梅文祥++朱正平

摘 要：為歸納低緯地區(qū)電離層變化特征規(guī)律，對(duì)比分析國(guó)際電離層參考模型（IRI）預(yù)報(bào)模式。采用三亞地區(qū)（109.6°E，18.4°N）測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)和IRI2012模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了電離層在2012年中 foF2和hmF2 參數(shù)晝夜、季節(jié)變化。結(jié)果表明，三亞地區(qū)電離層foF2在8：00～14：00 LT時(shí)間段內(nèi)逐漸增大，在16：00～6：00 LT時(shí)間段內(nèi)逐漸減小，最大峰值16 MHz發(fā)生在12：00～16：00 LT時(shí)間段內(nèi)，最小峰值2 MHz發(fā)生在4：00～6：00 LT時(shí)間段；預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在8：00～18：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏大且誤差最大值為3 MHz，在18：00～6：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏小且誤差最大值為5 MHz。電離層hmF2在春秋分和夏季出現(xiàn)2個(gè)極大值，最大峰值450 km發(fā)生在12：00～14：00 LT時(shí)間段內(nèi)，最小峰值200 km發(fā)生在4：00～6：00 LT時(shí)間段內(nèi)；預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在春秋分的2：00～4：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大且相對(duì)誤差最大為0.16，在夏季的19：00～22：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏小并且相對(duì)誤差最大為0.08，在冬季的2：00～4：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大且相對(duì)誤差最大為0.12。

關(guān)鍵詞：IRI2012模型；電離層；foF2；hmF2；URSI；CCIR

國(guó)際電離層參考模型（IRI）是空間研究委員會(huì)（COSPAR）和國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)合會(huì)（URSI）共同發(fā)起用來(lái)研究電離層參數(shù)的項(xiàng)目[1-3]，它被廣泛的應(yīng)用于電離層經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)[4，5]，其模型軟件版本一直在升級(jí)迭代中，其中IRI2012是當(dāng)前最通用版本。IRI2012模型可以直接計(jì)算出F2層兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)foF2和hmF2[6]，其中foF2不僅可以闡述電離層F2層相關(guān)特征參數(shù)，也可以為無(wú)線電波通信頻率分配提供依據(jù)[7]，hmF2是確定電離層電子濃度高度剖面分布的關(guān)鍵參量之一。另外，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)研究電離層其它模式預(yù)測(cè)也有著重要的借鑒作用[8]，預(yù)測(cè)電離層參數(shù)尤其是低緯度地區(qū)存在系統(tǒng)誤差[11-12]。因此比較分析IRI模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化特征，修正IRI模型在預(yù)測(cè)電離層參數(shù)時(shí)的偏差，完善IRI模型以及建立新的預(yù)報(bào)模型提供依據(jù)[13]。

文中總結(jié)了2012年中三亞地區(qū)電離層參數(shù)foF2和hmF2晝夜、季節(jié)變化規(guī)律，以及與IRI2012預(yù)測(cè)值對(duì)比分析，給出三亞地區(qū)IRI2012模型在不同季節(jié)下系數(shù)（URSI或CCIR）選用方式，以及三亞地區(qū)IRI模型預(yù)測(cè)電離層時(shí)參數(shù)的偏差，為建立中國(guó)地區(qū)以及低緯度地區(qū)新的預(yù)報(bào)模式提供了相關(guān)的參考信息。

1 數(shù)據(jù)處理

文中觀測(cè)數(shù)據(jù)采用隸屬于中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的三亞臺(tái)站（109.6°E，18.4°N）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，該臺(tái)站使用數(shù)字測(cè)高儀DPS4D，探測(cè)時(shí)間間隔為15min。儀器通過(guò)主控器發(fā)射掃頻（1～30 MHz）信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大以及天線將電磁波輻射到電離層，同時(shí)接收經(jīng)電離層反射的回波信號(hào)，進(jìn)而在電腦終端上繪制出頻高圖，通過(guò)后臺(tái)軟件將頻高圖標(biāo)定出foF2和hmF2值[14]。定義3月、4月、9月、10月為春秋分季（Equinox），5月、6月、7月、8月為夏季（Summer），11月、12月、1月、2月為冬季（Winter）。

2 結(jié)果對(duì)比分析

2.1 F2層臨界頻率foF2

圖1給出了2012年foF2預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的等值線圖，從圖中可以看出，foF2呈現(xiàn)明顯的晝夜和季節(jié)變化。從晝夜變化來(lái)看，foF2的最大峰值16MHz發(fā)生在12：00～16：00 LT時(shí)間段內(nèi)，最小峰值2MHz發(fā)生在午夜4：00～6：00 LT時(shí)間段內(nèi)，峰值預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值發(fā)生時(shí)間基本一致。從季節(jié)變化來(lái)看，foF2最大峰值發(fā)生在春秋分季時(shí)期，相比夏季和冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，foF2達(dá)到最大值持續(xù)時(shí)間約為6小時(shí)，下降速度慢。而夏季foF2達(dá)到最大值后持續(xù)時(shí)間約3小時(shí)，下降速度很快。

圖2和給出了2012年中foF2預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值季節(jié)變化的相對(duì)誤差。從圖中可以看出，春秋分季foF2變化劇烈且相對(duì)誤差在-0.39～0.1之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在5：00～7：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大且相對(duì)誤差最大達(dá)到0.39，在12：00～18：00 LT時(shí)間段內(nèi)預(yù)測(cè)值也偏大，其余時(shí)間段內(nèi)偏小。夏季相對(duì)誤差在-0.1～0.12之間緩慢變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在2：00～6：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大，其余時(shí)間段內(nèi)偏小。冬季相對(duì)誤差在-0.35～0.17之間變化劇烈，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在5：00～7：00 LT時(shí)間段偏大且相對(duì)誤差最大達(dá)到0.35。

圖3給出了2012年中foF2預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值在春分日、夏至日、秋分日、冬至日柱狀對(duì)比圖。從圖中可以看出春分日f(shuō)oF2最大峰值發(fā)生在16：00～18：00 LT，在8：00～18：00 LT時(shí)間段foF2逐漸增大，然后在18：00～6：00 LT時(shí)間段foF2逐漸減小，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在8：00～20：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏小，其余時(shí)間段內(nèi)偏大。夏至日f(shuō)oF2最大峰值發(fā)生在12：00～14：00 LT時(shí)間段，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在12：00～2：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大，其余時(shí)間段內(nèi)偏小。秋分日f(shuō)oF2最大峰值發(fā)生在16：00～18：00 LT時(shí)間段內(nèi)，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在22：00～6：00 LT時(shí)間段偏小，其余時(shí)間段內(nèi)偏大。冬至日最大峰值發(fā)生在12：00～14：00 LT時(shí)間段，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在12：00～16：00 LT和22：00～2：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏小，其余時(shí)間段內(nèi)偏大。

2.2 F2層峰高h(yuǎn)mF2

圖4給出了2012年中hmF2預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的等值線圖，左圖表示IRI2012模型預(yù)測(cè)值，中圖表示測(cè)高儀觀測(cè)值，右圖表示絕對(duì)誤差。由圖可以看出hmF2峰值大體上發(fā)生在中午12：00 LT，白天的hmF2值比夜間的高，最大峰值450km發(fā)生在12：00～14：00 LT時(shí)間段內(nèi)，最小峰值200km發(fā)生在4：00～6：00 LT時(shí)間段內(nèi)，并且夏季和秋季出現(xiàn)2個(gè)極大值，第一個(gè)極大值發(fā)生在12：00 LT左右，高度在350～400km之間，另外一個(gè)極大值發(fā)生22：00 LT左右，高度在335～375km之間。hmF2峰值預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值發(fā)生時(shí)間和趨勢(shì)基本一致，預(yù)測(cè)峰值相比觀測(cè)峰值小于50 km。

圖5給出了2012年中hmF2預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值季節(jié)變化的相對(duì)誤差，預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值數(shù)據(jù)處理時(shí)都采用中值，橫坐標(biāo)表示本地時(shí)間，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)相對(duì)誤差。從圖中可以看出，春秋分季hmF2變化劇烈且相對(duì)誤差在-0.16～0.12之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在2：00～4：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大且相對(duì)誤差最大達(dá)到0.16，在20：00～2：00 LT和7：00～12：00 LT時(shí)間段內(nèi)也偏大，其余時(shí)間段內(nèi)偏小。夏季相對(duì)誤差在-0.07～0.08之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在19：00～22：00 LT時(shí)間段偏小并且相對(duì)誤差達(dá)最大達(dá)到0.08，除了在24：00～2：00 LT和6：00～8：00 LT時(shí)間段偏小外，其余時(shí)間段內(nèi)偏大。冬季相對(duì)誤差在-0.08～0.12之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在2：00～4：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大且相對(duì)誤差最大達(dá)到0.12。

圖6給出了2012年中hmF2預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值在春分日、夏至日、秋分日、冬至日柱狀對(duì)比圖。從圖中可以看出春分日hmF2最大峰值發(fā)生在14：00 LT，在8：00～14：00 LT時(shí)間段hmF2逐漸增大，此后14：00～24：00 LT時(shí)間段hmF2逐漸減小。預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在14：00 LT和6：00 LT左右偏小，其余時(shí)間段偏大。夏至日最大峰值發(fā)生在12：00～14：00 LT時(shí)間段，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在12：00～2：00 LT偏小，其余時(shí)間段觀測(cè)值偏大。秋分日hmF2最大峰值發(fā)生在12：00～14：00 LT時(shí)間段，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在12：00～14：00 LT和22：00～24：00 LT時(shí)間段偏小，其余時(shí)間段內(nèi)偏大。冬至日最大峰值發(fā)生在14：00～18：00 LT，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在4：00～8：00 LT時(shí)間段偏大，其余時(shí)間段偏小。

3 結(jié)論

通過(guò)分析三亞地區(qū)電離層變化中foF2和hmF2的晝夜、季節(jié)特征規(guī)律，以及對(duì)比分析IRI2012模型預(yù)測(cè)值和測(cè)高儀觀測(cè)值，其結(jié)論如下：

foF2在8：00～18：00 LT時(shí)間段內(nèi)逐漸增大，隨后18：00～6：00 LT時(shí)間段內(nèi)逐漸減小，最大峰值16MHz發(fā)生在12：00～16：00 LT時(shí)間段內(nèi)，最小峰值2MHz發(fā)生在4：00～6：00 LT時(shí)間段。對(duì)于晝夜日變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在8：00～18：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏小且誤差最大達(dá)到3 MHz，在22：00～6：00 LT大部分時(shí)間偏大且誤差最大達(dá)到5 MHz。對(duì)于季節(jié)變化，春秋分季節(jié)foF2變化劇烈且相對(duì)誤差在-0.39～0.1之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在8：00～18：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏大，在22：00～6：00 LT絕大部分時(shí)間偏小。夏季foF2變化相比春秋分季緩慢且相對(duì)誤差在-0.1～0.12之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在2：00～6：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏大，在6：00～24：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏小。冬季foF2相對(duì)誤差在-0.35～0.17之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在24：00～18：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏大，在20：00～22：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏小。

hmF2峰值大體上發(fā)生在中午12：00 LT，白天的hmF2值比夜間的高，并且夏季和秋季出現(xiàn)2個(gè)極大值，第一個(gè)極大值發(fā)生在12：00 LT左右，高度在350～400 km之間，另外極大值發(fā)生22：00 LT左右，高度在335～375 km之間。對(duì)于季節(jié)變化，春秋分季hmF2變化劇烈相對(duì)誤差在-0.16～0.12之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在7：00～12：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏大，在14：00～6：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏小。夏季hmF2相對(duì)誤差在-0.07～0.08之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在24：00～8：00 LT大部分時(shí)間段偏大，在8：00～22：00 LT大部分時(shí)間段內(nèi)偏小。冬季hmF2相對(duì)誤差在-0.08～0.12之間變化，預(yù)測(cè)值相比觀測(cè)值在2：00～4：00 LT時(shí)間段內(nèi)偏大且誤差最大達(dá)到0.12。此外，相對(duì)誤差劇烈變化通常發(fā)生春秋分季和冬季期間的3：00～5：00 LT時(shí)間內(nèi)，尤其4：00 LT左右最為明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]Bilitza D. International reference ionosphere （1990）[J]. Advances in Space Research， 1991，72（30）：317-317.

[2]Bilitza， D. International reference ionosphere - status 1995/96[M]. USA. Adv. Space Res. 1997，20 （9），1751-1754.

[3]Bilitza D， Radicella S M， Reinisch B W， et al.New B0 and B1 models for IRI[J].Advances in Space Research， 2000， 25（99）：89-95.

[4]Y.J.Chuo， C.C. Lee. Ionospheric variability at taiwan low latitude station： Comparison between observations and IRI2001 model[J]. Adv. Space Res.， 2008，42，673-681.

[5]Radicella SM， Zhang ML.The improved DGR analytical model of electron density height profile and total electron content in the ionosphere[J].Annals of Geophysics， 1995， 38（1）， 35-41.

[6]Radicella SM，Bilitza D，Reinisch BW，et al.IRI Task Force Activity at ICTP：Proposed improvements for the IRI region below the F peak[J].Advances in Space Research， 1998，22（6）：731-739.

[7]Zhang M L， Shi J K， Wang X， et al. Comparative study of ionospheric characteristic parameters obtained by DPS4 digisonde with IRI2000 for low latitude station in China[J].Advances in Space Research， 2004，33（6）：869-873.

[8]Zhang M L， Shi J K， Wang X， et al. Ionospheric behavior of the F2 peak parameters foF2 and hmF2 at Hainan and comparisons with IRI model predictions[J]. Advances in Space Research， 2007， 39（5）：661-667.

[9]Batista I S， Abdu M A. Ionospheric variability at Brazilian low and equatoriallatitudes： Comparison between observations and IRI model[J]. Advances in Space Research， 2004， 34（9）：1894-1900.

[10]Ehinlafa O E， Falaiye OA， Adeniyi J O.Comparison of observed hmF2 and IRI 2007 model with M （3000） F 2 estimation of h m F 2 at low solar activity for an equatorial station[J]. Advances in Space Research， 2010， 46（1）：89-93.

[11]Sethi N K， Dabas R S， Vohra V K. Diurnal and seasonal variations of hmF2 deduced from digitalionosonde over New Delhi and its comparison with IRI 2001[J]. Annales Geophysicae， 2004， 22（2）：453-458.

[12]Perrone L， Franceschi G D. Solar， ionospheric and geomagnetic indices[J]. Annals of Geophysics， 1998， 41（5-6）：843-855.

[13]李強(qiáng)，寧百齊，趙必強(qiáng)，等.基于陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GPS數(shù)據(jù)的電離層空間天氣監(jiān)測(cè)與研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（7）：2193-2202.

[14]丁宗華，寧百齊，萬(wàn)衛(wèi)星.電離層頻高圖參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)度量與分析[J].地球物理學(xué)報(bào)，2007，50（4）：20-29.

作者簡(jiǎn)介：梅文祥（1985-），男，研究生，碩士，研究方向： 電離層無(wú)線電傳播，電離層垂直探測(cè)設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)，無(wú)線電探測(cè)新觀測(cè)模式研究等。

*通訊作者：朱正平（1968-），男，教授，博士，研究方向： 電離層無(wú)線電傳播，信號(hào)檢測(cè)與信息處理，電離層垂直探測(cè)設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)，無(wú)線電探測(cè)新觀測(cè)模式研究等。