC值下降，在9～10月出現(xiàn)當(dāng)年的第二個(gè)峰值;在太陽活動(dòng)高年即2014年拉薩地區(qū)的電離層VTEC值有最大值，在太陽活動(dòng)低年即2008年則與之相反。這說明了影響拉薩地區(qū)VTEC值的重要因素之一是太陽活動(dòng)。

將每年拉薩地區(qū)VTEC的月均值均按春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11月）和冬（12月到次年2月）劃分，用MATLAB軟件繪出2005—2015年拉薩地區(qū)VTEC季節(jié)變化圖，具體見圖3。

圖3中橫軸顯示的時(shí)間是世界時(shí)，因?yàn)槔_位于東六區(qū)，所以轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)貢r(shí)間需要加上6 h。在電離層季節(jié)變化方面，拉薩地區(qū)2005年、2010年、2011年、2012年和2013年均出現(xiàn)秋季VTEC值高于春季，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是地域差異性造成的。冬季的VTEC值在2011年的地方時(shí)10～16時(shí)和2014年的地方時(shí)8～18時(shí)的時(shí)候明顯比夏季的VTEC值大，呈現(xiàn)出了冬季異常的現(xiàn)象（電離層冬季異常也可稱為季節(jié)異常，是指電離層VTEC值在夏季的時(shí)候小于在冬季時(shí)的一種現(xiàn)象），和半年度異常不同，在太陽活動(dòng)低年，地球的赤道地區(qū)和南半球不存在冬季異常。一般認(rèn)為冬季異常是由南北半球熱層大氣吸收的紫外輻射的能量差異引起的。在電離層日變化方面（按照季節(jié)為尺度VTEC時(shí)間特性）：從整體上看白天時(shí)段VTEC值大于夜晚VTEC值，并且白天變化趨勢(shì)劇烈，夜晚變化趨勢(shì)緩慢。在當(dāng)?shù)貢r(shí)間12～16時(shí)具有VTEC峰值，接著VTEC值迅速下降，并在當(dāng)?shù)貢r(shí)間4～6時(shí)具有最低值。

3? 太陽活動(dòng)對(duì)電離層的影響

F10.7是太陽10.7cm射電流量的簡(jiǎn)稱，它的單位是sfu（solar flux unit），其中，1sfu=10-22wm-2hz-1。作為一種可在地面觀測(cè)的太陽輻射參數(shù)，與EUV相比，F(xiàn)10.7的觀測(cè)相對(duì)容易和方便。F10.7與太陽活動(dòng)關(guān)系密切，可以描述太陽活動(dòng)的周期性變化規(guī)律。按照F10.7的大小，對(duì)太陽活動(dòng)進(jìn)行劃分。F10.7>150sfu是強(qiáng)太陽活動(dòng)水平，100sfu

從圖4（a）可知，在2005—2015年中，2008年F10.7年均值是最小值，2014年F10.7年均值是最大值;2005—2008年F10.7年均值的變化趨勢(shì)是逐年緩慢下降，2009—2014年F10.7年均值則表現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)，并且峰值在太陽活動(dòng)高年2014年，隨后下降。從圖4（b）可知，拉薩地區(qū)的VTEC年均值的變化趨勢(shì)和F10.7年均值的變化趨勢(shì)是一致的。拉薩地區(qū)電離層VTEC年均值在太陽活動(dòng)低年最小，在太陽活動(dòng)高年最大。

對(duì)拉薩地區(qū)2005—2015年的VTEC年均值和F10.7年均值進(jìn)行線性回歸分析，具體見圖5。在圖5中，F(xiàn)10.7年均值是橫坐標(biāo)x軸，VTEC年均值為縱坐標(biāo)y軸，兩者的線性回歸方程式是：y=ax+b，相關(guān)系數(shù)是0.995 6，其中0.7≤‖K‖≤1是高度相關(guān)。這說明VTEC年均值和太陽射電流量F10.7指數(shù)高度相關(guān)，并且影響拉薩地區(qū)VTEC值的重要因素之一是太陽活動(dòng)。

4? 結(jié)論

拉薩是我國(guó)一個(gè)典型的高原地區(qū)，研究拉薩區(qū)域的電離層VTEC的變化特性，將會(huì)對(duì)拉薩區(qū)域的電離層模型改正提供重要的參考價(jià)值。該文利用拉薩站（東經(jīng)北緯）GPS雙頻接收機(jī)觀測(cè)到的2005—2015年的VTEC數(shù)據(jù)，以多年限區(qū)域性的角度對(duì)拉薩地區(qū)的電離層變化特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）拉薩地區(qū)電離層VTEC值分別有半年周期和年周期;在2011年和2014年具有“冬季異?！爆F(xiàn)象。

（2）VTEC值日變化：VTEC值在地方時(shí)6～12時(shí)之間迅速上升，地方時(shí)12～16時(shí)具有了當(dāng)日的VTEC峰值，之后迅速下降直至當(dāng)?shù)貢r(shí)間4～6時(shí)到當(dāng)天最低值。

（3）拉薩地區(qū)垂直電離層VTEC與太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7之間的為強(qiáng)相關(guān)性，兩者之間的相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.99。

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