基于GNSS 數(shù)據(jù)的第24 太陽活動周中國電離層變化特性分析

白 斌，李 新，劉峰華

（1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局測繪勘察院，甘肅 蘭州 730064；2.山東正維勘察測繪有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

地球上層大氣中的分子和原子受到太陽輻射的影響，產(chǎn)生大量的自由電子和離子，由此形成電離層［1］。按照地球大氣的電離程度可自上而下將其分成磁層、電離層和中性層。電離層位于距離地面60 ～1000 km 高度范圍，是地球高層大氣中一個部分電離的區(qū)域（完全電離的區(qū)域稱為磁層）。電離層內(nèi)部的變化受到海拔、經(jīng)度、緯度、時間、季節(jié)、太陽活動和地磁活動的影響［2］。電離層的活動水平用總電子含量（total electron content，TEC）來進(jìn)行描述，TEC 是指底面積為1 m2的傳播路徑中所含的電子總量，TEC 以TECU 為單位，1 TECU=1×1016el/m2［1］。TEC 一直被認(rèn)為是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位的重要影響因素，對無線電的傳播、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航應(yīng)用也存在影響［3］。因此，通過分析電離層TEC 的時空變化特性，對電離層進(jìn)行預(yù)測和建模，提高區(qū)域電離層延遲改正的精度尤為重要。中國地域廣闊，氣候多樣，電離層變化復(fù)雜。因此，研究中國區(qū)域的電離層時空特性變化，對中國區(qū)域電離層的建模和預(yù)測具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者對不同區(qū)域的電離層時空變化進(jìn)行了大量的研究。孟泱等利用南極中山站的GNSS 觀測數(shù)據(jù)對南極地區(qū)電離層TEC 變化特征進(jìn)行了研究［4］。吳云等基于IGS 提供的TEC 數(shù)據(jù)和GNSS 解算的TEC 數(shù)據(jù)，分析了緬甸地區(qū)震前電離層的時空變化特征［5］。李旺等將全球分為四大區(qū)域，對全球電離層TEC 的空間分布規(guī)律以及各個區(qū)域電離層的周期變化進(jìn)行了分析［6］。黃林峰等利用IGS 提供的TEC 數(shù)據(jù)，分析了太陽活動上升期華南地區(qū)上空電離層赤道異常（EIA）北駝峰的變化特征［7］。李涌濤等基于CODE-TEC 數(shù)據(jù)，分析了相鄰格網(wǎng)點(diǎn)TEC 的變化范圍以及不同時間間隔同一格網(wǎng)點(diǎn)TEC 的變化范圍［8］。

前人對全球和不同區(qū)域電離層的時空變化特征進(jìn)行了諸多研究。但在中國僅有少數(shù)學(xué)者利用單站數(shù)據(jù)對小范圍電離層變化進(jìn)行探索，中國地區(qū)大范圍的電離層時空變化特征仍有待進(jìn)一步研究。鑒于此，本文基于太陽活動數(shù)據(jù)和TEC 數(shù)據(jù)，對中國地區(qū)電離層的時空變化特征進(jìn)行了研究，為中國區(qū)域電離層的建模和預(yù)測提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

本文TEC 數(shù)據(jù)來源于歐洲定軌中心（Center for Orbit Determination in Europe，CODE）。歐洲定軌中心屬于IGS 組織，自1998 年IGS 成立電離層工作組以來，為全球電離層研究與應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。該組織由IGS 數(shù)據(jù)分析中心、電離層信息驗證協(xié)調(diào)中心、電離層研究工作者、IGS 數(shù)據(jù)分析中心協(xié)調(diào)員及IGS 中心局的有關(guān)代表組成。其中，歐洲伯爾尼大學(xué)的歐洲定軌中心提供的GIM 產(chǎn)品（CODE-TEC）應(yīng)用廣泛，該產(chǎn)品由15 度15 階的球諧函數(shù)計算得到，沿經(jīng)緯度取5°×2.5°，共5184 個格網(wǎng)點(diǎn)。

本文使用的10.7 cm 太陽輻射通量（F10.7）的修正指數(shù)F10.7p，時間序列如圖1 所示。F10.7 數(shù)據(jù)來源于比利時世界太陽黑子索引資料中心（Solar Influences Data Analysis Center SIDC）。F10.7p 是F10.7 的修正指數(shù)，F(xiàn)10.7p 的計算公式如式（1）所示：

圖1 第24 太陽活動周F10.7p 的時間序列

F10.7p=（F10.7+F10.7A）/2 （1）

其中，F(xiàn)10.7A 是F10.7 的81 天滑動平均值，F(xiàn)10.7p 與TEC 有著更好的相關(guān)性，并且在統(tǒng)計意義上F10.7p 相當(dāng)好地反映了太陽EUV 輻射通量的強(qiáng)度。本文重點(diǎn)以2009 年和2014 年研究對象，因2009 年F10.7p 的數(shù)值大多介于60～80sfu，屬于太陽活動低年，2014 年F10.7p 的數(shù)值大多介于160～180sfu，屬于太陽活動高年。這兩個年份在第24 太陽活動周具有相當(dāng)好的代表意義。

2 區(qū)域電離層在第24太陽活動周的變化特性

為了研究中國區(qū)域電離層在第24 太陽活動周的變化特性，本文先對第24 太陽活動周的CODETEC 數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將中國范圍內(nèi)的TEC 在110°E 和120°E 下不同緯度的時間序列展示出來，如圖2 所示。由圖2 可以看出：從緯度上看，TEC變化具有明顯的緯度特征，TEC 隨緯度的降低而增大，這點(diǎn)在110°E 和120°E 都表現(xiàn)明顯，這可能與赤道異常有關(guān)。而從不同經(jīng)度上看，同緯度下的TEC 在不同經(jīng)度變化相似，值得注意的是，110°E 各緯度TEC 相差較大，120°E 各緯度TEC 相差較小。此外，2009 年和2014 年的TEC 分別處于第24 太陽活動周低值點(diǎn)和高值點(diǎn)，為此本文選取2009 年和2014 年進(jìn)行特性分析。

圖2 第24 太陽活動周中國區(qū)域TEC 在110°E 和120°E 下不同緯度的時間序列

本文選取第24 太陽活動周內(nèi)的2009 年和2014 年的TEC 數(shù)據(jù)，將整個TEC 數(shù)據(jù)取平均值后以當(dāng)?shù)貢r間（LT）為橫坐標(biāo)，以年積日（Day）為縱坐標(biāo)繪制TEC 變化圖，如圖3 所示。由圖3 可以看出：2009 年和2014 年中國區(qū)域的TEC 變化有很多相同之處。就日變化來看，中國區(qū)域TEC 在當(dāng)?shù)貢r間11：00-17：00 LT 范圍內(nèi)出現(xiàn)最大值。按照Chapman 模型，NmF2 與太陽活動水平和正午時刻的太陽天頂角有關(guān)。當(dāng)太陽活動水平保持不變時，NmF2 由太陽天頂角決定，理論上夏季的NmF2 最大，二分點(diǎn)次之，冬季最小。但實際上，TEC 在二分點(diǎn)大于二至點(diǎn)，冬至大于夏至，這分別體現(xiàn)了TEC的半年度異常和年度異常。一般認(rèn)為，12 月的太陽電通量與6 月的相比有6% 的變化，而電離層TEC在12 月比6 月的高出20%，這就是年度異常［9］。另一種表述是將南北半球聯(lián)合考慮，TEC 在冬至點(diǎn)大于夏至點(diǎn)的現(xiàn)象稱為年度異常。半年度異常是指TEC 的量值在二分點(diǎn)大于二至點(diǎn)的現(xiàn)象。年度異常、半年度異常的物理機(jī)制仍然具有挑戰(zhàn)性，被列為電離層的最高科學(xué)目標(biāo)之一。在12：00 LT 附近，TEC 在夏季低于冬季，體現(xiàn)了冬季異常。冬季異常是指在中緯度地區(qū)，TEC 的日間值在冬季大于夏季的現(xiàn)象。值得注意的是，由于夏季半球的強(qiáng)夜間赤道風(fēng)的影響，冬季異常在夜間消失。目前，普遍認(rèn)為背景大氣中化學(xué)成分的變化（例如［O/N2］濃度比的變化）可能導(dǎo)致電離層F2 區(qū)產(chǎn)生冬季異常現(xiàn)象。期間大氣的非對稱半球加熱誘導(dǎo)全球尺度的半球間大氣環(huán)流，能夠影響［O/N2］比值，最終改變TEC。這些觀點(diǎn)的提出時，并沒有合適的觀測手段去驗證。直到上世紀(jì)20 世紀(jì)70 年代，更多先進(jìn)探測儀器的出現(xiàn)，例如，非相干散射雷達(dá)探測、火箭探測以及各種衛(wèi)星探測等，這些觀測數(shù)據(jù)都相繼證實背景大氣中的原子分子含量比值存在季節(jié)異常變化。另外，通過對比2009 年和2014 年中國區(qū)域的TEC變化，發(fā)現(xiàn)在太陽活動高年（2014 年）的TEC 平均值要高于太陽活動低年（2009 年）。在一天之間，TEC 開始升高的時刻并不相同，這一點(diǎn)在2014 年表現(xiàn)明顯。在春季，TEC 開始增大的時刻大約在7：00 LT，在夏季，TEC 開始增大的時刻大約在8：00 LT，秋季情況跟夏季一樣。就月變化來看，整個中國區(qū)域春秋兩季的TEC 平均值要高于夏季和冬季的TEC 平均值。這種現(xiàn)屬于電離層半年異常。半年度異常在太陽活動低年也很明顯，且在南半球和低緯度地區(qū)更顯著。

圖3 2009 年和2014 年中國區(qū)域當(dāng)?shù)貢r間TEC 變化圖

由于中國地幅遼闊，范圍跨越中緯度和低緯度地區(qū)。將整個中國區(qū)域的TEC 看作一個平均值并不準(zhǔn)確，因此本文繪制了2009 年和2014 年春分、夏至、秋分、冬至四個時刻的中國區(qū)TEC 分布圖，如圖4、圖5 所示。由圖4 可以看出：2009 年在不同時刻TEC 分布具有明顯的緯度特征，TEC 自中緯度向低緯度逐漸增加，這主要是赤道異常導(dǎo)致的。這個特征在春分、秋分、冬至?xí)r刻表現(xiàn)明顯。值得注意的是，在2009 年的夏至，中國區(qū)域整體表現(xiàn)較為安靜，且不同緯度地區(qū)差異不大。就不同緯度的變化特征來看，中國低緯度區(qū)域TEC 最大值出現(xiàn)在春分時刻，中國高緯度區(qū)域（大于45°N）TEC 最大值出現(xiàn)在夏至?xí)r刻。中國版圖占據(jù)最多的中緯度地區(qū)在季節(jié)變化中不明顯。由圖5 可以看出：2014 年在不同時刻TEC 分布同樣具有明顯的緯度特征。特別的，在夏至?xí)r刻整個中國區(qū)域的TEC 值都處于較為安靜的狀態(tài)。

圖4 2009 年春分、夏至、秋分、冬至中國區(qū)域TEC 分布圖

圖5 2014 年春分、夏至、秋分、冬至中國區(qū)域TEC 分布圖

為了更好地顯示中國不同緯度電離層的變化情況，本文將2009 年和2014 年中國區(qū)域不同緯度平均TEC 的季節(jié)變化展示出來，如圖6 所示。由圖6 可以看出：不同年份中國區(qū)域緯度變化不同。在中國20°N 區(qū)域，半年異常明顯，春季和秋季的TEC明顯高于冬季和夏季，這體現(xiàn)了半年度異常。在30°N 和40°N 區(qū)域，2009 年和2014 年的TEC 變化略有不同。在2009 年中國30°N～40°N 區(qū)域，平均TEC 在春季最高，其次是夏季，最低的是冬季。而在2014 年中國30°N～40°N 區(qū)域，還是具有半年異常的現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象較中國20°N 區(qū)域明顯減弱。本文認(rèn)為，高層大氣在冬夏季比春秋季被“攪動”得更厲害，因此［O/N2］的值就會出現(xiàn)在春秋季最大的情況，進(jìn)而導(dǎo)致了TEC 的半年變化。

圖6 2009 年和2014 年中國區(qū)域當(dāng)?shù)貢r間TEC 變化圖

3 結(jié)語

本文利用第24 太陽活動周的CODE TEC 數(shù)據(jù)和太陽活動修正參數(shù)F10.7p 數(shù)據(jù)，研究了中國區(qū)域的電離層變化特性。研究結(jié)果表明：

1）總體上，中國區(qū)域TEC 緯度變化特征顯著，隨緯度降低，TEC 明顯升高，低緯度地區(qū)主要受到了赤道異常的影響；

2）時間上，電離層半年度異常和冬季異常較為明顯；

3）區(qū)域上，中國不同緯度區(qū)域電離層變化特性并不相同。中國低緯度區(qū)域電離層半年異常明顯，中高緯度區(qū)域的半年異?，F(xiàn)象跟太陽活動有關(guān)。在太陽活動高年，中國中高緯度區(qū)域半年異常顯著。太陽活動低年則反之。