藍(lán)加平，劉凱，朱正平

（中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074）

電離層是地球周圍高層大氣的一部分，距地球表面約60～1000 km 的范圍內(nèi).其中的中性氣體由于受太陽(yáng)紫外線和X 射線輻射、其他紫外輻射和宇宙射線中高能粒子的碰撞等作用而形成的具有離子和自由電子共存的等離子體層.電離層對(duì)高頻電磁波產(chǎn)生很強(qiáng)的折射、反射和散射效應(yīng)，電離層與高頻無(wú)線電波的這種相互作用是研究電離層結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)動(dòng)變化的重要手段.其中，電離層F2 層臨界頻率（即foF2）是一個(gè)非常重要的電離層特征參數(shù)，在各種民用和軍事應(yīng)用，比如高頻通信，超視距雷達(dá)跟蹤、廣播、導(dǎo)航、定時(shí)、測(cè)距、定位和頻譜管理等方面都發(fā)揮著重要作用.foF2 通常是通過(guò)電離層測(cè)高儀以垂測(cè)的方式獲取的電離層數(shù)字頻高圖經(jīng)過(guò)標(biāo)定和反演得到.

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)foF2 的參數(shù)特性進(jìn)行了大量研究，取得了一些有意義的分析研究成果.WANG 等［1］利用海南測(cè)高儀的數(shù)據(jù)研究了中國(guó)低緯地區(qū)電離層F2 層峰值參數(shù)foF2 和hmF2 的變化特性，并與IRI 進(jìn)行了對(duì)比分析；為了提高foF2 定量預(yù)測(cè)的精度，WANG 等［2］提出了一種基于混沌的自適應(yīng)預(yù)測(cè)技術(shù)，使得foF2 提前1 小時(shí)的預(yù)測(cè)精度大大提高；MO?NA 等［3］提出了一種綜合采用電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)、地磁和太陽(yáng)通量數(shù)據(jù)標(biāo)定分析電離層臨界頻率的高效方法；ZHANG 等［4］利用海南地區(qū)F2 層峰值參數(shù)foF2 和hmF2 等研究了低緯電離層的行為特征；BILITZA 等［5］利用非洲的兩個(gè)赤道臺(tái)站研究了赤道電離層foF2 的月變化特性；馬瑞平等［6］利用東亞和澳大利亞扇區(qū)不同地磁緯度臺(tái)站和兩個(gè)極區(qū)臺(tái)站1974-1986 年電離層垂直探測(cè)數(shù)據(jù)，分析研究了foF2 半年變化特征；徐彤等［7］建立了foF2 月譜模型并把多個(gè)臺(tái)站相應(yīng)的單站譜模型與IRI 進(jìn)行了比較分析；楊君等［8］利用位于美洲扇區(qū)磁赤道地區(qū)Jicamarca 臺(tái)站的foF2 數(shù)據(jù)研究了赤道地區(qū)foF2 的變化特性；王國(guó)軍等［9］通過(guò)對(duì)一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周（2002-2012 年）期間海南觀測(cè)站數(shù)字測(cè)高儀DPS-4D 觀測(cè)到的foF2 在低地磁擾動(dòng)條件下的月中值日變化、季節(jié)變化和年變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并與相應(yīng)的IRI-2012 模型預(yù)報(bào)值進(jìn)行了對(duì)比研究；王世凱等［10］通過(guò)擬合國(guó)際參考電離層模型得到“等效太陽(yáng)黑子數(shù)”，并利用kriging 技術(shù)完成了區(qū)域電離層重構(gòu)；徐中華等［11］對(duì)南極中山站電離層測(cè)高儀1995-2002 年foF2 月中值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，揭示了中山站電離層foF2 的主要特征；朱正平等［12］利用三亞臺(tái)站2013 年電離層foF2 觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了foF2 的混沌特性及其預(yù)測(cè)；郭曉燕等［13］對(duì)沈陽(yáng)站電離層測(cè)高儀2009-2012 年foF2 月均值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，揭示了沈陽(yáng)站電離層foF2 的日變化和年變化特征；何勁等［14］利用多個(gè)垂測(cè)站數(shù)據(jù)分析了1964-1976 年期間foF2 正午值、子夜值的季節(jié)變化和逐年變化以及它們同太陽(yáng)黑子數(shù)的關(guān)系；梁奉超等［15］利用2005-2007 年廣州、海口和重慶三個(gè)臺(tái)站的foF2 數(shù)據(jù)，研究了foF2 日變化、季節(jié)變化和foF2隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化規(guī)律，以及空間天氣事件如磁暴對(duì)foF2 的影響；陳春等［16］提出了一種以中國(guó)參考電離層為背景的中國(guó)地區(qū)電離層foF2 的區(qū)域重構(gòu)方法.

本文利用中國(guó)地區(qū)5 個(gè)臺(tái)站1995-2006 年期間覆蓋一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的每天整點(diǎn)foF2 觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了中國(guó)地區(qū)foF2 年變化，月變化，季節(jié)變化和日變化特性，并研究了它們與地理緯度，太陽(yáng)活動(dòng)以及與地磁活動(dòng)的依賴關(guān)系.

1 數(shù)據(jù)

觀測(cè)數(shù)據(jù)均由中國(guó)電波傳播研究所提供.共5 個(gè)臺(tái)站，從北到南分別是滿洲里（49.58°N，117.43°E），長(zhǎng)春（43.87°N，125.25°E），北京（39.98°N，116.37°E），廣州（23.12°N，113.27°E）和?？谡荆?0.03°N，110.33°E）.時(shí)間跨度為1995-2006 共12 年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，覆蓋第22-23 太陽(yáng)活動(dòng)周內(nèi).foF2 觀測(cè)值每小時(shí)1 個(gè)，每天共有24 個(gè)觀測(cè)值，同時(shí)，數(shù)據(jù)集中還包括foF2 月中值、上四分點(diǎn)值和下四分點(diǎn)值，以及每個(gè)月的實(shí)際觀測(cè)天數(shù).本文所用地磁活動(dòng)指數(shù)和太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)的數(shù)據(jù)均由http：//irimodel.org/網(wǎng)站下載.

2 22-23太陽(yáng)活動(dòng)周foF2變化特征

2.1 緯度變化

5 個(gè)觀測(cè)臺(tái)站經(jīng)度都在110°E 左右，相差較小，基本都在1 個(gè)時(shí)區(qū)以內(nèi)，且經(jīng)度變化更多地是以地方時(shí)的變化表現(xiàn)出來(lái)，因此，這里主要討論foF2 的緯度變化特性.圖1 所示是5 個(gè)臺(tái)站foF2 月中值隨年份和本地時(shí)間的變化，圖中不同臺(tái)站的foF2 統(tǒng)一了刻度，橫坐標(biāo)是觀測(cè)年份，1995-2006 共12 年，縱坐標(biāo)是本地時(shí)間（Local Time，LT）.從縱向看，滿洲里站緯度最高（49.58°），foF2 值相對(duì)最小，?？诰暥茸畹停?0.03°），foF2 值相對(duì)最大.隨著緯度逐漸減小，foF2 對(duì)應(yīng)的值是逐漸增大的，說(shuō)明foF2 具有較強(qiáng)的地理緯度依賴性，表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)特性，緯度越低，foF2值越大.從橫向上看，即從某一個(gè)臺(tái)站連續(xù)多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)上來(lái)看，foF2 也呈現(xiàn)出明顯的月變化和季節(jié)變化特征.

圖1 5個(gè)臺(tái)站foF2月中值隨觀測(cè)年份和本地時(shí)間的變化Fig.1 The variation of foF2 monthly median with the year and local time

為了清楚地觀察foF2 在不同緯度上的季節(jié)變化細(xì)節(jié)，我們選取了2000 年5 個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分三個(gè)季節(jié)進(jìn)行研究，每個(gè)季節(jié)4個(gè)月，分別是夏季（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）.圖2給出了2000年5個(gè)臺(tái)站foF2均值的季節(jié)變化.從圖中可以看出，3 個(gè)季節(jié)中，foF2 均值的變化趨勢(shì)整體是一致的，但具體細(xì)節(jié)不同.3 個(gè)季節(jié)中，春秋季foF2 值最大，冬季次之，夏季最小，以廣州站18LT 時(shí)為例，春秋季、冬季和夏季的foF2 最大值分別為16.44 MHz、15 MHz 和14.44 MHz，顯示出“半年異?！?，即兩分點(diǎn)大于兩至點(diǎn)，在白天顯示出“冬季異常”，即冬天大于夏天，但在夜間，夏天值比冬天大，“冬季異?！爆F(xiàn)象沒(méi)有出現(xiàn).5 個(gè)站中，滿洲里、長(zhǎng)春和北京3個(gè)高中緯站變化走勢(shì)一致，廣州和?？?個(gè)低緯站變化走勢(shì)一致.

圖2 5個(gè)臺(tái)站在2000年3個(gè)季節(jié)中foF2日均值變化Fig.2 The variation of foF2 daily mean value in the three seasons in 2000 in the five stations

2.2 年變化和日變化

為了展示foF2 年變化特性，選取北京站1995-2006 共12 年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究.圖3 所示是北京站1995-2006 年foF2 日均值的年變化，從圖中可以看出，foF2 各年內(nèi)變化形態(tài)一致，但數(shù)值不同，自1995年開始，foF2值逐年增大，到2000年達(dá)到最大，維持該水平持續(xù)到2002 年，然后又逐年下降，直至2006 年降到最小.為了觀察年內(nèi)以及年間的變化細(xì)節(jié)，抽取上述1997-1998 年的數(shù)據(jù)示于圖4，可以看出，兩年內(nèi)的變化形態(tài)一致，數(shù)值大小不同；各年內(nèi)，逐日不同，但顯示出明顯的半年變化特征，即3-4 月和9-10 月是兩個(gè)級(jí)別相當(dāng)?shù)姆鍏^(qū)，5-8 月是值稍大的谷區(qū)，1-2 月以及11-12 月是值最小的谷區(qū)，這與圖2的觀測(cè)結(jié)果也是一致的，顯示了“半年異?！?

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

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

為了詳細(xì)研究foF2 日變化，北京站1995 年foF2年均值的日變化示于圖5，可以看出，1-6 LT 時(shí)其值下降，到6 LT 時(shí)達(dá)到全天最小值，然后上升，到13 LT 時(shí)達(dá)到全天最大值，然后一直持續(xù)下降直到24 LT時(shí)，即foF2白天大，夜晚小.

圖5 北京站1995年foF2年均值的日變化Fig.5 The daily variation of annual mean value in 1995 in Beijing station

2.3 太陽(yáng)活動(dòng)變化

foF2 觀測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋了1995-2006 年，屬于第22-23 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周，表1 所列是這12 年太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F107的統(tǒng)計(jì)值.

從上述對(duì)圖1和圖3的分析知道，foF2年內(nèi)變化趨勢(shì)一致，但逐年變化較大，這可能與太陽(yáng)活動(dòng)水平有關(guān).由于現(xiàn)有foF2 觀測(cè)數(shù)據(jù)正好覆蓋一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周，有利于研究foF2 與太陽(yáng)活動(dòng)的相關(guān)關(guān)系.圖1（c）表示的是北京站1995-2006 年foF2 月中值變化，圖6對(duì)應(yīng)給出了1995-2006年太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)變化情況，從圖中可以看出，1995-1997，2005-2006 太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F107 年均值都小于100，相應(yīng)的foF2 也相對(duì)較小，1998-1998，2003-2004年太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)處于中等水平，foF2 值相對(duì)變大，2000-2002 年太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F107 達(dá)到最大值時(shí)，foF2 也達(dá)到最大，在圖2（c）中顯示出了較大值的紅色，因此，foF2 對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的依賴性是十分明顯的.

圖6 北京站1995-2006年太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F107Fig.6 The solar activity index F107 during 1995-2006 in Beijing station

為了定量展示foF2 和太陽(yáng)活動(dòng)的相互依存關(guān)系，對(duì)它們進(jìn)行擬合運(yùn)算.圖7（a）所示是太陽(yáng)活動(dòng)低年（1995 年）F107 與foF2 月中值散點(diǎn)圖以及它們的擬合曲線，圖7（b）所示是太陽(yáng)活動(dòng)高年（2000年）F107 與foF2 月中值散點(diǎn)圖以及它們的擬合曲線，從圖中可以看出，不管是在太陽(yáng)活動(dòng)低年，還是在太陽(yáng)活動(dòng)高年，foF2 與F107 散點(diǎn)較為集中，所擬合的曲線也較為相似.

圖7 北京站太陽(yáng)活動(dòng)低年（1995年）和太陽(yáng)活動(dòng)高年（2000年）F107和foF2散點(diǎn)圖以及擬合曲線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 月變化和季節(jié)變化

為了研究foF2 月變化和季節(jié)變化，選取北京站在太陽(yáng)活動(dòng)低年（1995 年）和太陽(yáng)活動(dòng)高年（2000 年）foF2 月均值進(jìn)行對(duì)比分析.圖8 顯示的是北京站1995 年和2000 年1-12 月foF2 月均值的變化，橫坐標(biāo)是本地時(shí)間LT，縱坐標(biāo)是foF2 月均值，圖中紅實(shí)線代表1995 年foF2 月均值曲線，綠實(shí)線代表2000 年foF2 月均值曲線，藍(lán)虛線代表兩者的差值曲線.從圖中可以看出，foF2 在太陽(yáng)活動(dòng)低年和高年都呈逐月變化特征，變化形態(tài)相似；每個(gè)月內(nèi)，foF2 在太陽(yáng)活動(dòng)高年值均高于太陽(yáng)活動(dòng)低年值，其差值形狀在12 個(gè)月中都極其相似，類似于一個(gè)常數(shù)值曲線；12 個(gè)月中，根據(jù)數(shù)值大小和曲線形狀，可以自然地將它們分成三組，一組包括1 月，2 月，11 月 和12 月，二 組包括5 月，6 月，7 月和8 月，三組包括3 月，4 月，9 月和10 月，這三組剛好與3 個(gè)季節(jié)吻合，即冬季，夏季和春秋季.

圖8 北京站foF2均值在太陽(yáng)活動(dòng)低年1995年和太陽(yáng)活動(dòng)高年2000年的逐月變化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年太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)統(tǒng)計(jì)值Tab.1 The statistical value of solar activity index for 1995-2006

為了研究月變化中所表現(xiàn)出來(lái)的季節(jié)變化，我們將1995 年太陽(yáng)活動(dòng)低年的foF2 在3 個(gè)季節(jié)中每一時(shí)刻的值用圖9（a）-（c）表示出來(lái)，類似地，太陽(yáng)活動(dòng)高年2000 年示于圖9（d）-（f），圖中紅色散點(diǎn)表示不同季節(jié)中各個(gè)時(shí)刻的foF2 值，綠色實(shí)線表示它們的平均值，藍(lán)色豎棒表示標(biāo)準(zhǔn)差.從圖9 可以看出，在3 個(gè)季節(jié)中，foF2 在太陽(yáng)活動(dòng)高年值都是大于對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)活動(dòng)低年值；3 個(gè)季節(jié)中，無(wú)論是在太陽(yáng)活動(dòng)低年，還是在太陽(yáng)活動(dòng)高年，春秋季foF2 值最大，冬季次之，夏季最小.

圖9 北京站1995年太陽(yáng)活動(dòng)低年foF2在夏季，春秋季和冬季的變化（a）-（c），2000年太陽(yáng)活動(dòng)高年夏季，春秋季和冬季變化（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 地磁活動(dòng)變化

為了研究foF2 與地磁活動(dòng)的相關(guān)性，我們選擇了北京站太陽(yáng)活動(dòng)低年1995 年和太陽(yáng)活動(dòng)高年foF2 觀測(cè)數(shù)據(jù)，分3 個(gè)季節(jié)與地磁活動(dòng)指數(shù)Kp 進(jìn)行了對(duì)比分析，分別示于圖10 和圖11.在圖10 和圖11中，總體情況是，地磁活動(dòng)大的區(qū)域，foF2 相對(duì)也較大，如圖10（c）和圖11（c）所示；具體細(xì)節(jié)上，在不同的太陽(yáng)活動(dòng)和不同的季節(jié)，foF2和Kp指數(shù)都是逐日逐月變化的，但它們的變化趨勢(shì)并不一致，也就是說(shuō)并無(wú)正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的相關(guān)關(guān)系.因此，foF2的日變化，月變化，季節(jié)變化與地磁活動(dòng)依賴性弱，或者說(shuō)，即使有一定的相關(guān)性，也是體現(xiàn)在地磁活動(dòng)受太陽(yáng)活動(dòng)影響，進(jìn)而表現(xiàn)在foF2的相應(yīng)變化上.

圖10 北京站1995太陽(yáng)活動(dòng)低年3個(gè)季節(jié)foF2和地磁活動(dòng)指數(shù)Kp的變化Fig.10 The comparison of foF2 with the geomagnetic activity index Kp in the three seasons in low solar activity year 1995

圖11 北京站2000太陽(yáng)活動(dòng)高年3個(gè)季節(jié)foF2和地磁活動(dòng)指數(shù)Kp的變化Fig.11 The comparison of foF2 with the geomagnetic activity index Kp in the three seasons in high solar activity year 2000

3 結(jié)論

通過(guò)中國(guó)從北到南5 個(gè)臺(tái)站1995-2006 共12 年覆蓋一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的foF2 每日整點(diǎn)foF2 觀測(cè)數(shù)據(jù)，再結(jié)合同時(shí)期的太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析研究了foF2 的緯度，太陽(yáng)活動(dòng)，地磁活動(dòng)，日變化，月變化，季節(jié)變化，半年變化和年變化特征.這些特征包括：

（1）地理緯度變化.foF2具有較強(qiáng)的地理緯度依賴性，表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)特性，緯度越低，foF2值越大.

（2）半年變化和季節(jié)變化.foF2 春秋季最大，冬季次之，夏季最小，顯示出“半年異?！爆F(xiàn)象，即兩分點(diǎn)大于兩至點(diǎn)，在白天顯示出“冬季異?！?，即冬天大于夏天，但在夜間，夏天值比冬天大，“冬季異?！爆F(xiàn)象在夜晚沒(méi)有出現(xiàn).

（3）年變化和太陽(yáng)活動(dòng)變化.foF2年內(nèi)變化趨勢(shì)一致，但逐年變化與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)，分析發(fā)現(xiàn)逐年變化與太陽(yáng)活動(dòng)具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，太陽(yáng)活動(dòng)越大，foF2值也會(huì)越大.

（4）日變化和地磁活動(dòng)變化.foF2 白天大，夜晚小，逐日不斷變化，但與地磁活動(dòng)依賴性較小.

這些分析結(jié)果對(duì)中國(guó)地區(qū)foF2 應(yīng)用、模式修正和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等提供重要的參考依據(jù).