“風(fēng)云三號”電離層掩星氣候?qū)W數(shù)據(jù)處理方法

高超，劉黎軍，王志強，白偉華，劉小煦，譚廣遠(yuǎn)，鄧楠

（1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心；3.天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室；4.中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室；5.掩星探測與大氣氣候應(yīng)用國際聯(lián)合實驗室：北京 100190；6.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

電離層是近地空間的重要組成部分，其形態(tài)結(jié)構(gòu)與太陽活動息息相關(guān)。通過觀測并分析電離層周期或非周期變化以及對典型的電離層氣候?qū)W特征的產(chǎn)生機理開展分析與研究，不僅能夠?qū)﹄婋x層氣候變化中驅(qū)動源以及驅(qū)動過程等的電離層物理研究起到推動作用，同時能夠為電離層氣候特征的預(yù)測與預(yù)報提供支撐。電離層氣候?qū)W研究基于不同電離層參數(shù)，例如基于F2層峰值電子密度（NmF2）、F2層峰值高度（hmF2）以及標(biāo)高（Hm）等電離層參數(shù)，從多個維度對電離層隨著地理空間尺度、季節(jié)、地方時以及太陽活動的變化展開研究。

數(shù)據(jù)資料是開展電離層氣候?qū)W研究的基礎(chǔ)，其中全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System,GNSS）無線電掩星技術(shù)為近20年來高速發(fā)展的一門新型無線電遙感探測技術(shù)[1]。相較于傳統(tǒng)的電離層探測手段，例如垂測儀、非相干雷達(dá)或電離層探空儀等，GNSS電離層掩星探測技術(shù)通過搭載在低軌衛(wèi)星上的掩星接收儀接收受電離層折射效應(yīng)影響的GNSS信號，并通過相應(yīng)的反演算法獲取電離層物理參數(shù)信息。該技術(shù)可以依托目前正在軌運行的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System,BDS）等，因此不僅具有成本低、可全球覆蓋、全天時、全天候等優(yōu)勢[2]，其數(shù)據(jù)產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性以及無須定標(biāo)的優(yōu)勢使得該數(shù)據(jù)產(chǎn)品適用于電離層長期變化的氣候研究，是電離層氣候?qū)W特征研究的重要數(shù)據(jù)資料來源[3]。

我國于2013年發(fā)射的“風(fēng)云三號”C星已成功在軌運行，其上搭載的由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心設(shè)計與研發(fā)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀（GNSSOccultation Sounder,GNOS）是全球首個可同時接收BDS與GPS電離層掩星信號的探測儀[4]，每天可以探測大約500次GPS與大約200 次BDS大氣與電離層掩星事件[5]，為電離層空間天氣研究、數(shù)值天氣預(yù)報等提供數(shù)據(jù)支持。其中電離層觀測數(shù)據(jù)包括L1、L2級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，L1級數(shù)據(jù)提供單次掩星事件的電離層附加相位及輔助數(shù)據(jù)，L2級數(shù)據(jù)提供單次掩星事件的電子密度廓線及輔助數(shù)據(jù)[6]。然而，當(dāng)前包括GNOS與美國的COSMIC等所使用的GNSS掩星反演算法均基于球?qū)ΨQ假設(shè)的雙頻TEC，因此仍會有一定的反演誤差以及失真數(shù)據(jù)，會對基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式的電離層氣候特征研究工作產(chǎn)生不利影響。同時，電離層參數(shù)會對電離層閃爍以及地磁活動等產(chǎn)生響應(yīng)，因此在基于GNSS電離層掩星數(shù)據(jù)開展氣候?qū)W特征研究之前，應(yīng)通過行之有效的特征提取與質(zhì)量控制方法來提高數(shù)據(jù)的可靠性與真實性，并根據(jù)對電離層季節(jié)或者年際變化等不同研究需要靈活選擇時間與空間窗口對數(shù)據(jù)進行劃分。綜上，設(shè)計一種易實現(xiàn)、靈活高效且易于模塊化的數(shù)據(jù)處理方法對開展電離層氣候?qū)W研究具有重要意義。

本文提出一種可應(yīng)用于電離層氣候?qū)W研究的數(shù)據(jù)處理方法。該方法的實施步驟為：首先選取一定時間跨度內(nèi)的原始GNSS電離層掩星數(shù)據(jù)產(chǎn)品并對其進行常規(guī)質(zhì)量控制和進階質(zhì)量控制，隨后提取數(shù)據(jù)集相應(yīng)的廓線特征參數(shù)（譬如NmF2、hmF2等），再根據(jù)研究需要劃分具體的時間窗口以及地理空間步長形成全球或區(qū)域性數(shù)據(jù)網(wǎng)格，最后對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行平滑處理和可視化操作，即可通過直觀的圖像數(shù)據(jù)開展電離層氣候?qū)W特征分析與研究。

1 電離層掩星數(shù)據(jù)處理方法

1.1 質(zhì)量控制

GNSS電離層掩星數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與篩選主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、常規(guī)質(zhì)量控制以及進階質(zhì)量控制3部分，其中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作是指匯總所需要的時間范圍內(nèi)的原始GNSS電離層數(shù)據(jù)文件；常規(guī)質(zhì)量控制包括數(shù)據(jù)文件完整性檢測、廓線非單調(diào)變化判別以及電子密度數(shù)值區(qū)間檢測；進階質(zhì)量控制是依據(jù)電離層理論對廓線進一步約束，具體包括hmF2檢測、偏差監(jiān)測、噪聲判別、梯度約束以及磁暴判別。

常規(guī)質(zhì)量控制的具體內(nèi)容包括：

1）數(shù)據(jù)文件完整性檢測：對原始數(shù)據(jù)文件的完整性進行檢驗，即篩查每個文件電離層廓線數(shù)據(jù)在掩星切點處的經(jīng)度、緯度以及電子密度信息數(shù)據(jù)是否缺失。

2）廓線非單調(diào)變化判別：電子密度廓線具有隨海拔高度非單調(diào)變化的特性，即廓線中電子密度表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，存在明顯的電子密度峰值，可基于該特性檢測電子密度廓線是否為非單調(diào)變化。

3）電子密度數(shù)值區(qū)間檢測：對F2層峰值電子密度的數(shù)值范圍進行判別，檢測其是否在過?。ǎ? cm-3）和過大（＞107cm-3）區(qū)間內(nèi)以及是否存在負(fù)值。

進階質(zhì)量控制的具體內(nèi)容包括：

1）hmF2檢測：對hmF2范圍進行判別，檢測其是否處于200～450 km 范圍內(nèi)。

2）偏差監(jiān)測：用平均偏差（mean deviation,MD）對電子密度尖峰進行監(jiān)測，MD的定義[7]為

式中：N為采樣點總數(shù)；nei和n分別為第i個采樣點的電子密度監(jiān)測值以及通過數(shù)據(jù)平滑計算后的電子密度值。

3）噪聲判別：用噪聲系數(shù)（Δ）對由于電離層閃爍作用造成的失真廓線進行判別，判定當(dāng)前廓線的Δ值是否小于0.01，Δ的定義[8]為

式中：k為300 km 以上的電子密度數(shù)據(jù)總數(shù)；ne(i)和(i)分別為海拔300 km 以上的電子密度監(jiān)測值以及通過數(shù)據(jù)平滑計算后的電子密度值。

4）梯度約束：依據(jù)查普曼理論，在420～490 km高度范圍內(nèi)的頂部電離層電子密度會隨海拔升高而逐漸降低，即表現(xiàn)出負(fù)梯度變化[9]。定義電子密度廓線頂部基準(zhǔn)標(biāo)高Hsc以表征F2層峰值電子密度開始呈指數(shù)衰減（衰減為1/e 倍）時的海拔高度h(NmF2×0.368)與峰值高度hmF2的差值[10]，即

Hsc闡述了峰值高度以上O+的離子密度分布，在該高度區(qū)間內(nèi)電子密度梯度相對較小。Hsc參量的反常變化與磁暴的發(fā)生密切相關(guān)，Xu 等[11]通過統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，99%的掩星電子密度廓線的Hsc分布在60～240 km 之間，這也是本工作對電子密度廓線頂部基準(zhǔn)標(biāo)高的約束閾值。

5）磁暴判別：磁暴會使電離層電子密度廓線產(chǎn)生較大波動，對電離層特征參數(shù)值產(chǎn)生較大影響，因此需要根據(jù)地磁指數(shù)Kp來對當(dāng)前數(shù)據(jù)是否處于磁暴期間進行判別。

1.2 網(wǎng)格化

為直觀體現(xiàn)全球電離層氣候特征以及不同時間階段的特征差異，需對數(shù)據(jù)集進行可視化處理。首先選取、匯總所需要的GNSS電離層數(shù)據(jù)參數(shù)，然后將其根據(jù)時間以及空間約束投影到所需的地理位置，具體包括時間窗口限定、空間網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)平滑4個主要步驟。

1）時間窗口限定：將匯總后的數(shù)據(jù)集按照所需要的時間尺度進行劃分，以便對季節(jié)及年際變化或氣候?qū)W特征進行分析，通常劃分的時間尺度包括按季（即3個月為1個時間窗口）、按月劃分，或按照某次電離層異常的持續(xù)時間（例如2015年3月電離層暴的持續(xù)時間跨度）等。

2）空間網(wǎng)格劃分：首先根據(jù)是否為全球電離層氣候?qū)W研究或區(qū)域性氣候?qū)W研究將數(shù)據(jù)根據(jù)地理空間范圍要求進行劃分；隨后根據(jù)需求的網(wǎng)格點大小，即經(jīng)度、緯度步長將數(shù)據(jù)映射到所研究的地理空間，其中，具體步長要滿足至少60%的數(shù)據(jù)網(wǎng)格內(nèi)的電離層參數(shù)數(shù)量大于4。值得注意的是，“風(fēng)云三號”C星電離層掩星探測所對應(yīng)的水平分辨率約為280 km（對應(yīng)經(jīng)、緯度3°），因此，網(wǎng)格尺度的指定不能小于3°。

3）網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理：劃分后的數(shù)據(jù)網(wǎng)格的大部分網(wǎng)格點內(nèi)存在多個數(shù)據(jù)，因此應(yīng)基于任務(wù)需求或數(shù)據(jù)特征計算或選取合適的數(shù)據(jù)來體現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)格點的電離層狀態(tài)。通常可選取的操作有取均值或取中值，以取中值為例，若當(dāng)前網(wǎng)格內(nèi)有N個NmF2值，首先將各個數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小進行排序，隨后基于中值化對網(wǎng)格內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理，具體計算式為

通過該步驟能夠有效降低當(dāng)前網(wǎng)格內(nèi)存在的個別異常值的影響。

4）數(shù)據(jù)平滑：由于部分網(wǎng)格點存在空缺，不僅影響后續(xù)的可視化操作也會影響后續(xù)對全球電離層氣候?qū)W特征的分析，所以需要采用九宮平滑的方式對網(wǎng)格進行數(shù)據(jù)平滑以消除空缺值的影響。如圖1所示，空缺值由周圍網(wǎng)格數(shù)據(jù)點進行算術(shù)平均獲得，當(dāng)空缺值處于網(wǎng)格內(nèi)部，如圖1(a)所示，其電離層特征數(shù)據(jù)值由8個鄰近網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均獲??；當(dāng)空缺值位于緯度邊界網(wǎng)格點，如圖1(b)所示，則通過5個鄰近網(wǎng)格進行算術(shù)平均獲取。

圖1 數(shù)據(jù)九宮平滑示意Fig.1 Data smoothing with scratchablelatex

通過以上電離層數(shù)據(jù)處理后可獲取全球電離層網(wǎng)格化特征數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)網(wǎng)格進行可視化操作后即可對全球電離層氣候?qū)W特征展開研究。

2 應(yīng)用示例以及結(jié)果分析

本文選取自2016.035至2017.035的FY3CGNOS電離層掩星數(shù)據(jù)對全球NmF2電離層氣候?qū)W特征進行季節(jié)性研究分析。

首先對收集后的原始數(shù)據(jù)集進行質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)篩選，最終獲取共計43 991個符合質(zhì)量控制條件的數(shù)據(jù)文件，即獲取了43 991條GNSS掩星垂直廓線。隨后進行網(wǎng)格化處理，按照季節(jié)劃分時間窗口，即將2016.035至2017.035按照季節(jié)劃分為4組數(shù)據(jù)，包括自2016.035至2016.125的春分季數(shù)據(jù)集、自2016.128至2016.218的夏至季數(shù)據(jù)集、自2016.221至2016.311的秋分季數(shù)據(jù)集以及自2016.311至2017.035的冬至季數(shù)據(jù)集。時間窗口限定后再對每組數(shù)據(jù)進行空間網(wǎng)格劃分，選取經(jīng)度、緯度空間步長分別為5°與10°，以春分季為例，劃分后的白天全球掩星電離層NmF2網(wǎng)格數(shù)量分布如圖2所示，其中白色網(wǎng)格表示該網(wǎng)格點具有不少于4個NmF2數(shù)據(jù)，并占總網(wǎng)格數(shù)量的60%，符合既定的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)。

之后基于中值化對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行處理，同樣以春分季為例，處理后的白天期間全球電離層NmF2分布如圖3所示?？梢钥吹疆?dāng)前網(wǎng)格存在部分空缺，因此使用基于九宮平滑的處理方式對空缺處進行數(shù)據(jù)填充，填充后的春分季白天電離層NmF2全球分布如圖4所示。

圖2 春分季白天全球電離層NmF2網(wǎng)格數(shù)據(jù)數(shù)量分布Fig.2 Distributions of global ionospheric NmF2 grid data in daytimeduring the vernal equinox season

圖3 網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理后的春分季白天電離層NmF2全球分布Fig.3 Global distributions of ionospheric NmF2 in daytime during the vernal equinox season after grid data processing

圖4 空缺填充后的春分季白天電離層NmF2全球分布Fig.4 Global distributions of ionospheric NmF2 in daytime during the vernal equinox season after gap filling

根據(jù)上述步驟，分別對春分季、夏至季、秋分季和冬至季白天以及夜晚的全球NmF2數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制與網(wǎng)格化并進行可視化操作，最終結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 春分季白天與夜晚電離層NmF2全球分布Fig.5 The global distribution of ionospheric NmF2 in the day and night during the vernal equinox season:(a)during the day (08:00-11:00 LT),(b)during the night (20:00-23:00 LT)

圖6 夏至季白天與夜晚電離層NmF2全球分布Fig.6 Global distributions of ionospheric NmF2 in the day and night during the summer solstice season:(a)during the day (08:00-11:00 LT),(b)during the night (20:00-23:00 LT)

圖7 秋分季白天與夜晚電離層NmF2全球分布Fig.7 Global distributions of ionospheric NmF2 in the day and night during the autumn equinox season:(a)during the day (08:00-11:00 LT),(b)during the night (20:00-23:00 LT)

圖8 冬至季白天與夜晚電離層NmF2全球分布Fig.8 Global distributionsof ionospheric NmF2 in the day and night during the winter solsticeseason:(a)during the day (08:00-11:00 LT),(b)during the night (20:00-23:00 LT)

上述各個時間窗口的電離層NmF2全球分布表現(xiàn)出多種典型電離層氣候?qū)W特征：圖5～圖8中(a)圖均體現(xiàn)出顯著的赤道異常現(xiàn)象，即沿低磁緯分布的低值電子密度條帶被沿南北中磁緯分布的高值電子密度條帶所夾[12]。圖6與圖8體現(xiàn)出夏季中緯度地區(qū)夜間異常，即在中磁緯區(qū)域出現(xiàn)的夜間電離層電子密度相對于白天的區(qū)域性反常增加現(xiàn)象，具體包括一般威德海異常以及特殊威德海異常[13]，其中圖8(b)中的夜間電離層掩星NmF2表現(xiàn)出相對于圖8(a)中白天期間的威德海海域的NmF2增強，該現(xiàn)象是特殊威德海異常；圖8(b)中的威德海西側(cè)相鄰海域以及圖6(b)中的東亞地區(qū)同樣具有與白天相比夜間NmF2呈現(xiàn)區(qū)域性增加的特點，該現(xiàn)象是一般威德海異常。圖5中的電離層掩星NmF2無論是在白天或是在夜間其值均高于圖7中的，此乃被稱為“半年異?！钡牡湫碗婋x層氣候?qū)W特征[14]。

3 結(jié)束語

GNSS電離層掩星觀測技術(shù)是一種新型的遙感探測技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的觀測手段其具有高時空分辨率、全球覆蓋、全天候、低成本以及無須定標(biāo)等諸多優(yōu)勢，其數(shù)據(jù)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于電離層氣候?qū)W研究、電離層空間環(huán)境監(jiān)測、電離層數(shù)值模型設(shè)計以及數(shù)值天氣預(yù)報等領(lǐng)域。本文設(shè)計了一種從給定觀測時間跨度內(nèi)的電離層原始數(shù)據(jù)文件中選取研究所需的電離層數(shù)據(jù)特征并進行質(zhì)量控制以及網(wǎng)格化操作最終應(yīng)用到電離層氣候?qū)W研究的數(shù)據(jù)處理方法，具有靈活性高以及魯棒性好的優(yōu)點，并基于實例驗證了其可靠性，為基于GNSS電離層掩星數(shù)據(jù)開展長期電離層氣候?qū)W研究提供了一種新的數(shù)據(jù)處理方法。