湯 俊,高 鑫,2,李垠健,鐘正宇

1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013;2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079

電離層作為日地空間環(huán)境的重要組成部分，是地球高空大氣層中的電離區(qū)域，主要分布在地面上約60～1000 km的范圍內(nèi)。研究表明，電離層產(chǎn)生的異常擾動會對無線電通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、雷達(dá)探測系統(tǒng)等電波信號的傳播產(chǎn)生重要的影響[1]。尤其在受到太陽活動、地磁活動等的激勵下，電離層形態(tài)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生劇烈的變化，因此對電離層進行長期監(jiān)測有助于對其時空變化的了解及進行精確建模。電離層總電子含量(total electron content,TEC)是描述電離層特征的一個重要參量，對于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)用戶來說，由于衛(wèi)星信號穿越整個電離層，可以將電離層假想為一個距離地面一定高度的單層模型(single layer model,SLM)。星站連線與單層模型形成的交點為電離層穿刺點(ionosphere pierce point,IPP)，通過計算穿刺點處的TEC可以反映電離層的變化[2]。文獻[3—6]利用全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星觀測值進行電離層的監(jiān)測及建模研究，有效地分析了在不同空間環(huán)境變化下電離層所表現(xiàn)出的特征。文獻[7]利用全球電離層格網(wǎng)圖(global ionospheric maps,GIM)提供的電離層TEC分析了平靜期與磁暴期間電離層TEC表現(xiàn)出的日變化、季節(jié)性變化、半年變化、年變化等周期性特點。但是由于GPS衛(wèi)星與地面測站形成的電離層穿刺點同時在時間和空間上產(chǎn)生變化，因此不能通過觀測數(shù)據(jù)直接給出固定穿刺點處電離層TEC隨時間的變化規(guī)律，只能通過建?；蛘邤?shù)學(xué)插值的方法給出穿刺點處的電離層TEC值，該方法必然會引入一定數(shù)學(xué)誤差[8]。隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的迅速發(fā)展，北斗星座中地球同步軌道衛(wèi)星(geostationary earth orbit,GEO)獨特的靜地特性引起了諸多學(xué)者的興趣。由于GEO衛(wèi)星與地面測站形成的電離層穿刺點位置基本保持不變，在穿刺點處的TEC值僅隨時間變化[9]，因此利用GEO衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)可對固定穿刺點處電離層TEC的變化規(guī)律進行連續(xù)監(jiān)測。文獻[10]首次利用北斗GEO衛(wèi)星觀測值研究了在2015年3月的特大磁暴期間電離層TEC的響應(yīng)特征。文獻[11]利用北斗GEO衛(wèi)星雙頻觀測值驗證了B1/B2碼觀測值提取電離層TEC有著更高的精度。文獻[12]選取亞太地區(qū)20多個測站的GEO衛(wèi)星觀測值分析了電離層TEC在半年及全年的長時間尺度上的周期性變化規(guī)律。

綜合以上研究成果，本文將利用北斗GEO衛(wèi)星進行磁暴期間電離層TEC的連續(xù)變化監(jiān)測，并進一步分析在磁暴期間電離層TEC暴時擾動響應(yīng)特征在經(jīng)緯度方向上的時空變化規(guī)律。同時引入全球電離層格網(wǎng)圖GIM提供的TEC作為試驗對比，分析GEO衛(wèi)星實測電離層TEC值精度。

1 電離層TEC提取方法

本文利用非差非組合PPP算法進行電離層延遲項的解算。文獻[13]提出一種基于GPS雙頻原始觀測值的PPP算法。該算法相比于傳統(tǒng)PPP算法存在諸多優(yōu)勢，不僅有效地避免了觀測方程組合過程中產(chǎn)生較大的觀測噪聲和多路徑效應(yīng)的問題，同時將電離層延遲項作為未知參數(shù)解算出來，進一步提高了計算效率，拓寬了PPP技術(shù)的應(yīng)用范圍[13,27]。其后諸多學(xué)者也對非組合PPP算法的性能進行了進一步研究驗證，文獻[14]選取10個IGS測站的雙頻觀測數(shù)據(jù)，比較了非組合PPP和組合PPP算法的定位精度與收斂速度。試驗結(jié)果表明非組合PPP算法的定位精度及收斂速度均優(yōu)于傳統(tǒng)算法。文獻[15]進一步聯(lián)合多系統(tǒng)觀測值數(shù)據(jù)，建立了基于多系統(tǒng)觀測值的非組合PPP模型，試驗結(jié)果表明，非組合PPP算法不僅具備更高的定位精度，同時也為電離層監(jiān)測及建模研究提供了新的應(yīng)用技術(shù)。

本文結(jié)合非組合PPP算法原理，解算得到北斗GEO衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)方程組中的電離層斜延遲項，原始雙頻偽距及相位觀測方程如式(1)所示

(1)

由式(1)得到的電離層延遲項可表示為

(2)

由式(2)可以看出，非組合PPP方法提取的電離層斜延遲是吸收了衛(wèi)星及接收機差分碼偏差(differential code biases,DCB)后的值，因此需要進一步將實際的電離層斜延遲與DCB值進行分離[16]。本文通過引入中國科學(xué)院(CAS)提供的DCB產(chǎn)品值將非組合PPP算法解算的電離層延遲項中的DCB偏差值剔除出去，進而得到的實際的電離層延遲，最后基于電離層薄層假設(shè)模型得到最終的電離層垂直TEC值，具體如式(3)所示

(3)

式中，z為衛(wèi)星的高度角，單位為rad；R為地球半徑，單位為km，一般取6371 km；H為電離層薄層高度，單位為km，本文取值為450 km；

為了量化磁暴期間電離層TEC表現(xiàn)出的暴時響應(yīng)特征，本文引入一種相對TEC擾動指數(shù)(relative TEC,rTEC)[21-22]，具體如式(4)所示

(4)

2 試驗結(jié)果與討論

本文主要選取亞太地區(qū)2018年8月21日—2018年8月28日20多個MGEX測站的北斗衛(wèi)星觀測值進行磁暴期間電離層TEC的時空變化分析，MGEX測站及北斗GEO衛(wèi)星分布如圖1所示。由圖1可以看出，北斗GEO衛(wèi)星均勻地分布在赤道上空，經(jīng)度范圍為60°E—160°E，由于GEO衛(wèi)星的靜地特性，使得其在地球表面的投影位置固定不變。MGEX測站分布主要集中在亞太區(qū)域中、低緯度范圍內(nèi)，本文研究重點為該區(qū)域內(nèi)電離層TEC在2018年8月磁暴期間所表現(xiàn)出的不同經(jīng)度、緯度方向的變化規(guī)律，并進一步分析此次磁暴期間電離層TEC的暴時響應(yīng)特征。

圖1 MGEX測站及GEO衛(wèi)星分布Fig.1 Locations of MGEX stations and GEO satellites

2.1 GEO衛(wèi)星電離層TEC精度驗證

為了驗證通過非組合PPP提取的北斗GEO衛(wèi)星電離層TEC的精度，本文引入全球電離層格網(wǎng)圖GIM模型作為試驗對比。圖2為8月21日—8月28日測站PTGG不同GEO衛(wèi)星TEC序列與GIM模型值對比圖。由圖2可知，測站PTGG在該觀測時段內(nèi)共接收到4顆GEO衛(wèi)星的觀測信號。測站與衛(wèi)星形成的不同電離層穿刺點的地理緯度幾乎保持一致，數(shù)值均為13.0°N，穿刺點地理經(jīng)度以一定間隔依次排列，數(shù)值分別為116.7°E(C02)、119.9°E(C03)、123.1°E(C01)、125.7°E(C04)。電離層穿刺點的空間位置表明利用GEO衛(wèi)星可以監(jiān)測固定經(jīng)緯度處電離層TEC的連續(xù)變化規(guī)律。圖3為8月21日—8月28日不同測站GEO衛(wèi)星TEC序列與GIM模型值對比圖。由圖3可知，GEO衛(wèi)星得到的TEC變化趨勢與GIM模型整體保持一致，但是在26、27日兩天的TEC值卻出現(xiàn)較大的差異，其中測站GMSD、JFNG、DARW在26日得到的TEC與GIM模型相比數(shù)值差異最大達(dá)到近10 TECU，同樣在27日測站JFNG、CIBG得到的TEC與GIM模型相比數(shù)值差異達(dá)到6～8 TECU。由于GEO衛(wèi)星獲取的TEC為實測值，因此理論上的精度較GIM模型更高；與GIM模型得到的平滑值相比，GEO衛(wèi)星提取的TEC雖然變化趨勢整體與GIM一致，但是GEO TEC變化更加細(xì)微，更有助于進行電離層高分辨率的擾動變化分析。對于同一測站不同GEO衛(wèi)星的TEC整體變化趨勢較為穩(wěn)定且一致，本文認(rèn)為由于同一測站與不同GEO衛(wèi)星形成的穿刺點空間上較為接近，并且緯度方向上無明顯差異，因此觀測得到的TEC無明顯差異。圖3選取的不同測站與GEO衛(wèi)星形成的電離層穿刺點空間位置差異明顯，觀測得到的TEC變化趨勢也不盡相同，該現(xiàn)象表明電離層TEC在不同經(jīng)緯度方向有著明顯的變化差異。

圖2 測站PTGG不同GEO衛(wèi)星TEC與GIM值對比Fig.2 TEC comparison between different GEO satellites of station PTGG and GIM model

圖3 不同測站GEO衛(wèi)星TEC與GIM值對比Fig.3 TEC comparison between GEO satellites of different stations and GIM model

通過以上試驗對比可以看出，GEO衛(wèi)星提取的TEC變化趨勢與GIM模型一致，且電離層穿刺點的準(zhǔn)固定不變，使得GEO衛(wèi)星更有利于監(jiān)測電離層的連續(xù)變化。實測得到的TEC值有助于對電離層進行細(xì)微擾動變化的研究，為此在下文的試驗中，主要研究利用GEO衛(wèi)星進行磁暴期間電離層TEC時空變化規(guī)律及擾動響應(yīng)的分析。

2.2 磁暴期間GEO衛(wèi)星電離層TEC時空變化規(guī)律

磁暴是一種由地球磁場產(chǎn)生異常變化而引起的帶電粒子劇烈擾動的現(xiàn)象，主要受太陽風(fēng)所攜帶的能量與地磁場相互作用的影響而進一步激勵電離層發(fā)生異常擾動[17]。本文采用行星際磁場南向分量IMF-Bz、赤道環(huán)電流指數(shù)Dst、全球地磁指數(shù)Kp等指標(biāo)分析在磁暴發(fā)生時地磁空間環(huán)境表現(xiàn)出的特征，典型的磁暴發(fā)展過程通?？煞譃?個階段：初相、主相和恢復(fù)相[18]。圖4展示了2018年8月21日—2018年8月28日IMF-Bz、Dst、Kp等指數(shù)變化的趨勢。由圖4可知，在8月25日之前，3類指數(shù)變化趨勢穩(wěn)定，數(shù)值分別保持在-5～5 nT(IMF-Bz)、-10～5 nT(Dst)、0～2(Kp)的量級范圍內(nèi)；從8月25日UT 06∶00開始(磁暴急始，SSC)，Dst指數(shù)突然開始正向增大，增加到19 nT后進入初相階段，持續(xù)時長為10個小時；從UT 17∶00開始，Dst指數(shù)突然急劇下降磁暴進入主相階段，最低值出現(xiàn)在8月26日UT 07∶00，數(shù)值達(dá)到-174 nT，同時對應(yīng)的地磁指數(shù)Kp數(shù)值達(dá)到了7.3，磁暴量級達(dá)到了特大水平；而后Dst指數(shù)開始逐漸恢復(fù)，磁暴過程進入恢復(fù)相階段，至8月28日變?yōu)檎Ｋ健τ谛行谴艌鯥MF-Bz分量，與其他兩類地磁指數(shù)變化具有一致性，在8月25日UT 14∶00開始突然向南轉(zhuǎn)向，幅度達(dá)到了27.8 nT，最低值出現(xiàn)在8月26日UT 6∶00時，數(shù)值達(dá)到了-16.8 nT。以上現(xiàn)象表明在行星際磁場向南轉(zhuǎn)向后，太陽風(fēng)攜帶的能量沿著行星際磁場南向分量傳輸并積累至地球磁層，當(dāng)累計能量過大時，產(chǎn)生了此次磁暴事件。

圖4 8月21日—8月28日IMF Bz指數(shù)、Dst指數(shù)及Kp指數(shù)變化趨勢Fig.4 Temporal variations of IMF Bz,Dst and Kp indexes on 21 to 28 August

為分析磁暴期間電離層TEC緯度方向的變化規(guī)律，本文選取GEO衛(wèi)星C01、C03兩顆衛(wèi)星的觀測值進行展示。圖5為C03衛(wèi)星與不同測站解算得到的TEC變化趨勢，該研究區(qū)域緯度范圍為27.2°N—28.5°N，經(jīng)度范圍為100.5°E—115.9°E。由圖5可知，選取的7個測站與GEO衛(wèi)星形成的穿刺點位置在緯度方向上較為均勻的間隔排列。在8月26日磁暴發(fā)生前的平靜期內(nèi)7個測站解算得到的電離層TEC變化趨勢較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常的擾動變化。在緯度方向上，測站HKSL及CIBG的TEC數(shù)值較大，最大值達(dá)到了30 TECU左右。測站MRO1及CUT0的TEC數(shù)值較小，平靜期內(nèi)變化范圍在10～15 TECU左右；在26日發(fā)生磁暴后，受其激勵影響7個測站觀測到的TEC數(shù)值均顯著增大，測站HKSL及CIBG的TEC最大值接近60～70 TECU，其次為測站JFNG、CPNM、ANMG，其中測站ANMG最大值達(dá)到了35 TECU。雖然測站MRO1及CUT0的TEC最大值在磁暴期間與其他測站相比較小，數(shù)值為20 TECU左右，但橫向與其在平靜期相比，TEC的數(shù)值增量為5～7 TEC；磁暴進入恢復(fù)相階段后，測站JFNG、MRO1、CUT0的TEC數(shù)值逐漸減小并恢復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài)，而測站CPNM、ANMG、CIBG的TEC數(shù)值并未減小，最大值保持在30 TECU以上。

圖5 C03衛(wèi)星不同穿刺點TEC變化趨勢Fig.5 TEC variations of different IPPs from C03 satellite

考慮到不同緯度處的電離層TEC背景值變化范圍不同，且由圖5結(jié)果可以看出，電離層TEC在不同位置處的日變化差異明顯，因此本文引入TEC擾動指數(shù)剔除電離層背景值的影響，進一步分析在此次磁暴發(fā)生時不同緯度上電離層TEC表現(xiàn)出的擾動響應(yīng)特征。圖6為南北緯度差異在50°范圍內(nèi)的5個測站C03衛(wèi)星解算得到的電離層TEC擾動指數(shù)變化圖，其中紅色區(qū)域為TEC擾動指數(shù)、黑色虛線為電離層正負(fù)響應(yīng)擾動界限、黑色陰影為磁暴主相階段持續(xù)時間。由圖6可知，在8月25日磁暴進入主相階段后，北半球測站JFNG、HKSL、CPNM并未立即對磁暴產(chǎn)生響應(yīng)，而是在經(jīng)歷約9 h后逐漸產(chǎn)生了正擾動響應(yīng)，響應(yīng)強度在主相階段結(jié)束時達(dá)到最大，3個測站正響應(yīng)持續(xù)的時間分別達(dá)到了約10、8、7 h。與北半球測站不同的是，南半球測站CIBG、MRO1在磁暴進入主相階段后，經(jīng)歷約5 h后便對此次磁暴產(chǎn)生了正擾動響應(yīng)，持續(xù)時間也同樣達(dá)到了近10 h。圖6中接近赤道地區(qū)的兩個測站CPNM、CIBG表現(xiàn)出的響應(yīng)特征與較高緯度測站有著明顯不同的特征，其中測站CPNM的擾動指數(shù)在磁暴進入恢復(fù)相階段后，先是產(chǎn)生了持續(xù)約9 h的負(fù)響應(yīng)擾動，而后立即出現(xiàn)了與負(fù)響應(yīng)強度相當(dāng)?shù)募s20 h的正響應(yīng)擾動；而測站CIBG的擾動指數(shù)在進入恢復(fù)相階段后，產(chǎn)生了持續(xù)時間長達(dá)2 d的正響應(yīng)擾動，且擾動強度較其余測站均更大。

圖6 不同測站C03衛(wèi)星電離層TEC擾動指數(shù)變化Fig.6 Variations of ionospheric TEC disturbance index from different stations with C03 satellite

圖7為C01衛(wèi)星與不同測站解算得到的TEC變化圖，該研究區(qū)域緯度范圍為31.6°N—28.3°S，經(jīng)度范圍為122.4°E—146.6°E。由圖7可知，在平靜期內(nèi)測站NCKU、PTGG、PNGM的TEC數(shù)值變化較大，最大值接近30 TECU左右，其余5個測站的TEC值在平靜期的變化十分平穩(wěn)，數(shù)值范圍在10～20 TECU且無明顯的數(shù)值擾動變化；從8月25日磁暴發(fā)生后，各個測站觀測得到的TEC數(shù)值均顯著增大，其中測站NCKU、PTGG、DARW的TEC最大值達(dá)到了近45 TECU，其次為測站GAMG、GMSD、PNGM、ALIC，其中測站ALIC的TEC最大值約為35 TECU；測站CEDU的TEC變化相比其他測站較為特殊，可以看到在磁暴發(fā)生時該測站的TEC最大值為20 TECU，該值與在平靜期間的TEC最大值相當(dāng)，因此可以得到磁暴的發(fā)生對測站CEDU所在的電離層區(qū)域未產(chǎn)生明顯的激勵效果，該區(qū)域電離層保持平穩(wěn)狀態(tài)；磁暴進入恢復(fù)相階段后，測站NCKU及PTGG的TEC數(shù)值較其他測站并未顯著減小進入平靜狀態(tài)，最大值依舊維持在40 TECU左右，其余測站的TEC則逐漸減小，恢復(fù)到磁暴前的水平。

圖7 C01衛(wèi)星不同穿刺點TEC變化趨勢Fig.7 TEC variations of different IPPs from C01 satellite

為分析圖7中測站所在區(qū)域磁暴期間電離層TEC表現(xiàn)出的擾動響應(yīng)特征，圖8同樣選取南北緯度差異在50°范圍內(nèi)的5個測站C01衛(wèi)星解算得到的電離層TEC擾動指數(shù)進行分析，圖中各標(biāo)記元素與圖6相同。由圖8可知，在磁暴進入主相階段6～9 h后，測站GAMG、DARW、ALIC均對此次磁暴產(chǎn)生了正響應(yīng)擾動，正響應(yīng)擾動持續(xù)時間分別約為9、22、15 h，可以看到在該區(qū)域內(nèi)電離層TEC在北半球低緯度的擾動響應(yīng)持續(xù)時間較長、強度略大；此后磁暴進入恢復(fù)階段，3個測站所在區(qū)域均未產(chǎn)生擾動響應(yīng)，電離層逐漸進入平穩(wěn)狀態(tài)。測站NCKU、PTGG的擾動指數(shù)變化較為特別，其中測站NCKU由于主相階段數(shù)據(jù)的缺失，只能對其進行恢復(fù)相階段的分析，在磁暴結(jié)束后的恢復(fù)相階段，測站NCKU產(chǎn)生了兩次強度接近且持續(xù)時間約為9～10 h的正響應(yīng)擾動；而測站PTGG在磁暴進入主相階段后，并未對其產(chǎn)生任何的響應(yīng)。反而在恢復(fù)相階段，先是產(chǎn)生了持續(xù)時間約為6 h的負(fù)響應(yīng)擾動，經(jīng)歷短暫的平靜狀態(tài)后，產(chǎn)生了長達(dá)1.5 d的正響應(yīng)擾動且強度較其他測站更大。

由圖5、圖7的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在平靜期內(nèi)不同區(qū)域的電離層TEC變化較為平穩(wěn)，且不同觀測日的TEC幅值變化平穩(wěn)，但是部分赤道區(qū)域的電離層TEC在平靜期也會出現(xiàn)程度較小的擾動；在磁暴發(fā)生的主相階段，不同緯度區(qū)域的電離層TEC數(shù)值均會發(fā)生顯著的增大，其中北半球及赤道區(qū)域的增大最為明顯，增幅達(dá)到了25 TECU左右。結(jié)合圖6、圖8電離層TEC擾動響應(yīng)特征可以看出，較高緯度區(qū)域的電離層TEC擾動指數(shù)變化較為規(guī)律，在磁暴進入主相階段后電離層TEC主要表現(xiàn)出正響應(yīng)擾動特征，且擾動強度及持續(xù)時間均差異不大；磁暴進入恢復(fù)相階段后，以上區(qū)域電離層TEC均未發(fā)生任何的響應(yīng)擾動。然而，在地理緯度20°N—10°S范圍內(nèi)，磁暴進入恢復(fù)相階段后電離層TEC數(shù)值并未立即減小進入平穩(wěn)狀態(tài)，而是保持與主相階段接近的TEC幅值近1～1.5 d后才逐漸減小。從擾動響應(yīng)的特征也可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的電離層TEC在磁暴恢復(fù)相階段產(chǎn)生了不同程度的正、負(fù)響應(yīng)擾動，且持續(xù)時間較高緯度區(qū)域更長。對于2018年8月發(fā)生的磁暴已有學(xué)者對其進行了研究，文獻[20]利用印度及周邊區(qū)域多個測站的GPS衛(wèi)星TEC分析了此次磁暴期間電離層TEC的響應(yīng)特征，試驗結(jié)果表明印度及周邊區(qū)域電離層在此次磁暴期間主要表現(xiàn)為正響應(yīng)擾動，主相階段及恢復(fù)相階段的正響應(yīng)擾動主要受到低緯度東向穿透電場及熱層中性成分的突然增大所導(dǎo)致。文獻[23]分析了在2018年8月磁暴期間美洲及東太平洋區(qū)域電離層的變化特征，試驗結(jié)果表明該區(qū)域電離層在此次磁暴期間表現(xiàn)出獨特的南北非對稱性，北半球產(chǎn)生了強度更大的電離層暴響應(yīng)，而南半球強度較小，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要與高緯度等離子體密度的異常變化及熱層O/N2比值的增加有關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為低緯度區(qū)域電離層在磁暴恢復(fù)相期間產(chǎn)生的正響應(yīng)擾動主要受熱層中性成分異常變化的影響導(dǎo)致[19,26]。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，本文研究區(qū)域主要為亞太地區(qū)電離層在此次磁暴期間產(chǎn)生的響應(yīng)特征，考慮到地理緯度20°N—10°S的范圍對應(yīng)的地磁緯度范圍更容易產(chǎn)生赤道電離異常(equatorial ionization anomaly,EIA)現(xiàn)象[24]的發(fā)生，同時快速穿透電場是激發(fā)赤道電離異常的主要因素[25]，因此本文認(rèn)為此次磁暴主相及恢復(fù)相期間亞太區(qū)域電離層產(chǎn)生的異常響應(yīng)特征，主要受東向快速穿透電場引發(fā)的赤道電離異常及熱層中性成分變化共同影響所導(dǎo)致。

圖8 不同測站C01衛(wèi)星電離層TEC擾動指數(shù)變化Fig.8 Variations of ionospheric TEC disturbance index from different stations with C01 satellite

為進一步研究利用GEO衛(wèi)星監(jiān)測磁暴期間電離層TEC在經(jīng)度方向的變化規(guī)律及響應(yīng)特征，本文選取南北半球緯度接近的6個測站分析電離層TEC在磁暴期間經(jīng)度方向上的變化特征。圖9為北半球選取的3個測站不同位置處的TEC變化圖，選取區(qū)域的緯度范圍為27.1°N—31.6°N，經(jīng)度范圍為110.7°E—134.6°E。由圖9可知，同一個測站與不同GEO衛(wèi)星形成的電離層穿刺點與先前分析的結(jié)論一致，不同穿刺點的緯度幾乎保持不變，而經(jīng)度以一定間隔均勻排列。在磁暴發(fā)生前的平靜期內(nèi)，不同位置處的電離層TEC變化趨勢整體保持一致，經(jīng)度方向上的TEC數(shù)值差異較緯度方向更小，但是在8月22日當(dāng)測站JFNG與GMSD電離層穿刺點經(jīng)度間隔達(dá)到24°時，TEC數(shù)值差異達(dá)到了6～8 TECU；且在世界時夜間，經(jīng)度間隔較為接近的兩個測站GAMG、GMSD得到的TEC在數(shù)值上差異也達(dá)到了近5 TECU。在25日磁暴發(fā)生進入主相階段后，不同位置處TEC均產(chǎn)生明顯的增大，數(shù)值達(dá)到了35 TECU左右，且經(jīng)度間隔較大的測站TEC峰值差異較小。磁暴進入恢復(fù)相階段后，不同位置電離層TEC均逐漸減小，恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，但是在28日測站JFNG與GAMG的TEC數(shù)值差異達(dá)到了近10 TECU。

圖9 北半球區(qū)域不同測站GEO衛(wèi)星TEC變化Fig.9 GEO TEC longitude variations of different stations in the northern hemisphere

圖10為南半球區(qū)域選取的3個測站不同位置處的TEC變化圖，選取區(qū)域的緯度范圍為21.1°S—23.8°S，經(jīng)度范圍為112.6°E—147.2°E。由圖10可知，整個磁暴過程不同穿刺點處TEC的整體變化趨勢保持一致，且TEC極值出現(xiàn)的時刻接近。但是在個別TEC日變化上，不同穿刺點TEC變化差異明顯，其中在磁暴發(fā)生前的平靜期內(nèi)測站ALIC與其余兩個測站的TEC數(shù)值差異便達(dá)到了5 TECU，經(jīng)度間隔最大達(dá)到了22.4°；而后在磁暴進入主相階段后，不同穿刺點TEC均顯著增大，最大值接近35 TECU，但是TEC的峰值差異較小。以上試驗結(jié)果表明，電離層TEC在經(jīng)度方向上的差異相比緯度方向較小，當(dāng)經(jīng)度間隔大于15°～20°時電離層TEC會出現(xiàn)數(shù)值在5～8 TECU的差異性，在整體變化趨勢上不同經(jīng)度間隔處的TEC基本保持一致。

圖10 南半球區(qū)域不同測站GEO衛(wèi)星TEC變化Fig.10 GEO TEC longitude variations of different stations in southern hemisphere

為了分析磁暴期間電離層TEC在經(jīng)度方向上的擾動響應(yīng)特征，圖11為北半球不同測站GEO衛(wèi)星TEC擾動指數(shù)變化圖。由圖11可知，在磁暴進入主相階段后，不同穿刺點處TEC擾動指數(shù)并未立即對磁暴做出響應(yīng)，而是在滯后約9～10 h后均產(chǎn)生了持續(xù)時間在9～15 h的正響應(yīng)擾動，且擾動響應(yīng)強度在0.8～1之間。而后在磁暴進入恢復(fù)相階段后，不同區(qū)域電離層TEC均未產(chǎn)生任何的擾動響應(yīng)。圖12為南半球不同測站GEO衛(wèi)星TEC擾動指數(shù)變化圖。由圖12可知，在磁暴進入主相階段5～7 h后，不同穿刺點處TEC擾動指數(shù)均產(chǎn)生了持續(xù)時間約為9～15 h的正響應(yīng)擾動，擾動強度與北半球一致；而后磁暴進入恢復(fù)相階段，不同位置電離層TEC均未產(chǎn)生任何的擾動響應(yīng)。從以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，此次磁暴期間南北半球電離層TEC主要表現(xiàn)為正響應(yīng)擾動，且在經(jīng)度方向上的擾動響應(yīng)特征差異較小。不同的是南半球電離層TEC產(chǎn)生正響應(yīng)擾動的起始時刻較北半球約早3 h。并且在較高緯度區(qū)域電離層TEC在磁暴進入恢復(fù)相階段后均未產(chǎn)生擾動響應(yīng)。

圖11 北半球區(qū)域不同穿刺點TEC擾動指數(shù)變化Fig.11 Variations of TEC disturbance index from different IPPs in the northern hemisphere

圖12 南半球區(qū)域不同穿刺點TEC擾動指數(shù)變化Fig.12 Variations of TEC disturbance index from different IPPs in southern hemisphere

3 結(jié) 論

本文利用北斗GEO衛(wèi)星觀測值提取亞太區(qū)域電離層TEC，并在此基礎(chǔ)上分析2018年8月磁暴期間電離層TEC時空變化規(guī)律及擾動響應(yīng)特征，并將實測TEC值與全球電離層格網(wǎng)圖GIM模型值進行對比，試驗結(jié)果表明：①GEO衛(wèi)星提取得到的TEC與GIM模型值變化趨勢保持一致，并且可以更為有效地監(jiān)測電離層TEC的細(xì)微擾動變化；②此次磁暴期間電離層TEC在緯度方向上的變化差異明顯，其中赤道及北半球低緯度區(qū)域電離層TEC數(shù)值較大，南半球低緯區(qū)域TEC數(shù)值較??；③此次磁暴期間電離層TEC在經(jīng)度方向上的變化差異較緯度方向較小，但是當(dāng)穿刺點經(jīng)度間隔大于15°～20°的經(jīng)度帶時，TEC數(shù)值差異達(dá)到了5～8 TECU；④在電離層暴時響應(yīng)特征上不同緯度處也出現(xiàn)了十分明顯的差異，當(dāng)磁暴進入主相階段后，南北半球較高緯度區(qū)域電離層TEC均產(chǎn)生了明顯的正響應(yīng)擾動，而后在磁暴恢復(fù)相階段，該區(qū)域電離層TEC未發(fā)生任何的擾動響應(yīng)。但是赤道及北半球較低緯度區(qū)域，在此次磁暴主相及恢復(fù)相階段電離層TEC產(chǎn)生了持續(xù)時間更長、擾動強度更大的暴時響應(yīng)特征。本文認(rèn)為2018年8月磁暴主相及恢復(fù)相期間，亞太地區(qū)電離層TEC產(chǎn)生的擾動響應(yīng)特征主要由赤道東向快速穿透電場引發(fā)的赤道電離異常及熱層中性成分變化所導(dǎo)致。