第24太阳活动周武汉电离层VTEC变化特性分析

刘磊,杨梅,姚宜斌,王友昆,

(1武汉大学 测绘学院,湖北 武汉 430079;2昆明市测绘研究院,云南 昆明 650051)

0 引 言

电离层总电子含量(TEC)是一个重要的电离层物理参量,可用于电离层物理理论研究、卫星定位及导航等电波传播修正,因此对其变化特性进行研究具有十分重要的意义[1-3]．大量研究表明电离层F2区峰值电子浓度(NmF2)和TEC具有明显的年变化、半年变化、季节变化、周日变化及其随经纬度的变化等[4-7]．Yonezawa[6]研究了中低纬电离层冬季异常、年异常及半年异常随太阳活动、地磁纬度的变化规律．万卫星等[7]利用漠河、北京、武汉和三亚四个GPS接收机台站的观测数据,采用经验函数模式算法实现了中国电离层TEC现报系统,该系统已应用于实时监测我国电离层环境．萧佐等[8]提出了一种提取接收机站附近垂直总电子含量(VTEC)的新算法,用来研究TEC的逐日变化规律,并用实测数据验证其实用性．陈艳红等[9]利用武汉电离层观象台一个太阳活动周(1980-1990年)的TEC数据,统计得出了武汉地区TEC经验模式．余涛[10]通过建立一个中低纬度电离层电场理论模式,发现中低纬度电场具有明显的半年变化现象,并提出电场可能是中低纬和赤道地区电离层半年变化现象的重要原因．霍星亮等[11]研究发现,利用中国地壳运动观测网络基准站高精度双频GPS观测数据,可以有效监测中国区域电离层的周日变化、半年度及冬季异常等现象的变化活动规律．Ezquer等[12]研究了美洲扇区电离层foF2逐日变化随太阳活动、季节和纬度的变化情况．蔡昌盛等[13]利用北京国际GNSS服务(IGS)站的GPS观测数据对2000年和2004年不同月份的TEC进行研究,发现TEC的季节性变化趋势一致．Liu等[14]通过对11年(1998-2008年)TEC全球平均值和高、中、低纬三个纬度带平均值的分析,发现这些TEC均值呈现出明显的周年/半年,太阳活动周和27天周期变化;并发现随着太阳EUV辐射增强,纬度带平均的TEC有放大趋势, 放大程度依赖于纬度, 在高纬最强．Liu等[15]通过分析1998-2009年的全球电离层TEC发现, 随着太阳辐射通量的变化,TEC与F10.7p和EUV之间存在线性、放大和饱和现象,TEC与F10.7之间的饱和特征在白天的低纬度区域尤为显著．於晓等[16]采用欧洲22个电离层观测站34年的NmF2观测资料,得出了电离层逐日变化的相关距离随太阳活动、地磁活动、季节及世界时变化的主要特性．Mukherjee等[17]利用印度Bhopal站(14.29°N, 151.12°E) 2005-2006年(太阳活动低年)的GPS数据研究了赤道异常区的TEC季节变化,并将GPS-TEC与IRI-TEC进行了对比分析．武业文[18]利用2004年中国及其周边的33个GPS接收站数据,对中国地区电离层TEC的日变化、季节变化、逐日变化以及随地理经纬度的变化进行统计研究,并将上述特性与NmF2进行了对比研究．

本文在总结电离层变化特征的基础上,利用2008-2015年中国地壳运动监测网络(CMONOC)武汉站 (30.5°N, 114.4°E)GPS双频接收机监测的VTEC数据,分析了武汉地区第24太阳活动周的电离层VTEC周日变化、逐日变化、半年变化、季节变化等主要特性及TEC与太阳活动的相关性．

1 数据和方法

本文所用的VTEC数据由CMONOC武汉站(30.5°N, 114.4°E)的GPS双频观测数据解算得到,采样间隔为30s．太阳活动数据(F10.7射电流量和太阳黑子数(SSN)由美国国家海洋和大气局(NOAA)的美国国家地球物理数据中心(NGDC)提供．

根据GPS信号电离层延迟与信号频率的平方成反比的关系,可以计算得到信号传播路径上的TEC(单位为TECU,1TECU=1016个电子每平方米),通常采用载波相位平滑伪距的方式求解TEC,表达式为

(1)

(2)

式中：mf为投影函数;R为地球半径;Hion为单层模型的高度;z为测站天顶距,Hion=506.7 km,α=0.9782．然后分别对每个历元天顶方向的VTEC进行平均,即可得到我们需要的武汉站上空时间分辨率为30 s的VTEC估值．

2 VTEC的日变化与逐日变化分析

以2008-2015年(2008-2010年为太阳活动低年,2011-2015年为太阳活动高年)每年3、6、9、12月的VTEC月中值的日变化为例,详细讨论武汉地区电离层的日变化和逐日变化特性．

从图1可看出,电离层VTEC的日变化呈现典型的单峰结构,即夜间VTEC变化比较缓慢而且较低,VTEC最小值出现在LT4:00-6:00LT(UT+8:00),白天VTEC迅速上升,在14:00-16:00LT达到峰值,随后呈现迅速下降的趋势．同时,电离层VTEC也表现出明显的逐日变化特性,太阳电离辐射对电离层逐日变化的影响是大尺度的,并在白天和太阳活动高年大于晚上和太阳活动低年;逐日变化特别是在VTEC峰值处呈现出较大的差异,在太阳活动高年(如2011、2012和2014年),3月和9月(春秋季)VTEC月中值日变化的峰值大于6月和12月(夏冬季)VTEC月中值日变化的峰值,且春季VTEC日变化的峰值大于秋季VTEC日变化的峰值;除了太阳电离辐射外,VTEC逐日变化还可能受到地磁活动和气象活动等因素的影响[16，18-19]．另外可看到,2011-2015年观测到的VTEC总体上明显高于2008-2010年的VTEC值,这是因为2011-2012年是太阳活动高峰年,而电离层VTEC的变化受太阳活动的调制作用[14]．

图1 2008-2015年武汉站VTEC月中值周日变化时序图

3 VTEC半年和季节变化分析

把每年的3、4、5月作为春季,6、7、8月作为夏季,9、10、11月作为秋季,12、1、2月作为冬季．选取2008-2015年武汉地区的VTEC作为研究对象,分析该地区第24太阳活动周内电离层VTEC的半年变化和季节变化特性．从图2(图中空白部分代表该时段数据缺失)可以看出,各年的电离层VTEC呈现明显的“双峰”变化特性,也称为“半年异常”现象,即VTEC在春秋季出现峰值,冬夏季出现谷值,VTEC全年双峰呈现不对称分布,春季峰值大于秋季峰值,高年“半年异常”现象更加明显．

目前,对于VTEC“半年异常”现象一种可以接受的解释是:在低纬度地区,由于磁力线南北半球的耦合效应,电离层电场具有明显的半年变化现象,而这样的电场通过“赤道喷泉效应”(由电离层电场引起等离子体垂直向上漂移,然后沿磁力线扩散到稍高纬度造成的)强烈地影响低纬和赤道地区电离层电子浓度分布和变化,从而对该地区的电离层半年变化有重要的控制作用[10,19]．当然,“赤道喷泉效应”不是影响VTEC半年变化特征的唯一原因,还有其他因素,如热层大气温度的半年变化、地磁和极光活动引起的中性密度半年变化、地理轴和地磁轴的不一致、低热层日潮的半年变化和大尺度环流等动力学过程导致的化学成分变化等等[5-6,20-22]

从图2还可看出,在太阳活动高年(如2011,2013,2014年)冬季日间TEC值相对于夏季明显偏高(两者差异有时可高达到20TECU),这就是所谓的“冬季异常”现象,而在太阳活动低年(如2008-2010年),这种异常现象消失．该现象可能是由于大气成分的季节变化,特别是中性成分O和N2浓度比例的变化造成的[23-24]．

图2 2008-2015年武汉站VTEC二维变化分布(单位:TECU)

4 VTEC与太阳活动的相关性分析

太阳活动的剧烈程度通常可用SSN或太阳10.7cm辐射通量F10.7来表示．图3示出了2008-2015年F10.7和SSN以及武汉地区GPS-VTEC(LT=12:00,14:00,16:00,18:00)的变化情况．对于GPS-VTEC数据,提取每天12:00,14:00,16:00,18:00(LT)的数据,按天绘制散点图(去掉数据缺失的天),并以27天为滑动窗口得到滑动均值曲线(图3中紫红色曲线)．我们可以看出,在一个太阳活动周期上GPS-VTEC主要是随太阳活动的强弱而变化的．在太阳活动低年(2008-2010年),各时段的VTEC主要表现为单峰结构,在太阳活动高年(2011-2015年),VTEC变化呈现明显的双峰结构,即所谓的“半年异常”现象,半年变化幅度与太阳活动明显相关,且随着太阳活动的增强春季峰值逐渐大于秋季峰值,因此可认为太阳活动是电离层VTEC变化的一个主要因素．

图3 F10.7、SSN和GPS-VTEC(LT=12:00,14:00,16:00)的长期变化趋势

从图3中已经初步看到GPS-VTEC与F10.7和SSN有较强的相关关系,为了更好地了解GPS-VTEC与太阳活动的关系,将2008-2015年的GPS-VTEC按春、夏、秋、冬四个季节分别与SSN、F10.7以及F10.7p(F10.7p是在F10.7和其81天的滑动均值的基础上构建的[25])进行相关性分析(统计结果如图4所示),用LT=14:00、16:00的VTEC表示日间的VTEC变化,LT=20:00、22:00的VTEC表示夜间的VTEC变化．从图4可以看出,在各个季节,除春季外(图4a),GPS-VTEC与F10.7p的相关性最好,与F10.7的相关性次之,与SSN的相关性稍弱;秋季GPS-VTEC与太阳活动的相关性最好(MaxF10.7p=0.92232,MaxSSN=0.85575),冬季GPS-VTEC与太阳活动的相关性最差(MinF10.7p=0.79028,MinSSN=0.72703);值得注意的是,春季VTEC作为半年变化的一个峰值结构,与太阳活动的相关性却比秋季弱,且不存在日间VTEC与太阳活动性相关性优于夜间VTEC与太阳活动的相关性的情况,这可能是因为在低纬地区,该季节的VTEC与太阳活动之间变的化不是绝对的线性关系,可能存在着“饱和”或“放大”效应等非线性关系[14-15，25],其具体原因有待进一步研究．

图4 2008-2015年GPS-VTEC与SSN、F10.7以及F10.7p的相关关系

5 结束语

本文利用2008-2015年CMONOC武汉站GPS双频接收机监测的VTEC数据,研究了电离层VTEC变化特征,并分析VTEC与太阳活动的相关性．研究表明,电离层VTEC受太阳辐射控制呈现明显的周日变化规律,在14:00-16:00LT左右达到最大值;同时,电离层VTEC也表现出明显的逐日变化特性,特别是在VTEC峰值处呈现较大差异．在季节变化上,VTEC变化呈现的双峰结构,即所谓的“半年异常”现象,春季峰值大于秋季峰值,“赤道喷泉效应”可能是影响VTEC半年变化特征的一个重要因素;在太阳活动高年,电离层VTEC存在明显的“冬季异常”现象,该现象可能是由于中性成分O和N2浓度比例的变化造成的．

此外,发现VTEC与太阳活动强度具有很强的相关性,在各个季节(除春季外),VTEC与F10.7p的相关性最好,与F10.7的相关性次之,与SSN的相关性稍弱;秋季VTEC与太阳活动的相关性最好(MaxF10.7p=0.92232,MaxSSN=0.85575),冬季VTEC与太阳活动的相关性最差(MinF10.7p=0.79028,MinSSN=0.72703)．需要注意的是,本文仅研究了第24太阳活动周武汉地区电离层VTEC的一些变化特征,更长时段和更大范围的VTEC变化监测有待搜集更多的资料做进一步研究．

致谢:感谢CMONOC提供的GPS双频观测数据以及NGDC提供的太阳活动数据．