太阳活动对赤道电离层闪烁影响的初步研究

方涵先 杨升高 翁利斌 汪四成 徐振中,2

(1.解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101; 2.中国人民解放军66011部队，北京 102600)

引 言

电离层闪烁是由电离层中电离介质不均匀性引起的[1]。当电磁波穿越电离层传播时，由于电离媒质中不规则结构的影响，电波属性如幅度、相位和到达角随时间产生随机起伏[2]，给地空通信、卫星导航带来一定影响，有时甚至使系统短时间失锁[3]。电离层闪烁现象具有较强的时间和纬度变化特征[4]。据统计研究，闪烁主要是一种夜间现象，与扩展F密切相关，它们都由电离层不规则结构引起，特别是增强型距离扩展F(SSF)与赤道闪烁有相似的发生机制[5]。而白天偶有闪烁发生，是偶发E层作用的结果[6]。闪烁活动主要集中在磁赤道和磁高纬地区，中纬地区闪烁活动表现平静，其中，以磁赤道南北纬15°的两条带内闪烁发生率最高，影响最为严重[7]。

赤道闪烁的发生，一般认为是瑞利-泰勒不稳性作用的结果[8]。在东向背景电场E×B作用下，F层快速上升，F层峰值高度也随之抬高，又由于日落后E层的复合消失，使得F层底部背景电子密度梯度变得陡峭。在适当情况下，某种流体型梯度密度不稳定性[9]，引起等离子体密度波动，在底部形成密度衰减区域(电离层泡)。这些电离层泡在极化电场E×B作用下，非线性向上抬升至F层顶，引起电子、离子密度的不规则波动，便导致了日落后闪烁的发生。

太阳活动是一切空间天气的源头，太阳变化的紫外(UV)、极紫外(EUV)和X射线辐射，连同来自耀斑和日冕物质抛射(CME)的高速带电粒子、具有方向不断变化的磁场的太阳风直接或间接作用于地球大气，就会产生一系列复杂多变的空间天气现象[10]。因此，电离层闪烁现象的发生与太阳活动也固然存在某种相关性。太阳射线的电离作用使电离层产生电离介质，形成电离层等离子体背景，伴随着太阳活动日、季、年以及11年周期变化，等离子体背景会发生相应响应，这样就会对瑞利-泰勒不稳定性增长产生不同程度影响，从而使闪烁呈现出某些变化规律[6]。

关于太阳活动对电离层闪烁的影响，许多学者都作过理论研究和统计分析。SHI[5]等人利用海南站(109.1E,19.5N)2003年至2007年的DPS-4型测高仪和电离层闪烁监测仪数据，分析了太阳活动高年到低年SSF和电离层闪烁的关系，结果表明：电离层闪烁发生率与SSF发生率最值几乎出现于相同月份，两者变化趋势表现出一致性，相关系数高达0.93.E.S.Babayev总结多年观测结果，理论分析了太阳活动对闪烁的影响[6]。尚社平、史建魁[4, 11]等利用空间中心海南站全球定位系统(GPS)闪烁监测仪观测资料，分析了海南地区L波段春秋分、太阳活动下降期间电离层闪烁特性。冯建、甄卫民[12]等利用海南站L波段电离层闪烁监测仪数据(2003.8～2007.5)，分析了太阳活动低年的闪烁特征。

利用太阳活动高年至低年间闪烁数据，进行赤道地区闪烁形态特征对比分析，对于进一步认识该地闪烁发生规律、建立区域预报模型有重要意义。但这些理论分析及统计结果还不够完善，由于数据量所限，闪烁的统计研究大都集中于季节、地方时特征的分析上，对于闪烁随太阳活动周变化、太阳活动影响闪烁的机制研究较少。本文利用世界数据中心提供的Vanimo站太阳活动高年到低年(2000～2009)闪烁数据，对比分析了太阳活动高年、低年幅度闪烁形态特征，并在此基础上，对闪烁与太阳黑子的相关性进行统计研究，初步探讨了太阳活动对闪烁的影响机制。

1. 数据来源

本文数据来源于世界数据中心提供的Vanimo站(Lat：2.7°S，Long：143°E)太阳活动高年到低年(2000～2009)L波段经过修正之后的闪烁指数。监测设备为双频GPS闪烁监测仪，该设备以50 Hz的速率采样幅度和相位数据，以1 Hz的速率采样信噪比数据，可提供经修正(消除环境噪声和硬件误差)后的S4指数。由于设备故障原因，数据有所缺失，但对闪烁整体形态统计分析不会产生本质影响。

2. 数据处理及结果分析

避免人为因素引起的误差，将数据的间断段以及调变值作丢弃处理。为减小多径效应和低仰角效应对统计结果产生影响，本文选取GPS卫星仰角大于25°的数据进行分析。闪烁的发生率参照文献[1]定义为：一定时间段内接收到闪烁指数满足某强度要求的个数与该时间段接收到闪烁指数总个数的比值。

2.1 赤道地区闪烁形态特征

由于赤道、低纬地区闪烁活动发生频繁，特别是较强的闪烁事件会引起信号衰落，影响卫星电视、通信、导航质量，因此，赤道、低纬闪烁发生规律及特征受到人们广泛关注[2, 4, 13-15]。

图1是赤道地区2003年3月至2004年2月((a)、(c))、2007年3月至2009年2月((b)、(d))不同强度L波段电离层闪烁发生率逐日变化图，纵轴是以天为单位的闪烁发生率。由于设备原因，2003年3月、2004年2月和2009年6、7月部分数据缺失。从图1 (a)、(c)看出，在中等太阳活动年期间，赤道地区中等闪烁的天发生率最高可达3%以上，强闪烁也将近1.5%。中、强闪烁有明显的季节变化规律：闪烁主要发生于春秋季，且在春分(4月15日)附近发生率达到最大值；夏季闪烁发生率较春秋季低，但比冬季高，通过进一步数据分析发现，冬季闪烁事件极少发生，12月份闪烁发生率达到全年最小值。

图1(b)、(d)显示了太阳活动低年闪烁发生率逐日变化，可以看出，低年闪烁活动主要以0.4>S4>0.2的弱闪烁为主，天发生率可达10%左右，中等以上闪烁天发生率几乎不到1%，且无论是弱闪烁，还是中等以上强度的闪烁，都没有表现出明显的季节或月变化规律。即使在两分日，也不例外。

图1 赤道地区不同太阳活动水平不同强度 闪烁发生率逐日变化(图中空白处数据缺失)

一般认为，电离层不规则体结构是引起电离层闪烁的原因[1]。低纬电离层闪烁与赤道地区电离层不稳定性效应关系密切，是R-T不稳定性发展的结果[13, 16-18]。春秋分附近，太阳的日落线和磁力线趋于平行，东向电场和垂直漂移增加。东向电场的增加在电离层扰动时会促使极化电场的发展、对磁赤道区瑞利-泰勒不稳定性过程起放大作用，结果可能会导致电离层不均匀体的产生和发展，从而引起电离层闪烁的高发现象。但是，随着太阳活动下降到极小值的影响，即使春秋分，也不会有闪烁的发生[12]。

图2是太阳活动高年((a)～(d))到低年((e)～(h))不同强度闪烁发生率的地方时变化，横轴是地方时，纵轴是一年内对应地方时的不同强度闪烁发生率，实线表示0.4>S4>0.2闪烁(弱闪烁)发生率，条形表示S4>0.4闪烁(中强以上闪烁)发生率。通过对比高低年闪烁地方时形态，不难得出，太阳活动高年闪烁存在较强的、一致的地方时特性，而低年闪烁的地方时特征并不明显，可以认为没有特征表现。进一步对高、低年闪烁分析，发现高年闪烁主要发生在夜间，而且不管是弱闪烁，还是中等以上闪烁，都集中于地方时20：00至00：00，弱闪烁在其他时段也有发生，但发生率明显低于日落之后到午夜之前这段时间；低年主要以弱闪烁为主，中强闪烁发生非常少，且无明显地方时特性。

图2 赤道地区太阳活动高年至低年 不同强度闪烁发生率地方时变化

2.2 闪烁与太阳活动的相关性

电离层闪烁活动除了一年的季节变化、月变化和地方时变化外，随着太阳11年活动周期，闪烁强度、发生率也表现出一定的相关特性。

选取闪烁活动较强的10月份、频发时段数据对比分析高低年闪烁强度，图3是同一颗卫星(PRN25)在太阳活动高年(2002年)和低年(2007年)同一天同一时段闪烁强度对比图，横轴是世界时(UT)，纵轴是S4指数。从图3中看出，该时段高年闪烁强度明显高于低年，闪烁强度最大达0.85；低年闪烁指数绝大多数低于0.2，偶尔有弱闪烁出现。

图3 25号卫星在2002年10月1日与2007年 10月1日同一时段闪烁强度对比

图4是赤道地区不同强度闪烁发生率随太阳活动从高年到低年的变化统计，横轴是以年为单位的时间，左纵轴表示不同强度以小时为单位的闪烁发生率，右纵轴是经过月平滑后的太阳黑子数。图4(a)、(b)、(c)分别对应0.4>S4>0.2(弱闪烁)、0.6>S4>0.4(中等闪烁)、0.8>S4>0.6(强闪烁)发生率随太阳黑子数从2000年到2009年的变化图。由于设备原因，图中的空白区数据缺失。从图4容易看出，在太阳黑子数高达125的高年期间(2001～2002)，弱闪烁、中等闪烁和强闪烁发生率分别可达约50%、40%和15%，而低年(2007～2008)仅为30%、5%和2%左右，闪烁在太阳黑子数多的高年发生率明显高于黑子数少的低年；如图4(a)、(b)、(c)显示，太阳黑子对闪烁发生率表现出一定调制作用，无论弱闪烁、中等闪烁，还是强闪烁，其发生率与太阳黑子数存在一定的相关特性，尤其是中、强闪烁图4(b、c)，对太阳黑子数表现出了较明显的依赖关系，即随着太阳黑子数从高年到低年的减少，闪烁发生率也呈现下降趋势，但弱闪烁与黑子数的这种依赖关系并不明显，说明太阳活动主要影响中、强闪烁的发生，弱闪烁对太阳活动的敏感性低于中、强闪烁。

图4 赤道地区太阳活动高年到低年不同强度闪烁 发生率随太阳黑子数变化(空白处数据缺失)

当太阳活动比较平静时，对电离层等离子体背景场的扰动较少，闪烁主要是由相对较稳定的背景场自身扰动对信号作用的结果，所以闪烁表现出比较平静、稳定的特点；而当太阳活动变得逐渐剧烈时，引起电离层等离子体密度等特性的扰动，这些扰动叠加于背景场上，触发R-T不稳定性的发展，便导致闪烁呈现出强度增大、频发等特征[6]。

3.结 论

利用赤道地区Vanimo站太阳活动高年到低年(2000～2009)L波段闪烁数据，对比分析了高、低年闪烁特征，并进一步统计研究了闪烁与太阳活动的相关特性。结论如下：

1) 赤道地区太阳活动中、高年的电离层闪烁主要是一种夜间现象，主要发生于地方时20:00～00:00，有明显的季节变化规律，集中于春秋季，且在春分(4月15日)附近发生率达到最大值；夏冬季闪烁发生率较春秋季低，冬季闪烁事件极少发生，12月份闪烁发生率达到全年最小值。这与尚社平[4]关于赤道地区电离层闪烁形态统计结论相一致。

2) 赤道地区太阳活动低年以弱闪烁为主，且没有明显的季节、月以及地方时变化规律。即使在两分日，也不例外，这进一步印证了冯建[12]关于太阳活动低年电离层闪烁特征的统计结论。

3) 太阳黑子数对赤道地区电离层闪烁发生率表现出一定调制作用，闪烁发生率与太阳活动存在一定的相关性，尤其是中、强闪烁，对太阳黑子数表现出了较明显的依赖关系：随着太阳黑子数从高年到低年的减少，闪烁发生率也呈现下降趋势。说明太阳活动对中、强闪烁的影响比弱闪烁更明显。这可能是因为弱闪烁仅是电离层等离子背景场自身扰动作用的结果，而随着太阳活动逐渐变得剧烈，等离子体背景场受到扰动，触发R-T不稳定性发展，产生电子密度不均匀体，导致了中、强闪烁的发生。

由于本研究使用数据量有限，且侧重于统计研究，关于太阳活动影响电离层闪烁的发生机制，仍需后续工作的进一步研究。

致谢感谢澳大利亚IPS WDC提供的闪烁数据。

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