中国东部地区电离层foF2在第22-23太阳活动周时空变化特性

蓝加平，刘凯，朱正平

（中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074）

电离层是地球周围高层大气的一部分，距地球表面约60～1000 km 的范围内.其中的中性气体由于受太阳紫外线和X 射线辐射、其他紫外辐射和宇宙射线中高能粒子的碰撞等作用而形成的具有离子和自由电子共存的等离子体层.电离层对高频电磁波产生很强的折射、反射和散射效应，电离层与高频无线电波的这种相互作用是研究电离层结构特性和运动变化的重要手段.其中，电离层F2 层临界频率（即foF2）是一个非常重要的电离层特征参数，在各种民用和军事应用，比如高频通信，超视距雷达跟踪、广播、导航、定时、测距、定位和频谱管理等方面都发挥着重要作用.foF2 通常是通过电离层测高仪以垂测的方式获取的电离层数字频高图经过标定和反演得到.

目前，国内外研究学者对foF2 的参数特性进行了大量研究，取得了一些有意义的分析研究成果.WANG 等［1］利用海南测高仪的数据研究了中国低纬地区电离层F2 层峰值参数foF2 和hmF2 的变化特性，并与IRI 进行了对比分析；为了提高foF2 定量预测的精度，WANG 等［2］提出了一种基于混沌的自适应预测技术，使得foF2 提前1 小时的预测精度大大提高；MOŠNA 等［3］提出了一种综合采用电离层观测数据、地磁和太阳通量数据标定分析电离层临界频率的高效方法；ZHANG 等［4］利用海南地区F2 层峰值参数foF2 和hmF2 等研究了低纬电离层的行为特征；BILITZA 等［5］利用非洲的两个赤道台站研究了赤道电离层foF2 的月变化特性；马瑞平等［6］利用东亚和澳大利亚扇区不同地磁纬度台站和两个极区台站1974-1986 年电离层垂直探测数据，分析研究了foF2 半年变化特征；徐彤等［7］建立了foF2 月谱模型并把多个台站相应的单站谱模型与IRI 进行了比较分析；杨君等［8］利用位于美洲扇区磁赤道地区Jicamarca 台站的foF2 数据研究了赤道地区foF2 的变化特性；王国军等［9］通过对一个太阳活动周（2002-2012 年）期间海南观测站数字测高仪DPS-4D 观测到的foF2 在低地磁扰动条件下的月中值日变化、季节变化和年变化进行了统计分析，并与相应的IRI-2012 模型预报值进行了对比研究；王世凯等［10］通过拟合国际参考电离层模型得到“等效太阳黑子数”，并利用kriging 技术完成了区域电离层重构；徐中华等［11］对南极中山站电离层测高仪1995-2002 年foF2 月中值进行了统计分析，揭示了中山站电离层foF2 的主要特征；朱正平等［12］利用三亚台站2013 年电离层foF2 观测数据，研究了foF2 的混沌特性及其预测；郭晓燕等［13］对沈阳站电离层测高仪2009-2012 年foF2 月均值进行了统计分析，揭示了沈阳站电离层foF2 的日变化和年变化特征；何劲等［14］利用多个垂测站数据分析了1964-1976 年期间foF2 正午值、子夜值的季节变化和逐年变化以及它们同太阳黑子数的关系；梁奉超等［15］利用2005-2007 年广州、海口和重庆三个台站的foF2 数据，研究了foF2 日变化、季节变化和foF2随太阳活动的变化规律，以及空间天气事件如磁暴对foF2 的影响；陈春等［16］提出了一种以中国参考电离层为背景的中国地区电离层foF2 的区域重构方法.

本文利用中国地区5 个台站1995-2006 年期间覆盖一个太阳活动周期的每天整点foF2 观测数据，分析了中国地区foF2 年变化，月变化，季节变化和日变化特性，并研究了它们与地理纬度，太阳活动以及与地磁活动的依赖关系.

1 数据

观测数据均由中国电波传播研究所提供.共5 个台站，从北到南分别是满洲里（49.58°N，117.43°E），长春（43.87°N，125.25°E），北京（39.98°N，116.37°E），广州（23.12°N，113.27°E）和海口站（20.03°N，110.33°E）.时间跨度为1995-2006 共12 年的观测数据，覆盖第22-23 太阳活动周内.foF2 观测值每小时1 个，每天共有24 个观测值，同时，数据集中还包括foF2 月中值、上四分点值和下四分点值，以及每个月的实际观测天数.本文所用地磁活动指数和太阳活动指数的数据均由http：//irimodel.org/网站下载.

2 22-23太阳活动周foF2变化特征

2.1 纬度变化

5 个观测台站经度都在110°E 左右，相差较小，基本都在1 个时区以内，且经度变化更多地是以地方时的变化表现出来，因此，这里主要讨论foF2 的纬度变化特性.图1 所示是5 个台站foF2 月中值随年份和本地时间的变化，图中不同台站的foF2 统一了刻度，横坐标是观测年份，1995-2006 共12 年，纵坐标是本地时间（Local Time，LT）.从纵向看，满洲里站纬度最高（49.58°），foF2 值相对最小，海口纬度最低（20.03°），foF2 值相对最大.随着纬度逐渐减小，foF2 对应的值是逐渐增大的，说明foF2 具有较强的地理纬度依赖性，表现为负相关特性，纬度越低，foF2值越大.从横向上看，即从某一个台站连续多年的观测数据上来看，foF2 也呈现出明显的月变化和季节变化特征.

图1 5个台站foF2月中值随观测年份和本地时间的变化Fig.1 The variation of foF2 monthly median with the year and local time

为了清楚地观察foF2 在不同纬度上的季节变化细节，我们选取了2000 年5 个台站的观测数据，分三个季节进行研究，每个季节4个月，分别是夏季（5 月，6 月，7 月和8 月，其中含夏至6 月），春秋季（3 月，4 月，9 月和10 月，其中含春分3 月和秋分9 月）和冬季（1 月，2 月，11 月和12 月，其中含冬至12月）.图2给出了2000年5个台站foF2均值的季节变化.从图中可以看出，3 个季节中，foF2 均值的变化趋势整体是一致的，但具体细节不同.3 个季节中，春秋季foF2 值最大，冬季次之，夏季最小，以广州站18LT 时为例，春秋季、冬季和夏季的foF2 最大值分别为16.44 MHz、15 MHz 和14.44 MHz，显示出“半年异常”，即两分点大于两至点，在白天显示出“冬季异常”，即冬天大于夏天，但在夜间，夏天值比冬天大，“冬季异常”现象没有出现.5 个站中，满洲里、长春和北京3个高中纬站变化走势一致，广州和海口2个低纬站变化走势一致.

图2 5个台站在2000年3个季节中foF2日均值变化Fig.2 The variation of foF2 daily mean value in the three seasons in 2000 in the five stations

2.2 年变化和日变化

为了展示foF2 年变化特性，选取北京站1995-2006 共12 年的观测数据进行研究.图3 所示是北京站1995-2006 年foF2 日均值的年变化，从图中可以看出，foF2 各年内变化形态一致，但数值不同，自1995年开始，foF2值逐年增大，到2000年达到最大，维持该水平持续到2002 年，然后又逐年下降，直至2006 年降到最小.为了观察年内以及年间的变化细节，抽取上述1997-1998 年的数据示于图4，可以看出，两年内的变化形态一致，数值大小不同；各年内，逐日不同，但显示出明显的半年变化特征，即3-4 月和9-10 月是两个级别相当的峰区，5-8 月是值稍大的谷区，1-2 月以及11-12 月是值最小的谷区，这与图2的观测结果也是一致的，显示了“半年异常”.

图3 北京站1995-2006年foF2日均值年变化Fig.3 The annual variation of foF2 daily mean value during 1995-2006 in Beijing station

图4 北京站1997-1998年foF2日均值的逐日变化Fig.4 The day-to-day variation of foF2 daily mean value during 1997-1998 in Beijing station

为了详细研究foF2 日变化，北京站1995 年foF2年均值的日变化示于图5，可以看出，1-6 LT 时其值下降，到6 LT 时达到全天最小值，然后上升，到13 LT 时达到全天最大值，然后一直持续下降直到24 LT时，即foF2白天大，夜晚小.

图5 北京站1995年foF2年均值的日变化Fig.5 The daily variation of annual mean value in 1995 in Beijing station

2.3 太阳活动变化

foF2 观测数据覆盖了1995-2006 年，属于第22-23 个太阳活动周，表1 所列是这12 年太阳活动指数F107的统计值.

从上述对图1和图3的分析知道，foF2年内变化趋势一致，但逐年变化较大，这可能与太阳活动水平有关.由于现有foF2 观测数据正好覆盖一个太阳活动周，有利于研究foF2 与太阳活动的相关关系.图1（c）表示的是北京站1995-2006 年foF2 月中值变化，图6对应给出了1995-2006年太阳活动指数变化情况，从图中可以看出，1995-1997，2005-2006 太阳活动指数F107 年均值都小于100，相应的foF2 也相对较小，1998-1998，2003-2004年太阳活动指数处于中等水平，foF2 值相对变大，2000-2002 年太阳活动指数F107 达到最大值时，foF2 也达到最大，在图2（c）中显示出了较大值的红色，因此，foF2 对太阳活动的依赖性是十分明显的.

图6 北京站1995-2006年太阳活动指数F107Fig.6 The solar activity index F107 during 1995-2006 in Beijing station

为了定量展示foF2 和太阳活动的相互依存关系，对它们进行拟合运算.图7（a）所示是太阳活动低年（1995 年）F107 与foF2 月中值散点图以及它们的拟合曲线，图7（b）所示是太阳活动高年（2000年）F107 与foF2 月中值散点图以及它们的拟合曲线，从图中可以看出，不管是在太阳活动低年，还是在太阳活动高年，foF2 与F107 散点较为集中，所拟合的曲线也较为相似.

图7 北京站太阳活动低年（1995年）和太阳活动高年（2000年）F107和foF2散点图以及拟合曲线Fig.7 Scatterplots and their fitting curve of foF2 and F107 in low solar activity year（1995）and high solar activity year（2000）

2.4 月变化和季节变化

为了研究foF2 月变化和季节变化，选取北京站在太阳活动低年（1995 年）和太阳活动高年（2000 年）foF2 月均值进行对比分析.图8 显示的是北京站1995 年和2000 年1-12 月foF2 月均值的变化，横坐标是本地时间LT，纵坐标是foF2 月均值，图中红实线代表1995 年foF2 月均值曲线，绿实线代表2000 年foF2 月均值曲线，蓝虚线代表两者的差值曲线.从图中可以看出，foF2 在太阳活动低年和高年都呈逐月变化特征，变化形态相似；每个月内，foF2 在太阳活动高年值均高于太阳活动低年值，其差值形状在12 个月中都极其相似，类似于一个常数值曲线；12 个月中，根据数值大小和曲线形状，可以自然地将它们分成三组，一组包括1 月，2 月，11 月 和12 月，二 组包括5 月，6 月，7 月和8 月，三组包括3 月，4 月，9 月和10 月，这三组刚好与3 个季节吻合，即冬季，夏季和春秋季.

图8 北京站foF2均值在太阳活动低年1995年和太阳活动高年2000年的逐月变化Fig.8 The monthly variation of foF2 mean value in low solar activity year 1995 and high solar activity year 2000

表1 1995-2006年太阳活动指数统计值Tab.1 The statistical value of solar activity index for 1995-2006

为了研究月变化中所表现出来的季节变化，我们将1995 年太阳活动低年的foF2 在3 个季节中每一时刻的值用图9（a）-（c）表示出来，类似地，太阳活动高年2000 年示于图9（d）-（f），图中红色散点表示不同季节中各个时刻的foF2 值，绿色实线表示它们的平均值，蓝色竖棒表示标准差.从图9 可以看出，在3 个季节中，foF2 在太阳活动高年值都是大于对应的太阳活动低年值；3 个季节中，无论是在太阳活动低年，还是在太阳活动高年，春秋季foF2 值最大，冬季次之，夏季最小.

图9 北京站1995年太阳活动低年foF2在夏季，春秋季和冬季的变化（a）-（c），2000年太阳活动高年夏季，春秋季和冬季变化（d）-（f）Fig.9 The foF2 variation in summer，equinox and winter in low solar activity year 1995 in Beijing station（a）-（c），and in high solar activity year 2000（d）-（f）

2.5 地磁活动变化

为了研究foF2 与地磁活动的相关性，我们选择了北京站太阳活动低年1995 年和太阳活动高年foF2 观测数据，分3 个季节与地磁活动指数Kp 进行了对比分析，分别示于图10 和图11.在图10 和图11中，总体情况是，地磁活动大的区域，foF2 相对也较大，如图10（c）和图11（c）所示；具体细节上，在不同的太阳活动和不同的季节，foF2和Kp指数都是逐日逐月变化的，但它们的变化趋势并不一致，也就是说并无正相关或负相关的相关关系.因此，foF2的日变化，月变化，季节变化与地磁活动依赖性弱，或者说，即使有一定的相关性，也是体现在地磁活动受太阳活动影响，进而表现在foF2的相应变化上.

图10 北京站1995太阳活动低年3个季节foF2和地磁活动指数Kp的变化Fig.10 The comparison of foF2 with the geomagnetic activity index Kp in the three seasons in low solar activity year 1995

图11 北京站2000太阳活动高年3个季节foF2和地磁活动指数Kp的变化Fig.11 The comparison of foF2 with the geomagnetic activity index Kp in the three seasons in high solar activity year 2000

3 结论

通过中国从北到南5 个台站1995-2006 共12 年覆盖一个太阳活动周期的foF2 每日整点foF2 观测数据，再结合同时期的太阳活动和地磁活动观测数据，分析研究了foF2 的纬度，太阳活动，地磁活动，日变化，月变化，季节变化，半年变化和年变化特征.这些特征包括：

（1）地理纬度变化.foF2具有较强的地理纬度依赖性，表现为负相关特性，纬度越低，foF2值越大.

（2）半年变化和季节变化.foF2 春秋季最大，冬季次之，夏季最小，显示出“半年异常”现象，即两分点大于两至点，在白天显示出“冬季异常”，即冬天大于夏天，但在夜间，夏天值比冬天大，“冬季异常”现象在夜晚没有出现.

（3）年变化和太阳活动变化.foF2年内变化趋势一致，但逐年变化与太阳活动密切相关，分析发现逐年变化与太阳活动具有较强的正相关关系，太阳活动越大，foF2值也会越大.

（4）日变化和地磁活动变化.foF2 白天大，夜晚小，逐日不断变化，但与地磁活动依赖性较小.

这些分析结果对中国地区foF2 应用、模式修正和预测预报等提供重要的参考依据.