第24太陽活動周武漢電離層VTEC變化特性分析

劉磊,楊梅,姚宜斌,王友昆,

(1武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079;2昆明市測繪研究院,云南 昆明 650051)

0 引 言

電離層總電子含量(TEC)是一個重要的電離層物理參量,可用于電離層物理理論研究、衛(wèi)星定位及導(dǎo)航等電波傳播修正,因此對其變化特性進(jìn)行研究具有十分重要的意義[1-3]．大量研究表明電離層F2區(qū)峰值電子濃度(NmF2)和TEC具有明顯的年變化、半年變化、季節(jié)變化、周日變化及其隨經(jīng)緯度的變化等[4-7]．Yonezawa[6]研究了中低緯電離層冬季異常、年異常及半年異常隨太陽活動、地磁緯度的變化規(guī)律．萬衛(wèi)星等[7]利用漠河、北京、武漢和三亞四個GPS接收機(jī)臺站的觀測數(shù)據(jù),采用經(jīng)驗函數(shù)模式算法實現(xiàn)了中國電離層TEC現(xiàn)報系統(tǒng),該系統(tǒng)已應(yīng)用于實時監(jiān)測我國電離層環(huán)境．蕭佐等[8]提出了一種提取接收機(jī)站附近垂直總電子含量(VTEC)的新算法,用來研究TEC的逐日變化規(guī)律,并用實測數(shù)據(jù)驗證其實用性．陳艷紅等[9]利用武漢電離層觀象臺一個太陽活動周(1980-1990年)的TEC數(shù)據(jù),統(tǒng)計得出了武漢地區(qū)TEC經(jīng)驗?zāi)Ｊ剑酀齕10]通過建立一個中低緯度電離層電場理論模式,發(fā)現(xiàn)中低緯度電場具有明顯的半年變化現(xiàn)象,并提出電場可能是中低緯和赤道地區(qū)電離層半年變化現(xiàn)象的重要原因．霍星亮等[11]研究發(fā)現(xiàn),利用中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站高精度雙頻GPS觀測數(shù)據(jù),可以有效監(jiān)測中國區(qū)域電離層的周日變化、半年度及冬季異常等現(xiàn)象的變化活動規(guī)律．Ezquer等[12]研究了美洲扇區(qū)電離層foF2逐日變化隨太陽活動、季節(jié)和緯度的變化情況．蔡昌盛等[13]利用北京國際GNSS服務(wù)(IGS)站的GPS觀測數(shù)據(jù)對2000年和2004年不同月份的TEC進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)TEC的季節(jié)性變化趨勢一致．Liu等[14]通過對11年(1998-2008年)TEC全球平均值和高、中、低緯三個緯度帶平均值的分析,發(fā)現(xiàn)這些TEC均值呈現(xiàn)出明顯的周年/半年,太陽活動周和27天周期變化;并發(fā)現(xiàn)隨著太陽EUV輻射增強(qiáng),緯度帶平均的TEC有放大趨勢, 放大程度依賴于緯度, 在高緯最強(qiáng)．Liu等[15]通過分析1998-2009年的全球電離層TEC發(fā)現(xiàn), 隨著太陽輻射通量的變化,TEC與F10.7p和EUV之間存在線性、放大和飽和現(xiàn)象,TEC與F10.7之間的飽和特征在白天的低緯度區(qū)域尤為顯著．於曉等[16]采用歐洲22個電離層觀測站34年的NmF2觀測資料,得出了電離層逐日變化的相關(guān)距離隨太陽活動、地磁活動、季節(jié)及世界時變化的主要特性．Mukherjee等[17]利用印度Bhopal站(14.29°N, 151.12°E) 2005-2006年(太陽活動低年)的GPS數(shù)據(jù)研究了赤道異常區(qū)的TEC季節(jié)變化,并將GPS-TEC與IRI-TEC進(jìn)行了對比分析．武業(yè)文[18]利用2004年中國及其周邊的33個GPS接收站數(shù)據(jù),對中國地區(qū)電離層TEC的日變化、季節(jié)變化、逐日變化以及隨地理經(jīng)緯度的變化進(jìn)行統(tǒng)計研究,并將上述特性與NmF2進(jìn)行了對比研究．

本文在總結(jié)電離層變化特征的基礎(chǔ)上,利用2008-2015年中國地殼運(yùn)動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)武漢站 (30.5°N, 114.4°E)GPS雙頻接收機(jī)監(jiān)測的VTEC數(shù)據(jù),分析了武漢地區(qū)第24太陽活動周的電離層VTEC周日變化、逐日變化、半年變化、季節(jié)變化等主要特性及TEC與太陽活動的相關(guān)性．

1 數(shù)據(jù)和方法

本文所用的VTEC數(shù)據(jù)由CMONOC武漢站(30.5°N, 114.4°E)的GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)解算得到,采樣間隔為30s．太陽活動數(shù)據(jù)(F10.7射電流量和太陽黑子數(shù)(SSN)由美國國家海洋和大氣局(NOAA)的美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)提供．

根據(jù)GPS信號電離層延遲與信號頻率的平方成反比的關(guān)系,可以計算得到信號傳播路徑上的TEC(單位為TECU,1TECU=1016個電子每平方米),通常采用載波相位平滑偽距的方式求解TEC,表達(dá)式為

(1)

(2)

式中：mf為投影函數(shù);R為地球半徑;Hion為單層模型的高度;z為測站天頂距,Hion=506.7 km,α=0.9782．然后分別對每個歷元天頂方向的VTEC進(jìn)行平均,即可得到我們需要的武漢站上空時間分辨率為30 s的VTEC估值．

2 VTEC的日變化與逐日變化分析

以2008-2015年(2008-2010年為太陽活動低年,2011-2015年為太陽活動高年)每年3、6、9、12月的VTEC月中值的日變化為例,詳細(xì)討論武漢地區(qū)電離層的日變化和逐日變化特性．

從圖1可看出,電離層VTEC的日變化呈現(xiàn)典型的單峰結(jié)構(gòu),即夜間VTEC變化比較緩慢而且較低,VTEC最小值出現(xiàn)在LT4:00-6:00LT(UT+8:00),白天VTEC迅速上升,在14:00-16:00LT達(dá)到峰值,隨后呈現(xiàn)迅速下降的趨勢．同時,電離層VTEC也表現(xiàn)出明顯的逐日變化特性,太陽電離輻射對電離層逐日變化的影響是大尺度的,并在白天和太陽活動高年大于晚上和太陽活動低年;逐日變化特別是在VTEC峰值處呈現(xiàn)出較大的差異,在太陽活動高年(如2011、2012和2014年),3月和9月(春秋季)VTEC月中值日變化的峰值大于6月和12月(夏冬季)VTEC月中值日變化的峰值,且春季VTEC日變化的峰值大于秋季VTEC日變化的峰值;除了太陽電離輻射外,VTEC逐日變化還可能受到地磁活動和氣象活動等因素的影響[16，18-19]．另外可看到,2011-2015年觀測到的VTEC總體上明顯高于2008-2010年的VTEC值,這是因為2011-2012年是太陽活動高峰年,而電離層VTEC的變化受太陽活動的調(diào)制作用[14]．

圖1 2008-2015年武漢站VTEC月中值周日變化時序圖

3 VTEC半年和季節(jié)變化分析

把每年的3、4、5月作為春季,6、7、8月作為夏季,9、10、11月作為秋季,12、1、2月作為冬季．選取2008-2015年武漢地區(qū)的VTEC作為研究對象,分析該地區(qū)第24太陽活動周內(nèi)電離層VTEC的半年變化和季節(jié)變化特性．從圖2(圖中空白部分代表該時段數(shù)據(jù)缺失)可以看出,各年的電離層VTEC呈現(xiàn)明顯的“雙峰”變化特性,也稱為“半年異?！爆F(xiàn)象,即VTEC在春秋季出現(xiàn)峰值,冬夏季出現(xiàn)谷值,VTEC全年雙峰呈現(xiàn)不對稱分布,春季峰值大于秋季峰值,高年“半年異常”現(xiàn)象更加明顯．

目前,對于VTEC“半年異?！爆F(xiàn)象一種可以接受的解釋是:在低緯度地區(qū),由于磁力線南北半球的耦合效應(yīng),電離層電場具有明顯的半年變化現(xiàn)象,而這樣的電場通過“赤道噴泉效應(yīng)”(由電離層電場引起等離子體垂直向上漂移,然后沿磁力線擴(kuò)散到稍高緯度造成的)強(qiáng)烈地影響低緯和赤道地區(qū)電離層電子濃度分布和變化,從而對該地區(qū)的電離層半年變化有重要的控制作用[10,19]．當(dāng)然,“赤道噴泉效應(yīng)”不是影響VTEC半年變化特征的唯一原因,還有其他因素,如熱層大氣溫度的半年變化、地磁和極光活動引起的中性密度半年變化、地理軸和地磁軸的不一致、低熱層日潮的半年變化和大尺度環(huán)流等動力學(xué)過程導(dǎo)致的化學(xué)成分變化等等[5-6,20-22]

從圖2還可看出,在太陽活動高年(如2011,2013,2014年)冬季日間TEC值相對于夏季明顯偏高(兩者差異有時可高達(dá)到20TECU),這就是所謂的“冬季異?！爆F(xiàn)象,而在太陽活動低年(如2008-2010年),這種異?，F(xiàn)象消失．該現(xiàn)象可能是由于大氣成分的季節(jié)變化,特別是中性成分O和N2濃度比例的變化造成的[23-24]．

圖2 2008-2015年武漢站VTEC二維變化分布(單位:TECU)

4 VTEC與太陽活動的相關(guān)性分析

太陽活動的劇烈程度通常可用SSN或太陽10.7cm輻射通量F10.7來表示．圖3示出了2008-2015年F10.7和SSN以及武漢地區(qū)GPS-VTEC(LT=12:00,14:00,16:00,18:00)的變化情況．對于GPS-VTEC數(shù)據(jù),提取每天12:00,14:00,16:00,18:00(LT)的數(shù)據(jù),按天繪制散點(diǎn)圖(去掉數(shù)據(jù)缺失的天),并以27天為滑動窗口得到滑動均值曲線(圖3中紫紅色曲線)．我們可以看出,在一個太陽活動周期上GPS-VTEC主要是隨太陽活動的強(qiáng)弱而變化的．在太陽活動低年(2008-2010年),各時段的VTEC主要表現(xiàn)為單峰結(jié)構(gòu),在太陽活動高年(2011-2015年),VTEC變化呈現(xiàn)明顯的雙峰結(jié)構(gòu),即所謂的“半年異?！爆F(xiàn)象,半年變化幅度與太陽活動明顯相關(guān),且隨著太陽活動的增強(qiáng)春季峰值逐漸大于秋季峰值,因此可認(rèn)為太陽活動是電離層VTEC變化的一個主要因素．

圖3 F10.7、SSN和GPS-VTEC(LT=12:00,14:00,16:00)的長期變化趨勢

從圖3中已經(jīng)初步看到GPS-VTEC與F10.7和SSN有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,為了更好地了解GPS-VTEC與太陽活動的關(guān)系,將2008-2015年的GPS-VTEC按春、夏、秋、冬四個季節(jié)分別與SSN、F10.7以及F10.7p(F10.7p是在F10.7和其81天的滑動均值的基礎(chǔ)上構(gòu)建的[25])進(jìn)行相關(guān)性分析(統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示),用LT=14:00、16:00的VTEC表示日間的VTEC變化,LT=20:00、22:00的VTEC表示夜間的VTEC變化．從圖4可以看出,在各個季節(jié),除春季外(圖4a),GPS-VTEC與F10.7p的相關(guān)性最好,與F10.7的相關(guān)性次之,與SSN的相關(guān)性稍弱;秋季GPS-VTEC與太陽活動的相關(guān)性最好(MaxF10.7p=0.92232,MaxSSN=0.85575),冬季GPS-VTEC與太陽活動的相關(guān)性最差(MinF10.7p=0.79028,MinSSN=0.72703);值得注意的是,春季VTEC作為半年變化的一個峰值結(jié)構(gòu),與太陽活動的相關(guān)性卻比秋季弱,且不存在日間VTEC與太陽活動性相關(guān)性優(yōu)于夜間VTEC與太陽活動的相關(guān)性的情況,這可能是因為在低緯地區(qū),該季節(jié)的VTEC與太陽活動之間變的化不是絕對的線性關(guān)系,可能存在著“飽和”或“放大”效應(yīng)等非線性關(guān)系[14-15，25],其具體原因有待進(jìn)一步研究．

圖4 2008-2015年GPS-VTEC與SSN、F10.7以及F10.7p的相關(guān)關(guān)系

5 結(jié)束語

本文利用2008-2015年CMONOC武漢站GPS雙頻接收機(jī)監(jiān)測的VTEC數(shù)據(jù),研究了電離層VTEC變化特征,并分析VTEC與太陽活動的相關(guān)性．研究表明,電離層VTEC受太陽輻射控制呈現(xiàn)明顯的周日變化規(guī)律,在14:00-16:00LT左右達(dá)到最大值;同時,電離層VTEC也表現(xiàn)出明顯的逐日變化特性,特別是在VTEC峰值處呈現(xiàn)較大差異．在季節(jié)變化上,VTEC變化呈現(xiàn)的雙峰結(jié)構(gòu),即所謂的“半年異常”現(xiàn)象,春季峰值大于秋季峰值,“赤道噴泉效應(yīng)”可能是影響VTEC半年變化特征的一個重要因素;在太陽活動高年,電離層VTEC存在明顯的“冬季異?！爆F(xiàn)象,該現(xiàn)象可能是由于中性成分O和N2濃度比例的變化造成的．

此外,發(fā)現(xiàn)VTEC與太陽活動強(qiáng)度具有很強(qiáng)的相關(guān)性,在各個季節(jié)(除春季外),VTEC與F10.7p的相關(guān)性最好,與F10.7的相關(guān)性次之,與SSN的相關(guān)性稍弱;秋季VTEC與太陽活動的相關(guān)性最好(MaxF10.7p=0.92232,MaxSSN=0.85575),冬季VTEC與太陽活動的相關(guān)性最差(MinF10.7p=0.79028,MinSSN=0.72703)．需要注意的是,本文僅研究了第24太陽活動周武漢地區(qū)電離層VTEC的一些變化特征,更長時段和更大范圍的VTEC變化監(jiān)測有待搜集更多的資料做進(jìn)一步研究．

致謝:感謝CMONOC提供的GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)以及NGDC提供的太陽活動數(shù)據(jù)．