周育鋒, 李世誠, 馮健

(1.北京應(yīng)用氣象研究所,北京 100029;2.火箭軍駐錦州地區(qū)專用保障裝備軍事代表室,天津 300000;3.中國電波傳播研究所, 山東 青島 266107)

0 引 言

電離層板厚是一個重要的電離層特征參數(shù),是指電離層的總電子含量(TEC)與F2層峰值電子密度(NmF2)的比值.它包涵有豐富的電離層環(huán)境信息, 如電離層電子密度分布的頂部和底部結(jié)構(gòu)、電子和離子溫度、離子成分等,因此,它在空間工程技術(shù)應(yīng)用和空間物理研究上都有著重要價值.隨著衛(wèi)星無線電信標(biāo)探測技術(shù)的應(yīng)用,利用衛(wèi)星信標(biāo)測量能獲取電離層TEC信息,進而用電離層板厚變化特征進行分析研究.多位學(xué)者[1-5]基于單頻衛(wèi)星信標(biāo)測量,利用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)提取電離層TEC數(shù)據(jù),并聯(lián)合地基測高儀數(shù)據(jù),分析探討了不同區(qū)域或地點的電離層板厚的日變化、季節(jié)變化及其隨太陽活動變化等特征.20世紀(jì)90年代隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)的廣泛應(yīng)用,利用導(dǎo)航衛(wèi)星雙頻信號可以獲取高精度電離層TEC信息,進一步推動了對電離層板厚變化特征的研究[6-11].

長期以來,多位學(xué)者也對中國地區(qū)不同地點的電離層板厚變化進行了分析研究.利用衛(wèi)星單頻信標(biāo)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)測量,Huang[1]得到了臺灣地區(qū)電離層板厚的日變化、季節(jié)變化及隨太陽活動變化等結(jié)果,吳健等[3]研究了新鄉(xiāng)地區(qū)的電離層板厚變化特征和電離層板厚模式,熊波等[4]分析了武漢地區(qū)電離層板厚季節(jié)變化.Chou[10]利用臺灣地區(qū)GPS和測高儀觀測探討了赤道異常駝峰區(qū)電離層板厚變化特征.本文利用中國電波傳播研究所在同一地理位置布設(shè)的GPS雙頻接收機和數(shù)字測高儀所獲取的超過半個太陽活動周的觀測數(shù)據(jù),分析了青島地區(qū)(120.3oE,36.0oN)電離層板厚的日變化、季節(jié)變化及其隨太陽活動變化等特征,并探討了電離層板厚擾動變化分布特征.

1 數(shù)據(jù)和分析方法

GPS雙頻接收機在每一時間歷元能接收到多顆衛(wèi)星信號,原始觀測數(shù)據(jù)采樣時間為30s.為了減少低仰角帶來的電離層TEC測量誤差,本文所用觀測數(shù)據(jù)設(shè)定的截至仰角為45o.獲取電離層TEC數(shù)據(jù)的主要計算過程如下:首先,采用載波相位方法計算出每一歷元每一信號傳播路徑上的電離層斜向TEC(sTEC);然后,依據(jù)電離層薄殼模型,取電離層電子密度質(zhì)心高度為400km,將sTEC轉(zhuǎn)換為電離層穿刺點垂直TEC(vTEC);最后,所有穿刺點vTEC,采用Kriging方法擬合出GPS觀測站上空電離層vTEC.

對青島地區(qū)的GPS和測高儀在2000年8月至2006年4月的觀測數(shù)據(jù)進行了處理, 由于電離層測高儀只給出了地方時整點小時的foF2值,因此,提取了地方時整點小時的電離層vTEC,并計算出它們相應(yīng)的月均值.因為電離層F2層的峰值電子密度(NmF2)與臨頻(foF2)存在式(1)關(guān)系, 因此,按照電離層板厚定義,根據(jù)公式(2)和(3), 可分別計算出青島地區(qū)整點小時的電離層板厚值(T)和電離層板厚相對變化值(dT).

NmF2=1.24×1010(foF2)2,

(1)

(2)

dT=(T-Tm)/Tm.

(3)

其中:T、vTEC和foF2的單位分別為km、TECU(=1016el.m-2)、MHz;Tm為電離層板厚的月均值.

2 分析結(jié)果

2.1 電離層板厚日變化、季節(jié)變化和太陽活動變化

圖1示出了青島地區(qū)2000年8月至2006年4月期間的電離層板厚月均值對地方時變化的等值線圖.可以看出電離層板厚峰值變化主要在200～500km間,在地方時的日出前、正午前后和日落后三個時段有分布峰,而在季節(jié)分布上,也大體呈現(xiàn)出峰谷交替的趨勢.

圖1 2000年8月至2006年4月青島地區(qū)電離層板厚變化

圖2示出了太陽活動高年(2000年7月-2001年6月)和低年(2004年7月-2005年6月)的分季(3、4、9和10月)、夏季(5、6、7和8月)和冬季(11、12、1和2月)的青島地區(qū)電離層TEC、foF2和板厚的月均值隨地方時變化結(jié)果.可以看出電離層TEC和foF2的周日變化特征明顯,在地方時12LT附近為極大,在太陽活動高年要高于低年,分季要高于夏季和冬季,電離層foF2表明出明顯的冬季異常特征,而TEC并不明顯.

電離層板厚呈現(xiàn)出豐富的變化特征,主要有:

1)無論在太陽活動高年和低年,在04:00-06:00LT的日出前時段,電離層板厚都有一個提升峰.

2)分季,在太陽活動高年的白天時段(08:00-16:00LT),電離層板厚有一個明顯的提升峰,白天時段的平均板厚要高于夜間時段(20:00-04:00LT),而在太陽活動低年,白天時段電離層板厚沒有明顯的提升,且白天時段的平均板厚要低于夜間時段.

3)夏季,無論是太陽活動高年還是低年,白天時段電離層板厚都有一個明顯的提升峰,且高年的白天時段均要高于夜間時段,在太陽活動低年的22:00LT附近,電離層板厚還有一個小的提升.

4)冬季,在太陽活動高年的白天時段,電離層板厚有一個明顯的提升峰,而低年白天時段電離層板厚變化平穩(wěn),且在太陽活動高年和低年,白天時段的平均板厚均要低于夜間時段.

圖2 電離層TEC、foF2和板厚的月均值隨太陽活動、季節(jié)和地方時的變化

表1示出了青島地區(qū)電離層板厚在不同太陽活動、季節(jié)和時段的變化.可以看出:1)在不同太陽活動和不同季節(jié),電離層板厚的最大值和最小值的比率在1.43～2.04間變化,以冬季的比率為最大,而在高年以分季最小,低年以夏季最小.從全年的平均比率來看,高年和低年相差不大,前者約為1.73,后者約為1.68.2)夜間平均板厚無論在太陽活動高年還是低年,都以冬季最大,分別約為432km和386km,而分季和夏季比較接近,高年為282km和286km,低年為303km和311km.3) 白天平均板厚在太陽活動高年和低年,都以夏季最大,分別約為415km和336km,冬季最小,分別約為301km和221km.4)夜間板厚在冬季隨太陽活動性降低而減小,分季和夏季夜間板厚卻相反,隨太陽活動性降低而增大.而太陽活動高年三個季節(jié)的白天板厚都要高于低年.從全年平均來看,夜間板厚在高年和低年相等,兩者均約為333km,而白天板厚在高年要大于低年,前者約為354km,后者約為265km.5)從夜間與白天的平均板厚比率來看,夏季白天平均板厚無論高年還是低年均大于夜間,且高年變化幅度大,低年變化幅度小;冬季白天平均板厚均小于夜間,且低年變化幅度大,高年變化幅度小;而分季的白天平均板厚,在高年要大于夜間,在低年卻小于夜間,兩者的變化幅度接近.從全年平均結(jié)果來看,高年略小于1,為0.98,低年為1.31.

表1 電離層板厚在不同太陽活動、季節(jié)和時段的變化比較

圖3示出了青島地區(qū)在白天12：00LT和夜間0：00LT的電離層板厚月均值的變化.可以看出電離層板厚總體上呈現(xiàn)出季節(jié)變化趨勢,白天12：00LT的板厚在冬季的12月前后為極小,在夏季5-6月前后為極大;而夜間0：00LT電離層板厚呈現(xiàn)出與白天12：00LT相反的變化趨勢,在冬季11-12月前后為極大,在夏季8月前后為極小.此外,白天板厚隨太陽活動性降低有減小的趨勢,而夜間這種變化關(guān)系并不明顯.

圖3 電離層板厚在白天和夜間的變化曲線

2.2 電離層板厚擾動變化

在2000年6月至2006年4月期間獲得有效的電離層板厚數(shù)據(jù)點共28 908個,按照公式(2)計算出每個電離層板厚數(shù)據(jù)的相對偏差(dT),并提取其中的白天時段(08：00-16：00LT)和夜間時段(20：00-04：00LT)的相應(yīng)數(shù)據(jù),前者為11 214個,后者為10 108個.然后,對相對偏差按照每0.1的分布間隔,白天和夜間的分布情況進行統(tǒng)計,相應(yīng)百分比分布結(jié)果如圖4(a)所示.白天時段分布相較于夜間時段更為集中,前者占白天總數(shù)據(jù)的93.1%,后者占夜間總數(shù)的83.5%.圖4(b)示出了電離層板厚相對偏差的絕對值高于0.3的擾動數(shù)據(jù)隨地方時的分布情況.結(jié)果表明,電離層板厚增強和減弱的分布趨勢相似,且夜間擾動百分比要高于白天,在日出前和日落后時段為擾動分布高峰,在正午前后為擾動分布低谷.

(a)電離層板厚白天和夜間分布

(b)電離層板厚相對偏差絕對值范圍分布圖4 電離層板厚相對變化分布

3 結(jié)束語

聯(lián)合半個太陽活動周的GPS-TEC和foF2的觀測數(shù)據(jù),對青島地區(qū)電離層板厚變化進行了分析,結(jié)果表明:

1)電離層板厚在日出前時段存在明顯的增強.

2)電離層板厚日變化隨季節(jié)和太陽活動而變化.在太陽活動高年,白天時段在分季、夏季和冬季都會出現(xiàn)板厚增強峰,而低年只在夏季出現(xiàn)明顯板厚增強．

3)夏季白天時段板厚在高年和低年均要高于夜間時段,冬季白天時段板厚在高年和低年均要小于夜間時段,而分季白天時段在高年要高于夜間時段,在低年則相反.

4)白天時段電離層板厚在冬季為極小,夏季為極大,且隨太陽活動降低而減小,夜間時段電離層板厚在冬季極大,分季和夏季為極小,且隨太陽活動變化并不明顯.

5)電離層板厚相對偏差主要分布在-0.3～0.3,白天時段較夜間更為集中.板厚增強和減弱擾動具有相似分布趨勢,在白天時段擾動概率要低于夜間時段.