国际参考电离层在电离层电子密度特征分析中的应用*

王 成 王解先

(同济大学测量与国土信息工程系，上海 200092)

国际参考电离层在电离层电子密度特征分析中的应用*

王 成 王解先

(同济大学测量与国土信息工程系，上海 200092)

对国际参考电离层源程序的构成及功能进行了阐述，并基于源程序编写接口程序实现了电离层电子密度等参数的批量计算。将国际参考电离层用于电离层电子密度特征分析，能够较好地反映电离层电子密度随时间的变化规律，对于赤道异常和冬季异常能够明晰地表达，用于计算中纬地区TEC的可靠性较高。同时，分析了在不同纬度、不同地磁条件下国际参考电离层模型值与数字测高仪实测数据的差异，为国际参考电离层在中国区域电离层的应用提供了一定的参考依据。

电离层;国际参考电离层;电子密度;TEC;测高仪

1 引言

国际参考电离层是由太空委员会(COSPAR)和国际电波科学联盟(URSI)在20世纪60年代末共同发起建立的电离层模型。它是利用全球范围内可用的地基和卫星观测数据建立的经验模型，避免了电离层变化过程与上下耦合机制不断发展的理论分析所带来的不确定性［1］。由于不断引入新的数据和模式，国际参考电离层模型一直在持续升级。国内诸多学者利用国际参考电离层的早期版本与实测数据作对比分析得到了一些结论［2-4］。目前，国际参考电离层的最新版本为IRI2007。本文将详细介绍最新版本国际参考电离层及其数据来源，描述国际参考电离层源程序的构成及功能，编写接口程序实现了电子密度等参数的批量计算，并将国际参考电离层用于电离层电子密度特征分析，如电子密度随时间的变化规律、赤道异常、冬季异常等。在地磁平静和扰动下分别将国际参考电离层模型值与电离层数字测高仪实测数据进行对比分析。

2 国际参考电离层

国际参考电离层(International Reference Ionosphere，IRI)是根据大量电离层探测数据得到的经验模型，可以计算海拔50到1 500千米范围内电子密度月平均值、电子温度、离子成分、离子温度等参数［1，5］。太空委员会主要是对作为地球环境的一个组成部分-电离层做全面的描述，以用来评估空间环境对航天器和太空实验的影响。而国际电波科学联盟主要是将国际参考电离层的电子密度用来作为电波传播科研与应用的背景电离层。国际参考电离层模型的最新版本为IRI2007，该版本的更新有:1)新增两个针对顶部电子密度的选项;2)新增顶部离子成分模型;3)首次加入扩展F层发生几率模型; 4)加入E层极光区域电子密度的神经网络模型;5)新增等离子体电子温度模型;6)更新了国际地磁场参考模型［1］。

国际参考电离层的数据源除了采用电离层探测仪网络外，还包含了非相干散射雷达、火箭探空数据、地面接收的卫星数据和上层探测器(电离层探测卫星)。其中非相干散射雷达测量的IRI模型参数可覆盖所有高度范围，但全球范围内只有少数几个雷达在运行中。这些雷达数据对于描述电离层随时间、季节的变化以及太阳活动状况是必需的，然而卫星数据则是描述全球电离层形态参数的主要来源。在电离层底部存在大量中性气体，雷达和卫星测量均难以探测电离层参数，火箭探空成为IRI模型的主要数据来源［1］。美国宇航局空间物理数据设备与国家空间科学数据中心提供了国际参考电离层的Fortran源程序(http://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/ models/ionospheric/iri/)。

IRI源程序包含Fortran程序、模型系数文件和IRI2007模型的索引文件。其中主要文件及其作用见表1。

用户可以根据IRI源程序编译成可执行程序，进而实现电子密度等相关参数的计算，具体编译指令为gfortran-o iri*.for。

编译之后的可执行程序和国际参考电离层的在线计算类似，它是一个交互式的计算过程，即需要用户手动输入经纬度、时间、高度范围、模型选择等等诸多参数之后才通过调用相关子程序计算得出结果。考虑到实际需要，可以修改IRI源程序，对IRI核心计算子程序以及输入参数抽象为一个接口子程序进而实现电子密度等参数的批量计算。同时，可将修改后的IRI程序编译成共享对象(Windows平台称之为动态链接库)以方便其他语言调用。

由IRI程序可获得许多有用的信息，比如区域电离层(Total Electron Content，TEC)分布。

表1 IRI源程序说明Tab.1 Description of IRI source program

3 电离层电子密度特征分析

3.1 不同时刻电子密度的高度剖面

根据国际参考电离层计算地点位于纬度为31°、经度为121°在2011年8月9日这一天当地时间为02:00、08:00、14:00、20:00四个时刻分别代表夜、晨、午、昏的电子密度高度剖面如图1所示。

由图1可知同一位置不同时段电离层电子密度随时间变化剧烈，逐日变化大。早晨电子密度峰值高度较低，随着太阳照射的角度增大和时间的增加，电子密度和峰值高度不断增大，最大值出现在午后，随后电子密度不断下降，至夜晚时D层电子密度大大降低，而E层开始消失，其高度开始上升。随着夜间E层的升高，电波可以被反射到更加遥远的地方［6］。

3.2 赤道异常

在地球磁赤道左右约20°之间的F2层形成一个电离度高的沟，这个现象被称为赤道异常。由于在赤道附近，地球磁场几乎水平，阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移，穿越地球磁场线，在E层形成电流并与水平的磁场线的相互作用导致磁场赤道附近20°之间F层的电离度加强［6］。根据国际参考电离层计算2011年8月9日世界时为7时全球电离层的电子含量如图2所示;2011年8月9日当地时间为14时，经度为120°，纬度覆盖从南纬90°至北纬90°的经度链上的F2层电子密度峰值分布如图3所示。

由图2和图3可知，F2层电子密度并不在磁赤道上空最大，它受到地球磁场的控制而呈现“双峰”现象，分别在地磁北纬和南纬20度附近达到最大值。地磁北纬电子密度峰值比南纬电子密度峰值大，且北纬电子密度分布差异较大，而南纬电子密度分布则比较均匀。

3.3 冬季异常

夏季由于阳光直射中纬地区，白天F2层的电离度加强，但由于季节性气流的影响分子对单原子的比例增高，造成离子的捕获率增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高，从而造成夏季F2层电子密度峰值在白天比冬季低，这个现象被称为冬季异常［6，7］。在北半球冬季异常每年都出现，而太阳活动低年里南半球没有冬季异常。根据国际参考电离层分别计算地点位于纬度为31°、经度为121°，在2010年6月21日(夏至)和2010年12月22日(冬至)这两天F2层电子密度峰值与峰值高度如图4、5所示。

由图4可知，冬季异常仅发生在日出与日落之时，白天冬季F2层电子密度明显高于夏季，而日落后F2层峰值密度迅速降低且明显小于夏季。同时，冬季F2层峰值密度的变化比夏季剧烈，造成这种现象可能是由于电离层的电离度在冬季起主导作用，而较少受到其他因素的影响。由图5可知，夏季与冬季F2层峰值高度随时间变化趋势基本一致，白天夏季峰值高度大于冬季峰值高度，但冬季白天的峰值高度小于夜晚的峰值高度。

3.4 IRI与电离层测高仪数据对比

为了检验国际参考电离层，将IRI模型值分别与位于黑龙江漠河、北京昌平、武汉左岭镇、海南富克这四个台站的数字测高仪数据作对比分析。4个台站具体信息如表2。

表2 台站信息Tab.2 Information of stations

采用2011年1月21日、2011年2月18日这两天四个台站的数字测高仪数据，采样间隔为0.5小时。其中1月21日的地磁活动较为平静，而2月18日发生了R2-中等太阳X射线耀斑事件以及G1-小的地磁暴事件。这两天地磁Ap指数、Dst指数如图6、7。通过国际参考电离层模型计算TEC与测高仪实测TEC结果如图8。

图6 地磁场Ap指数Fig.6 Ap index of geomagnetic field

根据中国科学院空间环境研究预报中心的空间环境警报可知，在2011年2月18日06:00(UTC)至09:00(UTC)发生G1-小级别的地磁暴事件，在10:07(UTC)至10:15(UTC)发生M6.6级别的太阳X射线耀斑事件。由图6和图7可知，2011年1月21日地磁活动比较平静，而2011年2月18日的Ap指数在UTC6～9时急剧上升，随后缓慢下降，但仍高于地磁平静时状态。2011年1月21日Dst指数变化趋势比较平缓，而2011年2月18日的Dst指数变化比较剧烈，在UTC10时X射线耀斑事件后逐渐下降，几个小时后逐渐恢复。

由图8可知，从黑龙江漠河站至海南富克站(即高纬至低纬)电子含量呈逐渐增大的趋势。通过IRI模型计算的TEC与测高仪实测值整体趋势较为符合，但存在一定的偏差。模型值与地处中纬的武汉左岭镇台站数据符合程度比其他台站好，而与低纬的海南富克台站数据存在较大的偏差。这是由于低纬地区电离层逐日变化起伏较大，造成低纬实测TEC与IRI模型值相差较大。对于2011年2月18日地磁活动较为剧烈状态下，漠河站、昌平站和富克站实测TEC没有发生明显的剧烈变化，武汉左岭镇站测高仪实测TEC在UTC9时急剧增大，而IRI模型不能够较好地响应这一突发磁暴事件。

4 结语

通过以上分析，国际参考电离层能够较好地反映电离层电子密度随时间的变化规律，对于赤道异常和冬季异常能够明晰地表达，用于计算中纬地区TEC的可靠性相对较高。高纬地区的模型值与数字测高仪实测数据有一定的偏差，而低纬地区模型值与实测值存在较大的偏差，其原因在于低纬地区电离层逐日变化较大。中纬地区电离层受磁暴等事件能够快速响应而发生剧烈变化，而低纬和高纬无明显的TEC变化，且国际参考电离层亦无法响应此类地磁扰动事件。如果要进一步精化国际参考电离层，需要更多的实测数据与国际参考电离层做统计分析，将中国区域电离层变化的特殊规律融入模型，才能较好地反映中国区域电离层变化特性。

致谢 感谢国家重大科技基础设施子午工程科学数据和中国科学院空间环境研究预报中心提供数据和资料!

1 Bilitza D and Reinisch B W.International reference ionosphere 2007:Improvements and new parameters［J］.Advances in Space Research，2008，42:599-609.

2 蔡红涛，马淑英，Schlegel K.高纬电离层气候学特征研究——EISCAT雷达观测及与IRI模式的比较［J］.地球物理学报，2005，48(3):471-479.(Cai HongTao，Ma Shuying and Schlegel K.Climatologic characteristics of high -latitude ionosphere---EISCAT observations and comparison with the IRI model［J］.Chinese Journal of Geophysics，2005，48(3):471-479)

3 沈长寿，肖佐.IRI-90及其与中国电离层资料f0F2的比较［J］.空间科学学报，1993，13(4):316-321.(Shen Changshou and Xiao zuo.A comparison of f0F2 observed at 8 stations of China with that predicted from the IRI-90 model［J］.Chinese Journal of Space Science，1993，13 (4):316-321)

4 罗发根，戴开良，权坤海.国际参考电离层IRI-90与中国实测电离层月平均电子密度剖面形状的比较［J］.空间科学学报，1994，14(4):305-311.(Luo Fageng，Dai Kailiang and Quan Kunhai.A comparison of the international reference ionosphere(IRI-90)with the electron density profile of the ionosphere observed in China［J］.Chinese Journal of Space Science，1994，14(4):305-311)

5 程建全，杨育红，辛刚.国际参考电离层关键输入参数计算及应用［J］.信息工程大学学报，2011，12(1):55-59.(Cheng Jianquan，Yang Yuhong and Xing Gang.Computation and application of key input parameters of international reference ionosphere［J］.Journal of Information Engineering University，2011，12(1):55-59)

6 Wiki Pedia.Ionosphere［EB/OL］.http://en.wikipedia.org/wiki/Ionosphere，2011.

7 霍星亮，袁运斌，欧吉坤.基于GPS资料研究中国区域电离层TEC的周日变化、半年度及冬季异常现象［J］.自然科学进展，2005，15(5):626-630.(Huo Xingliang，Yuan Yunbin and Ou Jikun.The diurnal variation，semiannual period and winter anomaly of ionosphere TEC in China area based on GPS observations［J］.Progress in Natural Science，2005，15(5):626-630)

INTERNATIONAL REFERENCE IONOSPHERE AND ITS APPLICATION IN FEATURES ANALYSIS OF IONOSPHERE ELECTRON DENSITY

Wang Cheng and Wang Jiexian
(Department of Surveying and Geo-informatics，Tongji University，Shanghai 200092)

The latest version of international reference ionosphere，updating contents and data sources are introduced.The construction and functions of international reference ionosphere source program is elaborated.Interface routine based on source program is achieved for computing ionosphere electron density and other parameters.By use of international reference ionosphere for the features of ionosphere electron density.It is able to express electron density’s variation with time，equatorial anomaly and winter anomaly.It’s highly reliable for computing TEC of middle latitude area.Also，discrepancies between international reference ionosphere model value and data of digital ionosondes are analyzed on different latitude and different geomagnetic conditions which can provide reference for application of international reference ionosphere in China regional ionosphere.

ionosphere;international reference ionosphere;electron density;TEC;ionosonde

1671-5942(2012)02-0055-05

2011-12-19

国家自然科学基金(40974018，41174023)

王成，男，1985年生，博士研究生，主要研究方向为卫星大地测量与应用.E-mail:acex@foxmail.com

P352

A