磁扰和磁静期间南极McMurdo地区电离层闪烁统计特征的对比分析

朱光逸 邢赞扬,2,3 张清和,2 王勇 曹政

(1.山东大学空间科学与物理学院,威海 264209; 2. 山东大学空间科学研究院 山东省光学天文与日地空间环境重点实验室,威海 264209; 3. 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,青岛 266107)

磁扰和磁静期间南极McMurdo地区电离层闪烁统计特征的对比分析

朱光逸1邢赞扬1,2,3张清和1,2王勇1曹政1

(1.山东大学空间科学与物理学院,威海 264209; 2. 山东大学空间科学研究院 山东省光学天文与日地空间环境重点实验室,威海 264209; 3. 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,青岛 266107)

利用南极McMurdo站(地理经纬度(166.73°E,77.88°S),地磁纬度80°S)2011—2014年电离层闪烁观测数据,对比分析了磁扰和磁静期间电离层闪烁发生率的周日分布、季节分布,以及随太阳活动变化的统计特征．结果表明:磁扰和磁静期间电离层闪烁的周日分布均在磁中午附近和磁子夜后出现峰值,而磁扰期的闪烁发生率显著高于磁静期,并且闪烁发生范围向低纬和高纬方向扩展;春秋季电离层闪烁发生率明显高于夏冬季,每年的2、3月份和9、10月份高发,冬季6月份发生率最低;磁扰期的季节性特征比磁静期更为明显,且闪烁发生范围、发生频率均明显大于磁静期;太阳活动对电离层闪烁的影响十分显著,随着太阳活动的增强,闪烁发生的范围和发生频率均明显增大．该研究结果有助于了解极区电离层闪烁的整体分布情况,将为极区电离层闪烁建模以及闪烁预报提供支持,对极区通信、导航定位等有着重要的应用价值．

极区电离层;电离层闪烁;南极地区;地磁活动;统计特征

引 言

电离层闪烁是无线电信号穿越电离层时受电离层小尺度不规则体的影响导致信号的振幅、相位等出现扰动的现象．前人研究发现电离层闪烁主要发生在低纬地区(南北磁纬20°之间)和极光卵区域,而中纬地区则较弱[1-2]．极区受太阳风-磁层-电离层耦合作用的影响,在等离子体沉降、输运过程等作用下产生众多的不均匀体结构,如舌状电离区、极盖区等离子体云块和极光等大尺度结构[3]．这些不均匀体在等离子体密度梯度/速度剪切等不稳定性作用下会产生更小尺度的不规则体,进而引起电离层闪烁[4-10]．这些电离层闪烁通常会干扰卫星系统的通信、导航及监测,严重时甚至引起信号中断[5]．因此,在极区开展电离层闪烁研究,分析闪烁发生的时空分布特征和规律,可为极区电离层闪烁现报或预报提供支持,对保障跨极区无线电通信、导航系统的可靠运行有重大意义,具有着重要的应用前景．

全球卫星导航系统的出现为电离层闪烁研究提供了新途径．一些学者利用地面接收的导航信号开展了极区电离层闪烁发生的形态学研究[6-14]．例如,Doherty等利用北极Alaska地区的电离层闪烁数据,统计分析了太阳活动高年高纬地区闪烁特征,发现该地区闪烁活动的强度和发生频次非常依赖于地磁活动[6]．Pryse等和Nichols等的分析发现太阳活动高年闪烁发生明显增多,且高纬地区的相位闪烁明显高于幅度闪烁[7-8]．Prikryl等利用加拿大北极高纬度地区电离层观测网(Canadian High Arctic Ionospheric Network,CHAIN)的闪烁接收机数据,统计研究了2008—2013年相位闪烁的发生情况及其与行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)的关系,发现其在极隙区向阳面、极盖区边缘和极光卵闪烁发生频繁,并且与IMF方向有明显相关性[9]．冯健等统计分析北极地区太阳活动低年闪烁的变化特征,发现随着太阳活动的降低,闪烁事件明显减少,并且通过对磁暴事件的分析发现了极区闪烁在地磁活动强时发生更多[10]．磁暴期间磁层、热层等发生的扰动现象会影响电离层[11],从而产生更多的不规则体,引发电离层闪烁．Basu等发现南极地区相位闪烁磁暴期间会增强,推断这可能与极光粒子沉降有关[12]．Priyadarshi等开发了一个基于南极电离层闪烁观测数据的半经验闪烁模型,发现2013年6次X级耀斑峰值期对南极电离层大范围闪烁的强度具有抑制作用[13]．李鹏辉等统计了南极地区相位闪烁发生率的分布,发现闪烁发生春秋季强于夏冬季,一天中出现两个峰值分别是磁中午附近和磁子夜后[14],但仅仅使用一年的数据,未能细分磁扰和磁静期间的特征,对于产生机理也有待进一步研究．

由于南极恶劣的自然环境使得地面接收站稀少,造成南极电离层闪烁的观测数据较少,目前对南极地区闪烁观测特征还缺乏较系统的研究,尤其是磁扰期间和平静期间闪烁统计特征的对比研究．

本文利用南极McMurdo站2011—2014年的电离层闪烁观测数据,统计分析磁扰和磁静期间的电离层闪烁发生率的周日分布、季节分布,以及太阳活动不同年份闪烁发生率分布变化,总结南极地区电离层闪烁的时空分布特征．该研究有助于了解南极地区电离层闪烁的综观分布情况,将为极区电离层闪烁现报或预报提供新方法和新思路,对保障跨极区无线电通信、导航系统的可靠运行有重大意义,具有着重要的应用前景．

1 数据来源与计算方法

1.1数据来源

本文采用的电离层闪烁数据是由南极McMurdo站(地理经纬度(166.73°E,77.88°S),地磁纬度80°S)的闪烁接收机(型号 Novatel GSV4004)提供的(从MIT madrigial下载,http://www.openmadrigal.org/)．该接收机可同时跟踪不同GPS卫星,并以50 Hz的频率记录 L1(1 575.42 MHz)、 L2(1 227.60 MHz)波段的振幅和相位信息,经计算输出L1波段的幅度闪烁指数S4和相位闪烁指数σφ．本文主要利用南极McMurdo站2011年12月至2014年11月的相位闪烁数据．

Kp指数反映了地磁活动水平,Kp指数越大表示地磁扰动幅度越大,本文选用的Kp指数来源于日本京都的世界数据中心(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/kp/),每三小时一个数值．

图1是19:00 UT时McMurdo站在磁纬度/磁地方时(MLAT/MLT)坐标系下的位置,位于极盖区,修正地磁坐标(80.0°S,31.5°E),MLT为UT+17 h,两条红色曲线包围的区域是Kp=2时Zhang-Paxton极光模型下的极光椭圆[15]．

图1 19:00 UT时McMurdo站在MLAT/MLT 坐标系下的位置和Kp=2时的极光椭圆

1.2计算方法

在电离层闪烁研究中,极区主要发生相位闪烁,因而本文中采用相位闪烁指数．它用信号的载波相位的标准差来表示,计算公式为

(1)

式中:σφ表示卫星信号由于电离层闪烁引起相位变化的强弱,单位为弧度;φ表示载波相位;E表示期望值．本文采用GSV4004输出的时间分辨率1 min的σφ数据．

由于GPS卫星的轨道倾角为55°,位于极盖区的McMurdo站上闪烁接收机的仰角范围在0°～63°,为消除低仰角效应造成的不利影响,选择仰角大于20°的数据．电离层穿刺点高度选择250 km,即电离层F层等效层高度[14]．

定义相位闪烁的发生率指数如下:

(2)

式中:N(σφ)是一定时间和区域内观测得到的相位闪烁指数的有效观测总次数;σ0是门限值,本研究选择门限σ0=0.15;N(σφ>σ0)是该时间和区域内观测得到的大于某门限值的相位闪烁指数的次数．为研究电离层闪烁发生率的时空分布特征,我们划分1°MLAT×1/6MLT的时空分布网格,将McMurdo站观测的相位闪烁映射到MLAT/MLT坐标系上,如果观测数据点落入对应的网格内,则利用公式(2)计算各网格区域内的闪烁发生率[11]．计算闪烁周日分布时,将全年的数据映射到MLAT/MLT坐标系;计算闪烁季节分布时,将不同季节的数据分别映射到MLAT/MLT坐标系,依此类推．

2 南极区电离层闪烁分布特征

2.1相位闪烁发生率的周日分布

为了对比研究磁扰和磁静期间相位闪烁发生率的周日变化,我们利用地磁扰动指数Kp划分磁扰期和磁静期．如果一天中有超过60%的时间Kp>2即磁扰期,少于60%的时间Kp>2即磁静期[1,9]．

图2给出了2011—2014年磁扰和磁静期间McMurdo站电离层相位闪烁发生率的周日分布．McMurdo站的地磁纬度为80°S,观测范围在75°S～85°S．从图2可以看出,闪烁主要发生在75°S～80°S的磁中午附近和磁子夜后．磁静期闪烁发生的范围很小,且发生率低,而磁扰期闪烁发生范围向极光卵赤道向和极向都有扩大,同时发生率也有增大．这是因为磁中午附近McMurdo站位于极区电离层逆阳对流的入口处,由于极隙区软电子沉降及电离层对流剪切作用使得产生大量小尺度的电离层不规则体,引起较强的电离层闪烁[16]．由于日侧通过逆阳对流进入极盖区的等离子体云块,穿越极盖区抵达夜侧时存在向晨侧传输的优势方向,等离子体云块破碎产生了小尺度的不规则体,以及夜侧极光粒子沉降的影响,都可能导致磁子夜后闪烁发生率增大[17-20]．在磁扰期间,磁层-电离层耦合过程增强,不规则体的分布区域面积增大,进而导致闪烁发生范围的扩大和增强[9,16]．

在太阳光致电离作用下,电离层的电子密度升高,从而形成电离层等离子体背景．当太阳活动比较平静时,对电离层等离子体背景的扰动较少,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更加不规则的扰动,这些扰动叠加于背景上,便导致闪烁增强、发生频繁．2013—2014年为太阳活动高年,该年的发生率明显增高可能与太阳活动增强有关[21]．

(a) 2011.11—2012.11

(b) 2012.11—2013.11

(c) 2013.11—2014.11图2 2011—2014年磁扰和磁静期间McMurdo站电离层相位闪烁的周日分布

2.2相位闪烁发生率的季节分布

为了研究相位闪烁发生率的季节变化,我们将闪烁数据按照发生时的季节划分,其中夏季为12—2月,秋季为3—5月,冬季为6—8月,春季为9—11月．图3给出了2011—2014年的磁扰和磁静期间McMurdo站电离层相位闪烁发生率在MLAT/MLT坐标系下的季节分布．从图3看出,磁扰期和磁静期春秋季闪烁发生率均大于夏冬季,夏季闪烁发生率大于冬季．对比磁扰期和磁静期的闪烁分布可以看出:夏季、秋季磁扰期磁闪烁发生范围、强度均明显大于磁静期,并且向极光卵赤道向和极向扩大;春季、冬季磁扰期在磁中午附近的闪烁发生范围、强度同样大于磁静期．在春季极光卵赤道向大幅度扩大,超出观测范围,所以在图3(a)中显示出磁子夜后磁扰期闪烁范围、强度比磁静期小．另外,从图3磁扰期可以看出,2013—2014年(太阳活动高年)磁扰期闪烁发生率普遍高于前两年,发生率极大时段有所扩大,尤其体现在春秋两季．而从图3磁静期可以看出,2013—2014年磁静期闪烁发生率同样高于前两年．纵观三年变化可以看出随着太阳活动性增强,闪烁发生范围和强度均明显增大．

(b) 2012.11—2013.11

(c) 2013.11—2014.11图3 2011—2014年磁扰和磁静期间McMurdo站电离层相位闪烁的季节分布

为了更进一步分析闪烁高发期的月份分布,图4给出了2011年12月至2014年11月磁扰期和磁静期的闪烁发生率随月份的变化,其中横轴表示月份,纵轴表示闪烁发生率．从图4可以看出:在磁扰期一年中闪烁发生率呈现双峰结构,分别在2、3月份和9、10月份达到极大值,且2、3月份闪烁发生率的极大值均在10%以上,而9、10月份的极大值也均在7%以上,明显高于其他月份;在磁静期,同样呈现双峰结构,但变化幅度不如磁扰期明显．其中,2014年1月至3月发生多次磁暴事件,Kp指数变化频繁,一天中出现Kp指数大幅上升后下落,因此这可能是导致磁静期闪烁发生率与磁扰期接近甚至超出的原因．

极区发生的相位闪烁季节性特征十分明显．冬季闪烁发生率小,这是因为冬季极区有极夜现象,受到太阳辐射很弱．而春秋季闪烁发生率较高,这是因为春秋季电离层总电子含量变化率较高,导致电子密度不均匀体出现[22]．与磁静期相比,磁扰期的季节性变化更为明显．在统计的36个月中有12个月磁扰期闪烁发生率超过磁静期发生率的2倍,进一步说明地磁扰动对电离层中的不规则体有较大的影响．2013—2014年闪烁发生率的季节性特征更加突出,体现在春秋两季闪烁发生率大幅度增加,这是因为这一年是太阳活动高年,除冬季发生极夜太阳辐射微弱外,其他季节电离层闪烁均高于前两年．

图4 2011—2014年磁扰和磁静期间McMurdo站电离层闪烁发生率随月份的变化

3 结 论

利用南极McMurdo站2011—2014年的电离层闪烁观测数据,对比研究了磁扰和磁静期间不同年份电离层闪烁发生率的周日分布、季节分布,以及随太阳活动变化的统计特征．南极McMurdo地区电离层闪烁的时空分布统计特征归纳如下:

1)电离层闪烁发生率的周日分布表现为:磁扰期和磁静期均呈现周期性规律,在磁中午附近和磁子夜后出现峰值,而磁扰期的闪烁发生率显著高于磁静期,并且闪烁发生范围向低纬和高纬方向同时扩展．这是因为在磁正午附近时McMurdo站的低纬一侧是极隙区,在软电子沉降和电离层对流剪切作用下,更易产生小尺度的不规则体,因而在其低纬侧极隙区附近观测到电离层闪烁的增强．磁子夜后,等离子体云块破碎并进入极光卵,且存在向晨侧传输的优势,故观测到子夜后闪烁增强．在磁扰期间,磁层-电离层耦合过程增强,不规则体的分布区域面积增大,进而导致闪烁发生范围的扩大和增强．

2)相位闪烁的发生与季节密切相关,春秋季闪烁发生率明显高于夏冬季,每年的2、3月份和9、10月份高发,冬季6月份发生率最低;磁扰期的季节性特征比磁静期更为明显．夏季、秋季磁扰期闪烁发生范围、强度均明显大于磁静期,并且向其低纬和高纬方向扩展;春季、冬季磁扰期间,磁中午附近闪烁发生范围、强度大于磁静期．

3)随着太阳活动增强,闪烁发生的范围和强度均不断扩大,春秋季闪烁发生率明显增高．这表明太阳活动对电离层闪烁发生率的影响十分显著．

该研究首次获得了磁扰和磁静期间南极McMurdo地区的电离层闪烁的分布特征和规律,有助于促进对极区电离层闪烁产生机制以及太阳风-磁层-电离层耦合动力学过程的理解．这些将对研发更为有效的空间天气中的极区电离层闪烁模型,将来用于空间天气监测和预报,具有重要的应用价值．然而,极区电离层闪烁的发生位置与伴随的各不均匀体结构的关系以及闪烁产生和演化的物理机制至今仍远未清楚,仍需利用多种观测设备进一步深入研究．

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朱光逸(1995—),男,黑龙江人,山东大学(威海)空间科学与物理学院本科生．

邢赞扬(1985—),男,安徽人,博士,山东大学(威海)讲师,主要从事磁层-电离层耦合、极光物理、电离层闪烁研究．

张清和(1979—),男,湖北人,山东大学(威海)教授、博导,主要从事极区电离层-磁层耦合、极区电离不均匀体及其伴随的离子上行、空间天气学研究．

王勇(1985—),男,湖北人,山东大学(威海)博士研究生,主要从事极区电离层不规则体及闪烁研究．

StatisticalfeaturesofionosphericscintillationoverMcMurdo,Antarcticaduringdisturbedandquietgeomagneticconditions:acomparativeanalysis

ZHUGuangyi1XINGZanyang1,2,3ZHANGQinghe1,2WANGYong1CAOZheng1

(1.SchoolofSpaceScienceandPhysics,ShandongUniversity,Weihai264209,China;2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOpticalAstronomyandSolar-TerrestrialEnvironment,InstituteofSpaceSciences,ShandongUniversity,Weihai264209,China;3.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

This paper presents statistical features of the ionospheric scintillation observations over McMurdo (77.88oS, 166.73oE; geomagnetic latitude 80oN), Antarctica during the period of 2011—2014. Using the occurrence rate of ionospheric phase scintillation as a function of geomagnetic latitude (MLAT)and magnetic local time (MLT) under the disturbed and quiet geomagnetic conditions respectively, we comparatively analyzed the diurnal variation of phase scintillation and its dependence on season and solar activities. We find that the phase scintillation mainly occurred near magnetic noon and near magnetic midnight during both disturbed and quiet geomagnetic conditions, but it occurred higher at disturbed geomagnetic conditions, expanding toward both poleward and equatorward geomagnetic latitude.Seasonally, the scintillation occurrence is significantly higher in spring and autumn than in summer and winter, with the highest rate during February to March, September to October and the weakest rate during June in winter, which has been obviously presented during disturbed conditions. With stronger solar activity, yearly maps of occurrence of phase scintillation show gradually increase and expand of enhanced scintillation regions. These results can help to obtain the ionospheric scintillation distribution and provide support for the ionospheric scintillation modeling and prediction, which has important application value for the communication and navigation positioning in the polar region.

polar ionosphere;ionospheric scintillation; Antarctica; geomagnetic activity; statistical characteristics

朱光逸, 邢赞扬, 张清和, 等. 磁扰和磁静期间南极McMurdo地区电离层闪烁统计特征的对比分析[J]. 电波科学学报,2017,32(4):369-376.

10.13443/j.cjors.2017062701

ZHU G Y, XING Z Y, ZHANG Q H, et al. Statistical features of ionospheric scintillation over McMurdo, Antarctica during disturbed and quiet geomagnetic conditions:a comparative analysis[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):369-376. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017062701

P352

A

1005-0388(2017)04-0369-08

DOI10.13443/j.cjors.2017062701

2017-06-27

国家自然科学基金(No. 41604139, 41574138)；电波环境特性及模化技术重点实验室基金(JW2016-009)

联系人： 邢赞扬 E-mail: xingzanyang@sdu.edu.cn