張滿蓮， 劉立波， 萬(wàn)衛(wèi)星， 寧百齊

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100029

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利用COSMIC低軌衛(wèi)星對(duì)GPS信號(hào)的頂部TEC觀測(cè)資料研究等離子體層電子含量的變化特征

張滿蓮， 劉立波， 萬(wàn)衛(wèi)星， 寧百齊

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100029

摘要本文嘗試?yán)肅OSMIC低軌衛(wèi)星對(duì)GPS信號(hào)的頂部TEC觀測(cè)資料研究等離子體層電子含量(簡(jiǎn)稱PEC)的變化規(guī)律.首先介紹從低軌衛(wèi)星對(duì)GPS的頂部TEC觀測(cè)資料提取等離子體層垂直電子含量的方法，然后利用該方法提取2008年全年的PEC數(shù)據(jù)，進(jìn)而研究了2008年這一太陽(yáng)活動(dòng)低年P(guān)EC隨地磁緯度(MLAT)、磁地方時(shí)(MLT)以及不同季節(jié)的變化規(guī)律.此外，還利用提取的120°E和300°E經(jīng)度鏈上的數(shù)據(jù)對(duì)比研究了PEC的經(jīng)度變化情形.研究結(jié)果表明：(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之間的一個(gè)繞地球的環(huán)帶狀區(qū)域中；(2)PEC表現(xiàn)出以下的晝夜變化規(guī)律特征：白天時(shí)段之值高于夜間，約在12—16MLT之間達(dá)到最高峰值，而最小PEC值出現(xiàn)在日出前大約4—5MLT左右的時(shí)段;(3)相比其他季節(jié)月份而言，PEC在北半球夏季月份(5—8月)具有最小值;(4)PEC存在明顯的經(jīng)度變化，不同經(jīng)度鏈上的PEC存在不同的季節(jié)變化特征.

關(guān)鍵詞等離子體層； 電離層； 總電子含量(TEC)； 等離子體層電子含量

1引言

電波信號(hào)受到電離成分的作用會(huì)發(fā)生折射而產(chǎn)生延遲效應(yīng)，從而對(duì)衛(wèi)星定位、導(dǎo)航授時(shí)以及遙感、遙測(cè)等產(chǎn)生額外的誤差.這種誤差與電波傳播路徑上單位截面柱體里的積分電子含量(通常稱為總電子含量TEC)有關(guān)(Davíes, 1990).全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)的電波信號(hào)穿過(guò)地球大氣上空的電離層和等離子體層.盡管等離子體層電子密度比電離層電子密度要稀薄很多，但是由于其覆蓋的高度范圍很大，等離子體層的電子含量仍然占有相當(dāng)?shù)姆至?特別是在夜間和太陽(yáng)活動(dòng)平靜時(shí)期，等離子體層電子含量相對(duì)總電子含量TEC而言占有相當(dāng)大的比例，白天一般約為10%左右，而夜間則可高達(dá)60%(Yizengaw et al., 2008).因此，不僅電離層對(duì)信號(hào)傳播有影響，等離子體層對(duì)信號(hào)傳播的影響也不可忽視.在許多實(shí)際應(yīng)用中(例如用GPS單頻接收機(jī)進(jìn)行定位時(shí))，常常要用到電離層修正模型來(lái)消除由電離成分對(duì)電波的延遲效應(yīng)而產(chǎn)生的定位誤差.但是目前一般的電離層修正模型，例如國(guó)際參考電離層(IRI)模型 (Bilitza, 2001; Bilitza and Reinisch, 2008)、NeQuick模型(Leitinger et al., 2005; Nava et al., 2008)，通常只包括電離層的電子含量，而沒(méi)有將等離子體層的含量考慮在內(nèi).近年來(lái)國(guó)際參考電離層工作組開始倡導(dǎo)與鼓勵(lì)人們開展等離子體層電子含量模型的研究，以期將IRI模型擴(kuò)展到等離子體層范圍(Bilitza et al., 2011).因此，通過(guò)對(duì)等離子體層電子含量變化特征的研究，可為建立或完善等離子體層電子含量模型奠定基礎(chǔ)，為將國(guó)際參考電離層模型擴(kuò)展到等離子體層做出貢獻(xiàn)，為導(dǎo)航定位等實(shí)際應(yīng)用中的誤差修正提供一定的參考.另一方面，電離層與等離子體層有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，通過(guò)對(duì)等離子體層電子含量變化規(guī)律的研究，能夠加深理解電離層與等離子體層之間所發(fā)生的各種動(dòng)力學(xué)耦合過(guò)程的作用機(jī)制.

前人對(duì)等離子體層電子含量的提取技術(shù)，一般可歸納為以下幾種方法：(1)由兩顆不同高度衛(wèi)星(如GPS與另一低高度衛(wèi)星)觀測(cè)的TEC數(shù)據(jù)，由兩者之差得到等離子體層電子含量 (Lunt et al., 1999; Chen and Yao, 2015).這種方法的缺點(diǎn)是兩顆衛(wèi)星所在的高度范圍不一定剛好合適于等離子體層的高度范圍.(2)利用地面垂直測(cè)高儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估算電離層電子含量ITEC，結(jié)合對(duì)GPS觀測(cè)的TEC，由兩者之差得到等離子體層電子含量 (Belehaki et al., 2004; Zhang et al., 2006).這種方法中，由于只有F2層峰高以下的底部電離層電子密度數(shù)據(jù)是真實(shí)的觀測(cè)結(jié)果，而F2層峰高以上的頂部電離層電子密度是通過(guò)假設(shè)F2層峰高以上的電子密度符合Chapman剖面分布而外推估算得到 (Reinisch and Huang, 2001).因而由垂直測(cè)高儀觀測(cè)資料估算得到的電離層ITEC可能會(huì)有較大的誤差，從而導(dǎo)致最后求得的等離子體層電子含量誤差較大.(3)利用非相干散射雷達(dá)(ISR)觀測(cè)資料與地面GPS接收機(jī)觀測(cè)資料相結(jié)合 (種小燕等，2013).非相干散射雷達(dá)能夠探測(cè)包括F2層峰高以下底部電離層及峰高以上的頂部電離層高度的電子密度.利用這一設(shè)備所觀測(cè)得到的資料來(lái)推算電離層電子含量將比基于電離層垂測(cè)儀觀測(cè)資料進(jìn)行的推算更具真實(shí)性，從而可得到精度較高的等離子體層電子含量.然而，非相干散射雷達(dá)全球覆蓋率極為有限，且觀測(cè)時(shí)間不連續(xù)，這為研究等離子體層電子含量的全球分布特征與建模帶來(lái)局限.此外，上述這些方法還由于涉及到不同的觀測(cè)設(shè)備或觀測(cè)手段而帶來(lái)的觀測(cè)誤差導(dǎo)致所得到的結(jié)果有較大的不確定性.COSMIC低軌衛(wèi)星(LEO)的精確定軌(POD)接收機(jī)對(duì)GPS信號(hào)的頂部測(cè)量為我們提供了大量的等離子體層電子含量信息的數(shù)據(jù).COSMIC低軌衛(wèi)星對(duì)GPS信號(hào)的這種頂部TEC觀測(cè)資料具有良好的全球覆蓋性與觀測(cè)時(shí)間的連續(xù)性，因此特別適合用于研究等離子體層電子含量的全球分布特征與不同時(shí)間尺度的變化性，從而為等離子體層電子含量的全球建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).本文將利用COSMIC低軌衛(wèi)星對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的頂部TEC觀測(cè)資料來(lái)提取等離子體層電子含量，主要技術(shù)涉及由LEO-GPS衛(wèi)星連線傳播路徑上的總電子含量演算得到等離子體層垂直電子含量(PEC，Plasmaspheric Electron Content).這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于涉及的觀測(cè)資料單一一致，所帶來(lái)的觀測(cè)及反演所積累的誤差小，因而能夠得到精度較高的等離子體層電子含量.然后將利用提取的等離子體層電子含量數(shù)據(jù)研究等離子體層電子含量隨地磁緯度(MLAT)、磁地方時(shí)(MLT)、季節(jié)的變化規(guī)律，同時(shí)也抽取兩個(gè)經(jīng)度鏈上(120°E和300°E)的數(shù)據(jù)對(duì)比研究PEC的經(jīng)度變化性.本文第2節(jié)將簡(jiǎn)要介紹原始數(shù)據(jù)來(lái)源及提取PEC數(shù)據(jù)采用的方法，第3節(jié)給出研究結(jié)果及對(duì)結(jié)果的解釋，第4節(jié)為結(jié)論.

2原始數(shù)據(jù)來(lái)源及提取PEC數(shù)據(jù)的方法簡(jiǎn)介

本文所用原始數(shù)據(jù)來(lái)源于COSMIC/FORMSAT-3(The Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate/Formosa Satellite 3) 星座的低軌衛(wèi)星(LEO)上的精確定軌(POD)接收機(jī)對(duì)GPS信號(hào)的頂部TEC測(cè)量數(shù)據(jù).COSMIC/FORMOSAT-3是中國(guó)臺(tái)灣和美國(guó)于2006年4月15日聯(lián)合發(fā)射的由6顆低軌(LEO)微衛(wèi)星組成的一個(gè)星座.每顆微衛(wèi)星攜帶一個(gè)GPS掩星實(shí)驗(yàn)(GOX)載荷，主要設(shè)計(jì)用于對(duì)地球大氣和電離層進(jìn)行無(wú)線電掩星測(cè)量.衛(wèi)星軌道周期約100 min，傾角72°.COSMIC 觀測(cè)數(shù)據(jù)由以下網(wǎng)址提供：(1)FS-3/COSMIC臺(tái)灣分析中心(TACC, http:∥tacc.cwb.gov.tw/en/)；(2)COSMIC 數(shù)據(jù)分析和存檔中心(CDAAC, http:∥www.cosmic.ucar.edu/cdaac/).本文用到的數(shù)據(jù)主要是COSMIC星座LEO衛(wèi)星上用于精確定軌(POD)的衛(wèi)星天線對(duì)GPS衛(wèi)星接收信號(hào)而計(jì)算得到的LEO-GPS沿線的TEC數(shù)據(jù)，即COSMIC產(chǎn)品數(shù)據(jù)目錄level1b下的podTEC數(shù)據(jù).該數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)是LEO-GPS沿線的絕對(duì)TEC值，已經(jīng)去除了接收機(jī)本身的硬件誤差 (Yue et al., 2011).本文用到的是2008年的全年數(shù)據(jù).

COSMIC星座LEO衛(wèi)星飛行的高度大約在800 km高度左右，在太陽(yáng)活動(dòng)低年，這一高度可近似看成是電離層與等離子體層的過(guò)渡高度，因此LEO衛(wèi)星高度到GPS衛(wèi)星高度之間的垂直高度積分電子含量可近似看成等離子體層電子含量PEC.由于podTEC數(shù)據(jù)給出的是LEO-GPS沿線路徑上的斜路徑積分電子含量，為了求取垂直方向(即天頂方向)的PEC，必須選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換因子f(ε)把斜路徑方向的podTEC轉(zhuǎn)換成垂直方向的PEC：

(1)

本文采用Foelsche和Kirchengast(2002)以及Yue等(2011)所介紹和引用的轉(zhuǎn)換因子f(ε)，其表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

其中ε為L(zhǎng)EO-GPS衛(wèi)星連線方向的抬升角，Re為地球半徑，Hppt是LEO-GPS衛(wèi)星之間電波射線在等離子體層中的穿刺點(diǎn)高度，Horb是低軌衛(wèi)星所在的高度.Hppt可選為幾百到幾千公里.Yue等(2011)選取Hppt值為3000 km.我們?cè)囘^(guò)不同的Hppt值，雖然用不同的Hppt值計(jì)算得到的PEC值會(huì)有些微差別，但并不影響本文研究所得到的主要結(jié)論.因此，本文按Yue等(2011)選取3000 km 為Hppt值.圖1是2008年1月27日全天當(dāng)中LEO-GPS衛(wèi)星連線電波信號(hào)在Hppt=3000 km處的穿刺點(diǎn)坐標(biāo)分布.從圖中可見衛(wèi)星信號(hào)穿刺點(diǎn)非常密集地覆蓋了全球所有空間，因而這一數(shù)據(jù)源很適宜于研究等離子體層電子含量的全球分布特征.

3等離子體層電子含量(PEC)變化特征

3.1等離子體層電子含量(PEC)隨地磁緯度的變化和磁地方時(shí)的晝夜變化

為了研究PEC隨地磁緯度(MLAT)和磁地方時(shí)(MLT)的變化規(guī)律，我們選取太陽(yáng)活動(dòng)低年2008年的全年數(shù)據(jù)，采用前述轉(zhuǎn)換方法演算出天頂方向的PEC，然后對(duì)全年數(shù)據(jù)求取平均，得到如圖2所示的2008年P(guān)EC隨MLAT和MLT的平均分布狀況.從圖2中可看出，PEC主要集中分布在磁赤道±45°之間的一個(gè)繞地球的環(huán)帶狀區(qū)域中.這與通常的理論預(yù)期和前人利用其他手段的觀測(cè)結(jié)果是一致的，由此表明我們采用的提取等離子體層電子含量的方法是可靠的.在晝夜變化規(guī)律方面，從圖2中可看出PEC呈現(xiàn)出以下的變化特征：白天時(shí)段之值高于夜間時(shí)段，PEC約在12—16MLT之間的某個(gè)時(shí)刻達(dá)到最高峰值(7～8 TECu左右)，而最小PEC值大約出現(xiàn)在日出前(約4—5MLT左右)的時(shí)段.等離子體層電子含量的這一晝夜變化特征與等離子體層和電離層之間存在強(qiáng)烈的電動(dòng)力學(xué)耦合作用有關(guān).我們知道，等離子體層的離子來(lái)源與白天電離層離子沿磁力線的上行流動(dòng)有關(guān).等離子體層是電離層離子的一個(gè)“蓄水池”(Singh et al., 2011).白天電離層離子會(huì)沿著磁力線向上漂移與擴(kuò)散填充到等離子體層中，而晚上等離子體層中的離子會(huì)返回到低高度范圍維持夜間的F區(qū)電離層.這一耦合作用過(guò)程產(chǎn)生的效果便導(dǎo)致了我們所觀測(cè)到的等離子體層電子含量PEC的上述晝夜變化特征.

圖1　2008年1月27日一天內(nèi)COSMIC低軌衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星之間連線在3000 km高度處穿刺點(diǎn)的地理分布情況

圖2　2008年等離子體層電子含量PEC隨磁地方時(shí)和地磁緯度的平均分布狀況

3.2等離子體層電子含量(PEC)的季節(jié)變化

為研究PEC隨不同季節(jié)的變化規(guī)律，我們將2008年的PEC數(shù)據(jù)按不同季節(jié)劃分，求取了四個(gè)不同季節(jié)的PEC的平均變化情形，所得結(jié)果如圖3所示.圖中左上、右上、左下及右下分別對(duì)應(yīng)的是2008年北半球春(3、4月份)、夏(5、6、7、8月份)、秋(9、10月份)、冬(1、2、11、12月份)四個(gè)季節(jié)的PEC的季節(jié)平均.從圖3中可看出，四個(gè)不同的季節(jié)PEC隨MLT及MLAT的變化形態(tài)與3.1節(jié)中的結(jié)果完全一致：等離子體層電子含量主要集中分布在磁赤道±45°之間的一個(gè)繞地球的環(huán)帶狀區(qū)域中；PEC白天之值高于夜間，在約12—16MLT之間達(dá)到最高峰值，而在日出前的時(shí)段(約4—5MLT左右)PEC達(dá)到最小值.然而，PEC也表現(xiàn)出以下的季節(jié)變化特征：北半球夏季PEC白天的峰值低于其他所有季節(jié)的白天峰值，而在北半球春季PEC白天的峰值在四個(gè)季節(jié)中則是最高的，秋、冬季之值則介于這二者之間，且冬季之值又高于秋季.Chen和Yao (2015)利用GPS-TEC和COSMIC LEO衛(wèi)星掩星觀測(cè)資料研究2011年3、6、9、12月份PEC的季節(jié)變化.他們所研究的2011年處于太陽(yáng)活動(dòng)的上升年，本文所用數(shù)據(jù)采用的是處在太陽(yáng)活動(dòng)低年的2008年，因此很顯然其得到的PEC數(shù)值要明顯高于本文得到的值(請(qǐng)參見Chen and Yao (2015) 中的圖3).但其顯示的季節(jié)變化特征與我們上述描述的季節(jié)變化特征基本一致.這些變化特征基本上與電離層的總電子含量ITEC的變化特征表現(xiàn)是一致的.考慮前面3.1節(jié)中所述的原因(電離層與等離子體層之間存在很強(qiáng)的耦合關(guān)系)，PEC的這些季節(jié)變化特征都能得到合理的解釋.

3.3等離子體層電子含量(PEC)的經(jīng)度變化

總而言之，將物化探技術(shù)應(yīng)用到礦產(chǎn)勘查工作以及地質(zhì)效果考察之中，相關(guān)技術(shù)工作者需要合理、科學(xué)的應(yīng)用該技術(shù)，這樣才能有效勘查礦產(chǎn)資源，有效提高礦產(chǎn)勘查工作的效率。

為研究PEC是否存在經(jīng)度變化，我們特別提取120°E和300°E經(jīng)度鏈上的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了2008年北半球春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)中這兩個(gè)經(jīng)度鏈上的PEC的變化情形，結(jié)果如圖4—5中所示.其中圖4顯示的是120°E經(jīng)度鏈上的PEC變化情形，圖5顯示的是300°E經(jīng)度鏈上的PEC變化情形.從圖4—5中可看出，不同經(jīng)度鏈上的PEC具有明顯的不同的變化規(guī)律.對(duì)于北半球春、夏、秋這三個(gè)季節(jié)120°E經(jīng)度鏈上的PEC的白天峰值明顯高于300°E經(jīng)度鏈上的峰值.而對(duì)于北半球冬季則是300°E經(jīng)度鏈上的值大于120°E經(jīng)度鏈上的值.此外，這兩個(gè)經(jīng)度鏈上的PEC還表現(xiàn)出不同的季節(jié)變化規(guī)律：120°E經(jīng)度鏈上的PEC，白天峰值在春秋季稍高于冬夏季，亦即表現(xiàn)為以半年變化為主的特征；而300°E經(jīng)度鏈上的PEC則表現(xiàn)出非常明顯的以年變化為主的季節(jié)變化特征：其PEC白天峰值在北半球冬季最大、夏季最小，而春、秋季之值介于前兩者之間.特別是比較北半球冬季和夏季的情形時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)300°E經(jīng)度鏈上的PEC值差別非常大，形成很鮮明的對(duì)比.而120°E經(jīng)度鏈上的PEC值在這兩個(gè)季節(jié)的差別不是那么明顯.對(duì)于PEC在這兩個(gè)經(jīng)度鏈上表現(xiàn)出的不同季節(jié)變化特征，我們給出如下的解釋：電離層與等離子體層之間存在強(qiáng)烈耦合，等離子體層的離子來(lái)源與白天電離層離子沿磁力線的上行流動(dòng)有關(guān).因此PEC這種不同經(jīng)度上的不同季節(jié)變化特征應(yīng)該與等離子體層下面的電離層有關(guān).電離層中最關(guān)鍵的參量之一是F2層峰值電子濃度NmF2(或臨界頻率foF2).我們知道，NmF2(電離層的總電子含量ITEC也是)在全球不同區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出各種不同的季節(jié)變化上的異?，F(xiàn)象，包括(1)半年異常 (semiannual anomaly)：NmF2在春秋季月份達(dá)到最大值；(2)冬季異常(又叫季節(jié)異常, seasonal anomaly)：NmF2在冬季月份達(dá)到最大值；(3)年度異常(也叫非季節(jié)異常, non-seasonal anomaly)：全球平均而言NmF2在12月份之值高于6月份之值.其中年度異常(3)可理解為北半球的冬季異常強(qiáng)于南半球的結(jié)果.Rishbeth (1998)對(duì)電離層這些季節(jié)變化異常現(xiàn)象給出非常詳盡的解釋(有興趣的讀者可仔細(xì)參閱該文章)，其主要原因可歸納為：(1)太陽(yáng)天頂角隨季節(jié)的變化導(dǎo)致太陽(yáng)輻射對(duì)中性大氣的電離產(chǎn)生率的變化；(2)熱層大氣環(huán)流引起的背景中性大氣層氧氮濃度比[O/N2]的季節(jié)變化導(dǎo)致離子電離率和復(fù)合率的變化；(3)熱層大氣環(huán)流引起的風(fēng)場(chǎng)對(duì)電離層的抬升與降低作用導(dǎo)致離子電離率和復(fù)合率的變化，該作用的大小與地磁場(chǎng)位形在全球的分布有關(guān).這三個(gè)因素在不同的經(jīng)度、緯度其影響程度不同，就導(dǎo)致全球不同區(qū)域的電離層表現(xiàn)出不同的季節(jié)變化特征.Torr M R和Torr D G(1973)以及Rishbeth(1998)給出了不同太陽(yáng)活動(dòng)水平下全球不同區(qū)域foF2的主導(dǎo)季節(jié)變化特征.從Rishbeth(1998)文章中的圖5可以看出，在太陽(yáng)活動(dòng)低年，120°E經(jīng)度鏈附近的中、低緯度上電離層是以半年變化為主導(dǎo)的；而300°E經(jīng)度鏈附近的中低緯度，北半球以冬季異常(12月份至點(diǎn)季最大，6月份至點(diǎn)季最小)為主導(dǎo)特征，南半球則以正常的夏季(12月份至點(diǎn)季)最大、冬季(6月份至點(diǎn)季)最小為主導(dǎo)特征.電離層在這兩個(gè)經(jīng)度鏈扇區(qū)的季節(jié)變化特征，通過(guò)與等離子體層的動(dòng)力學(xué)/電動(dòng)力學(xué)耦合反映到等離子體層中，從而使PEC表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化特征：120°E經(jīng)度鏈上的PEC表現(xiàn)為在兩分點(diǎn)達(dá)最大值的半年變化特征，而300°E經(jīng)度鏈上的PEC表現(xiàn)為在12月份至點(diǎn)季達(dá)最大值、在6月份至點(diǎn)季達(dá)最小值的年變化特征.

圖3　2008年等離子體層電子含量PEC的季節(jié)變化，其中左上、右上、左下、右下圖分別對(duì)應(yīng)的是北半球春(3—4月份)、夏(5—8月份)、秋(9—10月份)、冬(1—2、11—12月份)四個(gè)季節(jié)的PEC變化情形

圖4　120°E經(jīng)度鏈上等離子體層電子含量PEC在2008年北半球春(3 —4月份)、夏(5 —8月份)、秋(9 —10月份)、冬(1—2、11—12月份)四個(gè)季節(jié)里的變化情形

圖5　300°E經(jīng)度鏈上等離子體層電子含量PEC在2008年北半球春(3—4月份)、夏(5—8月份)、秋(9—10月份)、冬(1—2、11—12月份)四個(gè)季節(jié)里的變化情形

4結(jié)論

本文初步嘗試?yán)肅OSMIC低軌衛(wèi)星對(duì)GPS信號(hào)的頂部TEC觀測(cè)資料產(chǎn)品數(shù)據(jù)podTEC提取等離子體層電子含量PEC.并利用所提取的PEC數(shù)據(jù)研究了2008年太陽(yáng)活動(dòng)低年P(guān)EC隨磁地方時(shí)(MLT)、地磁緯度(MLAT)和不同季節(jié)的變化規(guī)律.同時(shí)對(duì)比研究了120°E和300°E經(jīng)度鏈上PEC的不同變化特征.總結(jié)本文前面的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：(1)等離子體層電子含量主要集中分布在磁赤道±45°之間的一個(gè)繞地球的環(huán)帶狀區(qū)域中；(2)PEC表現(xiàn)的晝夜變化規(guī)律為白天之值高于夜間，約在12—16MLT之間達(dá)到最高峰值(量級(jí)大約為7～8TECu左右)，而最小PEC值大約出現(xiàn)在日出前(約4—5MLT)的時(shí)段；(3)相比其他季節(jié)月份而言，等離子體層電子含量PEC在北半球夏季月份(即5—8月)具有最小值；(4)等離子體層電子含量PEC存在明顯的經(jīng)度變化，不同經(jīng)度鏈上的PEC存在不同的季節(jié)變化特征：120°E經(jīng)度鏈上的PEC表現(xiàn)為在兩分點(diǎn)達(dá)最大值的半年變化特征，而300°E經(jīng)度鏈上的PEC表現(xiàn)為在12月份至點(diǎn)季達(dá)最大值、在6月份至點(diǎn)季達(dá)最小值的年變化特征.

致謝本文研究中所用到的COSMIC低軌衛(wèi)星對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于COSMIC數(shù)據(jù)分析和存檔中心(CDAAC, http:∥www.cosmic.ucar.edu/cdaac/).

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(本文編輯何燕)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(41274163)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃) (2012CB825604)、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-01-03)、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(41321003)以及國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41231065)資助.

作者簡(jiǎn)介張滿蓮，女，1962年生，副研究員，主要從事電離層等離子體層變化特性及經(jīng)驗(yàn)建模研究. E-mail: zhangml@mail.iggcas.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160101 中圖分類號(hào)P352

收稿日期2015-08-02，2015-09-21收修定稿

Variation of the plasmaspheric electron content derived from the podTEC observations of COSMIC LEO satellites to GPS signals

ZHANG Man-Lian, LIU Li-Bo, WAN Wei-Xing, NING Bai-Qi

KeyLaboratoryofEarthandPlanetaryPhysics,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

AbstractWe tried to study the variations of the plasmaspheric electron content (PEC) using the PEC data derived from the podTEC observation of the COSMIC low Earth orbit (LEO) satellite to the GPS satellite signals. We first give a brief introduce to the method we used to convert the slant podTEC to the vertical PEC. Then we used the converted PEC data of the year 2008 to study the variations of PEC with the geomagnetic latitude (MLAT), magnetic local time (MLT) and with four different seasons. Besides, we made a study on the longitudinal variation of PEC using the extracted PEC data from two different longitudes (120°E and 300°E). Our study showed that: (1) The distribution of PEC is mainly confined to a region within ±45° of the magnetic equator of the Earth; (2) PEC shows a well-defined diurnal variation pattern with higher values during daytime hours than during nighttime hours. PEC reaches its peak value at the hour around 12—16MLT, whereas it reaches its minimum value at around 4—5MLT. (3) PEC has a lowest value in the June solstice season (May—August) compared with other seasons. (4) PEC shows an evident longitudinal variation and it has different seasonal variations for different longitudes.

KeywordsPlasmasphere; Ionosphere; Total Electron Content (TEC); Plasmaspheric electron content

張滿蓮， 劉立波， 萬(wàn)衛(wèi)星等. 2016. 利用COSMIC低軌衛(wèi)星對(duì)GPS信號(hào)的頂部TEC觀測(cè)資料研究等離子體層電子含量的變化特征.地球物理學(xué)報(bào)，59(1):1-7,doi:10.6038/cjg20160101.

Zhang M L, Liu L B, Wan W X, et al. 2016. Variation of the plasmaspheric electron content derived from the podTEC observations of COSMIC LEO satellites to GPS signals.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):1-7,doi:10.6038/cjg20160101.