基于COSMIC數(shù)據(jù)開展全球電離層foF2建模及變化特征研究

陳林峰, 程云鵬

(1.陸軍工程大學通信工程學院， 南京 210000； 2.國防科技大學氣象海洋學院， 長沙 410000)

地球電離層是指距地表60～1 000 km的等離子體，主要來源于太陽輻射和高能粒子等電離高層中性大氣成分，電離層電子密度分布特征對不同波段電磁波會產(chǎn)生折射、反射、散射和吸收等影響。其中，電離層F2層是電子密度最大的區(qū)域，一般位于200～350 km高度，隨地方時、經(jīng)緯度、季節(jié)、太陽和地磁活動等變化，同時受到低層大氣活動的影響而呈現(xiàn)出復雜的時空變化特征。此外，電離層峰值電子密度對應的臨界頻率foF2對短波通信、天波超視距雷達等工作頻率選擇具有重要意義[1-2]。為了能夠得到全球范圍電離層foF2參數(shù)，研究人員利用多源天地基電離層探測數(shù)據(jù)和理論研究成果構(gòu)建了電離層經(jīng)驗模型[1]。其中，國際參考電離層模型IRI和NeQuick是應用最為廣泛的經(jīng)驗模型，它們使用數(shù)學公式和系數(shù)來表征全球范圍電離層foF2的分布情況[2-4]。雖然目前常用的IRI和NeQuick模型不斷更新?lián)Q代，但其精度和模擬能力還存在局限[3-6]。王國軍等[7]利用2002—2012年中國海南地區(qū)電離層foF2數(shù)據(jù)，研究了日變化、季節(jié)變化和年變化，并與IRI-2012經(jīng)驗模型進行了對比研究，結(jié)果表明電離層foF2存在著明顯的冬季和半年異?，F(xiàn)象，該經(jīng)驗模型的偏差存在地方時、季節(jié)和年分布特征。

由于電離層參數(shù)眾多、變化復雜，研究人員常利用大量探測數(shù)據(jù)，結(jié)合理論研究成果和建模方法構(gòu)建特定電離層參數(shù)經(jīng)驗模型，以滿足理論研究和實際應用需要。例如，Oyeyemi等[8]和Mckinnell等[9]利用全球范圍電離層垂測儀監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法開展了建模預報研究，使用地方時、緯度、天數(shù)、太陽和地磁指數(shù)作為輸入?yún)?shù)，分別構(gòu)建了區(qū)域和全球電離層foF2經(jīng)驗模型，并使用觀測數(shù)據(jù)驗證了這些模型的精度。此外，Liu等[10]、Zhang等[11]和黃良珂等[12]利用經(jīng)驗正交分解方法對電離層參數(shù)進行分解，研究了電離層參數(shù)foF2時空變化特征，并在此基礎上進行了經(jīng)驗建模，構(gòu)建了單站和區(qū)域電離層foF2模型。

隨著CHAMP(challenging minisatellite payload)、GRACE(gravity recovery and climate experiment)和COSMIC(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)等掩星探測系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，電離層foF2探測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)全球覆蓋，特別是彌補了海洋及南北極地區(qū)的探測空白，為全球建模提供了數(shù)據(jù)支撐。Hoque等[13]利用包含地方時、季節(jié)、磁緯和太陽活動項等非線性多項式和COSMIC掩星電離層數(shù)據(jù)，構(gòu)建了全球范圍電離層NmF2模型。在此基礎上，Liu等[14]使用CHAMP、GRACE和COSMIC掩星數(shù)據(jù)針對電離層峰值電子密度進行了建模，得到了全球范圍電離層NmF2經(jīng)驗模型，評估結(jié)果認為該模型精度與模擬能力均高于常用的IRI-2016模型，研究表明IRI-2016模型NmF2每天最小值出現(xiàn)的時間和日出前的增長速度均快于觀測值。

太陽活動是影響電離層參數(shù)時空分布的關(guān)鍵要素，而地磁活動則在短期內(nèi)具有至關(guān)重要作用，在目前電離層foF2參數(shù)建模方面，許多研究工作中太陽和地磁活動影響研究不夠全面，特別是如何與地方時、季節(jié)、經(jīng)緯度等因素復雜耦合作用考慮不足，限制了電離層foF2模型精度和模擬能力。

因此，現(xiàn)使用2006—2014年COSMIC掩星電離層foF2數(shù)據(jù)，特別是考慮太陽和地磁活動的非線性耦合作用，對各個緯度帶分別進行建模，并使用2015—2019年數(shù)據(jù)進行獨立檢驗，自主構(gòu)建了高精確全球電離層foF2模型，同時模擬研究了電離層foF2隨地方時、季節(jié)和經(jīng)度等時空變化規(guī)律，對進一步提升電波傳播自主保障及電離層foF2變化規(guī)律認知水平具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)及方法介紹

1.1 電離層foF2數(shù)據(jù)

所用的電離層foF2數(shù)據(jù)來自COSMIC掩星星座探測結(jié)果，該星座由6顆小衛(wèi)星構(gòu)成，位于高度為700～800 km的近圓形軌道。通過星載接收機接收的GPS信號路徑折射和時間延遲信息反演推算出電磁波信號路徑上的電離層電子密度積分值，從掩星剖面中可以獲取電離層峰值電子密度NmF2及對應的地理坐標信息[15]。

圖1(a)給出了2007年第1天COSMIC數(shù)據(jù)空間分布情況，當日電離層觀測數(shù)據(jù)總量為2 525個，分布在全球范圍內(nèi)，經(jīng)度方向上數(shù)據(jù)分布基本沒有差異，但中緯地區(qū)數(shù)據(jù)量顯著高于高緯極區(qū)，這與COSMIC星座的軌道分布有關(guān)，掩星事件絕大部分出現(xiàn)在中低緯地區(qū)。圖1(b)中可以看出COSMIC數(shù)據(jù)集覆蓋時間為2006—2019年，數(shù)據(jù)的總量為4 349 116個，有效數(shù)據(jù)量隨著時間的推移而逐漸下降，如2007年為665 569個，而2019年則下降至26 758個。

圖1 2007年第1天COSMIC掩星數(shù)據(jù)空間分布 及2006—2019年期間數(shù)據(jù)量情況Fig.1 Spatial distribution of COSMIC data on the first day of 2007,and observed number from 2006 to 2019

圖2為COSMIC數(shù)據(jù)時段內(nèi)的太陽和地磁活動情況，可以看出太陽F10.7指數(shù)基本在65～170 sfu，地磁Kp指數(shù)大部分處于0～4。本文使用2006—2014年數(shù)據(jù)進行建模，2015—2019年數(shù)據(jù)進行獨立檢驗。結(jié)合圖1，可以看出太陽活動低年期間觀測數(shù)據(jù)數(shù)量較多，太陽活動高年期間則相對較少，而數(shù)據(jù)量的多少會影響到建模的精度和穩(wěn)定性，因此本文自主構(gòu)建的電離層foF2經(jīng)驗模型主要適用于太陽和地磁活動低、中等水平。

圖2 太陽F10.7指數(shù)日均值(藍色)和81 d平均值 (紅色)，以及日均地磁Kp指數(shù)分布情況Fig.2 Daily (blue) and 81-day averaged (red) solar F10.7 index,and daily geomagnetic Kp index

COSMIC掩星獲取的是電離層峰值電子密度NmF2，但在電波傳播應用過程中直接用到的參數(shù)為電離層臨界頻率foF2，兩者之間的轉(zhuǎn)化公式為

(1)

式(1)中：NmF2的單位為el/m3；foF2單位為Hz，本文采用的單位為MHz。

圖3為正午時間(地方時13:00—15:00)兩個不同緯度帶上電離層foF2分布情況，可以看出赤道地區(qū)電離層foF2明顯高于中高緯地區(qū)，這主要是與太陽天頂角有關(guān)，低緯地區(qū)受到太陽輻射電離產(chǎn)生的等離子體數(shù)量更多。此外，電離層foF2存在顯著的季節(jié)變化規(guī)律，低緯地區(qū)最大值出現(xiàn)在春秋分季，而高緯地區(qū)最大值則出現(xiàn)在當?shù)叵募酒陂g。赤道和高緯地區(qū)電離層foF2變化幅度分別約為6～14 MHz和1～9 MHz，且不同緯度的電離層foF2數(shù)值大小均受太陽活動的水平直接調(diào)控。

圖3 正午時間不同緯度帶上電離層foF2隨時間變化情況Fig.3 Ionospheric foF2 at noontime changes with time at different latitude

1.2 建模方法

從圖3中可以看出電離層foF2隨緯度、季節(jié)和太陽活動變化，實際上它還與地方時、經(jīng)度和地磁活動等因素有關(guān)。由于緯度方向變化特征較為復雜，且尚無明確數(shù)學公式能夠準確表達，因此本文研究對不同緯度帶上的觀測數(shù)據(jù)分別進行建模，從而構(gòu)建全球電離層foF2經(jīng)驗模型。為了確保緯度帶上的連續(xù)性，現(xiàn)采用緯度帶滑動覆蓋方式進行建模，例如將90°S～85°S區(qū)間內(nèi)的電離層foF2觀測數(shù)據(jù)進行綜合計算，結(jié)果作為87.5°S緯度帶上的建模結(jié)果，87.5°S～82.5°S數(shù)據(jù)計算數(shù)值當作85°S上的結(jié)果。以此類推，全球共分成了71個緯度帶，緯度方向上的分辨率為2.5°。

參考Hoque等[13]、Liu等[14]和Weng等[16-17]方法，根據(jù)電離層foF2時空變化特點，在每個緯度帶上分別采用式(2)進行建模。

(2)

式(2)中：f1為太陽和地磁活動項；F10.7P=(F10.7+F10.7A)/2，F(xiàn)10.7為提前1 d的太陽活動數(shù)值，F(xiàn)10.7A為其81 d平均值，Kp為提前3、6、9 h地磁指數(shù)，其中太陽F10.7指數(shù)和地磁Kp指數(shù)提前量均來自統(tǒng)計研究結(jié)果[13-14]；f2為地方時變化項，lt為地方時，該項包括了日和半日變化，電離層foF2以日/半日變化為主，該項基本可以用于描述該參數(shù)隨地方時變化規(guī)律；f3為季節(jié)變化項，doy為年積日，該項包括了年和半年變化，電離層foF2以年/半年變化為主，該項基本可以用于描述該參數(shù)隨季節(jié)變化規(guī)律；f4為經(jīng)度變化項；long為經(jīng)度，該項包括了三波和四波結(jié)構(gòu)，電離層foF2以三波和四波結(jié)構(gòu)為主，該項基本可以用于描述該參數(shù)隨經(jīng)度變化規(guī)律。式(2)中對應每項的系數(shù)為：a0、a1、a2、a3、a4、a5、b0、b1i、b2i、c1j、c2j、d0、d1k、d2k，電離層foF2時空變化特征十分復雜，式(2)中未包含一些小尺度、隨機過程，但式(2)依然考慮了該參數(shù)在不同太陽和地磁活動條件下的時空演化規(guī)律，可以描述電離層foF2隨地方時、經(jīng)緯度、季節(jié)及太陽和地磁活動等氣候?qū)W特征。使用COSMIC電離層foF2數(shù)據(jù)和最小二乘法擬合式(2)，得到模型系數(shù)(共有6×5×5×9×71=95 850個)。

2 結(jié)果分析

2.1 建模效果評估

使用上述建模方法對各個緯度帶上的數(shù)據(jù)分別進行擬合，圖4給出了南半球3個不同緯度帶上的模型結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)對比情況，其中圖4(b)和圖4(c)對應地方時正午時間，圖4(a)為所有時間。

圖4(a)顯示極區(qū)電離層foF2最大值出現(xiàn)在當?shù)叵募酒陂g，季節(jié)變化幅度可以達到100%，模型擬合結(jié)果非常接近觀測值，兩者相關(guān)系數(shù)達到了0.943。圖4(b)表明中緯地區(qū)電離層foF2存在年、半年變化特征，最大值出現(xiàn)在每年春秋分季期間，極小值出現(xiàn)在當?shù)叵募酒陂g，模型擬合結(jié)果也能夠很好地再現(xiàn)季節(jié)和太陽活動水平變化特征，兩者相關(guān)系數(shù)為0.956。圖4(c)為赤道地區(qū)電離層foF2結(jié)果，可以看出其年、半年變化特征更為顯著，模型擬合結(jié)果與觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.934?？傮w來看，本文經(jīng)驗模型擬合結(jié)果與觀測值具有非常好的一致性，能夠很好地再現(xiàn)不同緯度帶上電離層foF2季節(jié)變化特征及隨太陽活動等演化規(guī)律，驗證了建模方法的精度和可靠性。

圖5為建模及獨立檢驗兩個時段觀測數(shù)據(jù)與模型結(jié)果統(tǒng)計情況。從圖5(a)中的色標可以看出，模型結(jié)果與2006—2014年建模時段觀測值絕大部分數(shù)據(jù)具有非常好的一致性，兩者相關(guān)系數(shù)整體上達到了0.948。圖5(b)為2015—2019年獨立觀測數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果，兩者之間同樣具有非常好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.937。需要注意的是，有極少電離層foF2觀測數(shù)值高于模型結(jié)果，可能與該部分COSMIC掩星觀測數(shù)據(jù)存在較大誤差有關(guān)[15]，或者還存在本文研究中尚未考慮到的其他電離層foF2變化影響因素。但總體而言，建模和獨立檢驗時段內(nèi)該模型的平均偏差分別為2.38%和3.08%，相對誤差分別為11.72%和12.69%，誤差在±10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)量比例分別達到了57%和53%。

圖5 建模時段和獨立檢驗時段電離層foF2模型與 觀測值統(tǒng)計結(jié)果Fig.5 Statistical results of our model and observed values during the modeling and testing period

相比較而言，Hoque等[13]建立的經(jīng)驗模型誤差在15%左右，Liu等[14]建立的經(jīng)驗模型與觀測值相關(guān)系數(shù)為0.92，IRI模型整體偏差達到了30%左右。此外，研究表明NeQuick模型整體誤差也達到了25%以上[5]。因此，本文構(gòu)建的全球電離層foF2模型比Hoque等[13]、Liu等[14]構(gòu)建的經(jīng)驗模型和IRI、NeQuick等常用經(jīng)驗模型精度更高，說明本文模型具有較高的精度和可靠性，適用于模擬研究各種條件下電離層時空變化特征。

2.2 地方時變化特征

為了定量研究電離層foF2隨地方時、緯度、季節(jié)和經(jīng)度等變化特性的能力，本文使用自主模型模擬了不同條件下電離層foF2全球分布情況。圖6(a)為中等太陽活動水平(F10.7=120 sfu)、地磁平靜(Kp=1)、本初子午線(long=0°)和春分日(doy=80)電離層foF2隨地方時和緯度變化，從圖6中可以看出顯著的地方時變化及赤道雙峰結(jié)構(gòu)。高緯度地區(qū)電離層foF2最大值出現(xiàn)在12:00LT左右，中緯地區(qū)最大值基本在14:00LT附近，低緯地區(qū)一般在15:00LT后。南半球中高緯地區(qū)電離層foF2日夜變化幅度達200%以上，赤道地區(qū)日夜變化幅度約為70%，北半球中高緯地區(qū)約為100%，因此南半球電離層foF2日夜變化幅度顯著高于北半球。低緯地區(qū)白天電離層foF2存在明顯的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，即最大值位于30°N和10°S附近，這種現(xiàn)象一般在10:00LT形成，可以維持到22:00LT以后，赤道地區(qū)谷值與峰值大小通常可以相差30%以上。研究表明[2]，赤道雙峰結(jié)構(gòu)是由于電離層發(fā)電機層產(chǎn)生的東向極化電場造成的，磁赤道F層等離子體在東向電場和磁場共同作用下向上漂移至較高高度，但在重力和壓力梯度力共同作用下會沿著磁力線擴散下沉到磁赤道兩側(cè)形成雙峰結(jié)構(gòu)。夜間電離層foF2極大值出現(xiàn)在赤道地區(qū)，極小值位于南北半球60°附近，且南半球電離層foF2數(shù)值大小低于北半球相同緯度結(jié)果，呈現(xiàn)出半球不對稱性。

圖6 電離層foF2日變化結(jié)果Fig.6 Ionospheric foF2 diurnal variation

圖6(b)為第173 d模擬結(jié)果，可以看出由于太陽日下點位于北半球回歸線上，北半球處于夏季期間，因此白天和夜間電離層foF2數(shù)值均顯著高于南半球。計算表明，南半球中高緯地區(qū)電離層foF2日夜變化幅度達到300%以上，赤道地區(qū)日夜變化幅度約150%，北半球中高緯地區(qū)日夜變化幅度約20%，因此冬季半球電離層foF2日夜變化幅度顯著高于夏季半球。冬季半球電離層foF2增加速度更快，最大值出現(xiàn)在12:00LT，此后開始逐漸減小。相比較而言，夏季半球電離層foF2從6:00—7:00LT開始增加，在15:00LT左右超過冬季半球，并于16:00—17:00LT達到最大。赤道雙峰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯半球不對稱特性，這可能是由于至日期間太陽輻射作用抑制了夏季半球峰值結(jié)構(gòu)的發(fā)展，從而導致冬季北半球電離層foF2赤道雙峰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不對稱性[2, 18]。

利用上述模型綜合分析其他太陽和地磁活動水平以及經(jīng)度、季節(jié)情況下結(jié)果，研究表明電離層foF2白天存在顯著的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，至日期間呈現(xiàn)顯著不對稱現(xiàn)象，且冬季半球峰值更早出現(xiàn)和結(jié)束。電離層foF2日夜變化特征隨緯度增加而增大，春秋分季期間南半球日夜變化幅度顯著高于北半球，至日期間的夏季半球電離層foF2數(shù)值大小整體高于冬季半球，但日夜變化幅度遠低于冬季半球。

2.3 季節(jié)變化特征

圖7(a)為中等太陽活動水平(F10.7=120 sfu)、地磁平靜(Kp=1)、本初子午線(long=0°)、夜間(lt=2:00)條件下電離層foF2隨天數(shù)和緯度變化結(jié)果。從中可以看出夜間中高緯地區(qū)電離層foF2以年變化為主，即最大值出現(xiàn)在當?shù)匕肭蛳募酒陂g，南北半球季節(jié)變化幅度分別達到了300%和60%以上，因此南半球電離層foF2季節(jié)變化幅度遠高于北半球，呈現(xiàn)出顯著的半球不對稱性。南半球低緯地區(qū)依然以年變化為主，而北半球低緯及赤道地區(qū)則包括年和半年變化，即最大值出現(xiàn)在春秋分季，最小值出現(xiàn)在7月份，季節(jié)變化幅度約為50%。

圖7 電離層foF2季節(jié)變化結(jié)果Fig.7 Ionospheric foF2 seasonal variation

圖7(b)為正午(lt=14:00)情況下結(jié)果，可以看出白天電離層foF2包括年和半年變化，極大值出現(xiàn)在70 d和300 d左右，極小值位于180 d附近，最小值則基本位于南半球高緯極區(qū)，季節(jié)變化幅度約為150%。隨著緯度逐漸降低，南半球中低緯地區(qū)電離層foF2的極大值出現(xiàn)時間變?yōu)?0 d和290 d左右，最小值則延后至190 d附近，季節(jié)變化幅度約為50%。低緯地區(qū)存在顯著的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，峰值位于30°N和10°S附近，峰值和谷值數(shù)值大小比值約為1.2，極大值位于100 d和290 d附近，最小值位于190 d附近，季節(jié)變化幅度約為30%。北半球中緯地區(qū)電離層foF2極大值出現(xiàn)在90 d和290 d左右，極小值位于190 d附近，季節(jié)變化幅度約為40%。北半球高緯極區(qū)電離層foF2極大值出現(xiàn)在100 d和260 d左右，極小值位于190 d附近，季節(jié)變化幅度約為20%。

利用上述模型綜合分析其他太陽和地磁活動水平以及經(jīng)度、地方時結(jié)果，夜間電離層foF2除了北半球低緯地區(qū)極大值出現(xiàn)在春秋分季外，其他地區(qū)以年變化為主，而白天電離層foF2極大值則基本位于春秋分季，呈現(xiàn)出顯著的年、半年變化特征。此外，電離層foF2季節(jié)變化幅度隨著緯度增加而增大，且夜間明顯高于白天，南半球顯著高于北半球。研究表明[19]，電離層電子密度季節(jié)變化與大氣成分O和N的比值具有很大關(guān)系，因此中性大氣環(huán)流以及太陽輻射季節(jié)變化被認為是引起電離層foF2季節(jié)變化特征的主要原因。

2.4 經(jīng)度變化特征

圖8(a)為低太陽活動水平(F10.7=70 sfu)、地磁平靜(Kp=1)、春分(doy=80)、夜間(lt=2:00)條件下電離層foF2隨經(jīng)度和緯度變化結(jié)果?？梢钥闯鲭婋x層foF2隨地磁場分布，且在南北半球60°附近存在極小值區(qū)域，電離層foF2的數(shù)值大小比附近高緯及低緯地區(qū)低約50%，這種出現(xiàn)在極光帶上的電離層夜間等離子體濃度耗空結(jié)構(gòu)被稱為電離層中緯槽[2]，該現(xiàn)象與磁層等離子體對流上行、中性大氣濃度增加、中性風場或快速離子流等有關(guān)。此外，在赤道附近可以看出顯著的4個極大值區(qū)域，這種隨經(jīng)度方向變化的特征稱之為四波結(jié)構(gòu)，即非洲西部、東南亞、太平洋中部和南美出現(xiàn)4個電離層foF2數(shù)值增強區(qū)，波動變化幅度約為15%。研究表明[20]，該現(xiàn)象是由低層大氣非遷移潮汐傳播到電離層高度，從而影響低緯地區(qū)F層電子密度的分布，激發(fā)出電離層四波結(jié)構(gòu)。

圖8(b)為正午時間(lt=14:00)電離層foF2隨經(jīng)緯度分布結(jié)果，可以看出同樣出現(xiàn)了顯著的四波結(jié)構(gòu)，且位于赤道雙峰結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域。相比較而言，南北半球四波結(jié)構(gòu)變化幅度分別為10%和20%左右，呈現(xiàn)出顯著的半球不對稱性特征。

利用上述模型綜合分析其他太陽和地磁活動水平以及天數(shù)、地方時結(jié)果，電離層foF2隨地磁場位型分布，中緯槽現(xiàn)象主要出現(xiàn)在春秋分季夜間，四波結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在太陽活動較低水平和春秋分季條件下，且夜間主要位于磁赤道上，白天主要位于赤道雙峰結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域。

圖8 電離層foF2經(jīng)度變化結(jié)果Fig.8 Ionospheric foF2 seasonal variation

3 結(jié)論

使用2006—2014年COMSIC掩星電離層數(shù)據(jù)，以及包含太陽和地磁活動、地方時、季節(jié)、經(jīng)度變化的多項式方法，在每個緯度帶分別進行建模，從而構(gòu)建了全球電離層foF2經(jīng)驗模型，使用2015—2019年觀測數(shù)據(jù)進行獨立檢驗，重點使用該模型研究了電離層隨地方時、季節(jié)及經(jīng)度等時空變化特征，得到以下主要結(jié)論。

(1)本文構(gòu)建的全球電離層foF2經(jīng)驗模型結(jié)果與建模時段模型COSMIC觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.948，平均偏差和相對誤差分別為2.38%和11.72%；模型與獨立檢驗時段數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.937，平均偏差和相對誤差分別為3.08%和12.69%，說明模型具有較高的精度和可靠性。

(2)電離層foF2日夜變化幅度隨著緯度增加而增大，白天存在隨季節(jié)變化的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，春秋分季期間南半球電離層foF2日夜變化幅度顯著高于北半球，且夏季半球遠低于冬季半球。

(3)電離層foF2季節(jié)變化幅度隨緯度增加而增大，夜間電離層foF2季節(jié)變化除北半球低緯地區(qū)外均以年變化為主，白天電離層foF2呈現(xiàn)顯著年、半年變化特征，夜間明顯高于白天，南半球顯著高于北半球。

(4)電離層foF2隨地磁場位型分布，中緯槽現(xiàn)象主要出現(xiàn)在春秋分季夜間，經(jīng)度方向四波結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在太陽活動較低水平和春秋分季條件下，夜間及白天分別位于磁赤道和赤道雙峰結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域。

綜上所述，本文構(gòu)建的全球電離層foF2模型具有較高的精度及模擬能力，輸入時間、經(jīng)緯度、太陽和地磁活動指數(shù)就可以獲得全球電離層foF2參數(shù)信息，計算結(jié)果可以應用于短波通信、超視距雷達工作頻率選擇等實際應用領域，同時對進一步定量認知全球電離層foF2隨地方時、經(jīng)緯度、季節(jié)和太陽活動等時空變化特征具有重要意義。需要指出的是，由于本文研究所用的COSMIC掩星電離層數(shù)據(jù)主要覆蓋太陽和地磁活動中低水平，模型使用條件具有一定局限性，用于獨立檢驗的數(shù)據(jù)COSMIC結(jié)果，理論上使用經(jīng)過標定的垂測儀數(shù)據(jù)進行交叉比對驗證才能夠進一步提高模型的適用性，因此后續(xù)可以在本文研究基礎上結(jié)合更多天地基觀測數(shù)據(jù)持續(xù)開展建模研究工作。