利用GPS观测研究我国赤道异常驼峰区电离层TEC变化

余侯芳,朱云舟,邓忠新

(1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107;2.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,山东 青岛 266107)

0 引 言

电离层总电子含量(TEC)的时空变化对卫星导航定位、通信、雷达等无线电系统电波信号传播有着重要影响,特别是对于穿越电离层传播的电波信号,电离层引起的传播效应直接正比于TEC的数值。因此,TEC成为表征电离层电波传播特性的最重要环境参数[1-3]。随着GPS等全球定位系统的发展和广泛应用,利用GPS双频相干信号能够得到电离层TEC,这给电离层天气监测研究带来了革命性的变化。

电离层电子密度在地球磁赤道南北两侧15°附近出现两个极大值,分别被称为赤道异常区的南、北驼峰,中国南部地区就处于电离层赤道异常北驼峰区。由于赤道异常区驼峰位置和时间在不同太阳活动及季节下将发生不同程度的移动,而且电离层TEC等特征参数还存在一定的梯度变化,这将给该区域无线电信息化系统工作性能带来重要影响。因此,分析研究赤道异常区电离层变化特征始终是电波传播领域的一个热点话题[4-11]。

本文将利用中国南部地区多个GPS测站的TEC观测数据,重点探讨赤道异常北驼峰出现位置和时间以及驼峰北侧的电离层梯度变化。

1 数据与分析方法

本文所用数据为YONG、QION、GUAN、LUZH、WHJF、ZHNZ和XIAA七个GPS测站获取的2004年电离层TEC观测数据,上述测站的位置信息如表1所示。

表1 GPS测站及位置信息

电离层TEC数据获取过程如下:地面GPS双频接收机在每一时间历元能接收到多颗卫星信号,原始观测数据采样时间为30 s,为了减少低仰角带来的电离层TEC测量误差,本文限定仰角不小于30°.首先,采用载波相位方法计算出每一时间历元各星地路径上的电离层斜向TEC(sTEC);然后,依据电离层薄壳模型,取电离层电子密度质心高度为400 km,将每条星地路径上的sTEC转换为电离层穿刺点的垂直TEC(vTEC);接着,以每10 min时间点为中心,将其前后2.5 min内每一观测卫星的所有穿刺点的vTEC和经纬度进行算术平均,得到每10 min所有观测卫星在电离层穿刺点的平均vTEC和经纬度;最后,根据本文分析需要,分为两种情形进行处理:

联系人: 余侯芳E-mail: dengzx2@163.com

情形1:在做各测站电离层TEC变化特性分析时,需要计算出该测站上空的电离层vTEC,其计算方法是:首先,按上述电离层TEC数据获取方法,得到各测站每10 min所有电离层穿刺点的vTEC和经纬度信息;然后,采用Kriging方法[12-13]拟合出对应测站位置上空的每10 min电离层vTEC.

情形2:在做赤道异常北驼峰电离层TEC特性分析时,需要计算特定经度线上不同纬度点的电离层vTEC,其计算方法是:首先,根据七个测站的位置分布,选定为112.5°经度线,并按0.5度的等纬度间隔,从地理北纬16.0°～31.0°间取定31个同经度不同纬度位置点;接着,以该31个位置点相应的经纬度为中心,取经度差不大于6°且纬度差不大于3°的区域作为该位置点电离层vTEC计算的有效区间;然后,提取该有效区间内每10 min所有电离层穿刺点的vTEC和经纬度信息;最后,采用Kriging方法拟合出相应位置点每10 min的电离层vTEC值。

2 分析结果

2.1 测站电离层TEC变化

图1 GPS测站电离层TEC变化

图1为上述七个GPS测站电离层vTEC变化图。从图中可以看出:各站的电离层vTEC值在两分季出现极大,处于较低纬度区的YONG、QION和GUAN三站电离层vTEC相对较高,其最大峰值达到了90 TECu(1TECu=1016m-2),处于相对较高纬度区的ZHNZ和XIAA两站的vTEC的最大峰值约为60 TECu,而位于上述两个纬度区间的WHJF和LUZH两站vTEC最大峰值也介于两者之间。这表明在中国南部地区电离层TEC随着纬度变化存在一定倾斜,亦即所谓的电离层梯度。

为了更好地了解该区域电离层TEC一般变化特征,图2示出了七个测站的vTEC月均值变化,可以看出各站电离层vTEC随纬度变化特征更为清晰。特别值得注意的是:在冬季的11、12和1月,YONG和QION两站vTEC较为接近,且要明显高于GUAN站,这预示着电离层TEC北驼峰处在该两站纬度之间;而在分季的3、4和10月,GUAN站vTEC的最大峰值与QION站相仿,且要约高于YONG站,这也意味着分季月电离层TEC北驼峰向北侧发生了移动,处在QION和GUAN两站纬度之间。此外,各站电离层vTEC的最大峰值出现时间也随季节有时变化。

上述结果表明处于赤道异常区的中国南部地区电离层TEC存在一定梯度变化,且其驼峰的位置和时间随季节变化而有所改变。

图2 GPS测站电离层TEC月均值变化

2.2 北驼峰出现位置和时间

为了更清晰地考察电离层TEC北驼峰的移动,按照第2节的特定位置点vTEC处理方法,获得了沿112.5°经度线上相隔0.5°的同经度不同纬度31个位置点电离层vTEC值,并按自然月计算出对应位置点每10 min的vTEC月均值,其结果如图3所示。从图中可以看出: 1) 不同月份的电离层TEC北驼峰位置有所改变,其纬度位置以分季月为高,冬季月相对为低,尤以3、4月份的位置纬度为最高,大约在22°; 2) 不同月份的电离层TEC北驼峰时间也有所改变,夏季月相较于其它月份出现时间为晚,其在6～8月的时间约为地方时15～16 h之间(LT=UT+7.5h).

图3 电离层TEC月均值随纬度和时间变化

月份纬度/(°N)地方时/h月份纬度/(oN)地方时/h117.513.7720.515.8220.514.5818.515.7322.514.8920.015.3422.014.21021.514.2520.514.71118.013.0621.015.81218.014.2

表2示出了上述驼峰峰值位置和时间的具体信息。可以看出: 1) 在不同月份其峰值的位置在北纬17.5～22.5之间变化,以3月份位置为最高,约在地理北纬22.5°处,以1月份位置为最低,约为北纬17.5°,全年位置纬度的平均值约在20.0°; 2) 在不同月份其峰值时间在地方时13～16 h之间变化,以6和7月出现时间为最晚,在地方时15.8 h前后,以11月份时间为最早,约为地方时13 h,全年出现时间的平均值约为地方时14.7 h.

2.3 驼峰北侧电离层TEC梯度

前面已提到了中国南部地区电离层TEC存在一定倾斜,在此着重考察驼峰北侧电离层TEC的梯度情况。具体考察方法是:基于前述每10 min同一经度线(112.5°)上31个不同纬度位置点的电离层vTEC月均值为考察数据集,以北纬16.0°～29.5°之间的最大vTEC值为电离层倾斜起点,以北纬30°位置点vTEC为电离层倾斜终点,以起点和终点之间400 km高度上大圆距离为电离层距离,按公式(1)计算两点间电离层梯度。

(1)

式中:TEC0(t) 和TEC1(t)分别为t时刻电离层倾斜起点和终点位置的vTEC值,其单位为TECu;D(t)为两点间电离层距离,以100 km为计量单位;G(t)为电离层TEC梯度,单位为TECu/100 km.

按照上述方法,计算出每月每10 min电离层TEC梯度,如图4所示。可以看出: 1) 各月的电离层梯度在地方时午后13.5～16.5 h LT时段(约在6～9 h UT)出现极大,在夜侧4.5 h LT前后(约在21 h UT)为极小; 2) 所有月份的夜侧电离层梯度变化差异不大,基本上处于3 TECu/100 km以内,尤在21 UT前后其电离层梯度变化均在1 TECu/100 km以下;3) 各月的日侧电离层梯度差异较大,以处于两分季的3和10月具有较大的电离层梯度值,前者最大梯度超过了11 TECu/100 km,后者也达到了9 TECu/100 km.而处于冬季的12和1月以及夏季的6和7月的日侧电离层梯度值较小,其最大值均在5 TECu/100 km以内,特别是7月的最大梯度也仅有3 TECu/100 km.

图4 电离层TEC梯度随月份和时间变化

3 结束语

电离层赤道异常的形成通常认为是“喷泉效应”所致,F层电场是控制赤道异常形态的最重要因素。对于非太阳活动高年,赤道区F层中电场主要来自E层发电机效应产生的极化电场;而在太阳活动高年,特别是秋冬春季节,热层风驱动的F层发电机电场起着重要作用[5]。

陈培仁[5]基于foF2资料所获得的不同季节赤道异常北驼峰位置变化大约在23°N～25°N之间,要略高于本文利用TEC观测数据所获得的位置纬度,这可能是与所采用的数据源差异相关,foF2反映的是电离层F2层峰值电子密度效应,而TEC所揭示的是电离层电子密度的路径积分效应。

在计算驼峰北侧电离层TEC梯度时,采用了可变的驼峰纬度和固定的30°N之间的电离层空间距离。在分季月,不仅北驼峰TEC值要高于其它季节,且其位置纬度也更靠近30°N,这是导致电离层TEC梯度增大的直接原因,但其本质上是源于分季赤道电离层“喷泉效应”的增强。

本文基于我国南部地区GPS 观测数据,重点分析北驼峰位置和出现时间以及驼峰北侧电离层TEC梯度变化,取得的主要结论有:

1) 北驼峰位置随季节变化,处在北纬17.5°～22.5°之间,以冬季月份的11、12和1月为最低,而分季月份的3、4和10月为最高,其出现位置的全年平均约在北纬20°左右。

2) 北驼峰出现时间与季节有关,一般在地方时13～16 h之间变化,冬季月出现时间约在14 h LT前后,夏季月约在15～16 h LT之间,出现时间的全年平均约在地方时14.7 h.

3) 不同时刻的电离层梯度有所差异。夜侧梯度要明显低于日侧,且夜侧梯度变化幅度较小,在4.5 h LT前后为极小,日侧梯度在午后时段出现极大。

4) 日侧电离层梯度变化随季节改变存在较大差异,分季月份具有更大的梯度,3月最大梯度超过了11TECu/100 km,10月也达到了9TECu/100 km,而冬季的12和1月以及夏季的6～8月的最大梯度均在5 TECu/100 km以内。

本文使用的是2004年GPS观测数据,该年处于太阳活动性自高(2001年)向低(2008年)下降阶段,因此,相关结论在不同太阳活动条件下将可能有所差异。

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