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解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院， 南京　211101

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基于COSMIC資料分析電離層F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)

王棲溪， 方涵先*， ?？?/p>

解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院， 南京211101

摘要根據(jù)電離層不規(guī)則體的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致周圍電子濃度發(fā)生起伏變化的原理，利用2007年COSMIC掩星系統(tǒng)的TEC數(shù)據(jù)，通過平滑濾波得到TEC的擾動(dòng)值ΔTEC的變化，利用其研究F層不規(guī)則體的時(shí)空變化特征.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：擾動(dòng)較大的掩星事件主要發(fā)生在磁緯±20°之間和高緯地區(qū)，春季和秋季帶狀分布較為明顯，不同經(jīng)度地區(qū)較強(qiáng)擾動(dòng)的掩星事件的分布也有不同特征；較強(qiáng)ΔTEC的掩星事件主要發(fā)生在地方時(shí)午夜前和午夜后兩個(gè)時(shí)段，發(fā)生的高度主要在250～400 km范圍內(nèi).這些結(jié)果與已知的F層不規(guī)則體的時(shí)空分布特征較為一致，說明利用TEC的擾動(dòng)量來分析電離層F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)是可行的.

關(guān)鍵詞電離層不規(guī)則體； COSMIC掩星； ΔTEC

1引言

受太陽活動(dòng)、地磁場(chǎng)、行星際電場(chǎng)等因素影響，電離層中的電子密度經(jīng)常會(huì)有一些不規(guī)則的變化出現(xiàn)，不規(guī)則體處的電子濃度可能會(huì)比其周圍高或低上幾個(gè)量級(jí)，其會(huì)引起穿過電離層的無線電波的相位、振幅等短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，也就是電離層閃爍，可導(dǎo)致信號(hào)畸變和通信誤碼，會(huì)嚴(yán)重影響到衛(wèi)星通信的質(zhì)量和導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，因此對(duì)電離層不規(guī)則體的研究有很重要的意義.這其中發(fā)生在F層的不規(guī)則體主要以擴(kuò)展F現(xiàn)象為主.

長期的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明電離層閃爍主要發(fā)生在低緯和高緯地區(qū)，中緯地區(qū)較少且主要集中在夜間(Woodman and La，1976)，擴(kuò)展F層的出現(xiàn)率在地理分布上同樣存在兩個(gè)極大區(qū)域，一個(gè)是赤道地區(qū)，主要發(fā)生在磁緯±20°內(nèi)，僅會(huì)在夜間20時(shí)至凌晨4時(shí)出現(xiàn)，這與電離層閃爍在赤道地區(qū)也主要發(fā)生在夜間相吻合，其發(fā)生機(jī)制是日落后受Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定機(jī)制以及重力波的影響，赤道F層底部等離子體不穩(wěn)定，生成密度耗盡的等離子體泡，其上升到F層頂部并同時(shí)以羽狀煙云的形態(tài)在不同高度上沿磁力線向南北擴(kuò)散到低緯地區(qū)(Aarons，1977；Straus et al.，2003)；另一個(gè)擴(kuò)展F高發(fā)區(qū)域是極區(qū)磁極附近，在冬季幾乎晝夜全天都會(huì)出現(xiàn)，除與赤道地區(qū)相同的原因外，研究表明在高緯度地區(qū)電離層閃爍的出現(xiàn)還與極光活動(dòng)有正相關(guān)，且高緯地區(qū)沉降電子的直接離化也是產(chǎn)生極區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的原因之一(熊年祿等，1999).F層不規(guī)則體發(fā)生的頻率受太陽活動(dòng)、地磁活動(dòng)、重力波等因素的影響，具有季節(jié)差異、經(jīng)度差異、緯度差異等特征(Tsunoda，1985；Aarons，1993；Li et al.，2011；Abdu，2012；Joshi et al.，2012).

過去對(duì)電離層不規(guī)則體的研究主要基于垂測(cè)儀、非相干散射雷達(dá)等地基設(shè)備，這使結(jié)果難免會(huì)受到地理位置和垂直高度上的局限.其中，測(cè)高儀的長期資料是其重要優(yōu)勢(shì)，但觀測(cè)結(jié)果只是小時(shí)值使其無法研究電離層的持續(xù)變化；而多普勒雷達(dá)雖然彌補(bǔ)了這一缺陷，但它的垂直分辨率較差，只能測(cè)得幾個(gè)特定高度上的特征而無法反映隨高度的變化(Abdu et al.，2009；肖賽冠等，2012).無線電掩星技術(shù)為研究電離層閃爍提供了新的思路，相比地基設(shè)備，其具有探測(cè)高度范圍廣、空間分布廣、垂直分辨率高、全天候等優(yōu)點(diǎn)，尤其是這一技術(shù)能有力地彌補(bǔ)特殊地區(qū)(海洋、沙漠、極地等)電離層觀測(cè)資料的缺乏，因而被越來越廣泛地應(yīng)用于電離層研究(曾楨等，2004；王虎等，2014；Niu et al.，2014).不過在研究電離層不規(guī)則體方面掩星技術(shù)的應(yīng)用還不夠廣泛，Straus等(2003)曾利用掩星技術(shù)研究了全球電離層閃爍的形態(tài)學(xué)特征，但限于當(dāng)時(shí)的條件他們只是選擇了單顆低軌衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，每天的掩星事件數(shù)較少；巫子好等(2011)則用GPS衛(wèi)星的信噪比數(shù)據(jù)對(duì)擴(kuò)展F進(jìn)行分析并得到較好的結(jié)果.當(dāng)電離層中有不規(guī)則體產(chǎn)生時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致該處的電子濃度發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而使總電子含量發(fā)生起伏，正是基于該理論，本文利用電子密度總含量的擾動(dòng)來分析電離層不規(guī)則體結(jié)構(gòu).

2數(shù)據(jù)介紹及處理方法

文中數(shù)據(jù)來源于COSMIC數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)中心(COSMIC data analysis and archive center，CDAAC).COSMIC是臺(tái)灣與美國合作研發(fā)的掩星系統(tǒng)，其觀測(cè)資料被廣泛應(yīng)用，是目前觀測(cè)資料最多的掩星星座，它的空間部分由6顆小衛(wèi)星組成，理論上在衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行、系統(tǒng)正常工作后，每天可提供3000個(gè)掩星點(diǎn)的電離層和大氣的觀測(cè)資料，事實(shí)上，現(xiàn)在COSMIC每天可提供全球1000～2000個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的大氣和電離層資料，每三小時(shí)更新一次(Rocken et al.，2000).本文使用的是COSMIC2007年和2008年前兩個(gè)月的掩星二級(jí)數(shù)據(jù)(ionprf文件)，其中包含GPS和LEO衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、TEC以及電子密度等信息，本文主要利用TEC數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來分析F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu).

無線電掩星技術(shù)是指GPS衛(wèi)星發(fā)射出的無線電信號(hào)被裝載在低地球軌道衛(wèi)星(LEO)上的接收機(jī)接收，在這個(gè)過程中信號(hào)通過中性大氣、電離層時(shí)由于傳播介質(zhì)的垂直折射指數(shù)變化，電波路徑會(huì)發(fā)生彎曲，根據(jù)電波的相位延遲，可以得到電離層的折射率，進(jìn)而推出電子密度剖面.實(shí)際觀測(cè)資料和模擬試驗(yàn)均表明，F(xiàn)層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)往往伴隨著電子密度總含量(Total Electron Content，TEC)的耗盡或快速起伏(羅偉華，2009)，當(dāng)電波信號(hào)自上而下掃過F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)時(shí)，由于等離子體泡內(nèi)電子濃度比背景場(chǎng)小了兩到三個(gè)量級(jí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，我們認(rèn)為此處可能就是F層不規(guī)則體的頂部位置.本文利用掩星資料分析電離層擴(kuò)展F的主要方法是假設(shè)F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)會(huì)引起TEC的微小擾動(dòng)，通過對(duì)TEC剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行差分、平滑濾波得到電離層不均勻體引起的小尺度TEC擾動(dòng)，進(jìn)而分析電離層不規(guī)則體.要指出的是，文中的TEC是指LEO衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星連線上的斜TEC，而不是通常所說的垂直TEC.

在使用TEC數(shù)據(jù)前，首先要進(jìn)行質(zhì)量控制，一方面，由于測(cè)量誤差、軌道誤差以及掩星處理誤差，所選用的數(shù)據(jù)資料不可避免地存在一些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，因此在使用前要進(jìn)行一定的預(yù)處理，以剔除不合理的數(shù)據(jù)(F2層峰值高度小于200 km，峰值密度大于107el·cm-3)；另一方面，在選擇掩星事件時(shí)，中低緯F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)的發(fā)生時(shí)間主要集中在夜間，同時(shí)日間中低緯度TEC受到赤道異常的影響會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，因此對(duì)于中低緯(±60°之間)的掩星數(shù)據(jù)需要進(jìn)行時(shí)間上的控制，這里選擇中低緯掩星事件的時(shí)間段是從18時(shí)(LT)至第二天的7時(shí)(LT).而對(duì)于高緯地區(qū)，F(xiàn)層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)在白天夜間均有發(fā)生(熊年祿等，1999)，同時(shí)掩星事件在磁極地區(qū)發(fā)生數(shù)量較少，所以就不加以時(shí)間上的約束.

掩星數(shù)據(jù)分析流程如下：(1)考慮到各個(gè)掩星數(shù)據(jù)中TEC數(shù)據(jù)高度分布不固定，在數(shù)據(jù)處理時(shí)首先對(duì)150～800 km高度上的TEC每隔2 km進(jìn)行插值，以得到固定高度上的TEC值的變化；(2)對(duì)插值過后的每個(gè)掩星事件的TEC數(shù)據(jù)做N點(diǎn)滑動(dòng)平均(這里我們選擇九點(diǎn)平滑)，得到其背景趨勢(shì)序列Ltec，再濾除背景電子密度的影響，即用原始數(shù)據(jù)減去背景數(shù)據(jù)，從而得到所需要的TEC擾動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)掩星事件得到的一組小尺度TEC擾動(dòng)Htec，取其最大值，記為ΔTEC.

3結(jié)果分析

F層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的空間尺度從10-1m到106m約有八個(gè)量級(jí)的變化，其中能在F層底部形成等離子體泡，并能引起本文研究的較大ΔTEC值的大尺度不規(guī)則體的尺度一般在104m到106m左右(羅偉華等，2013)，F(xiàn)層高度上電子濃度一般在1011el·m-3到1012el·m-3，等離子體泡內(nèi)電子濃度比背景密度可衰減1～3個(gè)量級(jí)，這樣最終可得到區(qū)域內(nèi)電子密度總含量的變化在1012el·m-3到1017el·m-3，根據(jù)1TECU=1016el·m-2，可得變化范圍在10-4～10TECU，這與本文研究得到的ΔTEC的范圍(10-3～10TECU)相符.F層中引起TEC微小擾動(dòng)的因素很多，對(duì)于較小的ΔTEC無法判斷其是否是因?yàn)閿U(kuò)展F產(chǎn)生的，因此要將約束條件適當(dāng)取大，通過分析比較，本研究中選擇以ΔTEC=0.6TECU作為判斷閾值，當(dāng)ΔTEC大于閾值時(shí)認(rèn)為存在F層不規(guī)則體.

圖1就是用以上方法得到的一個(gè)掩星事件的濾波結(jié)果，其發(fā)生在2007年3月6日3時(shí)12分左右，地點(diǎn)位于2.3°S,43.3°E附近.其中左圖是COSMIC原始TEC數(shù)據(jù)隨高度變化曲線，中間的是平滑后得到的背景TEC變化趨勢(shì)圖(稱為低頻分量Ltec)，右圖則是TEC擾動(dòng)量隨高度的變化(稱為高頻分量Htec).如圖所示，低頻變量與TEC隨高度變化的特征十分相似，而對(duì)于高頻分量Htec，450 km高度以上接近于0，450 km高度以下，有不同程度的正負(fù)擾動(dòng)，最大值出現(xiàn)在大約260 km高度上，其值超過0.6TECU，這表示該高度上有F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)的發(fā)生.

圖1　2007年3月6日發(fā)生在南緯2.3°，東經(jīng)43.3°附近的掩星事件Fig.1　The occultation occurred near -2.3°S,43.3°E on 6 March 2007

圖2分別是2007年春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)和冬季(2007年12月和2008年1、2月)ΔTEC即TEC擾動(dòng)較大的掩星事件的全球分布圖，其中三條粗黑線表示磁赤道和±20°磁緯線.

從圖中可以看出掩星事件發(fā)生最多的區(qū)域集中在±20°磁緯線內(nèi)，其中春秋季尤為明顯，這符合Aarons(1993)指出的在所有經(jīng)度區(qū)，閃爍活動(dòng)在兩分點(diǎn)期間最為頻繁；夏季和冬季雖然不如分季明顯，但也有類似的帶狀分布存在；中緯度地區(qū)的掩星事件相對(duì)較少，這些與已知的F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征相一致(Zou，2011).在高緯地區(qū)，雖然可以看出南半球高緯地區(qū)的掩星事件要多于北半球的，但除春季外并沒有明顯的掩星事件密集區(qū)域，這主要是因?yàn)殡婋x層中的不均勻體通常是沿磁力線場(chǎng)向排列的，ΔTEC同衛(wèi)星間連線在掩星點(diǎn)附近與磁力線的夾角關(guān)系密切，在極區(qū)發(fā)生電離層不均勻體的情況非常頻繁，但由于衛(wèi)星連線與磁力線的夾角很大，在掩星TEC上的擾動(dòng)不明顯，同時(shí)2007年的COSMIC數(shù)據(jù)在后半年相對(duì)較少，只有正常數(shù)據(jù)量的一半甚至三分之一，這也是秋季掩星事件不如春季密集的一個(gè)原因.

圖2　2007年四季ΔTEC>0.6TECU的掩星事件的全球分布Fig.2　The global distribution of the occultation events with ΔTEC>0.6TECU during each of the four seasons in 2007

除季節(jié)差異和緯度差異外，圖2還能反映出ΔTEC在經(jīng)度分布上的差異：南美地區(qū)及東太平洋地區(qū)ΔTEC較大的掩星事件在除夏季以外的三個(gè)季節(jié)都很密集；非洲地區(qū)及中西太平洋地區(qū)則正相反，在夏季相對(duì)集中，其他季節(jié)相對(duì)較少；亞洲地區(qū)則是在春秋兩季有較為集中的事件，夏冬兩季擾動(dòng)較弱.結(jié)合圖3來看，掩星事件在-10°～120°經(jīng)度范圍內(nèi)相對(duì)較少，該現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在Zhao等(2011)利用COSMIC數(shù)據(jù)對(duì)F3層的研究中，其原因主要是低軌衛(wèi)星的軌道傾角過高，具體可見文獻(xiàn)(Mousa et al.，2006).

圖3　掩星事件的經(jīng)度分布Fig.3　The longitude distribution of the occultation events

圖4　2007年春、秋季ΔTEC>0.6TECU的掩星事件的地方時(shí)分布Fig.4　Distribution in local time of the occultation events with ΔTEC>0.6TECU during spring and autumn in 2007

選擇分布特征更為明顯的春季和秋季，對(duì)存在較強(qiáng)ΔTEC的掩星事件的地方時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其分布如圖4所示.可以看到ΔTEC較大的掩星事件主要發(fā)生在夜間，白天出現(xiàn)的事件主要發(fā)生在高緯地區(qū)，尤其是極區(qū)磁極附近，擴(kuò)展F在冬季和分季的白天也可被觀測(cè)到，主要是頻率擴(kuò)展型(Frequency Spread-F，F(xiàn)SF)(陶偉等，2013)，如上文所解釋，白天發(fā)生在極區(qū)地區(qū)ΔTEC較大的掩星事件相對(duì)較少并非因?yàn)檠谛鞘录伲怯捎谛l(wèi)星連線與磁力線的夾角很大，在掩星TEC上的擾動(dòng)不明顯，因此本文的方法對(duì)研究極區(qū)電離層不均勻體的分布效果不如中低緯度好.

從圖4還可以看出，ΔTEC較大的掩星事件主要還是集中在18∶00—06∶00LT，對(duì)于2007年春秋兩季，都是在地方時(shí)午夜前(19∶00—23∶00)和午夜后(00∶00—04∶00)各有一個(gè)ΔTEC較大掩星事件發(fā)生的小高峰，不同之處在于春季兩個(gè)時(shí)間段的小高峰相差不大，而在秋季午夜前的時(shí)間段掩星事件的發(fā)生頻率相對(duì)來說要更大一些.這些結(jié)果與已知的不同地區(qū)的閃爍發(fā)生的地方時(shí)分布較為一致(徐繼生等，2007；胡連歡等，2007；Adewale et al.，2012).值得一提的是，無論春季還是秋季，20∶00—21∶00LT均是存在較強(qiáng)ΔTEC的掩星事件發(fā)生的極大值時(shí)段，這與Adewale等(2012)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象十分相符.

圖5　2007年ΔTEC>0.6TECU的掩星事件發(fā)生的高度分布Fig.5　Distribution in altitude of the occultation events with ΔTEC>0.6TECU in 2007

對(duì)掩星事件發(fā)生高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于COSMIC數(shù)據(jù)到250 km以下其反演誤差較大(Liu et al.，2010)，無法判斷TEC擾動(dòng)值較大時(shí)是由F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)引起的還是由數(shù)據(jù)誤差導(dǎo)致的，因此選擇250 km以上的數(shù)據(jù).結(jié)果如圖5所示，ΔTEC>0.6TECU的掩星事件主要發(fā)生在距地面250～400 km高度范圍內(nèi)，占總的掩星事件數(shù)量的80%左右，其中又以250～300 km高度范圍內(nèi)最多，這同樣與過往觀測(cè)數(shù)據(jù)表明的F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的高度分布較為一致.

4結(jié)論

本文根據(jù)電離層不規(guī)則體的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致周圍電子濃度發(fā)生起伏變化的原理，利用COSMIC掩星系統(tǒng)的TEC數(shù)據(jù)，通過平滑濾波得到TEC的擾動(dòng)值的變化，利用該擾動(dòng)值研究了2007年F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)的全球分布以及相應(yīng)地方時(shí)、高度分布等特征，并得到以下結(jié)論.

(1) TEC擾動(dòng)量較大(ΔTEC>0.6TECU)的掩星事件主要集中在±20°磁緯線內(nèi)，以兩個(gè)分季最為明顯，中緯較少，高緯地區(qū)春季有明顯集中區(qū)域，其他季節(jié)不明顯，總體上南半球要多于北半球.

(2) 在經(jīng)度分布上，南美地區(qū)及東太平洋地區(qū)ΔTEC較大的掩星事件在除夏季以外的三個(gè)季節(jié)都很密集；非洲地區(qū)及中西太平洋地區(qū)則正好相反，在夏季相對(duì)集中，其他季節(jié)相對(duì)較少；亞洲地區(qū)則是在春秋兩季有較為集中的事件，夏季和冬季擾動(dòng)較弱，掩星事件在-10°～120°經(jīng)度范圍內(nèi)相對(duì)較少.

(3) ΔTEC較大的掩星事件主要發(fā)生在夜間，集中在18∶00—06∶00LT，對(duì)于2007年春秋兩季，都是在地方時(shí)午夜前和午夜后各有一個(gè)ΔTEC較大掩星事件發(fā)生的小高峰時(shí)段，無論春季還是秋季，20∶00—21∶00LT均是存在較強(qiáng)ΔTEC的掩星事件發(fā)生的極大值時(shí)段.

(4) ΔTEC>0.6TECU的掩星事件主要發(fā)生在距地面250～400 km高度范圍內(nèi)，占總的掩星事件數(shù)量的80%左右，其中又以250～300 km高度范圍內(nèi)最多.

可見利用ΔTEC來分析F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)是可行的，這為電離層F層不規(guī)則體的觀測(cè)研究提供了一種新的思路.

致謝感謝UCAR(University Corporation for Atmospheric Research)的CDAAC提供COSMIC掩星觀測(cè)數(shù)據(jù).

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40505005)資助.

作者簡(jiǎn)介王棲溪，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡婋x層物理.E-mail:wangxixi19920218@126.com *通訊作者方涵先，1974年生，教授，研究方向?yàn)殡婋x層物理.E-mail:fanghx@139.com

doi:10.6038/cjg20160202 中圖分類號(hào)P352

收稿日期2015-05-06，2015-10-12收修定稿

Analysis of ionospheric irregularities in F layer based on COSMIC data

WANG Xi-Xi, FANG Han-Xian*, NIU Jun

InstitutionofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101,China

AbstractAccording to the fact that the occurrence of ionospheric irregularities can lead to the fluctuation of the ambient electron density, we collected the TEC data from COSMIC observation in 2007 to analyze the temporal and spatial variations of ionospheric irregularities in F layer using the smoothness filter technique. The results shows that the occultation events with large TEC fluctuations distribute mainly among the region of ±20° geomagnetic latitude and in high latitude. They also have significant longitudinal variations and the spring and autumn have prominent band structures. The large TEC fluctuations occurred mainly at pre- and post-midnight and are primarily in the altitude range from 250 to 400 km. These results are in consistent with the previous knownledge of the temporal and spatial variations of ionospheric irregularities in F layer, indicating that it is feasible to analyse ionospheric irregularities phenomenon with the TEC fluctuations.

KeywordsIonospheric irregularities; COSMIC occultation; ΔTEC

王棲溪， 方涵先， ?？? 2016. 基于COSMIC資料分析電離層F層不規(guī)則體結(jié)構(gòu).地球物理學(xué)報(bào)，59(2):419-425,doi:10.6038/cjg20160202.

Wang X X, Fang H X, Niu J. 2016. Analysis of ionospheric irregularities in F layer based on COSMIC data.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(2):419-425,doi:10.6038/cjg20160202.