太阳活动高低年电离层TEC变化特性分析

赵海山，杨 力，徐世依

(信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州 450001)

太阳活动高低年电离层TEC变化特性分析

赵海山，杨 力，徐世依

(信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州 450001)

为了进一步研究电离层变化特性受不同太阳活动强度影响的问题，提出太阳活动高低年对比分析的方法，研究5个特定点的电离层TEC的变化特性；重点对太阳活动高低年的TEC半年变化、季节变化以及周日变化进行分析。结果表明：太阳活动强度影响TEC数值变化的同时，还影响其半年变化和季节变化特性；春秋分季节是出现峰值的高峰期，TEC半年变化强度与太阳活动成正比；太阳活动强度对季节异常现象有一定影响，太阳活动高年季节变化更显著，0°N～-20°N是TEC季节异常的活跃范围；全球TEC峰值呈自东向西周日性运动，通过2年数据的自相关分析可以明显看出其变化周期为24 h，未受到太阳活动高低年影响。

电离层TEC；半年变化；季节变化；周日变化；相关性分析；太阳活动高低年

0 引言

电离层是受太阳XUV即X射线和极紫外光(extreme ultraviolet，EUV)辐射电离高层大气而形成的，因此电离层总电子含量(total electron content，TEC)的变化很大程度上受到太阳活动的影响[1]。除此之外电离层还受到地磁场、中性大气成分等条件的影响，从而表现出丰富的时空变化特性。国内外学者对电离层的时空变化特性做了很多研究，如：文献[2]对电离层TEC的季节变化、月变化和日变化规律进行了研究；文献[3]利用10个印度观测站的数据分析了TEC的空间变化特征；文献[4]则分析了电离层TEC的梯度变化特性；文献[5]分析了夜晚电离层TEC的变化规律；文献[6]对赤道电离异常区的TEC时空变化特点进行了分析，文献[7-8]也做了相关研究；文献[9]对研究了中国区域电离层TEC的半年度变化、季节变化以及周日变化；文献[10]分析了北美与东亚中纬地区电离层TEC变化；文献[11]利用国际全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)服务 (international GNSS service，IGS)数据，分析了白天和夜间电离层TEC变化特性，通过研究电离层与太阳、地磁活动的相关指数，得到电离层TEC地磁活动指数日均值的相关性较弱，而与太阳活动指数日均值的相关性较强的结论。

本文通过分析2010至2016年太阳射电流量和太阳黑子数(sunspot numbers，SSN)的变化情况，选择具有代表性的太阳活动高低年进行对比分析，研究电离层在太阳活动高低年的半年变化、季节变化以及周日变化特性。

1 数据准备和处理方法

空间环境预报中心(Space Environment Prediction Center，SEPC)可以提供采样间隔为1 d的太阳活动数据以及地磁活动数据。

欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe，CODE)可以提供全球电离层格网数据(global ionosphere maps，GIM)，CODE GIM将450 km高度采样间隔为2 h的TEC数据按分辨率的经纬度格网进行储存，在不同太阳活动强度下，在全球范围内大部分TEC数据精度高于24个TECU(电离层TEC的计算单位为TECU，1 TECU=1016/m2)，可以满足实验的精度要求。本文太阳活动数据采用SEPC提供的太阳射电流量F10.7和太阳黑子数SSN数据，利用统计分析方法对太阳活动数据时间序列进行分析，得到电离层活动高低年；本文电离层格网TEC数据采用CODE提供的全球电离层格网数据，利用对比分析方法，对比太阳活动高年与低年特点，分析电离层TEC半年变化、季节变化以及周日变化特性。

文献[9]运用全球定位系统(global positioning system，GPS)的P码观测数据分析电离层TEC的周日变化规律，认为TEC受太阳活动影响较大。众多研究表明，TEC半年变化幅度的大小与太阳活动明显相关，与地磁活动没有明显相关性；因此本文不考虑TEC与地磁活动的相关情况，重点分析太阳活动对TEC的影响。在空间环境预报中心下载2010-01—2016-06衡量太阳活动的参数和太阳黑子数SSN数据，如图1所示。

从图中可以看出太阳射电流量值与太阳黑子数SSN变化情况相似，在2010—2011年数值最小，变化幅度最低；而在2014—2015年数值最大，变化幅度最高。因此可以判定2010年太阳活动较弱，视为太阳活动低年；2014年太阳活动较强，视为太阳活动高年。

2 电离层TEC变化特性分析

本文选取5个不同的点作为研究对象，分析其在在太阳活动高低年电离层TEC的半年变化，季节变化以及昼夜变化的基本的特征，5个地点的地磁和地理经纬度如表1所示。

表1 5个TEC数据点的地理和地磁位置

选取表1中各数据点2年的CODE GIM格网TEC值分别绘制太阳活动高年(2014年)和太阳活动低年(2010年)的电离层TEC年变化情况，详见图2。图中横坐标为年积日，纵坐标为每天对应的时刻，分辨率为2 h。

从图2中可以明显看出，太阳活动对电离层TEC值有明显的影响，各个数据点2014年TEC值明显高于2010年TEC值。图2中给出的时间为世界时，由于所选数据点1和点4位于60°W，因此转换为当地时间需减去4 h；数据点3位于30°E，转换为当地时间应该加上2 h；数据点2和点5位于90°E，转化为当地时需加上6 h。因此，发现无论太阳活动的高低，电离层TEC都表现出了典型的周日变化特征，夜晚22∶00到次日6∶00的电离层TEC变化较为平缓，TEC值较小；而白天的变化大致是从上午8∶00开始逐渐增加，直至地方时下午14∶00左右达到最大值，随后逐渐减小。同时，电离层TEC也呈现出明显的季节变化，每年出现2个峰值，分别出现在4、5月和9、10月。从全年TEC变化情况来看，位于夏季的6、7、8月TEC值最低，其中太阳活动高年的季节变化更为明显。

为了更好地分析电离层TEC在太阳活动高低年的半年变化、季节变化和周日性变化，本文把各个GIM格网点TEC每天8∶00—18∶00时段内的TEC进行平均，作为TEC的白天均值，并将其他时段TEC值进行平均，作为TEC夜晚均值；并约定每年3—4月份为北半球的春季，5—8月份为夏季，9—10月份为秋季，11—2月份为冬季。取1月份平均值作为冬季值，取7月份平均值作为夏季值。

2.1 半年变化特性分析

TEC半年变化是指TEC值在春秋分季节出现极大值。本文以1年的数据为基础，求各格网点1年内最大值，并确定其所在月份，然后利用锤投影(hammer projection)将其标注在世界地图上，再将世界地图投影到一个椭圆上，如图3所示。图中横坐标为经度范围，从左到右为-180°至180°；纵轴为纬度范围，由下到上为-90°至90°。将12个月分别用不同的颜色标记在地图上，用以显示太阳活动高年2014年和太阳活动低年2010年和最大值出现的月份的全球分布。

从图3中可以发现：太阳活动高低年和最大值大部分都出现在春秋分季节；太阳活动低年和最大值出现在12月份的比例高于太阳活动高年。为了量化太阳活动高低年半年变化分布特点，现将2010和2014年春秋分季节出现和最大值比例情况用表格的形式体现出来。从表2中可以发现：2014年和最大值出现在春秋分季节的比例分别为68.13 %和72.12 %；明显高于2010年的55.36 %和54.68 %。同时，2010年和最大值在春分季节出现的比例分别为6.32 %和8.94 %，分别占和最大值出现在春秋分季节总比例的11.41 %和16.35 %；而2014年和最大值在春分季节出现的比例分别为51.25 %和47.46 %，分别占和最大值出现在春秋季总比例的75.22 %和65.81 %。由此不难发现：太阳活动高年和最大值出现在春秋分季节的概率更大，且春分季节所占比例更大；而太阳活动低年和最大值出现在秋分季节的比例明显高于春分季节。

表2 2010/2014年和最大值出现在春秋分季节比例统计表 (%)

2.2 季节变化特性分析

TEC季节异常是指电离层冬季日间的TEC值高于夏季日间的TEC值[9]。本文研究电离层季节变化特性时，将每天12∶00时刻的数据作为白天值，将00∶00的数据作为夜间值，并取1月份和7月份对应时刻的平均值作为研究电离层季节变化特性的基本数据。通过研究夏季TEC平均值与冬季TEC平均值的比值，来研究电离层季节变化特性，若比值小于1，则说明出现季节异常。图4为2010和2014年白天与夜间TEC夏冬季比值的全球分布图。

通过对比图4的4幅图像可以发现：无论电离层活动强弱，夏冬季比值在地球北半球纬度0～20°地区普遍小于或接近1，明显出现季节异常现象。通过对比2010和2014年夏冬季比值情况，可以发现太阳活动强度对TEC季节异常有一定的影响，太阳活动越强，低纬度地区TEC季节异常现象越明显。

2.3 周日变化特性分析

为了更好地分析电离层的周日变化特征，利用自相关分析方法，分别对2010和2014年的TEC数据进行自相关分析，其中选取的数据为每天12个历元，历元间隔2 h，365 d共计4 380个历元。自相关分析结果如图5所示。

由图中可以看出：通过自相关函数计算后，电离层TEC存在明显的周期性，每隔12个历元就出现一次明显的峰值，而1 d的历元数正好也是12个；因此数据说明电离层TEC存在明显的周日变化的特性。通过对比2010和2014年的自相关统计结果可以发现，电离层TEC的周日变化规律并不受到太阳活动高低的影响。

为了更清晰地描述电离层的周日变化特性，本文利用太阳活动指数分布情况，找到了2010—2016年太阳活动最高和最低的2 d，分别是：2010-05-19，指数达到最低值69；2014-01-07，指数达到最高值237。并利用这2 d的CODE发布的TEC数据，按照采样间隔6 h画出全球电离层分布图。如图6所示。

图6(a)为2010-05-19全球电离层TEC变化情况，TEC在0～40 TECU范围内变化；图6(b)为2014-01-07全球电离层TEC变化情况，TEC在0～110 TECU范围内变化。从图中可以明显看到：电离层TEC峰值随时间自东向西移动；TEC峰值均分布在纬度-20°至20°范围内，呈现出明显的周日变化特点。通过对比2010和2014年的图像可以发现，相同时刻电离层TEC峰值所在位置几乎相同，未受到太阳活动高低的影响。

3 结束语

利用CODE提供的电离层TEC数据，在分析TEC普遍变化规律的同时，通过对比太阳活动高低年的分析结果，重点研究了TEC在太阳活动高低年的半年变化、季节变化以及周日变化等特性，得到以下结论：

1)太阳活动强度不仅对电离层TEC数值大小有强烈的影响，而且还影响TEC 变化特性，但并未改变其特性。

2)春秋分季节是出现峰值的高峰期，TEC半年变化强度与太阳活动成正比，太阳活动高年和最大值出现在春秋分季节的比例达到70 %，其中春分季节比例高于秋分季节，在太阳活动低年和最大值出现在春秋分季节的比例约为55 %，其中秋分季节比例高于春分季节。

3)太阳活动强度对季节异常现象有一定影响，太阳活动高年季节变化更显著，北纬0至20°是TEC季节异常的活跃范围。

4)全球TEC峰值呈自东向西周日性运动，通过2年数据的自相关分析可以明显看出其变化周期为24 h，未受到太阳活动高低年影响。

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Analysis ofionospheric TEC variation characteristics in solar activity years

ZHAOHaishan，YANGLi，XUShiyi

(School of navigation and aerospace engineering，Information Engineering University，Zhengzhou，Henan 450001，China)

In order to further study on the influence of solar activity intensity on ionospheric variation characteristics，the paper proposed the method of comparative analysis on solar activity intensity in the high and low solar activity years，and studied the ionospheric TEC variation characters of 5 specific points；mainly annalyzed the TEC semiannual，seasonal and diurnal variations of both high and low ionospheric activity years.Result showed that the intensity of solar activity would affect not only the value variation，but also its semiannual and seasonal variation；the maximum values of TEC would mainly appear in equinox seasons，and the intensity of TEC variation would be proportional to that of solar activity；the TEC seasonal variation would be affected by the intensity of solar activity and more significant in high solar activity years，and the active range usually in 0°N～-20°N；the change of the global TEC maximum values would occur diurnal from the east to the west，and the data autocorrelation analysis of two years indicated that the variation period would turn out to be 24 h，unaffected by the high or low solar activity years.

ionospheric TEC；semiannual variation；seasonal variation；diurnal variation；correlation analysis；high and low solar activity years

2016-09-13

地理信息工程国家重点实验室开放基金课题经费支持项目(SKLJIE2014-Z-2-1)。

赵海山(1991—)，男，辽宁阜新人，硕士生，研究方向为电离层特性和异常探测。

赵海山，杨力，徐世依.太阳活动高低年电离层TEC变化特性分析[J].导航定位学报，2017，5(1)：24-30.(ZHAO Haishan，YANG Li，XU Shiyi.Analysis of ionospheric TEC variation characteristics in solar activity years[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：24-30.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170106.

P228

A

2095-4999(2017)01-0024-07