黃智， 袁洪

1 江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116　2 中國科學(xué)院光電研究院， 北京　100094

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磁赤道地區(qū)2007
—2013年COSMIC掩星反演和國際參考電離層模型輸出結(jié)果分析

黃智1， 袁洪2

1 江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院， 江蘇 徐州2211162 中國科學(xué)院光電研究院， 北京100094

摘要利用2007—2013年電離層測高儀位于磁赤道觀測站Jicamarca (11.95°S，76.8°W，地磁緯度為1°N)的垂測數(shù)據(jù)和COSMIC掩星反演電離層資料，分析了不同太陽活動條件下兩種探測技術(shù)獲取電離層特征參數(shù)峰值密度NmF2和峰值高度HmF2的相關(guān)性，同時也探討了國際參考電離層模型IRI輸出參數(shù)與測高儀垂測數(shù)據(jù)的相關(guān)性.此外，進一步分析了COSMIC掩星和IRI模型在不同地方時高估或低估垂測參數(shù)的分布特征.結(jié)果表明：(1)由COSMIC掩星反演和IRI模型輸出參數(shù)NmF2與測高儀垂測值NmF2得到的相關(guān)系數(shù)都在0.8以上.太陽活動低年COSMIC探測得到的NmF2相關(guān)性高于太陽活動高年得到的結(jié)果，但IRI模型在太陽高年得到的NmF2相關(guān)性好于太陽活動低年的計算結(jié)果.(2) 由COSMIC掩星反演和IRI模型輸出的HmF2與測高儀垂測值HmF2在春秋季得到的相關(guān)性較高，夏季的相關(guān)性最弱.由COSMIC掩星探測HmF2得到的季節(jié)和時間相關(guān)系數(shù)大都集中在0.8和0.6以上，但由IRI模型得到的HmF2相關(guān)性降低，特別是太陽活動低年的夏季和傍晚其相關(guān)系數(shù)低于0.3.(3)太陽低年COSMIC掩星和IRI模型白天時段大都高估、夜間至凌晨前后低估電離層參數(shù)NmF2和HmF2；但太陽活動高年NmF2在地方時午夜后則呈現(xiàn)高估的特點.相關(guān)結(jié)果為未來IRI模型的進一步完善以及低緯地區(qū)電離層同化模式研究提供參考.

關(guān)鍵詞垂測儀； COSMIC； IRI； 電離層特征參數(shù)； 相關(guān)性

1引言

位于地面60～1000 km的電離層是日地空間環(huán)境中承上啟下的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵層次，電離層含有的帶電粒子成分顯著改變了大氣的運動行為，會對穿越其中的電波造成很大的影響.其中，電離層F2層峰值密度NmF2和峰值高度HmF2是表征電離層形態(tài)的重要參數(shù)，一直是電離層理論和工程應(yīng)用領(lǐng)域的重點研究對象.

利用電離層測高儀能夠測量給定觀測點電子密度的高度分布剖面，從而進一步獲取電離層峰值密度NmF2和峰值高度HmF2.利用測高儀反演得到的電離層特征參數(shù)具有較高的精度，是電離層研究中廣泛采用的探測技術(shù)之一.但由于河流、雪域以及極區(qū)等自然條件的限制很可能導(dǎo)致某些地區(qū)無法布站，這會造成局部電離層形態(tài)描述的缺失.國內(nèi)外學(xué)者通過構(gòu)建電離層模式能夠有效補償觀測數(shù)據(jù)缺失的問題，其中最具代表性的電離層經(jīng)驗?zāi)Ｊ绞怯蓢H空間委員會和國際無線電聯(lián)盟共同發(fā)起的項目——國際參考電離層模型(IRI) (Bilitza, 2001; Bilitza et al., 2014).IRI利用測高儀、非相干散射雷達、衛(wèi)星觀測資料以及探空火箭的觀測數(shù)據(jù)，同時引入太陽活動和地磁指數(shù)，并融合多個大氣參數(shù)模型，給定年份、日期、時間、地理(磁)緯度和經(jīng)度等，能夠較為準確地描述全球范圍內(nèi)特定時間和地點的電離層形態(tài)變化.目前IRI已廣泛應(yīng)用于電離層形態(tài)學(xué)和空間工程電波修正研究，但它畢竟是電離層的經(jīng)驗?zāi)Ｊ剑绻狈δ骋惶囟〞r間和空間區(qū)域內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，模型的性能很可能會降低.

2006年4月，由美國和中國臺灣地區(qū)聯(lián)合開發(fā)的空間科學(xué)項目氣象、電離層和氣候衛(wèi)星聯(lián)合觀測系統(tǒng)COSMIC(F3/C)正式投入運行.COSMIC發(fā)射6顆衛(wèi)星，分布于距離地面800 km高度、傾角為72°的軌道面上.每顆衛(wèi)星均裝有4根天線，接收GPS衛(wèi)星L1和L2頻段信號.GPS衛(wèi)星信號穿越電離層和大氣層因電子密度、水汽和溫度等因素影響而發(fā)生折射，產(chǎn)生時間延遲，從而推算電離層和大氣層中與之相關(guān)的物理參數(shù).由于COSMIC不受海陸空間分布的限制，不僅為全球范圍的電離層觀測提供了有效的途徑，同時為電離層模式的完善補充數(shù)據(jù).但COSMIC掩星探測采用的反演方法是利用傳播路徑上積分總電子含量或彎曲角，基于局部球?qū)ΨQ、直線傳播、頂部梯度一階近似等假設(shè)，采用Abel積分變化得到電離層電子密度高度分布剖面(Lei et al., 2007).反演的電子密度剖面由于地理位置的差異，與真實分布情況會有不同程度的偏差.國內(nèi)外部分學(xué)者針對電離層特征參量對COSMIC觀測數(shù)據(jù)進行了評估.Lei等(2007)利用Millstone Hill非相干散射雷達觀測數(shù)據(jù)和SPIDR發(fā)布的垂直探測數(shù)據(jù)比較分析了COSMIC反演電離層參數(shù)NmF2和HmF2的探測精度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地基觀測與天基掩星觀測具有較好的一致性.Liu 等(2010)利用電離層數(shù)字測高儀Jicamarca的垂測數(shù)據(jù)，比較分析了2007年COSMIC掩星反演電離層特征參數(shù)的性能，并解釋了白天高估垂測值NmF2的原因.Chuo 等(2011)針對Jicamarca觀測站太陽低年2006年5月至2008年4月期間的垂測資料與COSMIC掩星反演得到的電離層參數(shù)B0、NmF2和HmF2之間的關(guān)系進行了深入細致的分析與探討.利用2006—2008年期間巴西低緯及赤道地區(qū)三個觀測站數(shù)據(jù)，Ely 等(2012)對電離層垂測數(shù)據(jù)和COSMIC掩星兩種探測技術(shù)得到的電離層參數(shù)進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者之間盡管具有較好的相關(guān)性，但也存在明顯的差異，并分析了引起差異的原因.孫凌峰等(2014)分析了中國地區(qū)三個位于不同緯度觀測站的垂測數(shù)據(jù)與COSMIC探測參數(shù)在太陽活動高年2012的相關(guān)性，結(jié)果表明二者之間的相關(guān)性和緯度分布、季節(jié)變化密切相關(guān).Hu等(2014)利用中國地區(qū)120°E經(jīng)線上不同緯度的測高儀觀測數(shù)據(jù)詳細分析了COSMIC反演參數(shù)峰值密度和峰值高度的精度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)峰值密度的誤差與緯度密切相關(guān)，峰值高度的相對誤差小于峰值密度.

上述研究取得了一些有意義的結(jié)果，為合理利用天基掩星開展電離層形態(tài)研究提供了有價值的參考.但上述研究大都集中在COSMIC系統(tǒng)運行初期即太陽活動低年，缺乏長期觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析.COSMIC掩星自2006年4月成功運行以來，迄今為止已積累了大量原始觀測數(shù)據(jù)，為電離層特征參量在不同太陽活動條件下的性能評估提供了豐富的數(shù)據(jù)資源.低緯地區(qū)的電離層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不僅具有較高的電子密度，且存在較大的時間和空間梯度，一直是電離層模式研究的關(guān)注對象.近年來，以電離層經(jīng)驗?zāi)Ｊ交蚶碚撃Ｊ綖楸尘皥?，吸收包含COSMIC在內(nèi)的多類觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建低緯同化模式成為電離層領(lǐng)域研究的重點和難點問題.因此，有必要全面考察COSMIC掩星和IRI模型得到的電離層特征參數(shù)在低緯地區(qū)的精度，為未來電離層模式IRI進一步完善以及利用IRI為背景場開展同化研究提供參考信息.由于測高儀垂測數(shù)據(jù)具有較高的精度，本文以磁赤道觀測站Jicamarca (11.95°S，76.8°W，地磁緯度為1°N)電離層測高儀垂直探測參量為真實值，評估2007—2013年COSMIC掩星和國際參考電離層模型IRI獲取的電離層特征參量NmF2和HmF2的精度.文中以下第二部分描述了數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)處理方法；第三部分探討了COSMIC掩星和IRI模型得到的電離層特征參量與垂測數(shù)據(jù)的相關(guān)性、不同太陽活動條件下的回歸分析結(jié)果，并進一步統(tǒng)計分析了COSMIC掩星和IRI模型高估或低估垂測數(shù)據(jù)的變化特征.第四、五部分分別對結(jié)果進行了討論和總結(jié).

2數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)處理方法

文中電離層垂測資料來自磁赤道觀測站Jicamarca,該臺站擁有長期持續(xù)的數(shù)字測高儀觀測記錄，相關(guān)電離圖數(shù)據(jù)可以通過數(shù)字電離層圖數(shù)據(jù)中心下載獲取.利用SAO軟件包(http:∥ulcar.uml.edu/digisonde.html)能夠讀取測高儀原始探測數(shù)據(jù)，并對觀測結(jié)果進行人工標定，生成標定后的數(shù)據(jù)文件，其時間分辨為15 min.由F2層臨界頻率foF2測量結(jié)果，根據(jù)以下數(shù)學(xué)表達式：

(1)

計算得到峰值密度NmF2的大小，單位為el·m-3.

COSMIC掩星探測資料來自于COSMIC數(shù)據(jù)存檔與分析中心CDAAC提供的后處理數(shù)據(jù)文檔ionProf.文檔包含單次掩星事件隨高度變化的電子密度、地理緯度和經(jīng)度、高度、世界時信息.文中分析高度在100 km以上的數(shù)據(jù)，以剔除電子密度剖面的負值觀測數(shù)據(jù).此外，由于地磁活動或電離層中不規(guī)則體等因素可能造成電子密度剖面劇烈的擾動.為消除擾動數(shù)據(jù)對分析結(jié)果的負面影響，COSMIC反演參數(shù)NmF2的選取采用以下標準(Guo et al., 2011)：

(2)

為全面分析COSMIC掩星和IRI模型在不同太陽活動條件下的性能，文中選取2007—2013年連續(xù)7年的觀測數(shù)據(jù).圖1描述了太陽活動指數(shù)F10.7的變化.由圖可見，2007—2009年為太陽活動低年，F(xiàn)10.7指數(shù)的最大值不超過100 SFU，平均值約為71 SFU，特別是2008—2009年F10.7指數(shù)明顯偏小，太陽活動進入極小期；2011—2013年F10.7指數(shù)明顯升高，最大值約為190 SFU, 平均值約為117 SFU，太陽活動進入活躍期.

圖1　太陽輻射指數(shù)F10.7在2007—2013期間的變化Fig.1　Variation of F10.7 index during the period of 2007—2013

3結(jié)果分析

首先探討不同季節(jié)COSMIC掩星探測、IRI模型輸出特征參量與電離層垂直探測結(jié)果的相關(guān)性.其季節(jié)劃分如表1所示.圖2給出了2007—2013年電離層測高儀、COSMIC掩星和IRI模型不同季節(jié)電離層NmF2中值日變化的比較結(jié)果，同時分別給出了COSMIC掩星探測NmF2、IRI模型輸出NmF2與測高儀垂測參數(shù)NmF2的相關(guān)性.由圖可見，太陽活動低年，COSMIC掩星反演結(jié)果更接近于測高儀垂測值，相關(guān)性較高；IRI模型輸出NmF2與測高儀垂測參數(shù)NmF2的變化較為一致，但在1600 LT—2400 LT的輸出結(jié)果具有較為明顯的偏差(冬季除外).與太陽活動低年的觀測相比，太陽活動高年電離層峰值密度明顯增大，COSMIC探測值和測高儀垂測值的偏差有所增加，相關(guān)性降低；但IRI模型輸出NmF2與垂測參數(shù)NmF2的偏差減小，相關(guān)性略有增加.無論太陽活動極小年還是太陽活動高年，COSMIC反演參數(shù)NmF2、IRI輸出參數(shù)NmF2與垂測參數(shù)NmF2之間的相關(guān)系數(shù)大都在0.9以上.圖3與圖2類似，但給出的是電離層參數(shù)HmF2中值日變化的比較結(jié)果和相關(guān)性分析.COSMIC探測HmF2與垂測HmF2的變化基本一致，春秋兩季具有較高的精度，相關(guān)系數(shù)大都在0.9以上，但在夏冬兩季相關(guān)性降低，特別是太陽活動低年夏季午夜后(0000 LT—0500 LT)與垂測值的偏差增大，其相關(guān)系數(shù)約為0.66.與COSMIC掩星的分析結(jié)果類似，IRI模型輸出HmF2與垂測HmF2在春秋的相關(guān)性好于夏冬季，但白天時段與垂測結(jié)果有較大的偏差，以太陽活動低年的夏季最為顯著，相關(guān)系數(shù)降低至0.5以下.需要指出的是由于COSMIC某一時段觀測數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)不定值NaN的出現(xiàn)，但少量缺失數(shù)據(jù)應(yīng)當不會影響文中的分析結(jié)果.

表1　季節(jié)劃分范圍

COSMIC掩星探測能夠給出全球范圍電離層特征參量的變化，但對于給定觀測點難以獲取連續(xù)的觀測很容易導(dǎo)致某些時刻數(shù)據(jù)的缺失.為全面分析COSMIC掩星和IRI模型在不同太陽活動條件下的性能，文中利用測高儀垂測參數(shù)分別對太陽活動低年2007—2009和太陽活動高年2011—2013不同季節(jié)所有COSMIC探測和IRI模型輸出參數(shù)與測高儀垂測值的中位數(shù)進行回歸分析，其NmF2散點分布圖如圖4所示.圖中m為回歸直線(黑色)的斜率，斜率越接近于1，意味二者測量值越接近；c為相關(guān)系數(shù).太陽活動低年，COSMIC掩星和IRI模型得到的NmF2與測高儀垂測值相關(guān)系數(shù)的最大值約為0.98，最小為0.88.從圖上可以看出回歸直線的斜率都超過了1，意味著COSMIC掩星和IRI模型都不同程度高估電離層參數(shù)NmF2.與太陽活動低年的觀測相比，太陽活動高年COSMIC探測NmF2和測高儀垂測NmF2的相關(guān)性略有降低，但也都在0.8以上；IRI模型輸出參數(shù)NmF2與測高儀垂測NmF2的相關(guān)性則略有升高，所有季節(jié)都在0.9以上.二者的回歸直線斜率與太陽低年的結(jié)果相比，其值明顯降低，位于0.76～1之間.與圖4類似，但圖5給出的是電離層參數(shù)HmF2的散點分布.由圖可見，COSMIC掩星和IRI模型在春秋兩季的精度高于夏冬兩季，在太陽活動高年得到的結(jié)果略好于太陽活動低年的結(jié)果.與COSMIC的探測結(jié)果相比，IRI模型輸出HmF2的精度偏低，特別是在太陽活動低年的夏季，其斜率和相關(guān)系數(shù)僅約為0.39和0.27.太陽活動低年，COSMIC掩星和IRI模型除夏季外同樣存在高估垂測參數(shù)HmF2的現(xiàn)象.

圖5　COSMIC掩星探測和IRI模型得到的HmF2與垂測HmF2在太陽低年(上半圖)和太陽高年(下半圖)的散點分布圖(m為回歸直線的斜率，c為相關(guān)系數(shù))Fig.5　Scatter plots of the HmF2 from COSMIC/ IRI and the HmF2 from ionosonde during the period of 2007—2013 (the upper pane denotes the solar minimum of 2007—2009, the lower pane denotes the solar maximum of 2011～2013; m is the slope of the regress line and c is the correlation coefficient)

進一步將一天劃分為凌晨(0400 LT—0800 LT)、白天(0800 LT—1600 LT)、傍晚(1600 LT—2000 LT)和夜間(2100 LT—0400 LT)4個時段，分析不同時段內(nèi)COSMIC掩星探測和IRI模型輸出電離層參數(shù)與測高儀垂測參數(shù)的相關(guān)性.在太陽活動低年(2007—2009)和高年(2011—2013)條件下，峰值密度和峰值高度在各時段的相關(guān)性如表格2所示.從表中可見，COSMIC反演得到的NmF2與測高儀垂測值在太陽活動低年相關(guān)系數(shù)都高于0.9，太陽活動高年凌晨時段約為0.98，其他時段分布在0.82～0.89之間.IRI模型輸出NmF2與垂測NmF2在太陽低年和高年的凌晨時間相關(guān)系數(shù)都在0.95以上，其他時段則分布在在0.83～0.89之間.除傍晚時段，太陽活動高年IRI模型得到的相關(guān)系數(shù)略高于太陽活動低年的計算結(jié)果.與NmF2的計算結(jié)果相比，COSMIC掩星和IRI模型得到的HmF2與垂測值HmF2之間的相關(guān)系數(shù)都明顯下降.COSMIC探測HmF2與垂測HmF2之間的最大相關(guān)系數(shù)發(fā)生在夜間，大小約為0.83，最小相關(guān)系數(shù)發(fā)生在白天或凌晨，大小約為0.50.太陽高年IRI模型輸出參數(shù)HmF2與垂測HmF2得到的相關(guān)系數(shù)在夜間時段相關(guān)系數(shù)接近0.90，凌晨和白天在0.5以上；太陽活動低年除白天時段為0.51，其他時間都低于0.5.無論太陽活動低年還是高年，IRI模型在傍晚時段相關(guān)系數(shù)最低，大小約為0.22.

圖4和圖5中回歸直線的斜率在太陽活動低年大都明顯高于1，意味著COSMIC掩星和IRI模型都高估電離層特征參數(shù)NmF2和HmF2.分別利用太陽活動低年2007—2009和太陽活動高年2011—2013期間的數(shù)據(jù)，對不同地方時COSMIC掩星探測值、IRI模式輸出值與測高儀垂測值求差值，并統(tǒng)計正負差值的數(shù)量.圖6給出了COSMIC掩星和IRI模型得到的電離層參數(shù)NmF2高于垂測值或低于垂測值數(shù)量的條形分布圖，圖中黑色曲線為高于垂測值數(shù)量和低于垂測數(shù)量之間的差值.從圖6可以看出，太陽活動低年，COSMIC探測NmF2在夜間和凌晨前后的時間段內(nèi)大都低于垂測NmF2，白天(1000LT—1800LT)高于垂測NmF2，但冬季在夜間22時呈現(xiàn)稍微高估垂測值的現(xiàn)象.IRI模型輸出的NmF2約在午夜至凌晨前后低于垂測NmF2，其他時段(0800 LT—2300 LT)大都高于垂測值，但秋季0000LT—1400LT時間段內(nèi)呈現(xiàn)持續(xù)低估現(xiàn)象.從太陽活動高年期間的變化曲線可以看出，COSMIC掩星探測NmF2約在0600 LT—1000 LT低估垂測NmF2，但在午夜后(0000 LT—0500 LT) 與太陽活動低年正好相反，呈現(xiàn)高估NmF2的現(xiàn)象.此外，太陽高年COSMIC掩星在春夏秋白天的不同時段內(nèi)探測值略微高于垂測值，夏季沒有明顯差別.IRI模型的估計情況與COSMIC探測有些相似，特別是在0000 LT—1000 LT時間內(nèi)都呈現(xiàn)了先高估后低估的現(xiàn)象.在夏冬兩季，兩者的變化也基本一致，且冬季1500 LT都略高估垂測值.但春秋季1000LT后的白天時段與COSMIC探測不同，IRI模型大都低估垂測值NmF2.與圖6類似，但圖7給出的是電離層參數(shù)HmF2的高估或低估變化.太陽低年COSMIC掩星和IRI模型在午夜至凌晨前后均低估HmF2，其他時段大都呈現(xiàn)高估的現(xiàn)象.太陽活動高年COSMIC掩星和IRI模型在凌晨0500 LT左右低估HmF2，白天(1000 LT—1600 LT)則高估HmF2，在傍晚至夜間時段內(nèi)與垂測值的統(tǒng)計結(jié)果接近0.需要指出的是無論是電離層參數(shù)NmF2還是HmF2，太陽活動高年相對太陽低年其數(shù)據(jù)量均偏少，這主要是由于COSMIC探測數(shù)據(jù)缺失造成的，未來有必要利用更豐富的探測數(shù)據(jù)驗證結(jié)果的可靠性.

圖2　2007—2013年電離層峰值密度NmF2中值的季節(jié)變化和日變化(黑色實線為測高儀垂測值，叉號×為COSMIC探測值，圓圈○為IRI輸出值； C-S為COSMIC探測NmF2和測高儀垂測NmF2的相關(guān)系數(shù)，I-S為IRI輸出NmF2和測高儀垂測NmF2的相關(guān)系數(shù))Fig.2　Seasonal and diurnal variation of the ionospheric median NmF2 during the period of 2007—2013 (black solid line denotes digisonde measurements,× denotes COSMIC measurements and ○ denotes IRI outputs; C-S is the correlation coefficients between COSMIC-derived NmF2 and digisonde observations, I-S is the correlation coefficients between IRI-derived NmF2 and digisonde observations)

圖3　2007—2013年電離層峰值高度HmF2中值的季節(jié)變化和日變化(黑色實線為測高儀垂測值，叉號×為COSMIC探測值，圓圈○為IRI輸出值； C-S為COSMIC探測HmF2和測高儀垂測HmF2的相關(guān)系數(shù)，I-S為IRI輸出HmF2和測高儀垂測HmF2的相關(guān)系數(shù))Fig.3　Seasonal and diurnal variation of the ionospheric median HmF2 during the period of 2007—2013 (black solid line denotes digisonde measurements, × denotes COSMIC measurements and ○ denotes IRI outputs; C-S is the correlation coefficients between COSMIC-derived HmF2 and digisonde observations, I-S is the correlation coefficients between IRI-derived HmF2 and digisonde observations)

圖4　COSMIC掩星探測和IRI模型得到的NmF2與測高儀垂測NmF2在太陽低年(上半圖)和太陽高年 (下半圖)的散點分布圖 (m為回歸直線的斜率，c為相關(guān)系數(shù))Fig.4　Scatter plots of the NmF2 from COSMIC/IRI and the NmF2 from ionosonde during the period of 2007—2013 (the upper pane denotes the solar minimum of 2007—2009, the lower pane denotes the solar maximum of 2011—2013; m is the slope of the regress line and c is the correlation coefficient)

參數(shù)凌晨白天傍晚夜間COSMICNmF20.9798/0.98200.9099/0.81810.9494/0.86650.9416/0.8904IRINmF20.9548/0.97060.8261/0.86300.8781/0.83930.8705/0.8894COSMICHmF20.6764/0.50840.5045/0.70880.6633/0.64560.6109/0.8320IRIHmF20.3244/0.50470.5118/0.64160.2699/0.22650.4502/0.8997

圖6　COSMIC掩星和IRI模型得到的NmF2與垂測NmF2正負差值的數(shù)量分布(上半圖為太陽活動低年，下半圖為太陽活動高年, 黑色曲線為高于垂測值數(shù)量和低于垂測數(shù)量之間的差值；C-S為COSMIC探測值和測高儀垂測值之間的高估/低估結(jié)果，I-S為IRI輸出值和測高儀垂測值之間的高估/低估結(jié)果)Fig.6　Counts of the difference of the COSMIC/IRI-derived NmF2 and the ionosonde-derived NmF2 (the upper panel denotes the solar minimum, the lower panel denotes the solar maximum; black line denotes the differences between overestimation and underestimation; C-S denotes estimation between COSMIC anddigisonde measurements and I-S denotes estimation between IRI outputs and digisonde measurements)

圖7　COSMIC掩星和IRI模型輸出HmF2與垂測HmF2正負差值的數(shù)量分布(上半圖為太陽活動低年，下半圖為太陽活動高年，黑色曲線為高于垂測值數(shù)量和低于垂測數(shù)量之間的差值；C-S為COSMIC探測值和測高儀垂測值之間的高估/低估結(jié)果，I-S為IRI輸出值和測高儀垂測值之間的高估/低估結(jié)果)Fig.7　Counts of the difference of the COSMIC/IRI-derived HmF2 and the ionosonde-derived HmF2 (the upper panel denotes the solar minimum, the lower panel denotes the solar maximum; C-S denotesestimation between COSMIC and digisonde measurements and I-S denotes estimation between IRI outputs　and digisonde measurements)

4討論

與低緯地區(qū)觀測站Jicamarca垂測結(jié)果相比較，本文分析了不同太陽活動、不同季節(jié)、不同時間條件下COSMIC掩星和IRI模型得到的電離層特征參數(shù)NmF2和HmF2的精度，同時對COSMIC掩星和IRI模型高估或低估測高儀垂測值進行統(tǒng)計分析.由COSMIC掩星和IRI模型得到的NmF2與垂測NmF2均具有較高的相關(guān)性，但COSMIC掩星和IRI模型得到的HmF2與垂測HmF2的相關(guān)性有所降低.與太陽活動低年的觀測相比，COSMIC掩星探測參數(shù)NmF2在太陽高年與電離層垂測值得到的相關(guān)性略有降低，但由IRI模型輸出參數(shù)NmF2計算得到的相關(guān)性增大.COSMIC掩星和IRI模型凌晨前后低估垂測參數(shù)NmF2，白天時段則大都高估垂測參數(shù)NmF2，特別是太陽低年尤為明顯.

Liu 等(2010)利用2007年Jicamarca垂測資料得到的結(jié)果表明COSMIC掩星探測參數(shù)NmF2和HmF2與測高儀垂測值的季節(jié)相關(guān)性分別在0.9和0.8以上；對比本文太陽活動低年分析結(jié)果，NmF2的相關(guān)性基本一致，HmF2的相關(guān)性略有降低，分布在0.7～0.9之間；文中給出的電離層參數(shù)在不同時段的相關(guān)性與Chuo等(2011)利用2006—2008觀測數(shù)據(jù)得到的結(jié)果大都吻合，但白天和傍晚時段HmF2稍低.Chuo等(2011)以Jicamarca的地理經(jīng)緯度為中心，選取空間距離不超過3°區(qū)域內(nèi)的COSMIC探測數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究，文中同樣以觀測站位置為中心，但選取空間距離不超過5°的正方形區(qū)域內(nèi)的COSMIC掩星觀測數(shù)據(jù).此外，觀測數(shù)據(jù)的時間跨度也存在差別，因此相關(guān)結(jié)果的細微差異應(yīng)當是合理的.COSMIC掩星基于球?qū)ΨQ假設(shè)條件，利用Abel積分反演得到的射線切點處的電子密度剖面實際上是整個掩星區(qū)域的平均值，當電子密度的水平梯度較大時，容易造成較大的誤差(Yue et al., 2011).對于太陽活動高年，電離層電子濃度不僅顯著升高，時間和空間的梯度變化進一步增大，致使COSMIC掩星反演NmF2的誤差增大，與垂測值之間的相關(guān)性降低.為分析不同太陽活動條件下COSMIC掩星探測電離層NmF2和HmF2與垂測結(jié)果的差異，進一步統(tǒng)計分析了太陽活動低年(2007—2009)和太陽活動高年(2011—2013)電離層特征參數(shù)絕對偏差和相對誤差的分布，其結(jié)果如圖8所示.太陽高年電離層參數(shù)NmF2位于±0.1×106el·cm-3范圍內(nèi)的絕對偏差和位于±30%范圍內(nèi)的相對誤差的百分比分別約為63%和51%，與太陽活動低年的結(jié)果相比分別下降29%和13%；均方根誤差RMSE和平均相對誤差增大，分別約為1.5×105el·cm-3和24.56%.太陽高年電離層參數(shù)HmF2位于±25 km范圍內(nèi)的絕對誤差分布百分比和均方根誤差略遜于太陽低年的結(jié)果，但位于±10%范圍內(nèi)的相對誤差分布和平均相對誤差則好于太陽低年的結(jié)果.太陽活動高年COSMIC掩星反演參數(shù)NmF2的精度降低，但不同太陽活動水平對于HmF2的影響并不顯著.與Hu等(2014)在太陽活動高年(2011—2013)中國120°E地區(qū)的COSMIC掩星探測結(jié)果相比，NmF2和HmF2的精度高于低緯觀測站武漢和三亞的計算結(jié)果，其差異的主要原因可以歸結(jié)為中國低緯地區(qū)正好處于赤道北駝峰區(qū)域內(nèi)，電子濃度具有更大的梯度，可能導(dǎo)致較大的誤差.

圖8　COSMIC掩星探測參數(shù)和測高儀垂測參數(shù)的絕對誤差(左圖)和相對誤差(右圖)分布(灰色為太陽活動低年，黑色為太陽活動高年)Fig.8　Distribution of absolute error (left panel) and relative error (right panel) of ionospheric character parameters from COSMIC and ionosonde measurements (grey bar represents the solar minimum and black bar represents the solar maximum)

Yue等(2010)的研究指明白天時段Abel積分反演得到的射線切點正好位于赤道異常的駝峰區(qū)，由于球?qū)ΨQ假設(shè)可能會導(dǎo)致異常區(qū)內(nèi)(±10°—30°)的電子密度被低估，異常區(qū)附近區(qū)域(±10°)的電子密度被高估.從本文的結(jié)果可以看出，太陽低年低估電離層參數(shù)NmF2主要發(fā)生在夜間和凌晨前后的時間，高估則發(fā)生在白天時段；這些現(xiàn)象與Yue等(2010)的分析結(jié)果基本一致，同時也與Liu等(2010)、Chuo等(2011)在太陽低年的觀測結(jié)果相吻合.與太陽活動低年正好相反，太陽活動高年在0000 LT—0500 LT期間明顯高估電離層參數(shù)NmF2.太陽活動高年，太陽輻射增強很可能導(dǎo)致凌晨時段赤道異常區(qū)內(nèi)的電子密度增強，從而導(dǎo)致NmF2的高估.

從IRI模型與電離層垂測參數(shù)的比較結(jié)果可以看出，NmF2的相關(guān)性高于HmF2，太陽活動高年得到的相關(guān)性高于太陽低年的結(jié)果.與電離層垂測值相比，IRI模型大都高估電離層特征參數(shù)NmF2和HmF2，特別是太陽活動低年尤為顯著.2007—2009是太陽活動周期的低年，特別是2008/2009年不僅比以往低年的太陽活動程度要低，且持續(xù)時間長，為1913年以來太陽活動的非尋常極小年(Bilitza et al., 2014).Lühr和Xiong(2010)比較了IRI2007和CHAMP/GRACE衛(wèi)星得到的電子密度剖面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)IRI模型明顯高估兩種電子密度參數(shù)，其高估幅度在2008年和2009年分別約為50%和60%，在低緯白天時段更為顯著.Yue等(2013)比較了2008年IRI 2007和COSMIC掩星得到的斜向電子濃度總含量TEC, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電離層F層高度范圍IRI模型均高估電子密度和電離層高度.Lühr和Xiong(2010)認為在太陽活動極小年期間，F(xiàn)10.7指數(shù)不能完全準確描述太陽輻射情況導(dǎo)致IRI模型高估電離層參數(shù).IRI模型利用大量觀測數(shù)據(jù)，融合大氣物理模型參數(shù)，引入太陽活動指數(shù)和地磁指數(shù)，采用平滑、插值技術(shù)過濾了小尺度的擾動，能夠較為準確地反映電離層的“平均”變化.但IRI模型是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，如果缺乏某一區(qū)域或某一時段的數(shù)據(jù)，IRI模型輸出參數(shù)的精度就會降低.由于2008—2009期間太陽活動表現(xiàn)了不同以往低年的“異常”極小，電離層高度明顯下降，導(dǎo)致IRI模型高估電離層特征參數(shù).需要指出的是文中采用了IRI模型最新版本2012，由文中得到的分析結(jié)果，IRI 2012模型在太陽活動極小年仍然高估測高儀垂測參數(shù).與IRI 2007相比，IRI 2012主要在F1和F2中間層、極光E區(qū)、電子溫度和離子組成成分等方面進行了有意義補充與改進(Bilitza et al., 2014)，但低緯地區(qū)電離層NmF2和HmF2的估計精度仍需要進一步提升.

5結(jié)論

利用2007—2013電離層測高儀磁赤道地區(qū)Jicamarca的垂測數(shù)據(jù)，探討了不同條件下COSMIC掩星探測和IRI 2012模型輸出參數(shù)NmF2和HmF2的性能，統(tǒng)計分析了COSMIC掩星和IRI模型在不同地方時高估或低估垂測參數(shù)的分布情況，得到了以下一些結(jié)論：

(1) COSMIC掩星探測NmF2、IRI模型輸出NmF2與測高儀垂測NmF2的季節(jié)、時段相關(guān)系數(shù)均不低于0.8，具有較好的相關(guān)性.

(2) COSMIC掩星探測HmF2、IRI模型輸出HmF2與測高儀垂測HmF2的相關(guān)性在春秋季節(jié)較高，其相關(guān)系數(shù)大都集中在0.8以上，但夏冬季節(jié)相關(guān)性則不同程度下降，其中由IRI模型在太陽活動低年夏季得到的相關(guān)系數(shù)最低，其值約為0.2.由COSMIC掩星計算得到的各時段HmF2相關(guān)系數(shù)大都在0.6以上，但由IRI模型計算得到的相關(guān)系數(shù)大多降至0.5以下，特別是傍晚時段相關(guān)系數(shù)約為0.2.

(3) 太陽活動低年COSMIC掩星探測NmF2與垂測NmF2之間的相關(guān)性高于太陽活動高年的相關(guān)結(jié)果，但太陽活動對于參數(shù)HmF2的相關(guān)結(jié)果并無明顯影響；太陽活動低年IRI模型輸出參數(shù)NmF2和HmF2與測高儀垂測參數(shù)的相關(guān)性低于太陽活動高年得到的結(jié)果.

(4) 太陽活動低年COSMIC掩星和IRI模型白天時段和夜間明顯高估電離層參數(shù)，凌晨前后則低估電離層參數(shù)；太陽活動高年兩者則在午夜后(0000 LT—0500 LT)明顯高估電離層NmF2，白天仍呈現(xiàn)高估HmF2的現(xiàn)象.

致謝感謝數(shù)字電離層圖數(shù)據(jù)中心和COSMIC數(shù)據(jù)存檔與分析中心CDAAC為本文提供數(shù)據(jù)資源.

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(本文編輯胡素芳)

基金項目國家自然科學(xué)基金(41104096)資助.

作者簡介黃智,女,1973年生,副教授,博士,從事電波傳波及電離層物理相關(guān)研究.E-mail:wang86516@163.com

doi:10.6038/cjg20160701 中圖分類號P352

收稿日期2015-12-07，2016-01-11收修定稿

An analysis of ionospheric characteristic parameters retrieved from COSMIC and IRI at Jicamarca during the period of 2007—2013

HUANG Zhi1， YUAN Hong2

1SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,JiangsuNormalUniversity,XuzhouJiangsu221116，China2AcademyofOpto-Electronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094，China

AbstractTo evaluate comprehensively the performance of the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) and the International Reference Ionosphere (IRI), ionospheric characteristic parameters, the F2-peak density NmF2 and the F2-peak height HmF2from Digisonde over Jicamarca (11.95°S, 76.8°W, 1°N geomagnetic) are compared with data from the COSMIC radio occultation and IRI model during the different solar activity period of 2007—2013 in this study. The correlation of the digisonde observations and COSMIC/IRI measurements is analyzed emphatically, and then ionospheric parameters at Jicamarca being overestimated/underestimated by COSMIC and IRI are further discussed. The results are shown as follows: (1) Both the COSMIC-derived NmF2 and the IRI-derived NmF2 are in good agreement with the digisonde-derived measurements, and the correlation coefficients are more than 0.8. The correlation of the COSMIC-derived NmF2 in the solar minimum is greater than that in the solar maximum, and while the correlation of the IRI-derived NmF2 in the solar minimum is smaller than that in the solar maximum; (2) The HmF2 correlation between COSMIC/IRI and digisonde in spring and autumn is greater than that in summer and winter. Most seasonal and temporal correlation coefficients of COSMIC-derived HmF2 are more than 0.8 and 0.6, respectively. However, the correlation of the IRI-derived HmF2 decreased significantly, especially for the summer season in the solar minimum and dusk segment with a value of less than 0.3; (3) The ionospheric parameters are generally overestimated by COSMIC and IRI in the daytime and while they are underestimated from night to dawn in the solar minimum. Distinct from that in the solar minimum, the NmF2 are overestimated during the post-night (0000 LT—0500 LT) in the solar maximum. The current research could be useful for the ionospheric model improvement as well as data assimilation work based on the IRI model and COSMIC radio occultation data.

KeywordsDigisonde； COSMIC； IRI； Ionospheric character parameter； Correlation

黃智， 袁洪. 2016. 磁赤道地區(qū)2007—2013年COSMIC掩星反演和國際參考電離層模型輸出結(jié)果分析. 地球物理學(xué)報，59(7):2333-2343,doi:10.6038/cjg20160701.

Huang Z, Yuan H. 2016. An analysis of ionospheric characteristic parameters retrieved from COSMIC and IRI at Jicamarca during the period of 2007—2013. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2333-2343,doi:10.6038/cjg20160701.