基于全球定位系统的东亚电离层不规则体特性

尚社平 史建魁 张北辰 王 霄 武顺智

（1.空间天气学国家重点实验室中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2.中国极地研究中心，上海200136）

引 言

赤道电离层在广义瑞利-泰勒不稳定性等过程的作用下，会产生电离层F层电子密度不规则体，又称为赤道扩展F现象.这些电离层不规则体会对穿越电离层的卫星通讯和导航系统的性能产生影响，导致不同波段无线电信号幅度和相位闪烁的发生，电离层闪烁通常在磁赤道区最为严重.过去的几十年中，对电离层不规则体和闪烁已经进行了许多的观测和研究，但还远未达到令人满意的程度，仍旧存在一些具有挑战性问题如电离层不规则体的发生条件及其逐日变化的问题.其中一个重要的因素就在于各种观测手段局限以及观测数据的不足.利用卫星就地观测可以覆盖到较大区域，但很大程度上会受制于卫星轨道和高度的影响，且一般很难进行长时间观测数据的积累.利用各种地基观测手段，可以提供高分辨率的长时间观测，但一般受观测位置的限制，很难覆盖到大范围的区域.

近十余年间，随着全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术的快速发展和全球范围内各种GPS观测网相继建立，GPS已成为当前电离层探测和研究中的一种非常重要的手段.由GPS接收机提供的观测资料具有时间分辨率高、空间覆盖范围大、连续性好、可进行长时间积累等优点，因此有可能提供一些新的电离层不规则体活动的信息.利用接收到的GPS L波段信号的幅度起伏，可以实现对L波段的幅度闪烁的有效探测［1］.GPS L波段电离层闪烁实际上反映了400m尺度电离层不规则体的活动.当电离层中有不规则体产生时，通常还会导致GPS总电子含量TEC的快速起伏，一些学者试图利用GPS TEC起伏来研究电离层不规则体的变化.Aarons等利用国际GPS服务（International GPS Service，IGS）网30s间隔GPS数据，通过计算TEC的变化率ROT，研究了赤道区电离层等离子体泡不规则体的特性［2］.Pi等在计算5min期间ROT标准偏差的基础上，定义了TEC变化率的指数在赤道区，这种TEC起伏（ROTI）通常反映了几千米到十几千米尺度电离层不规则体的活动.由于TEC起伏对电离层不规则体反应相当敏感，且相应的观测资料相对易于获取，因此近些年来，TEC起伏被当作探测和研究赤道电离层不规则体的一种重要方法，在实际的研究中得到了逐步的应用［4-5］.

相对于其他区域，对东亚赤道区电离层不规则体和闪烁的研究还相对缺乏.近十年来，国内相关单位在我国中低纬如海南及东南沿海等区域纷纷建立了一些GPS电离层闪烁观测站／网，对我国中低纬电离层不规则体和闪烁活动开展了一些相应的观测和研究［6-11］，这些不同观测站／网的结果往往存在一些明显的差异.国际上在东南亚区也建立了类似的GPS电离层闪烁观测站／网，研究结果表明东南亚区同样存在类似的电离层不规则体活动的发生［12］.由于电离层不规则体和闪烁通常发生于整个赤道区，并且沿磁力线向磁赤道两侧进行扩散，这些单站或局域的结果还不足以反映出整个东亚区电离层不规则体形态及其沿磁纬的分布特性，目前还缺乏完整性的认识.在本研究中，我们在已有工作基础上，利用IGS网提供的GPS观测资料，将研究范围扩展到110°E子午线附近的整个东亚赤道区以及磁纬±30°以内的低中纬区，以进一步研究太阳活动下降年期间该区域电离层不规则体特性及其随磁纬的变化，为该区域电离层不规则体和闪烁的预报和其他应用研究奠定基础.

1 数据和方法

本研究中，分析数据主要来源于中科院空间中心海南台站的GPS电离层闪烁观测资料及东亚110°E子午线附近11个GPS站的双频观测资料.表1分别给出了这些GPS站的位置和坐标.从表1可以看出，这些GPS站主要处于地理经度100°E～120°E之间以及地磁纬度±30°以内.在东亚赤道区110°E附近，地磁赤道和地理赤道偏差达到极大，各GPS站的地理纬度一般比其地磁纬度大10°左右.

1.1 GPS闪烁数据和方法

海南台站的GPS电离层闪烁监测仪由康奈尔大学空间物理组开发，它能以高采样率（50次／秒）同时并行记录11个通道GPS信号强度数据.电离层闪烁幅度闪烁指数S4定义为每分钟信号强度的标准偏差与其平均值的比值.该仪器自2003年7月在海南台站开始运行，在随后太阳活动下降年的两年期间，观测到了非常明显的电离层闪烁现象.利用这些观测数据，我们对海南地区的电离层闪烁特性进行了分析［6］.本研究将在此基础上，进一步结合东亚110°E附近的双频GPS观测资料，来研究东亚110°E附近的电离层不规则体形态特性.

表1 东亚110°E附近GPS站坐标

1.2 双频GPS数据及方法

提供双频观测资料的11个GPS站分别位于我国的北京（BJFS）、武汉（WUHN）、昆明（KUNM）、台湾（TCMS）、菲律宾（PIMO和TVST）、新加坡（NTUS），印度尼西亚（SAMP和BAKO）和澳大利亚西部（COCO和KARR）等区域.除个别站外，这些GPS站均属于IGS网，可以为本研究提供较为长期和可靠的观测数据.利用IGS网站提供的各GPS站的观测文件和导航文件，通过伪距和相位的差分等计算，可得到30s时间分辨率的电离层绝对TEC和相对TEC，以及相应的GPS卫星的仰角和方位角等参数.

1.3 TEC起伏及ROTI指数

当赤道电离层中出现F层不规则体活动时，可造成GPS TEC的快速起伏现象.利用GPS TEC起伏可以实现对电离层不规则体活动的有效探测.由载波相位差分可以得到每30秒的TEC及其变化率ROT，在此基础上计算得到的每5分钟ROT的标准偏差，称为TEC变化率指数ROTI［3］.公式（1）、（2），（3）分别给出了单个卫星到地面观测路径上的相对TEC、ROT和ROTI的计算公式，其中f1和f2分别为GPS双频信号的频率，L1和L2为对应载波相位观测量，λ1和λ2为对应载波波长，d为常数.TEC的单位为TECU（1TECU＝1016el／m2），而ROT和ROTI的单位为TECU／min.

图1 赤道区NTUS站的电离层TEC起伏

图1给出了赤道区NTUS站在2003年10月8日夜间发生的电离层TEC起伏活动事件.图中从上向下依次给出了接收到的卫星信号的仰角、经过相对TEC平滑处理的绝对TEC以及由相对TEC计算得到的ROTI的变化.其中卫星信号的最小仰角取为25°.电离层TEC呈现明显的昼夜变化，而ROTI在白天几乎没有任何的明显变化.在日落后不久到午夜附近，该台站出现了明显的电离层TEC和ROTI扰动现象，表明在此期间该区域出现了大的电离层不规则体活动.

尽管赤道区电离层不规则体的出现，经常可以导致电离层闪烁和TEC起伏的同时发生，但一般情形下，要得到S4和ROTI之间的定量关系是非常困难的，即使是在相同的GPS站.已有的结果表明，ROTI／S4比值范围主要处于2～5或2～10之间［13-14］.

2 电离层不规则体活动分析和比较

根据各GPS站观测数据的具体情况，主要考虑S4＞0.1的电离层闪烁和ROTI＞0.3的电离层TEC起伏时的情形.由于赤道区电离层F层不规则体活动主要发生于夜间，将研究时段限于每天夜间18-06LT之间，并将卫星的最小仰角取为25°，以尽可能去除多径效应和其他低仰角效应的影响.

2.1 电离层不规则体活动的逐日变化

图2给出了2003年7月-2005年6月期间东亚110°E附近电离层不规则体活动的逐日变化，其中各GPS站根据其磁纬的大小从上到下依次进行排列.电离层不规则体活动以其日发生率来反映，日发生率定义为每天夜间（18-06LT）系统所接收到的满足相应阈值条件（S4＞0.1，ROTI＞0.3）的卫星数与所有接收到的卫星数的比值.从图2可以看出，在第23周太阳活动下降年的这两年期间，在海南HAIN站发生了明显的GPS电离层闪烁活动（S4＞0.1），与此同时，处于东南亚区域的PIMO、TVST，SAMP和NTUS等4个GPS站也发生了非常明显的电离层TEC起伏活动，这些GPS站均处于磁纬±10°以内区域，其不规则体活动主要发生于两分点附近，在其他大部分时间明显减弱，在两至点附近达到极小.

在处于磁纬±14°以上的低中纬区域，电离层不规则体活动明显减小，且南北半球呈现明显的形态差异.在北半球，KUNM和TCMS站所在位置处于赤道离异常北峰附近，这两个站的TEC起伏活动在两分点附近明显减弱.而处于磁纬更高的WUHN和BJFS站的TEC起伏活动在两分点附近几乎完全消失，但在6月夏至附近却相对增加，但发生率相对较小.这些较高磁纬区的不规则体活动明显不同于磁赤道区，已呈现出中纬不规则体活动特性.在南半球，处于较高磁纬的BAKO站，其不规则体活动类似于海南和其他东南亚站，且明显强于北半球电离异常峰附近的GPS站.处于更高磁纬的COCO站，除了两分点附近的极少数活动外，其他时间的不规则体活动几乎完全消失.处于最高磁纬的KARR站，其不规则体活动几乎完全消失.在两至季期间，这些处于较高磁纬的区域有时也会发生非常强烈的电离层TEC起伏活动，这些强烈不规则体活动的出现几乎总是与一些强磁暴事件的发生相联系，其中以2004年7月下旬和11月上旬发生的强磁暴所造成的影响最为明显.

2.2 电离层不规则体活动的月变化

从以上图2的结果可以看出，东亚区电离层不规则体活动不但会明显受到地磁纬度变化的影响，而且存在明显的月和季节变化.为了进一步定量了解东亚赤道区电离层不规则体活动的月分布特性，图3给出了各GPS站不规则体活动的月统计分布.不规则体的月发生率定义为每月期间发生电离层不规则体活动（S4＞0.1，ROTI＞0.3，且日发生率大于2%）的天数与当月总天数的比值.为了更清晰地得到不规则体的月分布特性，图3中对两年的月统计分布进行平均处理.

从图3可以看出，对于处于磁纬±10°内的海南和东南亚站，电离层不规则体活动在分季3-4月和9-10月期间达到最强，最大可达近50%，在其他月份的明显减小，最大不超过20%，在至季6月和12月达到极小，其中6月较12月的不规则体活动稍强一些，12月期间几乎没有任何不规则体活动的发生.对于北半球磁纬大于14°N的低中纬台站，随着磁纬的增加，电离层不规则体活动在分季月份迅速减弱直至消失，而夏季5-7月份逐渐所有增强.其中处于赤道异常峰附近的TCMS和KUNM站，分季月份不规则体活动明显减弱，接近于夏季月份.而WUHN站分季月份的不规则体活动几乎完全消失，但夏季月份不规则体活动相对明显增加，最大可达15%.处于最高磁纬的BJFS站，其不规则体活动与WUHN站相类似，主要发生于夏季6-7月之间，但发生率相对较小.

图3 东亚110°E附近各台站电离层不规则体活动的月份变化

在南半球磁纬大于16°S的低中纬站，随着磁纬的增加，其不规则体活动在分季3-4月和9-10月逐渐减弱直至消失，在其他月份没有明显的增加.其中BAKO站的不规则体活动与海南和东南亚其他站类似，但分季月份最大发生率不超过20%.而处于更高磁纬的COCO站，不规则体在分季月份发生率不超过2%.对处于最高磁纬的KARR站，分季月份的不规则体活动完全消失.

2.3 电离层不规则体活动的季节和地方时变化

为了进一步了解东亚电离层不规则体活动的季节和地方时特性，图4给出了各GPS站不规则体活动随季节和地方时的平均变化.不规则体活动的季发生率定义为每季度夜间（18-06LT）系统所接收到的满足相应阈值条件（S4＞0.1，ROTI＞0.3）的卫星数与所有接收到的卫星数的比值.图中的4条曲线分别为四个不同季节（3月分季、6月至季、9月分季和12月至季）不规则体活动的变化，每个季节分别由两分／至点所在的月份及其相邻的两个月份所组成，分别以字母ME、JS、SE和DS来表示.每个站的地方时LT分别由世界时UT去除其经度效应而得到.

从图4可以看出，对处于磁纬±10°以内海南和东南亚站，不规则体活动在两分季达到最大，且趋于对称，主要发生于地方时18-02LT附近，其发生率峰值出现于21LT附近，最大可达13%，其中9月分季的不规则体发生率峰值的时间稍早于3月分季.不规则体活动在两至季明显减弱.其发生率峰值在北半球的三个站趋于相等，在南半球两个站存在明显不对性，6月至季明显强于12月至季.两至季期间不规则体发生的地方时存在明显的差异，其中12月至季不规则体发生的时间接近于两分季，但6月至季不规则体峰值发生的时间明显晚于其他季节2～3h，主要出现于午夜附近.

图4 东亚110°E附近台站电离层不规则体活动随季节和LT的变化

对处于磁纬大于±14°的站，其不规则体活动明显减弱，且存在明显不同的季节和地方时变化.在北半球，随着磁纬的增加，两分季和12月至季的不规则体活动逐渐减弱直至消失，而6月至季的不规则体活动相对明显增加，这种情形在WUHN和BJFS站尤为明显，6月至季的不规则体活动主要发生于21-02LT之间，其峰值主要发生于23LT附近.在南半球BAKO站，其不规则体活动的季节变化与磁赤道区相类似，但发生时间存在1～2h的时间延迟，分季不规则体活动峰值主要发生于22-23LT之间.在更高磁纬的COCO和KARR站，所有季节的不规则体活动几乎完全消失.

基于不同台站和观测手段，对东亚中低纬电离层闪烁和不规则体特性已经开展较多的研究.何友文等［15］的研究表明，东亚中纬电离层VHF和L波段闪烁基本上发生于夜间，在22-24LT之间达到极大，闪烁出现率及强度在夏季最强，秋季次之，冬季最弱.徐继生等［8］的研究表明，武汉与桂林的L-波段振幅与相位闪烁活动主要发生在夜间，最大振幅闪烁出现率在午夜及其前后数小时；武汉闪烁出现率峰值出现时间平均比桂林滞后约1至2小时.本研究中BEIJ和WUHN站的不规则体活动随季节和地方时的变化与以上这些结果基本相类似.

与所期望的情形相反，处于赤道异常北峰附近的TCMS和KUNM站的不规则体活动明显弱于磁赤道区站.最近甄卫民、周彩霞等［7，9］研究也表明，海口站的闪烁频率和强度明显强于昆明、厦门等站.这些情形表明，在东亚磁赤道区，夜间产生的F区不规则体一般难以扩散到白天赤道异常北峰所处的区域.

3 结 论

我们利用2003年7月到2005年6月东亚110°E子午线附近的GPS观测资料，对太阳活动下降期间该区域的电离层不规则体活动进行了分析和比较.主要结果表明：

1）在磁纬±10°以内的磁赤道区，海南和东南亚站存在明显的不规则体活动，海南电离层闪烁活动与东南亚电离层TEC起伏活动之间存在明显的相似性；而在磁纬±14°以上低中纬区，不规则体活动会明显减弱，且南北半球呈现明显的形态差异.

2）在磁赤道区，不规则体活动在分季达到极大且趋于对称，在至季达到极小且呈现一定程度不对称性.在两分季和12月至季，不规则体活动主要发生于地方时18-02LT之间，在21LT附近达到其峰值，但在6月至季，不规则体活动的出现存在2-3小时时间延迟，其峰值主要发生于午夜附近.

3）北半球的不规则体活动不同于赤道区，随着磁纬的增加，两分季的不规则体活动会迅速减弱直至消失，而夏季的不规则体活动却相对有所增加，主要发生于21-02LT之间，其峰值主要发生于23LT附近.

4）南半球的不规则体活动（如BAKO站）与赤道区相类似，但发生时间存在1～2h的时间延迟，两分季不规则体活动峰值主要发生于22-23LT之间.随着磁纬的增加，两分季不规则体活动会逐渐减弱直至消失.

赤道区电离层不规则体活动主要受磁偏角变化的影响［16］.磁场强度B、以及地磁赤道与地理赤道位置的相对变化，也会影响到磁赤道区电离层不规则 体 活 动［17］.在 东 亚 磁 赤 道 区，磁 偏 角 很 小（≈-0.4°）且在100°E～120°E之间变化很小，导致东亚赤道区不规则体活动在两分季达到极大，在两至季达到极小，并呈现明显的相似性.在东亚磁赤道区，地磁强度B达到最大（≈0.34nT），地磁赤道相对地理赤道偏离达到极大，纬度相差近10°，且南北半球的地理条件也存在明显的差异，这些因素也会影响到该区域不规则体活动及其随磁纬的变化.对东亚电离层不规则体形态及其影响机制的更深入了解，还有待于进一步结合其他观测资料，进行更多的观测分析和理论研究.

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