电离层小尺度因素对无线电大气掩星弯曲角的影响

李明哲，乐新安*

（1.中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室；2.中国科学院地球科学研究院；3.中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外观测研究站；4.中国科学院大学地球与行星科学学院：北京 100029）

0 引言

随着全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）的逐渐完善，GNSS信号已成为一种重要的大气探测信号源。与此同时，基于GNSS的无线电掩星（radio occultation,RO）技术也获得长足发展。在过去25年的时间里，大量的掩星项目得以开展，并取得了一系列丰硕成果[1-7]。无线电掩星技术的基本原理是：在低轨卫星上搭载高动态GNSS接收机接收GNSS卫星发射的电磁波信号；地球电离层及中性大气层对电磁波信号的折射作用会使信号路径会发生弯曲，从而形成掩星事件；对于大气掩星而言，由于测量的载波相位观测值中包含了大气折射信息，所以通过相关计算及反演，能够得到大气折射率、密度、温度、气压等一系列重要参数[8]。当处于大气掩星探测状态时，GNSS接收机能够以50 Hz 甚至更高的采样率进行观测，并将采集到的数据以压缩格式存放，随后在低轨卫星经过地面站时通过下行通道将数据传送给地面站，最终传送到掩星数据处理中心用于计算和分析。无线电掩星技术具有全球覆盖、长期稳定、全天候、高精度、高垂直分辨率等特点，能够弥补传统大气探测手段探测间隔过长、易受云雾影响、海洋地区覆盖不足等问题，加之相对低廉的成本，使其能够为天气、气候及全球变化等相关研究提供大量有效数据[9]。

尽管无线电掩星技术具有诸多优势，有助于对天气及气候的相关研究，但是在无线电掩星观测及数据处理过程中，各种误差，如卫星星历误差、卫星时钟误差、信号噪声、电离层影响、反演算法误差等[10]，会不同程度地对数据结果产生影响。其中，电离层误差是重要的误差源之一，如果不对其进行妥善处理，则难以获得高精度的弯曲角及大气剖面信息，进而影响到无线电掩星数据产品的应用。在进行掩星大气探测过程中，由GNSS卫星端发射的信号会穿过电离层进入中性大气层，再返回电离层并最终被低轨卫星接收机接收。信号在传播过程中会受到电离层及中性大气层折射率梯度的影响发生路径弯曲。对于无线电大气掩星而言，由中性大气造成的信号弯曲是反演大气参数所需的有效信息，而由电离层造成的信号弯曲则成为误差源。尽管现有的基于相同碰撞高度的弯曲角双频线性组合能够有效减弱电离层一阶项的影响，但不能将电离层的影响完全消除[11]。目前电离层对大气掩星的影响主要表现在两个方面：一方面，因为弯曲角线性组合改正没有顾及双频信号路径分离、Appleton-Hartree方程中地磁场项及低轨卫星处折射率≠1等方面，至使弯曲角在经过线性组合后仍会残留一部分电离层影响，这一部分影响通常被称为电离层残余误差；另一方面，由于电离层中小尺度结构，诸如Es层及F层不均匀体的存在，会对穿过其中的GNSS信号产生幅度或相位上的影响，该影响同样无法被弯曲角线性组合消除[12]。针对电离层残余误差，国内外已有不少学者进行了相关的特性及改正研究，并取得了一定成果[13-15]；而对于电离层小尺度结构的影响，现有成果主要集中于研究其对无线电大气掩星个例的影响[16]，缺少其对大气掩星影响的统计研究，因此有必要从统计上对电离层小尺度因素的影响进行更为详尽的探究。

本文着重关注Es层和F层不均匀体这两种电离层小尺度因素在中低纬地区对无线电大气掩星弯曲角的影响。一般认为，在瑞利-泰勒不稳定性作用下，在低纬电离层F 层底部形成上涌等离子体密度空腔结构，该结构破碎后会形成各种尺度的电离层不均匀体[17]。Es层发生在高度约90～120 km 之间，为厚度数百到数km、水平尺度可达数百至数千km 的薄等离子层。Es层主要由金属离子组成，其离子浓度显著高于电离层E 层的背景离子浓度，一般认为在中低纬地区其形成机理可以由风剪切理论解释[18]。目前对于这两种不规则体，已有较为广泛的研究，无论是测高仪、相干/非相干散射雷达还是GNSS地基接收机，均能对其进行观测[19]。而随着无线电掩星项目的开展，无线电掩星技术也已成为观测这两种小尺度结构的有效手段。Brahmanandam 等基于气象、电离层及气候观测星座（Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate, COSMIC）研究了太阳活动低年的F层不均匀体高度分布特征[20]；Carter 等利用COSMIC提供的S4闪烁指数研究了F层不均匀体随经度及季节的变化特性[21]；Wu 等基于挑战性小卫星有效载荷（Challenging Minisatellite Payload,CHAMP）观测研究了Es层随纬度、地方时、高度及季节的变化特性[22]；Arras等及Chu 等均基于COSMIC观测对Es层的全球分布特性进行了有效研究[23-24]；Yue 等基于COSMIC提供的S4闪烁指数研究了Es层与掩星信号失锁间的联系[25-26]。以上研究表明，无线电掩星技术作为一种新兴的临近空间探测手段能够对Es层及F层不均匀体进行有效研究，尤其是在研究二者的分布特征时，基于该技术的高垂直分辨率及全球分布特性，能够取得较好的效果。但与之对应的是，针对Es层和F层不均匀体影响GNSS无线电掩星的研究还十分匮乏。

鉴于此，本文着重研究电离层小尺度因素对GNSS无线电大气掩星弯曲角的影响。首先对无线电掩星数据及实验研究方法进行简要介绍；随后从个例上分析Es层及F层不均匀体对无线电大气掩星弯曲角的影响；最后计算弯曲角不同高度范围内的偏差标准差，通过标准差与Es层及F层不均匀体发生率的统计对比，推知电离层小尺度结构能够影响到的高度范围。

1 数据和研究方法

1.1 无线电掩星数据介绍

本文主要采用美国大学大气研究联合会（University Corporation for Atmospheric Research,UCAR）下属COSMIC数据处理存储中心（COSMIC Data Analysis and Archive Center,CDAAC）提供的COSMIC掩星数据进行研究。作为有史以来最为成功的无线电掩星项目之一，在过去的16年时间里，COSMIC已经提供了数以百万计的大气及电离层参数剖面，为空间天气、天气及气候学研究提供了丰富的数据。该项目包含6颗轨道高度约800 km 的低轨卫星，每颗卫星均搭载GPS信号接收机并包含4个独立的GPS天线，其中：2个高增益掩星天线用于向下方接收50 Hz 采样率的大气探测信号，而调制在该高频信号上的载波相位可用于后续的大气参数剖面反演；另外2个定轨天线安装在15°仰角的位置，用于接收1 Hz 采样率的信号，基于该信号可进行卫星精密定轨，电离层剖面及电离层闪烁指数等的计算。本研究主要利用COSMIC 2012年的观测数据，基于CDAAC发布的电离层闪烁指数文件（scnLv1）提供的S4闪烁指数来计算Es层及F层不均匀体的发生率，基于大气相位文件（atmPhs）提供的时间信息、卫星轨道信息及剩余相位来反演大气弯曲角，基于大气参数剖面文件（atmPrf）提供的弯曲角偏差标准差来表征大气弯曲角的振荡情况。

1.2 研究方法

本文从个例分析及统计对比两方面研究电离层小尺度因素对无线电大气掩星弯曲角的影响。在进行个例分析时，选取正常掩星事件、受Es层影响事件及受F层不均匀体影响事件3类个例，对比研究这两种电离层小尺度因素影响在个例中的表现。在确认个例事件类型时通过电离层闪烁指数文件提供的S4闪烁指数最大值及最大闪烁发生高度来判断该掩星事件是否受电离层不规则体的影响：当S4闪烁指数最大值≥0.3且发生高度位于50～150 km 时，认为该掩星事件受Es层影响；当S4闪烁指数最大值≥0.3且发生高度位于150～600 km时，认为该掩星事件受F层不均匀体影响；而闪烁指数＜0.3的掩星事件被认为是正常掩星事件。在进行统计研究时，因为大气弯曲角振荡同时受Es层和F层不均匀体影响，所以我们不对这两种结构进行区分，而是基于电离层闪烁指数文件计算二者的共同发生率，认为当S4闪烁指数最大值≥0.3且发生高度位于50～600 km 时该掩星事件受电离层小尺度因素影响；同时基于大气参数剖面文件进行弯曲角振荡情况的统计，文件中的“smean”参数被用来表征弯曲角振荡情况。“smean”参数由COSMIC大气观测弯曲角与美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research, NCAR）气候学模式弯曲角在高度60～80 km 范围内的偏差标准差计算得来，能够在一定程度上反映大气弯曲角受电离层小尺度因素影响产生的振荡情况。在完成该高度范围内的弯曲角振荡统计后，我们尝试基于大气相位文件进行大气弯曲角反演，并按高度区间进行划分，计算60 km 以下高度区间内的大气弯曲角偏差标准差，以进一步探究电离层小尺度因素能够影响到的高度范围。

2 个例分析

为初步了解电离层小尺度因素对无线电大气掩星的影响，本文首先进行个例分析。图1展示了发生于2012年的3个COSMIC大气掩星事件，图1(a)(b)(c)依次为正常掩星事件、受Es层影响事件及受F层不均匀体影响事件，各图中从左至右依次为由该掩星事件反演所得的L1、L2和线性改正后（linear-combination,LC）的弯曲角，L1信号信噪比，以及电子密度剖面。基于掩星L1信号的信噪比及掩星事件反演所得的电子密度剖面信息，能够判断一个掩星事件是否受到电离层小尺度因素的影响。

图1 2012年COSMIC无线电大气掩星事件个例Fig.1 Example of three cases occurred in 2012(data source from COSMIC)

从图1(b)可以看到，该掩星事件的L1信号信噪比在100～110 km 高度范围内出现了强烈的振荡，在反演所得的弯曲角中出现了与之对应的“U”型结构，该高度范围符合Es层发生的高度范围，因此认为该掩星事件受Es层的影响。从图1(c)可以看到，由该掩星事件反演所得的弯曲角出现了强烈抖动，对应的电子密度剖面同样发生了强烈抖动，且抖动出现在整个剖面范围内，因此认为该掩星事件受到了F层不均匀体的影响。与图1(b)和图1(c)相比，图1(a)的掩星事件无论是信噪比还是电子密度剖面都没有表现出强烈的抖动，L1、L2及LC弯曲角亦没有出现明显的“U”型结构，因此我们认为该事件没有受到电离层小尺度因素的严重影响。对比图1(b)和图1(c)的掩星事件可以发现，Es层对掩星弯曲角的影响主要集中在约110 km 高度，而F层不均匀体的影响则造成了整个弯曲角剖面的抖动。这主要是因为相对于F层不均匀体而言，Es层较薄，当无线电信号接近垂直地穿过其中时，Es层对信号的影响有限；然而，对于切点高度位于Es层附近的掩星射线而言，由GNSS卫星端发出的信号在接近切点时几乎与Es层平行，因此该高度范围内的信号受Es层影响会较为严重，从而表现出明显的“U”型结构。对于F层不均匀体而言，由于其高度上分布较广，所以对于穿过其中的无线电信号会有一个长时间的影响，进而导致弯曲角剖面整体上的振荡[27]。为了进一步确认，我们提取了与这3个掩星事件对应的电离层闪烁指数文件中的参数，它们的S4闪烁指数最大值分别为0.07、0.34及0.30，对应发生高度分别为105.52、104.54及313.62 km。基于前文提到的判断标准，可以进一步确认图1(b)和图1(c)的掩星事件受到了电离层小尺度因素的影响，进而使由掩星事件反演所得的大气弯曲角也受到影响，这促使我们进一步从统计上研究电离层小尺度因素与无线电大气掩星弯曲角间的联系。

3 统计研究

从掩星事件的个例分析结果来看，Es层及F层不均匀体会对无线电大气掩星弯曲角产生影响，具体表现为弯曲角的“U”型结构及强烈抖动。为了进一步研究电离层小尺度因素的影响，选取了COSMIC 2012年的掩星数据进行统计研究。基于电离层闪烁指数文件进行电离层小尺度不均匀体发生率的计算，同时利用“smean”参数表征弯曲角振荡程度。图2(a)和图2(b)分别给出了在地理坐标系和地磁坐标系下，Es层和F层不均匀体发生率在中低纬地区的变化特征，各图中从左至右依次为发生率的全年、分季（3,4,9,10月）、北半球夏季（5,6,7,8月）及北半球冬季（1,2,11,12月）的分布特征。

图2 Es层和F层不均匀体发生率随经/纬度及地磁纬度-磁地方时分布情况Fig.2 Geographical(a)and geomagnetic(b)distributions of the Es and F layer irregularity occurrence rate in all year round,equinox,northern summer,and northern winter

从图2可以看到电离层小尺度因素在全年及分季的分布特征较为相似：在地理坐标系下，二者均在北半球纬度20°～40°之间发生较多，发生率可以达到25%左右，在南半球也多发于纬度20°～40°之间，但在经度上表现为75°W～150°W 之间高发，在0°～75°E 之间出现发生率低谷；在地磁坐标系下，二者均从磁地方时14时开始，在北纬20°～南纬20°之间表现出高发特性，且在午夜前后表现出纬向的峰状高发特性。从北半球夏季与冬季的发生率对比可以看到电离层小尺度因素表现出夏季高发的特性，无论是在地磁坐标系下还是地理坐标系下，发生率高峰均出现在夏季半球，且峰值发生率可以达到50%以上。总体而言，图2展示的发生率特征表现出明显的随经/纬度、地磁纬度-磁地方时及季节变化的特性，该结果与之前学者的研究结果也较为吻合[20-24]。

图3展示了大气掩星弯曲角在60～80 km 高度范围内的标准差统计结果。可以看到，与小尺度因素发生率的统计结果相比，两者特征十分相似：从全年和分季特征来看，在地理坐标系下弯曲角振荡在南北半球纬度20°～40°之间均出现了显著的增强；在地磁坐标系下，弯曲角振荡表现出了同样的午后高发特性，且午夜时在纬向上显著增强。从北半球夏季和冬季的对比也可以看出，弯曲角振荡表现出了明显的夏季半球增强，同时在赤道地区午夜前后增强的特性。

通过图2与图3的对比，我们认为电离层小尺度因素发生率分布特征与弯曲角振荡分布特征能够较好吻合，从而验证了Es层及F层不均匀体对无线电大气掩星弯曲角影响的存在。根据Es层及F层不均匀体的分布特征，可以认为Es层对于弯曲角夏季半球的增强起到了重要作用；而由于F层不均匀体在低纬地区的午夜高发特性，认为其对这一时间段纬向的弯曲角振荡增强起到了重要作用。值得注意的是，地理坐标系下，在南半球纬度60°左右、经度75°E～150°E的区域出现了较为显著的弯曲角振荡增强，推测与这一区域内Es 层和F层不均匀体的同时高发相关。这一现象也被Wu 基于多项目的掩星观测数据观察到[27]，但是由于F层不均匀体在这一区域发生率要低于Es层，所以电离层小尺度因素的整体发生率不高，从而导致该区域电离层小尺度因素整体发生率较低而大气弯曲角振荡较明显的反差情况。总体而言，图2和图3的对比结果表明电离层小尺度因素对大气掩星弯曲角在60～80 km 的高度范围内有显著影响。

在完成该高度范围内的弯曲角振荡统计后，我们尝试基于2012年的COSMIC 大气相位文件进行大气弯曲角反演，并按高度区间进行划分，计算60 km 以下高度区间内的大气弯曲角偏差标准差，以便进一步探究电离层小尺度因素能够影响到大气弯曲角的高度范围。首先按10 km 间隔划分出3个高度区间，即50～60 km、40～50 km 及30～40 km，并计算各区间内的弯曲角偏差标准差，以初步探究电离层小尺度因素对大气弯曲角影响所能够下探到的高度，其在地理坐标系及地磁坐标系下的结果分别如图4和图5所示。

图4 弯曲角振荡在30～60 km 高度区间随经/纬度分布情况Fig.4 Geographical distribution of the bending angle oscillation between 30 and 60 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

图5 弯曲角振荡在30～60 km 高度区间随地磁纬度-磁地方时分布情况Fig.5 Geomagnetic distribution of the bending angle oscillation between 30 and 60 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

由图4和图5可见：弯曲角振荡现象在高度50～60 km 及40～50 km 区间仍较为明显，在图4中仍能看出弯曲角振荡的季节变化特性，与图3的结果类似，振荡增强出现在夏季半球地磁纬度20°～40°之间，且在南半球纬度60°左右、经度75°E～150°E 的区域表现出明显的振荡增强；图5中的弯曲角振荡情况亦能表现出较为明显的随地磁纬度-磁地方时的变化特征，季节变化明显；然而在30～40 km 的高度范围内，弯曲角振荡特征与电离层小尺度因素的联系不再明显，弯曲角偏差较大的区域主要出现在低纬地区磁赤道附近及夏季半球的中纬度地区。我们推测认为在此高度区间，电离层影响弯曲角的量级与该高度区间大气造成信号弯曲的量级相当，以至于气候学模式弯曲角与中性大气观测弯曲角偏差的影响在这一高度区间开始凸显，从而减弱了电离层小尺度因素影响在这一高度区间的特征表现。图4和图5的结果说明电离层小尺度因素对大气掩星弯曲角的影响能够下探到30～40 km 的高度区间。

为了进一步明确小尺度因素能够影响到的高度范围，将30～40 km 高度区间细分为30～35 km 及35～40 km 两个区间，并再次计算2012年COSMIC大气弯曲角的偏差标准差，具体统计结果如图6和图7所示。从图中可以看到，在35～40 km 的高度区间内，大气弯曲角振荡仍能表现出随经/纬度、地磁纬度-磁地方时及季节变化的特征，但是在30～35 km 的高度区间内电离层小尺度因素的影响不再明显，仅在地磁低纬地区午夜出现纬向的振荡增强。推测是F层不均匀体的影响可以下传到这一高度区间，但不及35 km 之上区域的影响明显。

图6 弯曲角振荡在30～40 km 高度区间随经/纬度分布情况Fig.6 Geographical distributions of the bending angle oscillation between 30 and 40 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

图7 弯曲角振荡在30～40 km 高度区间随地磁纬度-磁地方时分布情况Fig.7 Geomagnetic distributions of the bending angle oscillation between 30 and 40 km in all year round,equinox, northern summer,and northern winter

4 结束语

本文研究了电离层小尺度因素对无线电大气掩星弯曲角的影响，通过个例分析，统计Es层及F层不均匀体发生率及弯曲角不同高度区间内的偏差标准差，研究了电离层小尺度因素与大气掩星弯曲角振荡之间的联系。结果表明，Es层和F层不均匀体能够对无线电大气掩星弯曲角产生影响，该影响无论从个例还是统计结果中都有所表现。在中低纬地区，日间弯曲角受Es层和F层不均匀体影响；午夜前后，大气掩星事件主要受F层不均匀体影响，表现出了明显的弯曲角振荡增强。通过反演弯曲角并计算不同高度区间内的弯曲角偏差标准差，探究了电离层小尺度因素能够影响弯曲角的高度范围，结果表明与Es层及F层不均匀体相关的弯曲角振荡在35 km 以上的高度区间表现明显。

本研究可为后续修正电离层小尺度因素对弯曲角的影响及大气掩星数据处理的优化提供一定参考。