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國際參考電離層在電離層電子密度特征分析中的應用*

2012-11-14 13:47王解先
大地測量與地球動力學 2012年2期
關(guān)鍵詞:電子密度電離層峰值

王 成 王解先

(同濟大學測量與國土信息工程系,上海 200092)

國際參考電離層在電離層電子密度特征分析中的應用*

王 成 王解先

(同濟大學測量與國土信息工程系,上海 200092)

對國際參考電離層源程序的構(gòu)成及功能進行了闡述,并基于源程序編寫接口程序?qū)崿F(xiàn)了電離層電子密度等參數(shù)的批量計算。將國際參考電離層用于電離層電子密度特征分析,能夠較好地反映電離層電子密度隨時間的變化規(guī)律,對于赤道異常和冬季異常能夠明晰地表達,用于計算中緯地區(qū)TEC的可靠性較高。同時,分析了在不同緯度、不同地磁條件下國際參考電離層模型值與數(shù)字測高儀實測數(shù)據(jù)的差異,為國際參考電離層在中國區(qū)域電離層的應用提供了一定的參考依據(jù)。

電離層;國際參考電離層;電子密度;TEC;測高儀

1 引言

國際參考電離層是由太空委員會(COSPAR)和國際電波科學聯(lián)盟(URSI)在20世紀60年代末共同發(fā)起建立的電離層模型。它是利用全球范圍內(nèi)可用的地基和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗模型,避免了電離層變化過程與上下耦合機制不斷發(fā)展的理論分析所帶來的不確定性[1]。由于不斷引入新的數(shù)據(jù)和模式,國際參考電離層模型一直在持續(xù)升級。國內(nèi)諸多學者利用國際參考電離層的早期版本與實測數(shù)據(jù)作對比分析得到了一些結(jié)論[2-4]。目前,國際參考電離層的最新版本為IRI2007。本文將詳細介紹最新版本國際參考電離層及其數(shù)據(jù)來源,描述國際參考電離層源程序的構(gòu)成及功能,編寫接口程序?qū)崿F(xiàn)了電子密度等參數(shù)的批量計算,并將國際參考電離層用于電離層電子密度特征分析,如電子密度隨時間的變化規(guī)律、赤道異常、冬季異常等。在地磁平靜和擾動下分別將國際參考電離層模型值與電離層數(shù)字測高儀實測數(shù)據(jù)進行對比分析。

2 國際參考電離層

國際參考電離層(International Reference Ionosphere,IRI)是根據(jù)大量電離層探測數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗模型,可以計算海拔50到1 500千米范圍內(nèi)電子密度月平均值、電子溫度、離子成分、離子溫度等參數(shù)[1,5]。太空委員會主要是對作為地球環(huán)境的一個組成部分-電離層做全面的描述,以用來評估空間環(huán)境對航天器和太空實驗的影響。而國際電波科學聯(lián)盟主要是將國際參考電離層的電子密度用來作為電波傳播科研與應用的背景電離層。國際參考電離層模型的最新版本為IRI2007,該版本的更新有:1)新增兩個針對頂部電子密度的選項;2)新增頂部離子成分模型;3)首次加入擴展F層發(fā)生幾率模型; 4)加入E層極光區(qū)域電子密度的神經(jīng)網(wǎng)絡模型;5)新增等離子體電子溫度模型;6)更新了國際地磁場參考模型[1]。

國際參考電離層的數(shù)據(jù)源除了采用電離層探測儀網(wǎng)絡外,還包含了非相干散射雷達、火箭探空數(shù)據(jù)、地面接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和上層探測器(電離層探測衛(wèi)星)。其中非相干散射雷達測量的IRI模型參數(shù)可覆蓋所有高度范圍,但全球范圍內(nèi)只有少數(shù)幾個雷達在運行中。這些雷達數(shù)據(jù)對于描述電離層隨時間、季節(jié)的變化以及太陽活動狀況是必需的,然而衛(wèi)星數(shù)據(jù)則是描述全球電離層形態(tài)參數(shù)的主要來源。在電離層底部存在大量中性氣體,雷達和衛(wèi)星測量均難以探測電離層參數(shù),火箭探空成為IRI模型的主要數(shù)據(jù)來源[1]。美國宇航局空間物理數(shù)據(jù)設(shè)備與國家空間科學數(shù)據(jù)中心提供了國際參考電離層的Fortran源程序(http://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/ models/ionospheric/iri/)。

IRI源程序包含F(xiàn)ortran程序、模型系數(shù)文件和IRI2007模型的索引文件。其中主要文件及其作用見表1。

用戶可以根據(jù)IRI源程序編譯成可執(zhí)行程序,進而實現(xiàn)電子密度等相關(guān)參數(shù)的計算,具體編譯指令為gfortran-o iri*.for。

編譯之后的可執(zhí)行程序和國際參考電離層的在線計算類似,它是一個交互式的計算過程,即需要用戶手動輸入經(jīng)緯度、時間、高度范圍、模型選擇等等諸多參數(shù)之后才通過調(diào)用相關(guān)子程序計算得出結(jié)果??紤]到實際需要,可以修改IRI源程序,對IRI核心計算子程序以及輸入?yún)?shù)抽象為一個接口子程序進而實現(xiàn)電子密度等參數(shù)的批量計算。同時,可將修改后的IRI程序編譯成共享對象(Windows平臺稱之為動態(tài)鏈接庫)以方便其他語言調(diào)用。

由IRI程序可獲得許多有用的信息,比如區(qū)域電離層(Total Electron Content,TEC)分布。

表1 IRI源程序說明Tab.1 Description of IRI source program

3 電離層電子密度特征分析

3.1 不同時刻電子密度的高度剖面

根據(jù)國際參考電離層計算地點位于緯度為31°、經(jīng)度為121°在2011年8月9日這一天當?shù)貢r間為02:00、08:00、14:00、20:00四個時刻分別代表夜、晨、午、昏的電子密度高度剖面如圖1所示。

由圖1可知同一位置不同時段電離層電子密度隨時間變化劇烈,逐日變化大。早晨電子密度峰值高度較低,隨著太陽照射的角度增大和時間的增加,電子密度和峰值高度不斷增大,最大值出現(xiàn)在午后,隨后電子密度不斷下降,至夜晚時D層電子密度大大降低,而E層開始消失,其高度開始上升。隨著夜間E層的升高,電波可以被反射到更加遙遠的地方[6]。

3.2 赤道異常

在地球磁赤道左右約20°之間的F2層形成一個電離度高的溝,這個現(xiàn)象被稱為赤道異常。由于在赤道附近,地球磁場幾乎水平,陽光的加熱和潮汐作用電離層下層的等離子上移,穿越地球磁場線,在E層形成電流并與水平的磁場線的相互作用導致磁場赤道附近20°之間F層的電離度加強[6]。根據(jù)國際參考電離層計算2011年8月9日世界時為7時全球電離層的電子含量如圖2所示;2011年8月9日當?shù)貢r間為14時,經(jīng)度為120°,緯度覆蓋從南緯90°至北緯90°的經(jīng)度鏈上的F2層電子密度峰值分布如圖3所示。

由圖2和圖3可知,F(xiàn)2層電子密度并不在磁赤道上空最大,它受到地球磁場的控制而呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象,分別在地磁北緯和南緯20度附近達到最大值。地磁北緯電子密度峰值比南緯電子密度峰值大,且北緯電子密度分布差異較大,而南緯電子密度分布則比較均勻。

3.3 冬季異常

夏季由于陽光直射中緯地區(qū),白天F2層的電離度加強,但由于季節(jié)性氣流的影響分子對單原子的比例增高,造成離子的捕獲率增高。這個捕獲率的增高甚至強于電離度的增高,從而造成夏季F2層電子密度峰值在白天比冬季低,這個現(xiàn)象被稱為冬季異常[6,7]。在北半球冬季異常每年都出現(xiàn),而太陽活動低年里南半球沒有冬季異常。根據(jù)國際參考電離層分別計算地點位于緯度為31°、經(jīng)度為121°,在2010年6月21日(夏至)和2010年12月22日(冬至)這兩天F2層電子密度峰值與峰值高度如圖4、5所示。

由圖4可知,冬季異常僅發(fā)生在日出與日落之時,白天冬季F2層電子密度明顯高于夏季,而日落后F2層峰值密度迅速降低且明顯小于夏季。同時,冬季F2層峰值密度的變化比夏季劇烈,造成這種現(xiàn)象可能是由于電離層的電離度在冬季起主導作用,而較少受到其他因素的影響。由圖5可知,夏季與冬季F2層峰值高度隨時間變化趨勢基本一致,白天夏季峰值高度大于冬季峰值高度,但冬季白天的峰值高度小于夜晚的峰值高度。

3.4 IRI與電離層測高儀數(shù)據(jù)對比

為了檢驗國際參考電離層,將IRI模型值分別與位于黑龍江漠河、北京昌平、武漢左嶺鎮(zhèn)、海南富克這四個臺站的數(shù)字測高儀數(shù)據(jù)作對比分析。4個臺站具體信息如表2。

表2 臺站信息Tab.2 Information of stations

采用2011年1月21日、2011年2月18日這兩天四個臺站的數(shù)字測高儀數(shù)據(jù),采樣間隔為0.5小時。其中1月21日的地磁活動較為平靜,而2月18日發(fā)生了R2-中等太陽X射線耀斑事件以及G1-小的地磁暴事件。這兩天地磁Ap指數(shù)、Dst指數(shù)如圖6、7。通過國際參考電離層模型計算TEC與測高儀實測TEC結(jié)果如圖8。

圖6 地磁場Ap指數(shù)Fig.6 Ap index of geomagnetic field

根據(jù)中國科學院空間環(huán)境研究預報中心的空間環(huán)境警報可知,在2011年2月18日06:00(UTC)至09:00(UTC)發(fā)生G1-小級別的地磁暴事件,在10:07(UTC)至10:15(UTC)發(fā)生M6.6級別的太陽X射線耀斑事件。由圖6和圖7可知,2011年1月21日地磁活動比較平靜,而2011年2月18日的Ap指數(shù)在UTC6~9時急劇上升,隨后緩慢下降,但仍高于地磁平靜時狀態(tài)。2011年1月21日Dst指數(shù)變化趨勢比較平緩,而2011年2月18日的Dst指數(shù)變化比較劇烈,在UTC10時X射線耀斑事件后逐漸下降,幾個小時后逐漸恢復。

由圖8可知,從黑龍江漠河站至海南富克站(即高緯至低緯)電子含量呈逐漸增大的趨勢。通過IRI模型計算的TEC與測高儀實測值整體趨勢較為符合,但存在一定的偏差。模型值與地處中緯的武漢左嶺鎮(zhèn)臺站數(shù)據(jù)符合程度比其他臺站好,而與低緯的海南富克臺站數(shù)據(jù)存在較大的偏差。這是由于低緯地區(qū)電離層逐日變化起伏較大,造成低緯實測TEC與IRI模型值相差較大。對于2011年2月18日地磁活動較為劇烈狀態(tài)下,漠河站、昌平站和富克站實測TEC沒有發(fā)生明顯的劇烈變化,武漢左嶺鎮(zhèn)站測高儀實測TEC在UTC9時急劇增大,而IRI模型不能夠較好地響應這一突發(fā)磁暴事件。

4 結(jié)語

通過以上分析,國際參考電離層能夠較好地反映電離層電子密度隨時間的變化規(guī)律,對于赤道異常和冬季異常能夠明晰地表達,用于計算中緯地區(qū)TEC的可靠性相對較高。高緯地區(qū)的模型值與數(shù)字測高儀實測數(shù)據(jù)有一定的偏差,而低緯地區(qū)模型值與實測值存在較大的偏差,其原因在于低緯地區(qū)電離層逐日變化較大。中緯地區(qū)電離層受磁暴等事件能夠快速響應而發(fā)生劇烈變化,而低緯和高緯無明顯的TEC變化,且國際參考電離層亦無法響應此類地磁擾動事件。如果要進一步精化國際參考電離層,需要更多的實測數(shù)據(jù)與國際參考電離層做統(tǒng)計分析,將中國區(qū)域電離層變化的特殊規(guī)律融入模型,才能較好地反映中國區(qū)域電離層變化特性。

致謝 感謝國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程科學數(shù)據(jù)和中國科學院空間環(huán)境研究預報中心提供數(shù)據(jù)和資料!

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2 蔡紅濤,馬淑英,Schlegel K.高緯電離層氣候?qū)W特征研究——EISCAT雷達觀測及與IRI模式的比較[J].地球物理學報,2005,48(3):471-479.(Cai HongTao,Ma Shuying and Schlegel K.Climatologic characteristics of high -latitude ionosphere---EISCAT observations and comparison with the IRI model[J].Chinese Journal of Geophysics,2005,48(3):471-479)

3 沈長壽,肖佐.IRI-90及其與中國電離層資料f0F2的比較[J].空間科學學報,1993,13(4):316-321.(Shen Changshou and Xiao zuo.A comparison of f0F2 observed at 8 stations of China with that predicted from the IRI-90 model[J].Chinese Journal of Space Science,1993,13 (4):316-321)

4 羅發(fā)根,戴開良,權(quán)坤海.國際參考電離層IRI-90與中國實測電離層月平均電子密度剖面形狀的比較[J].空間科學學報,1994,14(4):305-311.(Luo Fageng,Dai Kailiang and Quan Kunhai.A comparison of the international reference ionosphere(IRI-90)with the electron density profile of the ionosphere observed in China[J].Chinese Journal of Space Science,1994,14(4):305-311)

5 程建全,楊育紅,辛剛.國際參考電離層關(guān)鍵輸入?yún)?shù)計算及應用[J].信息工程大學學報,2011,12(1):55-59.(Cheng Jianquan,Yang Yuhong and Xing Gang.Computation and application of key input parameters of international reference ionosphere[J].Journal of Information Engineering University,2011,12(1):55-59)

6 Wiki Pedia.Ionosphere[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Ionosphere,2011.

7 霍星亮,袁運斌,歐吉坤.基于GPS資料研究中國區(qū)域電離層TEC的周日變化、半年度及冬季異?,F(xiàn)象[J].自然科學進展,2005,15(5):626-630.(Huo Xingliang,Yuan Yunbin and Ou Jikun.The diurnal variation,semiannual period and winter anomaly of ionosphere TEC in China area based on GPS observations[J].Progress in Natural Science,2005,15(5):626-630)

INTERNATIONAL REFERENCE IONOSPHERE AND ITS APPLICATION IN FEATURES ANALYSIS OF IONOSPHERE ELECTRON DENSITY

Wang Cheng and Wang Jiexian
(Department of Surveying and Geo-informatics,Tongji University,Shanghai 200092)

The latest version of international reference ionosphere,updating contents and data sources are introduced.The construction and functions of international reference ionosphere source program is elaborated.Interface routine based on source program is achieved for computing ionosphere electron density and other parameters.By use of international reference ionosphere for the features of ionosphere electron density.It is able to express electron density’s variation with time,equatorial anomaly and winter anomaly.It’s highly reliable for computing TEC of middle latitude area.Also,discrepancies between international reference ionosphere model value and data of digital ionosondes are analyzed on different latitude and different geomagnetic conditions which can provide reference for application of international reference ionosphere in China regional ionosphere.

ionosphere;international reference ionosphere;electron density;TEC;ionosonde

1671-5942(2012)02-0055-05

2011-12-19

國家自然科學基金(40974018,41174023)

王成,男,1985年生,博士研究生,主要研究方向為衛(wèi)星大地測量與應用.E-mail:acex@foxmail.com

P352

A

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