電離層小尺度因素對(duì)無(wú)線電大氣掩星彎曲角的影響

李明哲，樂(lè)新安*

（1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院；3.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京空間環(huán)境國(guó)家野外觀測(cè)研究站；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院：北京 100029）

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System,GNSS）的逐漸完善，GNSS信號(hào)已成為一種重要的大氣探測(cè)信號(hào)源。與此同時(shí)，基于GNSS的無(wú)線電掩星（radio occultation,RO）技術(shù)也獲得長(zhǎng)足發(fā)展。在過(guò)去25年的時(shí)間里，大量的掩星項(xiàng)目得以開(kāi)展，并取得了一系列豐碩成果[1-7]。無(wú)線電掩星技術(shù)的基本原理是：在低軌衛(wèi)星上搭載高動(dòng)態(tài)GNSS接收機(jī)接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號(hào)；地球電離層及中性大氣層對(duì)電磁波信號(hào)的折射作用會(huì)使信號(hào)路徑會(huì)發(fā)生彎曲，從而形成掩星事件；對(duì)于大氣掩星而言，由于測(cè)量的載波相位觀測(cè)值中包含了大氣折射信息，所以通過(guò)相關(guān)計(jì)算及反演，能夠得到大氣折射率、密度、溫度、氣壓等一系列重要參數(shù)[8]。當(dāng)處于大氣掩星探測(cè)狀態(tài)時(shí)，GNSS接收機(jī)能夠以50 Hz 甚至更高的采樣率進(jìn)行觀測(cè)，并將采集到的數(shù)據(jù)以壓縮格式存放，隨后在低軌衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地面站時(shí)通過(guò)下行通道將數(shù)據(jù)傳送給地面站，最終傳送到掩星數(shù)據(jù)處理中心用于計(jì)算和分析。無(wú)線電掩星技術(shù)具有全球覆蓋、長(zhǎng)期穩(wěn)定、全天候、高精度、高垂直分辨率等特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)大氣探測(cè)手段探測(cè)間隔過(guò)長(zhǎng)、易受云霧影響、海洋地區(qū)覆蓋不足等問(wèn)題，加之相對(duì)低廉的成本，使其能夠?yàn)樘鞖?、氣候及全球變化等相關(guān)研究提供大量有效數(shù)據(jù)[9]。

盡管無(wú)線電掩星技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，有助于對(duì)天氣及氣候的相關(guān)研究，但是在無(wú)線電掩星觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，各種誤差，如衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、信號(hào)噪聲、電離層影響、反演算法誤差等[10]，會(huì)不同程度地對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生影響。其中，電離層誤差是重要的誤差源之一，如果不對(duì)其進(jìn)行妥善處理，則難以獲得高精度的彎曲角及大氣剖面信息，進(jìn)而影響到無(wú)線電掩星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用。在進(jìn)行掩星大氣探測(cè)過(guò)程中，由GNSS衛(wèi)星端發(fā)射的信號(hào)會(huì)穿過(guò)電離層進(jìn)入中性大氣層，再返回電離層并最終被低軌衛(wèi)星接收機(jī)接收。信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到電離層及中性大氣層折射率梯度的影響發(fā)生路徑彎曲。對(duì)于無(wú)線電大氣掩星而言，由中性大氣造成的信號(hào)彎曲是反演大氣參數(shù)所需的有效信息，而由電離層造成的信號(hào)彎曲則成為誤差源。盡管現(xiàn)有的基于相同碰撞高度的彎曲角雙頻線性組合能夠有效減弱電離層一階項(xiàng)的影響，但不能將電離層的影響完全消除[11]。目前電離層對(duì)大氣掩星的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，因?yàn)閺澢蔷€性組合改正沒(méi)有顧及雙頻信號(hào)路徑分離、Appleton-Hartree方程中地磁場(chǎng)項(xiàng)及低軌衛(wèi)星處折射率≠1等方面，至使彎曲角在經(jīng)過(guò)線性組合后仍會(huì)殘留一部分電離層影響，這一部分影響通常被稱為電離層殘余誤差；另一方面，由于電離層中小尺度結(jié)構(gòu)，諸如Es層及F層不均勻體的存在，會(huì)對(duì)穿過(guò)其中的GNSS信號(hào)產(chǎn)生幅度或相位上的影響，該影響同樣無(wú)法被彎曲角線性組合消除[12]。針對(duì)電離層殘余誤差，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的特性及改正研究，并取得了一定成果[13-15]；而對(duì)于電離層小尺度結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)有成果主要集中于研究其對(duì)無(wú)線電大氣掩星個(gè)例的影響[16]，缺少其對(duì)大氣掩星影響的統(tǒng)計(jì)研究，因此有必要從統(tǒng)計(jì)上對(duì)電離層小尺度因素的影響進(jìn)行更為詳盡的探究。

本文著重關(guān)注Es層和F層不均勻體這兩種電離層小尺度因素在中低緯地區(qū)對(duì)無(wú)線電大氣掩星彎曲角的影響。一般認(rèn)為，在瑞利-泰勒不穩(wěn)定性作用下，在低緯電離層F 層底部形成上涌等離子體密度空腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)破碎后會(huì)形成各種尺度的電離層不均勻體[17]。Es層發(fā)生在高度約90～120 km 之間，為厚度數(shù)百到數(shù)km、水平尺度可達(dá)數(shù)百至數(shù)千km 的薄等離子層。Es層主要由金屬離子組成，其離子濃度顯著高于電離層E 層的背景離子濃度，一般認(rèn)為在中低緯地區(qū)其形成機(jī)理可以由風(fēng)剪切理論解釋[18]。目前對(duì)于這兩種不規(guī)則體，已有較為廣泛的研究，無(wú)論是測(cè)高儀、相干/非相干散射雷達(dá)還是GNSS地基接收機(jī)，均能對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)[19]。而隨著無(wú)線電掩星項(xiàng)目的開(kāi)展，無(wú)線電掩星技術(shù)也已成為觀測(cè)這兩種小尺度結(jié)構(gòu)的有效手段。Brahmanandam 等基于氣象、電離層及氣候觀測(cè)星座（Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate, COSMIC）研究了太陽(yáng)活動(dòng)低年的F層不均勻體高度分布特征[20]；Carter 等利用COSMIC提供的S4閃爍指數(shù)研究了F層不均勻體隨經(jīng)度及季節(jié)的變化特性[21]；Wu 等基于挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷（Challenging Minisatellite Payload,CHAMP）觀測(cè)研究了Es層隨緯度、地方時(shí)、高度及季節(jié)的變化特性[22]；Arras等及Chu 等均基于COSMIC觀測(cè)對(duì)Es層的全球分布特性進(jìn)行了有效研究[23-24]；Yue 等基于COSMIC提供的S4閃爍指數(shù)研究了Es層與掩星信號(hào)失鎖間的聯(lián)系[25-26]。以上研究表明，無(wú)線電掩星技術(shù)作為一種新興的臨近空間探測(cè)手段能夠?qū)s層及F層不均勻體進(jìn)行有效研究，尤其是在研究二者的分布特征時(shí)，基于該技術(shù)的高垂直分辨率及全球分布特性，能夠取得較好的效果。但與之對(duì)應(yīng)的是，針對(duì)Es層和F層不均勻體影響GNSS無(wú)線電掩星的研究還十分匱乏。

鑒于此，本文著重研究電離層小尺度因素對(duì)GNSS無(wú)線電大氣掩星彎曲角的影響。首先對(duì)無(wú)線電掩星數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)研究方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹；隨后從個(gè)例上分析Es層及F層不均勻體對(duì)無(wú)線電大氣掩星彎曲角的影響；最后計(jì)算彎曲角不同高度范圍內(nèi)的偏差標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差與Es層及F層不均勻體發(fā)生率的統(tǒng)計(jì)對(duì)比，推知電離層小尺度結(jié)構(gòu)能夠影響到的高度范圍。

1 數(shù)據(jù)和研究方法

1.1 無(wú)線電掩星數(shù)據(jù)介紹

本文主要采用美國(guó)大學(xué)大氣研究聯(lián)合會(huì)（University Corporation for Atmospheric Research,UCAR）下屬COSMIC數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)中心（COSMIC Data Analysis and Archive Center,CDAAC）提供的COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。作為有史以來(lái)最為成功的無(wú)線電掩星項(xiàng)目之一，在過(guò)去的16年時(shí)間里，COSMIC已經(jīng)提供了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的大氣及電離層參數(shù)剖面，為空間天氣、天氣及氣候?qū)W研究提供了豐富的數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目包含6顆軌道高度約800 km 的低軌衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星均搭載GPS信號(hào)接收機(jī)并包含4個(gè)獨(dú)立的GPS天線，其中：2個(gè)高增益掩星天線用于向下方接收50 Hz 采樣率的大氣探測(cè)信號(hào)，而調(diào)制在該高頻信號(hào)上的載波相位可用于后續(xù)的大氣參數(shù)剖面反演；另外2個(gè)定軌天線安裝在15°仰角的位置，用于接收1 Hz 采樣率的信號(hào)，基于該信號(hào)可進(jìn)行衛(wèi)星精密定軌，電離層剖面及電離層閃爍指數(shù)等的計(jì)算。本研究主要利用COSMIC 2012年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于CDAAC發(fā)布的電離層閃爍指數(shù)文件（scnLv1）提供的S4閃爍指數(shù)來(lái)計(jì)算Es層及F層不均勻體的發(fā)生率，基于大氣相位文件（atmPhs）提供的時(shí)間信息、衛(wèi)星軌道信息及剩余相位來(lái)反演大氣彎曲角，基于大氣參數(shù)剖面文件（atmPrf）提供的彎曲角偏差標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征大氣彎曲角的振蕩情況。

1.2 研究方法

本文從個(gè)例分析及統(tǒng)計(jì)對(duì)比兩方面研究電離層小尺度因素對(duì)無(wú)線電大氣掩星彎曲角的影響。在進(jìn)行個(gè)例分析時(shí)，選取正常掩星事件、受Es層影響事件及受F層不均勻體影響事件3類(lèi)個(gè)例，對(duì)比研究這兩種電離層小尺度因素影響在個(gè)例中的表現(xiàn)。在確認(rèn)個(gè)例事件類(lèi)型時(shí)通過(guò)電離層閃爍指數(shù)文件提供的S4閃爍指數(shù)最大值及最大閃爍發(fā)生高度來(lái)判斷該掩星事件是否受電離層不規(guī)則體的影響：當(dāng)S4閃爍指數(shù)最大值≥0.3且發(fā)生高度位于50～150 km 時(shí)，認(rèn)為該掩星事件受Es層影響；當(dāng)S4閃爍指數(shù)最大值≥0.3且發(fā)生高度位于150～600 km時(shí)，認(rèn)為該掩星事件受F層不均勻體影響；而閃爍指數(shù)＜0.3的掩星事件被認(rèn)為是正常掩星事件。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究時(shí)，因?yàn)榇髿鈴澢钦袷幫瑫r(shí)受Es層和F層不均勻體影響，所以我們不對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，而是基于電離層閃爍指數(shù)文件計(jì)算二者的共同發(fā)生率，認(rèn)為當(dāng)S4閃爍指數(shù)最大值≥0.3且發(fā)生高度位于50～600 km 時(shí)該掩星事件受電離層小尺度因素影響；同時(shí)基于大氣參數(shù)剖面文件進(jìn)行彎曲角振蕩情況的統(tǒng)計(jì)，文件中的“smean”參數(shù)被用來(lái)表征彎曲角振蕩情況?！皊mean”參數(shù)由COSMIC大氣觀測(cè)彎曲角與美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research, NCAR）氣候?qū)W模式彎曲角在高度60～80 km 范圍內(nèi)的偏差標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得來(lái)，能夠在一定程度上反映大氣彎曲角受電離層小尺度因素影響產(chǎn)生的振蕩情況。在完成該高度范圍內(nèi)的彎曲角振蕩統(tǒng)計(jì)后，我們嘗試基于大氣相位文件進(jìn)行大氣彎曲角反演，并按高度區(qū)間進(jìn)行劃分，計(jì)算60 km 以下高度區(qū)間內(nèi)的大氣彎曲角偏差標(biāo)準(zhǔn)差，以進(jìn)一步探究電離層小尺度因素能夠影響到的高度范圍。

2 個(gè)例分析

為初步了解電離層小尺度因素對(duì)無(wú)線電大氣掩星的影響，本文首先進(jìn)行個(gè)例分析。圖1展示了發(fā)生于2012年的3個(gè)COSMIC大氣掩星事件，圖1(a)(b)(c)依次為正常掩星事件、受Es層影響事件及受F層不均勻體影響事件，各圖中從左至右依次為由該掩星事件反演所得的L1、L2和線性改正后（linear-combination,LC）的彎曲角，L1信號(hào)信噪比，以及電子密度剖面?；谘谛荓1信號(hào)的信噪比及掩星事件反演所得的電子密度剖面信息，能夠判斷一個(gè)掩星事件是否受到電離層小尺度因素的影響。

圖1 2012年COSMIC無(wú)線電大氣掩星事件個(gè)例Fig.1 Example of three cases occurred in 2012(data source from COSMIC)

從圖1(b)可以看到，該掩星事件的L1信號(hào)信噪比在100～110 km 高度范圍內(nèi)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振蕩，在反演所得的彎曲角中出現(xiàn)了與之對(duì)應(yīng)的“U”型結(jié)構(gòu)，該高度范圍符合Es層發(fā)生的高度范圍，因此認(rèn)為該掩星事件受Es層的影響。從圖1(c)可以看到，由該掩星事件反演所得的彎曲角出現(xiàn)了強(qiáng)烈抖動(dòng)，對(duì)應(yīng)的電子密度剖面同樣發(fā)生了強(qiáng)烈抖動(dòng)，且抖動(dòng)出現(xiàn)在整個(gè)剖面范圍內(nèi)，因此認(rèn)為該掩星事件受到了F層不均勻體的影響。與圖1(b)和圖1(c)相比，圖1(a)的掩星事件無(wú)論是信噪比還是電子密度剖面都沒(méi)有表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抖動(dòng)，L1、L2及LC彎曲角亦沒(méi)有出現(xiàn)明顯的“U”型結(jié)構(gòu)，因此我們認(rèn)為該事件沒(méi)有受到電離層小尺度因素的嚴(yán)重影響。對(duì)比圖1(b)和圖1(c)的掩星事件可以發(fā)現(xiàn)，Es層對(duì)掩星彎曲角的影響主要集中在約110 km 高度，而F層不均勻體的影響則造成了整個(gè)彎曲角剖面的抖動(dòng)。這主要是因?yàn)橄鄬?duì)于F層不均勻體而言，Es層較薄，當(dāng)無(wú)線電信號(hào)接近垂直地穿過(guò)其中時(shí)，Es層對(duì)信號(hào)的影響有限；然而，對(duì)于切點(diǎn)高度位于Es層附近的掩星射線而言，由GNSS衛(wèi)星端發(fā)出的信號(hào)在接近切點(diǎn)時(shí)幾乎與Es層平行，因此該高度范圍內(nèi)的信號(hào)受Es層影響會(huì)較為嚴(yán)重，從而表現(xiàn)出明顯的“U”型結(jié)構(gòu)。對(duì)于F層不均勻體而言，由于其高度上分布較廣，所以對(duì)于穿過(guò)其中的無(wú)線電信號(hào)會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的影響，進(jìn)而導(dǎo)致彎曲角剖面整體上的振蕩[27]。為了進(jìn)一步確認(rèn)，我們提取了與這3個(gè)掩星事件對(duì)應(yīng)的電離層閃爍指數(shù)文件中的參數(shù)，它們的S4閃爍指數(shù)最大值分別為0.07、0.34及0.30，對(duì)應(yīng)發(fā)生高度分別為105.52、104.54及313.62 km?；谇拔奶岬降呐袛鄻?biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)一步確認(rèn)圖1(b)和圖1(c)的掩星事件受到了電離層小尺度因素的影響，進(jìn)而使由掩星事件反演所得的大氣彎曲角也受到影響，這促使我們進(jìn)一步從統(tǒng)計(jì)上研究電離層小尺度因素與無(wú)線電大氣掩星彎曲角間的聯(lián)系。

3 統(tǒng)計(jì)研究

從掩星事件的個(gè)例分析結(jié)果來(lái)看，Es層及F層不均勻體會(huì)對(duì)無(wú)線電大氣掩星彎曲角產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為彎曲角的“U”型結(jié)構(gòu)及強(qiáng)烈抖動(dòng)。為了進(jìn)一步研究電離層小尺度因素的影響，選取了COSMIC 2012年的掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究?；陔婋x層閃爍指數(shù)文件進(jìn)行電離層小尺度不均勻體發(fā)生率的計(jì)算，同時(shí)利用“smean”參數(shù)表征彎曲角振蕩程度。圖2(a)和圖2(b)分別給出了在地理坐標(biāo)系和地磁坐標(biāo)系下，Es層和F層不均勻體發(fā)生率在中低緯地區(qū)的變化特征，各圖中從左至右依次為發(fā)生率的全年、分季（3,4,9,10月）、北半球夏季（5,6,7,8月）及北半球冬季（1,2,11,12月）的分布特征。

圖2 Es層和F層不均勻體發(fā)生率隨經(jīng)/緯度及地磁緯度-磁地方時(shí)分布情況Fig.2 Geographical(a)and geomagnetic(b)distributions of the Es and F layer irregularity occurrence rate in all year round,equinox,northern summer,and northern winter

從圖2可以看到電離層小尺度因素在全年及分季的分布特征較為相似：在地理坐標(biāo)系下，二者均在北半球緯度20°～40°之間發(fā)生較多，發(fā)生率可以達(dá)到25%左右，在南半球也多發(fā)于緯度20°～40°之間，但在經(jīng)度上表現(xiàn)為75°W～150°W 之間高發(fā)，在0°～75°E 之間出現(xiàn)發(fā)生率低谷；在地磁坐標(biāo)系下，二者均從磁地方時(shí)14時(shí)開(kāi)始，在北緯20°～南緯20°之間表現(xiàn)出高發(fā)特性，且在午夜前后表現(xiàn)出緯向的峰狀高發(fā)特性。從北半球夏季與冬季的發(fā)生率對(duì)比可以看到電離層小尺度因素表現(xiàn)出夏季高發(fā)的特性，無(wú)論是在地磁坐標(biāo)系下還是地理坐標(biāo)系下，發(fā)生率高峰均出現(xiàn)在夏季半球，且峰值發(fā)生率可以達(dá)到50%以上?？傮w而言，圖2展示的發(fā)生率特征表現(xiàn)出明顯的隨經(jīng)/緯度、地磁緯度-磁地方時(shí)及季節(jié)變化的特性，該結(jié)果與之前學(xué)者的研究結(jié)果也較為吻合[20-24]。

圖3展示了大氣掩星彎曲角在60～80 km 高度范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥吹剑c小尺度因素發(fā)生率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相比，兩者特征十分相似：從全年和分季特征來(lái)看，在地理坐標(biāo)系下彎曲角振蕩在南北半球緯度20°～40°之間均出現(xiàn)了顯著的增強(qiáng)；在地磁坐標(biāo)系下，彎曲角振蕩表現(xiàn)出了同樣的午后高發(fā)特性，且午夜時(shí)在緯向上顯著增強(qiáng)。從北半球夏季和冬季的對(duì)比也可以看出，彎曲角振蕩表現(xiàn)出了明顯的夏季半球增強(qiáng)，同時(shí)在赤道地區(qū)午夜前后增強(qiáng)的特性。

通過(guò)圖2與圖3的對(duì)比，我們認(rèn)為電離層小尺度因素發(fā)生率分布特征與彎曲角振蕩分布特征能夠較好吻合，從而驗(yàn)證了Es層及F層不均勻體對(duì)無(wú)線電大氣掩星彎曲角影響的存在。根據(jù)Es層及F層不均勻體的分布特征，可以認(rèn)為Es層對(duì)于彎曲角夏季半球的增強(qiáng)起到了重要作用；而由于F層不均勻體在低緯地區(qū)的午夜高發(fā)特性，認(rèn)為其對(duì)這一時(shí)間段緯向的彎曲角振蕩增強(qiáng)起到了重要作用。值得注意的是，地理坐標(biāo)系下，在南半球緯度60°左右、經(jīng)度75°E～150°E的區(qū)域出現(xiàn)了較為顯著的彎曲角振蕩增強(qiáng)，推測(cè)與這一區(qū)域內(nèi)Es 層和F層不均勻體的同時(shí)高發(fā)相關(guān)。這一現(xiàn)象也被Wu 基于多項(xiàng)目的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)觀察到[27]，但是由于F層不均勻體在這一區(qū)域發(fā)生率要低于Es層，所以電離層小尺度因素的整體發(fā)生率不高，從而導(dǎo)致該區(qū)域電離層小尺度因素整體發(fā)生率較低而大氣彎曲角振蕩較明顯的反差情況?？傮w而言，圖2和圖3的對(duì)比結(jié)果表明電離層小尺度因素對(duì)大氣掩星彎曲角在60～80 km 的高度范圍內(nèi)有顯著影響。

在完成該高度范圍內(nèi)的彎曲角振蕩統(tǒng)計(jì)后，我們嘗試基于2012年的COSMIC 大氣相位文件進(jìn)行大氣彎曲角反演，并按高度區(qū)間進(jìn)行劃分，計(jì)算60 km 以下高度區(qū)間內(nèi)的大氣彎曲角偏差標(biāo)準(zhǔn)差，以便進(jìn)一步探究電離層小尺度因素能夠影響到大氣彎曲角的高度范圍。首先按10 km 間隔劃分出3個(gè)高度區(qū)間，即50～60 km、40～50 km 及30～40 km，并計(jì)算各區(qū)間內(nèi)的彎曲角偏差標(biāo)準(zhǔn)差，以初步探究電離層小尺度因素對(duì)大氣彎曲角影響所能夠下探到的高度，其在地理坐標(biāo)系及地磁坐標(biāo)系下的結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 彎曲角振蕩在30～60 km 高度區(qū)間隨經(jīng)/緯度分布情況Fig.4 Geographical distribution of the bending angle oscillation between 30 and 60 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

圖5 彎曲角振蕩在30～60 km 高度區(qū)間隨地磁緯度-磁地方時(shí)分布情況Fig.5 Geomagnetic distribution of the bending angle oscillation between 30 and 60 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

由圖4和圖5可見(jiàn)：彎曲角振蕩現(xiàn)象在高度50～60 km 及40～50 km 區(qū)間仍較為明顯，在圖4中仍能看出彎曲角振蕩的季節(jié)變化特性，與圖3的結(jié)果類(lèi)似，振蕩增強(qiáng)出現(xiàn)在夏季半球地磁緯度20°～40°之間，且在南半球緯度60°左右、經(jīng)度75°E～150°E 的區(qū)域表現(xiàn)出明顯的振蕩增強(qiáng)；圖5中的彎曲角振蕩情況亦能表現(xiàn)出較為明顯的隨地磁緯度-磁地方時(shí)的變化特征，季節(jié)變化明顯；然而在30～40 km 的高度范圍內(nèi)，彎曲角振蕩特征與電離層小尺度因素的聯(lián)系不再明顯，彎曲角偏差較大的區(qū)域主要出現(xiàn)在低緯地區(qū)磁赤道附近及夏季半球的中緯度地區(qū)。我們推測(cè)認(rèn)為在此高度區(qū)間，電離層影響彎曲角的量級(jí)與該高度區(qū)間大氣造成信號(hào)彎曲的量級(jí)相當(dāng)，以至于氣候?qū)W模式彎曲角與中性大氣觀測(cè)彎曲角偏差的影響在這一高度區(qū)間開(kāi)始凸顯，從而減弱了電離層小尺度因素影響在這一高度區(qū)間的特征表現(xiàn)。圖4和圖5的結(jié)果說(shuō)明電離層小尺度因素對(duì)大氣掩星彎曲角的影響能夠下探到30～40 km 的高度區(qū)間。

為了進(jìn)一步明確小尺度因素能夠影響到的高度范圍，將30～40 km 高度區(qū)間細(xì)分為30～35 km 及35～40 km 兩個(gè)區(qū)間，并再次計(jì)算2012年COSMIC大氣彎曲角的偏差標(biāo)準(zhǔn)差，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖中可以看到，在35～40 km 的高度區(qū)間內(nèi)，大氣彎曲角振蕩仍能表現(xiàn)出隨經(jīng)/緯度、地磁緯度-磁地方時(shí)及季節(jié)變化的特征，但是在30～35 km 的高度區(qū)間內(nèi)電離層小尺度因素的影響不再明顯，僅在地磁低緯地區(qū)午夜出現(xiàn)緯向的振蕩增強(qiáng)。推測(cè)是F層不均勻體的影響可以下傳到這一高度區(qū)間，但不及35 km 之上區(qū)域的影響明顯。

圖6 彎曲角振蕩在30～40 km 高度區(qū)間隨經(jīng)/緯度分布情況Fig.6 Geographical distributions of the bending angle oscillation between 30 and 40 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

圖7 彎曲角振蕩在30～40 km 高度區(qū)間隨地磁緯度-磁地方時(shí)分布情況Fig.7 Geomagnetic distributions of the bending angle oscillation between 30 and 40 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了電離層小尺度因素對(duì)無(wú)線電大氣掩星彎曲角的影響，通過(guò)個(gè)例分析，統(tǒng)計(jì)Es層及F層不均勻體發(fā)生率及彎曲角不同高度區(qū)間內(nèi)的偏差標(biāo)準(zhǔn)差，研究了電離層小尺度因素與大氣掩星彎曲角振蕩之間的聯(lián)系。結(jié)果表明，Es層和F層不均勻體能夠?qū)o(wú)線電大氣掩星彎曲角產(chǎn)生影響，該影響無(wú)論從個(gè)例還是統(tǒng)計(jì)結(jié)果中都有所表現(xiàn)。在中低緯地區(qū)，日間彎曲角受Es層和F層不均勻體影響；午夜前后，大氣掩星事件主要受F層不均勻體影響，表現(xiàn)出了明顯的彎曲角振蕩增強(qiáng)。通過(guò)反演彎曲角并計(jì)算不同高度區(qū)間內(nèi)的彎曲角偏差標(biāo)準(zhǔn)差，探究了電離層小尺度因素能夠影響彎曲角的高度范圍，結(jié)果表明與Es層及F層不均勻體相關(guān)的彎曲角振蕩在35 km 以上的高度區(qū)間表現(xiàn)明顯。

本研究可為后續(xù)修正電離層小尺度因素對(duì)彎曲角的影響及大氣掩星數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化提供一定參考。