蔡超軍，曹 靜，黃 江， 黃林峰，鄧柏昌，徐 杰

(1.華南理工大學理學院，廣東 廣州 510640;2.廣州氣象衛(wèi)星地面站，廣東 廣州 510640)

利用GPS觀測數(shù)據(jù)和IRI模型對比分析太陽活動低年廣州地區(qū)電離層TEC變化

蔡超軍1，曹 靜2，黃 江2， 黃林峰1，鄧柏昌1，徐 杰2

(1.華南理工大學理學院，廣東 廣州 510640;2.廣州氣象衛(wèi)星地面站，廣東 廣州 510640)

電離層TEC是描述電離層特性的一個重要參量，利用GPS觀測數(shù)據(jù)（包括廣州站接收的GPS-TEC數(shù)據(jù)和國際GNSS提供的IGS-TEC數(shù)據(jù)）與IRI-2007模型計算的TEC預測值對太陽活動低年2008年的廣州地區(qū)TEC周日和季節(jié)變化以及年變化特征等進行了多方面的對比分析。結果表明：TEC觀測值白天較高且變化迅速，夜間較低且變化緩慢，同時表現(xiàn)出明顯的季節(jié)依賴性和半年變化特性，全年在春秋分季節(jié)出現(xiàn)兩次峰值，IRI-TEC預測值能較好地反映GPS觀測值，但局部上也存在著一些偏差，并對其中的物理機制和產(chǎn)生差異的原因給出了合理的分析和解釋。

電離層；TEC；觀測值；預測值；模型

0 引言

電離層電子濃度總含量（TEC）是以底面為一個單位面積，沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體中所包含的總電子數(shù)，無論是在電離層物理的理論研究中，還是在電離層電波傳播的實際應用中，TEC都是非常有研究價值的一個參量。TEC的空間及時間分布，反映了電離層的主要特性，因此通過探測和分析電離層TEC參量，可以研究電離層不同時空尺度的分布與變化特性，如電離層擾動，電離層的周日、逐日變化，電離層年度變化，以及電離層的長期變化等。電離層的觀測與研究已有近百年的歷史，許多研究者進行了大量的實際觀測和理論研究，有關電離層的模式也多種多樣，既有經(jīng)驗模式，也有理論模式；既有具體層區(qū)的模式也有具體地理區(qū)域上空的電離層模式，其中應用比較廣泛的是國際參考電離層（IRI）模型。

本文通過選取廣州地區(qū)（23.2°N，113.3°E）上空的電離層為研究對象，利用廣州站GPS雙頻接收機電離層TEC數(shù)據(jù)（GPS-TEC），統(tǒng)計分析TEC年變化，季節(jié)變化以及周日變化特征，與IRI-2007模型計算得到的TEC預測值（IRI-TEC）進行對比分析，并利用國際GNSS提供的TEC數(shù)據(jù)（IGS-TEC）進行了多方面對比驗證，重點分析了TEC預測值與觀測值之間的相關性和差異性，并對差異產(chǎn)生的原因進行分析。

1 IRI模型簡介

IRI模型是一個全球的電離層經(jīng)驗模式，是利用全球地面幾百個電離層觀測站及衛(wèi)星的觀測資料，在國際空間研究委員會 (COSPAR)和國際無線電委員會 (URSI)的聯(lián)合資助下，從60年代后期開始由IRI工作組通過40多年的努力，利用可以得到的數(shù)據(jù)資料（包括非相干散射雷達、衛(wèi)星資料、探空火箭資料等）建立的標準經(jīng)驗模型，其版本不斷更新，目前IRI的最新版本是IRI-2007，它融匯了多個大氣參數(shù)模型，引入了太陽活動和地磁活動指數(shù)的月平均參數(shù)，描述了電離層在地磁寧靜條件下特定時間、特定地點上空60～2 000 km范圍內(nèi)的電子密度，臨界頻率，電子溫度，離子溫度，離子成分和總電子含量等月平均值[1，2]。IRI模型把電子密度剖面劃分為六個區(qū)域，分別是：頂部、F2層、F1層、中間區(qū)域、E層峰和谷、E層底部和D層，其區(qū)域邊界由電子密度剖面特征參數(shù)確定。它通過電離層參量計算各區(qū)域的電子密度剖面函數(shù)，最后由電子密度剖面函數(shù)積分間接得到TEC[1]。

IRI模型是一種統(tǒng)計預報模式，反映平靜電離層的平均狀態(tài)，能夠給出較好的給出全球電離層形態(tài)。該模型也適用于實時快速的GPS接收機定位時進行電離層延遲改正，同時，該模型不受地域的限制，適用于全球的任何地方。早期版本的IRI模型在計算TEC值時出現(xiàn)過不同程度的偏差[4]，而新版本IRI-2007是在前一版本IRI-2001頂層電子密度模型做了改善而來,模式采用了最新的NeQuick模型計算頂層電子濃度，使得IRI模型對于頂層電子濃度有較好的預測效果。

2 數(shù)據(jù)收集與處理方法

從2005年起，廣東省氣象局、廣東省國土資源廳共同建設了廣東地區(qū)GPS-TEC接收基站，目前共有24個站點分別位于廣東省內(nèi)各地，連續(xù)監(jiān)測TEC數(shù)據(jù)已有5年以上。利用偽距觀測值和載波相位數(shù)據(jù)可分別計算電離層絕對TEC和相對TEC變化值，但由于多徑效應以及偽距觀測信噪比小，通過載波相位計算的相對TEC比絕對TEC精確度要高得多[5,6]，因此利用GPS載波相位解算TEC是目前國內(nèi)外學者常采用且精確度較高的方法。雙頻GPS載波相位解算相對TEC的公式為：

其中f1，f2分別為GPS雙頻接收機L1，L2信號波段的頻率，λ1，λ2分別對應于兩個頻率的波長，φ1，φ2為相位觀測量，N1，N2表示整周模糊度，c為真空中的光速。

本文GPS-TEC數(shù)據(jù)為垂直TEC(VTEC)[5]，單位為TECU(1TECU=1016電子/m2)。計算公式為：

其中θ為衛(wèi)星仰角，RE為地球半徑，hmax為相對地面電離層垂直高度 (廣州站選取的是350 km），雙頻GPS接收機采樣頻率為30 s，單個接收機在其接收范圍內(nèi)每次可以監(jiān)測到8～10顆GPS衛(wèi)星，而低仰角由于受多路徑效應和對流層散射的影響，誤差較大，因此，本文剔除了仰角在25°以下的數(shù)據(jù)，并對滿足條件的所有衛(wèi)星的數(shù)據(jù)求平均得到每小時的TEC值。

IRI-TEC是利用IRI-2007模型web版，通過設定頂部電子濃度參數(shù)為NeQuick，底部厚度參數(shù)為B0 Table，以及用URSI系數(shù)計算F2層峰值如f0F2等得到的。在衡量TEC預測值與觀測值之間的差異上，選用了百分比偏差（或稱相對誤差），計算公式為：

國際GNSS服務（IGS）每兩小時給出經(jīng)度方向間隔5°、緯度方向間隔2.5°的TEC數(shù)據(jù)，這樣每兩小時全球共有5184（72×72）個網(wǎng)格點數(shù)據(jù)，對這5184個網(wǎng)格上的TEC進行預報在理論上是可以考慮的一種選擇，對于不在網(wǎng)格上的地區(qū)，如廣州，可以選取鄰近的四個網(wǎng)格點通過二維插值得到廣州地區(qū)的TEC數(shù)據(jù)。

3 統(tǒng)計結果對比分析

3.1 TEC季節(jié)變化和周日變化

我們選取太陽活動低年2008年的TEC數(shù)據(jù)，對比分析了廣州站GPS-TEC數(shù)據(jù)和IRITEC預測值之間的相關性和差異性，圖1為GPS-TEC觀測值與IRI-TEC預測值季節(jié)變化對比結果，廣州處于北半球低緯地區(qū)，因此將每年的3～5月作為春季，6～8月作為夏季，9～11月作為秋季，12、1、2月份作為冬季，統(tǒng)計方法是將每個季節(jié)所有天的數(shù)據(jù)按世界時間求平均，得到相應時間的均值。

從圖1（a）～圖1（d)GPS-TEC觀測值曲線可以看出，廣州地區(qū)在一天中7:00～08:00 UT左右，TEC值達到最大值，而在16:00～17:00UT左右達到最小值，這一變化規(guī)律四季相差不大，變化趨勢幾乎一致，但明顯可以看出春季TEC值最高（圖1e），峰值達到40 TECU左右，夏季TEC值較低，峰值也只維持在22 TECU左右。而從圖1（a）～圖1（d)IRI-TEC預測值曲線來看，TEC峰值基本上出現(xiàn)在7:00～08:00 UT左右，15:00 UT開始達到一天中低谷值，一直持續(xù)到22:00 UT左右，而且與GPS-TEC變化趨勢較為一致，但兩者之間也存在一些差異，如GPS-TEC峰值比IRI-TEC要延遲1 h左右，這可能是由于我們采樣北京時間 (LT=UT+8)，若按廣州地區(qū)經(jīng)度來計算 (113/15≈7.5)，即LT=UT+7.5，這樣相差不大，而且夏季峰值比其他季節(jié)出現(xiàn)得要晚1 h左右，可能原因是由于夏至季節(jié)，太陽直射在北回歸線附近，而廣州正好處在這一區(qū)域，白晝較長，相應的電離層被電離且積累效應較長，TEC峰值一般出現(xiàn)較晚。此外，從圖1(e)和圖1(f)對比來看，IRI-TEC日峰值最大值不僅僅只是出現(xiàn)在春季，而是春秋分季節(jié)，最小值出現(xiàn)在夏冬季節(jié)，此外，除了部分時間段IRI預測值高于TEC觀測值外，IRI-TEC普遍比GPS-TEC偏低。

圖2為選取的兩分與兩至期間，廣州站GPS-TEC觀測數(shù)據(jù)和IGS-TEC數(shù)據(jù)與IRI-TEC預測值對比分析的結果。從上至下依次是2008-03-19～21，2008-6-19～21，2008-9-23～25和2008-12-29～31（由于GPS-TEC觀測數(shù)據(jù)部分缺失，因此選取冬至之后的幾天數(shù)據(jù)作為研究）分別代表春分、夏至、秋分及冬至期間TEC周日變化曲線。ISG-TEC數(shù)據(jù)時間分辨率為2 h，利用線性插值得到每隔1 h的數(shù)據(jù)。

圖1 GPS-TEC觀測值與IRI-TEC預測值季節(jié)變化對比Fig.1 Contrast of Diurnal and Seasonal Variation between TEC Observed and IRI Predicted Values

從圖2可以看出，三者TEC曲線變化趨勢基本一致，特別是夏至和秋分期間符合程度最好，GPS-TEC觀測值周日變化最大值大多出現(xiàn)在7:00～08:00 UT之間，即當?shù)貢r間下午3、4點左右，夏至期間較遲，在9:00～10:00 UT之間；春分期間TEC值較大（最大值達到40 TECU以上），比春季TEC平均值要高（對比圖1），說明春季TEC峰值基本集中在春分前后，TEC值在夏至和冬至期間較小。從三者曲線對比來看，GPS-TEC比IGS-TEC高，最大相差達10 TECU左右（主要發(fā)生午夜后），IRI-TEC預測值普遍較低，特別是夜間，幾乎接近0 TECU，但秋分期間IRI-TEC峰值比GPS-TEC和IGS-TEC均要高，此外，在整體上，IRI表現(xiàn)出平滑的變化，而GPS-TEC在10:00-14:00 UT左右，即日落后開始出現(xiàn)上升，在午夜前后 (16:00 UT)出現(xiàn)峰值，即夜間增強現(xiàn)象[8]，春分季節(jié)比較明顯。這可能是由于廣州處于赤道異常北駝峰附近，由Raleigh-Taylor不穩(wěn)定性,使得夜間赤道F層底部電子密度發(fā)生波動并產(chǎn)生東向極化電場，導致F層底部等離子不規(guī)則體產(chǎn)生，并在上升過程中演變成等離子體氣泡，當這些等離子氣泡上升到赤道F層頂部時，分裂成微小尺度的等離子體，并沿磁力線向兩極擴散到赤道異常駝峰區(qū)域[9]，使得廣州地區(qū)夜間TEC出現(xiàn)增強現(xiàn)象。

分析上述現(xiàn)象出現(xiàn)差異性的原因可能是：IRI模型是一種依據(jù)長時期內(nèi)收集到的觀測資料而建立起來的反映電離層平均變化規(guī)律的經(jīng)驗模型，它忽略了極光粒子沉降的影響，描述的是地磁寧靜的條件下的電離層特征，所以，對于局部不明顯的變化得不到很好的體現(xiàn)[2]，IGS-TEC數(shù)據(jù)是基于GPS觀測值得到的實測數(shù)據(jù)，各布設站實測數(shù)據(jù)利用球諧函數(shù)得到的空間分布均勻的全球網(wǎng)格點數(shù)據(jù)，一些不規(guī)則的變化能夠在模型中得到反映，而廣州監(jiān)測站觀測到的GPS-TEC數(shù)據(jù)中，采樣頻率高，數(shù)據(jù)點多，因此對于局部時間內(nèi)的變化也可以得到比較明顯的反映。

3.2 TEC年變化對比分析

圖2 兩分與兩至期間GPS-TEC，IGS-TEC與IRI-TEC周日變化對比Fig2 Comparison among GPS-TEC,IGS-TEC and IRI-TEC for diurnal variation during equinoctial and solstice

在分析TEC年變化和半年變化特性時，選取了太陽活動低年2008年一整年的三種TEC數(shù)據(jù)，并提取每天06:00 UT，即廣州地區(qū)下午14:00LT數(shù)據(jù)，圖3(a)為IGS-TEC與IRI-TEC預測值對比曲線，其中黑實線是IGS-TEC值經(jīng)過滑動平均而得到的曲線，這里的滑動窗選取的是連續(xù)15 d，圖3b為廣州站GPS觀測數(shù)據(jù)與IRI模型預測值對比曲線，從兩幅圖都可以看出，TEC觀測值和IRI預測值有較好的相關一致性，整個變化曲線均出現(xiàn)“雙峰”的特點，春秋分季節(jié)出現(xiàn) “峰值”，夏季和冬季出現(xiàn) “低谷”現(xiàn)象，表現(xiàn)出很明顯的半年變化特性[10、11]，即一年中，TEC值由低值逐漸上升，達到最大值后又逐漸下降到最低值，好像出現(xiàn)兩次循環(huán)；可能的原因是：在全年，太陽星下點在南北回歸線之間來回運動，在春秋季，太陽直射點在赤道附近，此時太陽輻射產(chǎn)生的光化電離作用達到最強，白天赤道上空E層極化電場產(chǎn)生的赤道電急流也發(fā)展最盛，E×B漂移引起的 “噴泉效應”則發(fā)展到最強，而在兩至季節(jié)，太陽星下點移至南北回歸線附近，因此，“噴泉效應”則減弱[12]；另一方面，在春秋分季節(jié)，在磁子午面的白天經(jīng)向風向兩極吹，引起離子沿磁力線向兩極方向擴散，所以引起赤道異常區(qū)電子濃度增加。

此外，從整個變化曲線來看，GPS實測值和IRI預測值之間也存在了局部的差異，如IRI-TEC變化相對比較平緩，而GPS-TEC和IGS-TEC相對波動較大，為了分析觀測值與預測值之間的差異程度，分別按照 (3)式計算TEC偏差，得到的結果如圖4。

從圖4可以看出，全年的TEC偏差基本在50%以內(nèi)，而廣州站GPS觀測值在250～300 d出現(xiàn)較大的偏差，IRI-TEC預測值在總體上比GPS-TEC觀測值偏高，且比較圖4（a），圖4（b）兩圖，也可以看出，IGS-TEC應用與廣州地區(qū)計算TEC值有較好的效果。

圖3 TEC觀測值與IRI-TEC預測值年變化對比曲線Fig.3 Correlation Curve for Annual Variation of TEC Observed and IRI-Observed TEC values

4 結語

本文利用廣州站雙頻GPS接收機監(jiān)測的TEC數(shù)據(jù)和IGS中心提供的全球TEC網(wǎng)格數(shù)據(jù)與IRI-2007模型計算的TEC預測值，對太陽活動低年2008年的廣州地區(qū)TEC變化特征進行了初步的對比分析，得到如下的結果：

（1）廣州地區(qū)TEC表現(xiàn)出典型的周日變化特征，在當?shù)貢r間下午14:00～16:00之間達到最大值，在午夜前23:00(15:00 UT)到凌晨06:00(21:00 UT)左右達到一天中最低值，且白天值比夜間高很多，這一變化特征四季相差不大。

（2）TEC表現(xiàn)出明顯的半年變化特性和季節(jié)依賴性，全年在春秋分季節(jié)出現(xiàn)兩次峰值，夏季和冬季出現(xiàn)兩次低谷，且對比觀測值和預測值，全年的TEC偏差基本在50%以內(nèi)。

（3）TEC預測值與觀測值有較好的一致性，能較好地反映廣州地區(qū)TEC的變化特征，但局部也存在一些差異，如：TEC預測值普遍比觀測值偏低，且相對變化較為平緩，日峰值出現(xiàn)的時刻也有點偏差，另外，IGS-TEC與GPS-TEC之間也達到比較好的一致性，起到了很好的對比驗證作用。

總體來說，TEC預測值與觀測值白天具有較好的一致性，夜間偏差較大，由于IRI模型較少利用中國地區(qū)的數(shù)據(jù)，應用于廣州地區(qū)會出現(xiàn)局部較大的偏差，因此，IRI模型在廣州地區(qū)的適用性還需要進一步的完善和修正，目前該模型還在不斷發(fā)展，版本也在不斷更新，基于此，加入中國地區(qū)的電離層數(shù)據(jù)，建立更好的模型，進行更深入和更全面的分析研究和探索將是以后的發(fā)展方向，當然要進一步又全面的研究工作還需要積累更長時間的觀測資料。

圖4 TEC觀測值與IRI-TEC預測值百分比偏差Fig.4 Percentage Deviation between TEC Observed and IRI-TEC Predicated Values

[1]Bilitza,D.,Reinisch,B.W.International Reference Ionosphere 2007:Improvements and new parameters[J].Ady.Space Res.,2008,42:599-609.

[2]盧立，李平.利用GIM和IRI模型比較分析宜昌地區(qū)電離層變化規(guī)律[J].城市勘測，2011,2:71-74.

[3]張勇，張斌，馬能武.單頻GPS接收機的電離層延遲改正模型研究 [J].大地測量與地球動力學,2012,32(2):69-73.

[4]劉瑞源，權坤海，戴開良等.國際參考電離層用于中國地區(qū)時的修正計算方法 [J].地球物理學報，1994，3737(4):422-432.

[5]Praveen Galav,N.Dashora.Characterization of low latitude GPS-TEC during very low solar activity phase[[J].J.Atmos.solar-Terr.Phys.,2010,72:1309-1317.

[6]張東和，肖佐.利用GPS計算TEC的方法及其對電離層擾動的觀測 [J].地球物理學報，2000,43(4):451-458.

[7]A O Adewale,E O Oyeyemi.Comparison of tolal electron content predicted using the IRI-2007 model with GPS observations over Lagos,Nigeria[J].India Journal of Radio&Space Physics.,2011,40:21-25.

[8]G.I.Gordienko,D.E.Zachateiskiy,M.Z.Kaliev,S.N.Mukasheva,V.V.Vodyannikov.Nighttime increases in ionosphere electron content(a statistical and experimental study) [J].J.Atmos.solar-Terr.Phys.,2001,63:617-625.

[9]Sekar,H and Chakrabarty,D.Equatorial spread-F research in India:A brief review[J].India Journal of Radio&Space Physics.,2008,37:7-27.

[10]余濤，萬衛(wèi)星.利用IGS數(shù)據(jù)分析全球TEC周年和半年變化特性 [J].地球物理學報，2006,49(4):943-949.

[11]Shweta,Mukherjee,Shivalika,Sarkar,P.K.,Purohit,et al.Seasonal variation of total electron content at crest of equatorial anomaly station during low solar activity condition[J].Ady.Space Res.,2010,46:291-295.

[12]Chin-Chun Wu,C.D.Fry,J.-Y.Liu,K.Liou,C.-L.Tseng.Annual TEC variation in the equatorial anomaly region during the solar minimum:September 1996-August 1997[J].J.Atmos.solar-Terr.Phys.,2004,66:199-207.

Abstract：The ionospheric total electron content(TEC)is an important parameter to describe the character of the ionosphere.GPS observation data (GPS-TEC data recorded at Guangzhou Meteorological Satellite Ground Station and IGS-TEC data provided by the International GNSS Service) as well as predicted TEC data derived from IRI-2007 model are used to conduct contrastive analysis on the weekday,seasonal and annual variation characteristics of TEC over Guangzhou during 2008,a low solar activity year,from various perspectives.The results show that the observed TEC value is high at daytime and low at nighttime,with obvious semi-annual and seasonal variation characteristic,and two peak values in Spring and Autumnal Equinox.A good agreement is found between IRI-TEC and GPS-TEC at daytime,whereas a little large deviation at nighttime.Physical mechanism to explain the variation character of TEC and some reasons to explain the deviation between IRI-TEC and GPS-TEC are also given in this paper.

Keywords： Ionospheric TEC； Dual frequency receiver； observed value； predicted value； IRI model

GPS-Observation-Data-and IRI-Model-based Contrastive Analysis on Ionospheric TEC Changes of Guangzhou Region during Low Solar Activity Years

CAI Chaojun1,CAOJing2，HUANG Jiang2， HUANG Linfeng1， XU Jie2
(1.South China University of Technology,Guangzhou,510640,China；2.Guangzhou Meteorological Satellite Ground Stations,Guangzhou 510640,China)

P315.717

A

1001-8662（2012）02-0051-08

2011-06-06

國家高技術研究發(fā)展計劃 (863計劃)(2009AA12Z137)

蔡超軍，男，1986年生，在讀碩士研究生，主要從事電離層閃爍與TEC研究.E-mail：chygoom@163.com.