趙海山，楊 力，徐世依

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

太陽活動(dòng)高低年電離層TEC變化特性分析

趙海山，楊 力，徐世依

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為了進(jìn)一步研究電離層變化特性受不同太陽活動(dòng)強(qiáng)度影響的問題，提出太陽活動(dòng)高低年對(duì)比分析的方法，研究5個(gè)特定點(diǎn)的電離層TEC的變化特性；重點(diǎn)對(duì)太陽活動(dòng)高低年的TEC半年變化、季節(jié)變化以及周日變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：太陽活動(dòng)強(qiáng)度影響TEC數(shù)值變化的同時(shí)，還影響其半年變化和季節(jié)變化特性；春秋分季節(jié)是出現(xiàn)峰值的高峰期，TEC半年變化強(qiáng)度與太陽活動(dòng)成正比；太陽活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)季節(jié)異?，F(xiàn)象有一定影響，太陽活動(dòng)高年季節(jié)變化更顯著，0°N～-20°N是TEC季節(jié)異常的活躍范圍；全球TEC峰值呈自東向西周日性運(yùn)動(dòng)，通過2年數(shù)據(jù)的自相關(guān)分析可以明顯看出其變化周期為24 h，未受到太陽活動(dòng)高低年影響。

電離層TEC；半年變化；季節(jié)變化；周日變化；相關(guān)性分析；太陽活動(dòng)高低年

0 引言

電離層是受太陽XUV即X射線和極紫外光(extreme ultraviolet，EUV)輻射電離高層大氣而形成的，因此電離層總電子含量(total electron content，TEC)的變化很大程度上受到太陽活動(dòng)的影響[1]。除此之外電離層還受到地磁場(chǎng)、中性大氣成分等條件的影響，從而表現(xiàn)出豐富的時(shí)空變化特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電離層的時(shí)空變化特性做了很多研究，如：文獻(xiàn)[2]對(duì)電離層TEC的季節(jié)變化、月變化和日變化規(guī)律進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]利用10個(gè)印度觀測(cè)站的數(shù)據(jù)分析了TEC的空間變化特征；文獻(xiàn)[4]則分析了電離層TEC的梯度變化特性；文獻(xiàn)[5]分析了夜晚電離層TEC的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[6]對(duì)赤道電離異常區(qū)的TEC時(shí)空變化特點(diǎn)進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[7-8]也做了相關(guān)研究；文獻(xiàn)[9]對(duì)研究了中國(guó)區(qū)域電離層TEC的半年度變化、季節(jié)變化以及周日變化；文獻(xiàn)[10]分析了北美與東亞中緯地區(qū)電離層TEC變化；文獻(xiàn)[11]利用國(guó)際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)服務(wù) (international GNSS service，IGS)數(shù)據(jù)，分析了白天和夜間電離層TEC變化特性，通過研究電離層與太陽、地磁活動(dòng)的相關(guān)指數(shù)，得到電離層TEC地磁活動(dòng)指數(shù)日均值的相關(guān)性較弱，而與太陽活動(dòng)指數(shù)日均值的相關(guān)性較強(qiáng)的結(jié)論。

本文通過分析2010至2016年太陽射電流量和太陽黑子數(shù)(sunspot numbers，SSN)的變化情況，選擇具有代表性的太陽活動(dòng)高低年進(jìn)行對(duì)比分析，研究電離層在太陽活動(dòng)高低年的半年變化、季節(jié)變化以及周日變化特性。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理方法

空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心(Space Environment Prediction Center，SEPC)可以提供采樣間隔為1 d的太陽活動(dòng)數(shù)據(jù)以及地磁活動(dòng)數(shù)據(jù)。

歐洲定軌中心(Center for Orbit Determination in Europe，CODE)可以提供全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)(global ionosphere maps，GIM)，CODE GIM將450 km高度采樣間隔為2 h的TEC數(shù)據(jù)按分辨率的經(jīng)緯度格網(wǎng)進(jìn)行儲(chǔ)存，在不同太陽活動(dòng)強(qiáng)度下，在全球范圍內(nèi)大部分TEC數(shù)據(jù)精度高于24個(gè)TECU(電離層TEC的計(jì)算單位為TECU，1 TECU=1016/m2)，可以滿足實(shí)驗(yàn)的精度要求。本文太陽活動(dòng)數(shù)據(jù)采用SEPC提供的太陽射電流量F10.7和太陽黑子數(shù)SSN數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)太陽活動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行分析，得到電離層活動(dòng)高低年；本文電離層格網(wǎng)TEC數(shù)據(jù)采用CODE提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用對(duì)比分析方法，對(duì)比太陽活動(dòng)高年與低年特點(diǎn)，分析電離層TEC半年變化、季節(jié)變化以及周日變化特性。

文獻(xiàn)[9]運(yùn)用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)的P碼觀測(cè)數(shù)據(jù)分析電離層TEC的周日變化規(guī)律，認(rèn)為TEC受太陽活動(dòng)影響較大。眾多研究表明，TEC半年變化幅度的大小與太陽活動(dòng)明顯相關(guān)，與地磁活動(dòng)沒有明顯相關(guān)性；因此本文不考慮TEC與地磁活動(dòng)的相關(guān)情況，重點(diǎn)分析太陽活動(dòng)對(duì)TEC的影響。在空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心下載2010-01—2016-06衡量太陽活動(dòng)的參數(shù)和太陽黑子數(shù)SSN數(shù)據(jù)，如圖1所示。

從圖中可以看出太陽射電流量值與太陽黑子數(shù)SSN變化情況相似，在2010—2011年數(shù)值最小，變化幅度最低；而在2014—2015年數(shù)值最大，變化幅度最高。因此可以判定2010年太陽活動(dòng)較弱，視為太陽活動(dòng)低年；2014年太陽活動(dòng)較強(qiáng)，視為太陽活動(dòng)高年。

2 電離層TEC變化特性分析

本文選取5個(gè)不同的點(diǎn)作為研究對(duì)象，分析其在在太陽活動(dòng)高低年電離層TEC的半年變化，季節(jié)變化以及晝夜變化的基本的特征，5個(gè)地點(diǎn)的地磁和地理經(jīng)緯度如表1所示。

表1 5個(gè)TEC數(shù)據(jù)點(diǎn)的地理和地磁位置

選取表1中各數(shù)據(jù)點(diǎn)2年的CODE GIM格網(wǎng)TEC值分別繪制太陽活動(dòng)高年(2014年)和太陽活動(dòng)低年(2010年)的電離層TEC年變化情況，詳見圖2。圖中橫坐標(biāo)為年積日，縱坐標(biāo)為每天對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，分辨率為2 h。

從圖2中可以明顯看出，太陽活動(dòng)對(duì)電離層TEC值有明顯的影響，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)2014年TEC值明顯高于2010年TEC值。圖2中給出的時(shí)間為世界時(shí)，由于所選數(shù)據(jù)點(diǎn)1和點(diǎn)4位于60°W，因此轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貢r(shí)間需減去4 h；數(shù)據(jù)點(diǎn)3位于30°E，轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貢r(shí)間應(yīng)該加上2 h；數(shù)據(jù)點(diǎn)2和點(diǎn)5位于90°E，轉(zhuǎn)化為當(dāng)?shù)貢r(shí)需加上6 h。因此，發(fā)現(xiàn)無論太陽活動(dòng)的高低，電離層TEC都表現(xiàn)出了典型的周日變化特征，夜晚22∶00到次日6∶00的電離層TEC變化較為平緩，TEC值較??；而白天的變化大致是從上午8∶00開始逐漸增加，直至地方時(shí)下午14∶00左右達(dá)到最大值，隨后逐漸減小。同時(shí)，電離層TEC也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，每年出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在4、5月和9、10月。從全年TEC變化情況來看，位于夏季的6、7、8月TEC值最低，其中太陽活動(dòng)高年的季節(jié)變化更為明顯。

為了更好地分析電離層TEC在太陽活動(dòng)高低年的半年變化、季節(jié)變化和周日性變化，本文把各個(gè)GIM格網(wǎng)點(diǎn)TEC每天8∶00—18∶00時(shí)段內(nèi)的TEC進(jìn)行平均，作為TEC的白天均值，并將其他時(shí)段TEC值進(jìn)行平均，作為TEC夜晚均值；并約定每年3—4月份為北半球的春季，5—8月份為夏季，9—10月份為秋季，11—2月份為冬季。取1月份平均值作為冬季值，取7月份平均值作為夏季值。

2.1 半年變化特性分析

TEC半年變化是指TEC值在春秋分季節(jié)出現(xiàn)極大值。本文以1年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求各格網(wǎng)點(diǎn)1年內(nèi)最大值，并確定其所在月份，然后利用錘投影(hammer projection)將其標(biāo)注在世界地圖上，再將世界地圖投影到一個(gè)橢圓上，如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)為經(jīng)度范圍，從左到右為-180°至180°；縱軸為緯度范圍，由下到上為-90°至90°。將12個(gè)月分別用不同的顏色標(biāo)記在地圖上，用以顯示太陽活動(dòng)高年2014年和太陽活動(dòng)低年2010年和最大值出現(xiàn)的月份的全球分布。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：太陽活動(dòng)高低年和最大值大部分都出現(xiàn)在春秋分季節(jié)；太陽活動(dòng)低年和最大值出現(xiàn)在12月份的比例高于太陽活動(dòng)高年。為了量化太陽活動(dòng)高低年半年變化分布特點(diǎn)，現(xiàn)將2010和2014年春秋分季節(jié)出現(xiàn)和最大值比例情況用表格的形式體現(xiàn)出來。從表2中可以發(fā)現(xiàn)：2014年和最大值出現(xiàn)在春秋分季節(jié)的比例分別為68.13 %和72.12 %；明顯高于2010年的55.36 %和54.68 %。同時(shí)，2010年和最大值在春分季節(jié)出現(xiàn)的比例分別為6.32 %和8.94 %，分別占和最大值出現(xiàn)在春秋分季節(jié)總比例的11.41 %和16.35 %；而2014年和最大值在春分季節(jié)出現(xiàn)的比例分別為51.25 %和47.46 %，分別占和最大值出現(xiàn)在春秋季總比例的75.22 %和65.81 %。由此不難發(fā)現(xiàn)：太陽活動(dòng)高年和最大值出現(xiàn)在春秋分季節(jié)的概率更大，且春分季節(jié)所占比例更大；而太陽活動(dòng)低年和最大值出現(xiàn)在秋分季節(jié)的比例明顯高于春分季節(jié)。

表2 2010/2014年和最大值出現(xiàn)在春秋分季節(jié)比例統(tǒng)計(jì)表 (%)

2.2 季節(jié)變化特性分析

TEC季節(jié)異常是指電離層冬季日間的TEC值高于夏季日間的TEC值[9]。本文研究電離層季節(jié)變化特性時(shí)，將每天12∶00時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為白天值，將00∶00的數(shù)據(jù)作為夜間值，并取1月份和7月份對(duì)應(yīng)時(shí)刻的平均值作為研究電離層季節(jié)變化特性的基本數(shù)據(jù)。通過研究夏季TEC平均值與冬季TEC平均值的比值，來研究電離層季節(jié)變化特性，若比值小于1，則說明出現(xiàn)季節(jié)異常。圖4為2010和2014年白天與夜間TEC夏冬季比值的全球分布圖。

通過對(duì)比圖4的4幅圖像可以發(fā)現(xiàn)：無論電離層活動(dòng)強(qiáng)弱，夏冬季比值在地球北半球緯度0～20°地區(qū)普遍小于或接近1，明顯出現(xiàn)季節(jié)異?，F(xiàn)象。通過對(duì)比2010和2014年夏冬季比值情況，可以發(fā)現(xiàn)太陽活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)TEC季節(jié)異常有一定的影響，太陽活動(dòng)越強(qiáng)，低緯度地區(qū)TEC季節(jié)異?，F(xiàn)象越明顯。

2.3 周日變化特性分析

為了更好地分析電離層的周日變化特征，利用自相關(guān)分析方法，分別對(duì)2010和2014年的TEC數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)分析，其中選取的數(shù)據(jù)為每天12個(gè)歷元，歷元間隔2 h，365 d共計(jì)4 380個(gè)歷元。自相關(guān)分析結(jié)果如圖5所示。

由圖中可以看出：通過自相關(guān)函數(shù)計(jì)算后，電離層TEC存在明顯的周期性，每隔12個(gè)歷元就出現(xiàn)一次明顯的峰值，而1 d的歷元數(shù)正好也是12個(gè)；因此數(shù)據(jù)說明電離層TEC存在明顯的周日變化的特性。通過對(duì)比2010和2014年的自相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電離層TEC的周日變化規(guī)律并不受到太陽活動(dòng)高低的影響。

為了更清晰地描述電離層的周日變化特性，本文利用太陽活動(dòng)指數(shù)分布情況，找到了2010—2016年太陽活動(dòng)最高和最低的2 d，分別是：2010-05-19，指數(shù)達(dá)到最低值69；2014-01-07，指數(shù)達(dá)到最高值237。并利用這2 d的CODE發(fā)布的TEC數(shù)據(jù)，按照采樣間隔6 h畫出全球電離層分布圖。如圖6所示。

圖6(a)為2010-05-19全球電離層TEC變化情況，TEC在0～40 TECU范圍內(nèi)變化；圖6(b)為2014-01-07全球電離層TEC變化情況，TEC在0～110 TECU范圍內(nèi)變化。從圖中可以明顯看到：電離層TEC峰值隨時(shí)間自東向西移動(dòng)；TEC峰值均分布在緯度-20°至20°范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出明顯的周日變化特點(diǎn)。通過對(duì)比2010和2014年的圖像可以發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)刻電離層TEC峰值所在位置幾乎相同，未受到太陽活動(dòng)高低的影響。

3 結(jié)束語

利用CODE提供的電離層TEC數(shù)據(jù)，在分析TEC普遍變化規(guī)律的同時(shí)，通過對(duì)比太陽活動(dòng)高低年的分析結(jié)果，重點(diǎn)研究了TEC在太陽活動(dòng)高低年的半年變化、季節(jié)變化以及周日變化等特性，得到以下結(jié)論：

1)太陽活動(dòng)強(qiáng)度不僅對(duì)電離層TEC數(shù)值大小有強(qiáng)烈的影響，而且還影響TEC 變化特性，但并未改變其特性。

2)春秋分季節(jié)是出現(xiàn)峰值的高峰期，TEC半年變化強(qiáng)度與太陽活動(dòng)成正比，太陽活動(dòng)高年和最大值出現(xiàn)在春秋分季節(jié)的比例達(dá)到70 %，其中春分季節(jié)比例高于秋分季節(jié)，在太陽活動(dòng)低年和最大值出現(xiàn)在春秋分季節(jié)的比例約為55 %，其中秋分季節(jié)比例高于春分季節(jié)。

3)太陽活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)季節(jié)異常現(xiàn)象有一定影響，太陽活動(dòng)高年季節(jié)變化更顯著，北緯0至20°是TEC季節(jié)異常的活躍范圍。

4)全球TEC峰值呈自東向西周日性運(yùn)動(dòng)，通過2年數(shù)據(jù)的自相關(guān)分析可以明顯看出其變化周期為24 h，未受到太陽活動(dòng)高低年影響。

[1] GORNEY D J.Solar cycle effects on the near-Earth space environment[J].Reviews of Geophysics，1990，28(3)：315-336.

[2] OLWENDO O J，BAKI P，CILLIERS P J，et al.Comparison of GPS TEC measurements with IRI-2007 TEC prediction over the Kenyan region during the descending phase of solar cycle 23[J].Advances in Space Research，2012，49(5)：914-921.

[3] HAZARIKA R，BHUYAN P K.Spatial distribution of TEC across India in 2005：seasonal asymmetries and IRI prediction[J].Advances in Space Research，2014，54(9)：1751-1767.

[4] NAVA B，RADICELLA S M，LEITINGER R，et al.Use of total electron content data to analyze ionosphere electron density gradients[J].Advances in Space Research，2007，39(8)：1292-1297.

[5] NATALI M P，MEZA A.The nighttime anomalies using global IGS VTEC maps[J].Advances in Space Research，2013，51(3)：377-387.

[6] HUANG L, WANG J, JIANG Y, et al.A preliminary study of the single crest phenomenon in total electron content (TEC) in the equatorial anomaly region around 120°E longitude between 1999 and 2012[J].Advances in Space Research，2014，54(11)：2200-2207.

[7] AGGARWAL M，JOSHI H P，IYER K N，et al.Day-to-day variability of equatorial anomaly in GPS-TEC during low solar activity period[J].Advances in Space Research，2012，49(12)：1709-1720.

[8] 徐振中，王偉民，王博，等.120°E赤道電離異常區(qū)電子濃度總含量分析與預(yù)測(cè)[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55(7)：2185-2192.

[9] 霍星亮，袁運(yùn)斌，歐吉坤，等.基于GPS資料研究中國(guó)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(xué)進(jìn)展，2005，15(5)：626-630.

[10]姚新，趙必強(qiáng)，劉立波，等.北美與東亞中緯地區(qū)電離層TEC變化的EOF建模和分析[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(5)：556-565.

[11]時(shí)爽爽，黃勁松，馮建迪，等.基于IGS的白天和夜間電離層TEC變化特性分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2015，35(2)：293-297.

Analysis ofionospheric TEC variation characteristics in solar activity years

ZHAOHaishan，YANGLi，XUShiyi

(School of navigation and aerospace engineering，Information Engineering University，Zhengzhou，Henan 450001，China)

In order to further study on the influence of solar activity intensity on ionospheric variation characteristics，the paper proposed the method of comparative analysis on solar activity intensity in the high and low solar activity years，and studied the ionospheric TEC variation characters of 5 specific points；mainly annalyzed the TEC semiannual，seasonal and diurnal variations of both high and low ionospheric activity years.Result showed that the intensity of solar activity would affect not only the value variation，but also its semiannual and seasonal variation；the maximum values of TEC would mainly appear in equinox seasons，and the intensity of TEC variation would be proportional to that of solar activity；the TEC seasonal variation would be affected by the intensity of solar activity and more significant in high solar activity years，and the active range usually in 0°N～-20°N；the change of the global TEC maximum values would occur diurnal from the east to the west，and the data autocorrelation analysis of two years indicated that the variation period would turn out to be 24 h，unaffected by the high or low solar activity years.

ionospheric TEC；semiannual variation；seasonal variation；diurnal variation；correlation analysis；high and low solar activity years

2016-09-13

地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題經(jīng)費(fèi)支持項(xiàng)目(SKLJIE2014-Z-2-1)。

趙海山(1991—)，男，遼寧阜新人，碩士生，研究方向?yàn)殡婋x層特性和異常探測(cè)。

趙海山，楊力，徐世依.太陽活動(dòng)高低年電離層TEC變化特性分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(1)：24-30.(ZHAO Haishan，YANG Li，XU Shiyi.Analysis of ionospheric TEC variation characteristics in solar activity years[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：24-30.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170106.

P228

A

2095-4999(2017)01-0024-07