陳林峰, 程云鵬

(1.陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院， 南京 210000； 2.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410000)

地球電離層是指距地表60～1 000 km的等離子體，主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射和高能粒子等電離高層中性大氣成分，電離層電子密度分布特征對(duì)不同波段電磁波會(huì)產(chǎn)生折射、反射、散射和吸收等影響。其中，電離層F2層是電子密度最大的區(qū)域，一般位于200～350 km高度，隨地方時(shí)、經(jīng)緯度、季節(jié)、太陽(yáng)和地磁活動(dòng)等變化，同時(shí)受到低層大氣活動(dòng)的影響而呈現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空變化特征。此外，電離層峰值電子密度對(duì)應(yīng)的臨界頻率foF2對(duì)短波通信、天波超視距雷達(dá)等工作頻率選擇具有重要意義[1-2]。為了能夠得到全球范圍電離層foF2參數(shù)，研究人員利用多源天地基電離層探測(cè)數(shù)據(jù)和理論研究成果構(gòu)建了電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1]。其中，國(guó)際參考電離層模型IRI和NeQuick是應(yīng)用最為廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鼈兪褂脭?shù)學(xué)公式和系數(shù)來(lái)表征全球范圍電離層foF2的分布情況[2-4]。雖然目前常用的IRI和NeQuick模型不斷更新?lián)Q代，但其精度和模擬能力還存在局限[3-6]。王國(guó)軍等[7]利用2002—2012年中國(guó)海南地區(qū)電離層foF2數(shù)據(jù)，研究了日變化、季節(jié)變化和年變化，并與IRI-2012經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明電離層foF2存在著明顯的冬季和半年異常現(xiàn)象，該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠畲嬖诘胤綍r(shí)、季節(jié)和年分布特征。

由于電離層參數(shù)眾多、變化復(fù)雜，研究人員常利用大量探測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論研究成果和建模方法構(gòu)建特定電離層參數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以滿(mǎn)足理論研究和實(shí)際應(yīng)用需要。例如，Oyeyemi等[8]和Mckinnell等[9]利用全球范圍電離層垂測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法開(kāi)展了建模預(yù)報(bào)研究，使用地方時(shí)、緯度、天數(shù)、太陽(yáng)和地磁指數(shù)作為輸入?yún)?shù)，分別構(gòu)建了區(qū)域和全球電離層foF2經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并使用觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這些模型的精度。此外，Liu等[10]、Zhang等[11]和黃良珂等[12]利用經(jīng)驗(yàn)正交分解方法對(duì)電離層參數(shù)進(jìn)行分解，研究了電離層參數(shù)foF2時(shí)空變化特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)建模，構(gòu)建了單站和區(qū)域電離層foF2模型。

隨著CHAMP(challenging minisatellite payload)、GRACE(gravity recovery and climate experiment)和COSMIC(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)等掩星探測(cè)系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，電離層foF2探測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，特別是彌補(bǔ)了海洋及南北極地區(qū)的探測(cè)空白，為全球建模提供了數(shù)據(jù)支撐。Hoque等[13]利用包含地方時(shí)、季節(jié)、磁緯和太陽(yáng)活動(dòng)項(xiàng)等非線(xiàn)性多項(xiàng)式和COSMIC掩星電離層數(shù)據(jù)，構(gòu)建了全球范圍電離層NmF2模型。在此基礎(chǔ)上，Liu等[14]使用CHAMP、GRACE和COSMIC掩星數(shù)據(jù)針對(duì)電離層峰值電子密度進(jìn)行了建模，得到了全球范圍電離層NmF2經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，評(píng)估結(jié)果認(rèn)為該模型精度與模擬能力均高于常用的IRI-2016模型，研究表明IRI-2016模型NmF2每天最小值出現(xiàn)的時(shí)間和日出前的增長(zhǎng)速度均快于觀(guān)測(cè)值。

太陽(yáng)活動(dòng)是影響電離層參數(shù)時(shí)空分布的關(guān)鍵要素，而地磁活動(dòng)則在短期內(nèi)具有至關(guān)重要作用，在目前電離層foF2參數(shù)建模方面，許多研究工作中太陽(yáng)和地磁活動(dòng)影響研究不夠全面，特別是如何與地方時(shí)、季節(jié)、經(jīng)緯度等因素復(fù)雜耦合作用考慮不足，限制了電離層foF2模型精度和模擬能力。

因此，現(xiàn)使用2006—2014年COSMIC掩星電離層foF2數(shù)據(jù)，特別是考慮太陽(yáng)和地磁活動(dòng)的非線(xiàn)性耦合作用，對(duì)各個(gè)緯度帶分別進(jìn)行建模，并使用2015—2019年數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立檢驗(yàn)，自主構(gòu)建了高精確全球電離層foF2模型，同時(shí)模擬研究了電離層foF2隨地方時(shí)、季節(jié)和經(jīng)度等時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步提升電波傳播自主保障及電離層foF2變化規(guī)律認(rèn)知水平具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)及方法介紹

1.1 電離層foF2數(shù)據(jù)

所用的電離層foF2數(shù)據(jù)來(lái)自COSMIC掩星星座探測(cè)結(jié)果，該星座由6顆小衛(wèi)星構(gòu)成，位于高度為700～800 km的近圓形軌道。通過(guò)星載接收機(jī)接收的GPS信號(hào)路徑折射和時(shí)間延遲信息反演推算出電磁波信號(hào)路徑上的電離層電子密度積分值，從掩星剖面中可以獲取電離層峰值電子密度NmF2及對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)信息[15]。

圖1(a)給出了2007年第1天COSMIC數(shù)據(jù)空間分布情況，當(dāng)日電離層觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)總量為2 525個(gè)，分布在全球范圍內(nèi)，經(jīng)度方向上數(shù)據(jù)分布基本沒(méi)有差異，但中緯地區(qū)數(shù)據(jù)量顯著高于高緯極區(qū)，這與COSMIC星座的軌道分布有關(guān)，掩星事件絕大部分出現(xiàn)在中低緯地區(qū)。圖1(b)中可以看出COSMIC數(shù)據(jù)集覆蓋時(shí)間為2006—2019年，數(shù)據(jù)的總量為4 349 116個(gè)，有效數(shù)據(jù)量隨著時(shí)間的推移而逐漸下降，如2007年為665 569個(gè)，而2019年則下降至26 758個(gè)。

圖1 2007年第1天COSMIC掩星數(shù)據(jù)空間分布 及2006—2019年期間數(shù)據(jù)量情況Fig.1 Spatial distribution of COSMIC data on the first day of 2007,and observed number from 2006 to 2019

圖2為COSMIC數(shù)據(jù)時(shí)段內(nèi)的太陽(yáng)和地磁活動(dòng)情況，可以看出太陽(yáng)F10.7指數(shù)基本在65～170 sfu，地磁Kp指數(shù)大部分處于0～4。本文使用2006—2014年數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，2015—2019年數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立檢驗(yàn)。結(jié)合圖1，可以看出太陽(yáng)活動(dòng)低年期間觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量較多，太陽(yáng)活動(dòng)高年期間則相對(duì)較少，而數(shù)據(jù)量的多少會(huì)影響到建模的精度和穩(wěn)定性，因此本文自主構(gòu)建的電離層foF2經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕m用于太陽(yáng)和地磁活動(dòng)低、中等水平。

圖2 太陽(yáng)F10.7指數(shù)日均值(藍(lán)色)和81 d平均值 (紅色)，以及日均地磁Kp指數(shù)分布情況Fig.2 Daily (blue) and 81-day averaged (red) solar F10.7 index,and daily geomagnetic Kp index

COSMIC掩星獲取的是電離層峰值電子密度NmF2，但在電波傳播應(yīng)用過(guò)程中直接用到的參數(shù)為電離層臨界頻率foF2，兩者之間的轉(zhuǎn)化公式為

(1)

式(1)中：NmF2的單位為el/m3；foF2單位為Hz，本文采用的單位為MHz。

圖3為正午時(shí)間(地方時(shí)13:00—15:00)兩個(gè)不同緯度帶上電離層foF2分布情況，可以看出赤道地區(qū)電離層foF2明顯高于中高緯地區(qū)，這主要是與太陽(yáng)天頂角有關(guān)，低緯地區(qū)受到太陽(yáng)輻射電離產(chǎn)生的等離子體數(shù)量更多。此外，電離層foF2存在顯著的季節(jié)變化規(guī)律，低緯地區(qū)最大值出現(xiàn)在春秋分季，而高緯地區(qū)最大值則出現(xiàn)在當(dāng)?shù)叵募酒陂g。赤道和高緯地區(qū)電離層foF2變化幅度分別約為6～14 MHz和1～9 MHz，且不同緯度的電離層foF2數(shù)值大小均受太陽(yáng)活動(dòng)的水平直接調(diào)控。

圖3 正午時(shí)間不同緯度帶上電離層foF2隨時(shí)間變化情況Fig.3 Ionospheric foF2 at noontime changes with time at different latitude

1.2 建模方法

從圖3中可以看出電離層foF2隨緯度、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)變化，實(shí)際上它還與地方時(shí)、經(jīng)度和地磁活動(dòng)等因素有關(guān)。由于緯度方向變化特征較為復(fù)雜，且尚無(wú)明確數(shù)學(xué)公式能夠準(zhǔn)確表達(dá)，因此本文研究對(duì)不同緯度帶上的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行建模，從而構(gòu)建全球電離層foF2經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。為了確保緯度帶上的連續(xù)性，現(xiàn)采用緯度帶滑動(dòng)覆蓋方式進(jìn)行建模，例如將90°S～85°S區(qū)間內(nèi)的電離層foF2觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，結(jié)果作為87.5°S緯度帶上的建模結(jié)果，87.5°S～82.5°S數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)值當(dāng)作85°S上的結(jié)果。以此類(lèi)推，全球共分成了71個(gè)緯度帶，緯度方向上的分辨率為2.5°。

參考Hoque等[13]、Liu等[14]和Weng等[16-17]方法，根據(jù)電離層foF2時(shí)空變化特點(diǎn)，在每個(gè)緯度帶上分別采用式(2)進(jìn)行建模。

(2)

式(2)中：f1為太陽(yáng)和地磁活動(dòng)項(xiàng)；F10.7P=(F10.7+F10.7A)/2，F(xiàn)10.7為提前1 d的太陽(yáng)活動(dòng)數(shù)值，F(xiàn)10.7A為其81 d平均值，Kp為提前3、6、9 h地磁指數(shù)，其中太陽(yáng)F10.7指數(shù)和地磁Kp指數(shù)提前量均來(lái)自統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果[13-14]；f2為地方時(shí)變化項(xiàng)，lt為地方時(shí)，該項(xiàng)包括了日和半日變化，電離層foF2以日/半日變化為主，該項(xiàng)基本可以用于描述該參數(shù)隨地方時(shí)變化規(guī)律；f3為季節(jié)變化項(xiàng)，doy為年積日，該項(xiàng)包括了年和半年變化，電離層foF2以年/半年變化為主，該項(xiàng)基本可以用于描述該參數(shù)隨季節(jié)變化規(guī)律；f4為經(jīng)度變化項(xiàng)；long為經(jīng)度，該項(xiàng)包括了三波和四波結(jié)構(gòu)，電離層foF2以三波和四波結(jié)構(gòu)為主，該項(xiàng)基本可以用于描述該參數(shù)隨經(jīng)度變化規(guī)律。式(2)中對(duì)應(yīng)每項(xiàng)的系數(shù)為：a0、a1、a2、a3、a4、a5、b0、b1i、b2i、c1j、c2j、d0、d1k、d2k，電離層foF2時(shí)空變化特征十分復(fù)雜，式(2)中未包含一些小尺度、隨機(jī)過(guò)程，但式(2)依然考慮了該參數(shù)在不同太陽(yáng)和地磁活動(dòng)條件下的時(shí)空演化規(guī)律，可以描述電離層foF2隨地方時(shí)、經(jīng)緯度、季節(jié)及太陽(yáng)和地磁活動(dòng)等氣候?qū)W特征。使用COSMIC電離層foF2數(shù)據(jù)和最小二乘法擬合式(2)，得到模型系數(shù)(共有6×5×5×9×71=95 850個(gè))。

2 結(jié)果分析

2.1 建模效果評(píng)估

使用上述建模方法對(duì)各個(gè)緯度帶上的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，圖4給出了南半球3個(gè)不同緯度帶上的模型結(jié)果與觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況，其中圖4(b)和圖4(c)對(duì)應(yīng)地方時(shí)正午時(shí)間，圖4(a)為所有時(shí)間。

圖4(a)顯示極區(qū)電離層foF2最大值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)叵募酒陂g，季節(jié)變化幅度可以達(dá)到100%，模型擬合結(jié)果非常接近觀(guān)測(cè)值，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.943。圖4(b)表明中緯地區(qū)電離層foF2存在年、半年變化特征，最大值出現(xiàn)在每年春秋分季期間，極小值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)叵募酒陂g，模型擬合結(jié)果也能夠很好地再現(xiàn)季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)水平變化特征，兩者相關(guān)系數(shù)為0.956。圖4(c)為赤道地區(qū)電離層foF2結(jié)果，可以看出其年、半年變化特征更為顯著，模型擬合結(jié)果與觀(guān)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.934?？傮w來(lái)看，本文經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合結(jié)果與觀(guān)測(cè)值具有非常好的一致性，能夠很好地再現(xiàn)不同緯度帶上電離層foF2季節(jié)變化特征及隨太陽(yáng)活動(dòng)等演化規(guī)律，驗(yàn)證了建模方法的精度和可靠性。

圖5為建模及獨(dú)立檢驗(yàn)兩個(gè)時(shí)段觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況。從圖5(a)中的色標(biāo)可以看出，模型結(jié)果與2006—2014年建模時(shí)段觀(guān)測(cè)值絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)具有非常好的一致性，兩者相關(guān)系數(shù)整體上達(dá)到了0.948。圖5(b)為2015—2019年獨(dú)立觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，兩者之間同樣具有非常好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.937。需要注意的是，有極少電離層foF2觀(guān)測(cè)數(shù)值高于模型結(jié)果，可能與該部分COSMIC掩星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大誤差有關(guān)[15]，或者還存在本文研究中尚未考慮到的其他電離層foF2變化影響因素。但總體而言，建模和獨(dú)立檢驗(yàn)時(shí)段內(nèi)該模型的平均偏差分別為2.38%和3.08%，相對(duì)誤差分別為11.72%和12.69%，誤差在±10%以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)量比例分別達(dá)到了57%和53%。

圖5 建模時(shí)段和獨(dú)立檢驗(yàn)時(shí)段電離層foF2模型與 觀(guān)測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical results of our model and observed values during the modeling and testing period

相比較而言，Hoque等[13]建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼`差在15%左右，Liu等[14]建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c觀(guān)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.92，IRI模型整體偏差達(dá)到了30%左右。此外，研究表明NeQuick模型整體誤差也達(dá)到了25%以上[5]。因此，本文構(gòu)建的全球電離層foF2模型比Hoque等[13]、Liu等[14]構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃虸RI、NeQuick等常用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途雀撸f(shuō)明本文模型具有較高的精度和可靠性，適用于模擬研究各種條件下電離層時(shí)空變化特征。

2.2 地方時(shí)變化特征

為了定量研究電離層foF2隨地方時(shí)、緯度、季節(jié)和經(jīng)度等變化特性的能力，本文使用自主模型模擬了不同條件下電離層foF2全球分布情況。圖6(a)為中等太陽(yáng)活動(dòng)水平(F10.7=120 sfu)、地磁平靜(Kp=1)、本初子午線(xiàn)(long=0°)和春分日(doy=80)電離層foF2隨地方時(shí)和緯度變化，從圖6中可以看出顯著的地方時(shí)變化及赤道雙峰結(jié)構(gòu)。高緯度地區(qū)電離層foF2最大值出現(xiàn)在12:00LT左右，中緯地區(qū)最大值基本在14:00LT附近，低緯地區(qū)一般在15:00LT后。南半球中高緯地區(qū)電離層foF2日夜變化幅度達(dá)200%以上，赤道地區(qū)日夜變化幅度約為70%，北半球中高緯地區(qū)約為100%，因此南半球電離層foF2日夜變化幅度顯著高于北半球。低緯地區(qū)白天電離層foF2存在明顯的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，即最大值位于30°N和10°S附近，這種現(xiàn)象一般在10:00LT形成，可以維持到22:00LT以后，赤道地區(qū)谷值與峰值大小通常可以相差30%以上。研究表明[2]，赤道雙峰結(jié)構(gòu)是由于電離層發(fā)電機(jī)層產(chǎn)生的東向極化電場(chǎng)造成的，磁赤道F層等離子體在東向電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用下向上漂移至較高高度，但在重力和壓力梯度力共同作用下會(huì)沿著磁力線(xiàn)擴(kuò)散下沉到磁赤道兩側(cè)形成雙峰結(jié)構(gòu)。夜間電離層foF2極大值出現(xiàn)在赤道地區(qū)，極小值位于南北半球60°附近，且南半球電離層foF2數(shù)值大小低于北半球相同緯度結(jié)果，呈現(xiàn)出半球不對(duì)稱(chēng)性。

圖6 電離層foF2日變化結(jié)果Fig.6 Ionospheric foF2 diurnal variation

圖6(b)為第173 d模擬結(jié)果，可以看出由于太陽(yáng)日下點(diǎn)位于北半球回歸線(xiàn)上，北半球處于夏季期間，因此白天和夜間電離層foF2數(shù)值均顯著高于南半球。計(jì)算表明，南半球中高緯地區(qū)電離層foF2日夜變化幅度達(dá)到300%以上，赤道地區(qū)日夜變化幅度約150%，北半球中高緯地區(qū)日夜變化幅度約20%，因此冬季半球電離層foF2日夜變化幅度顯著高于夏季半球。冬季半球電離層foF2增加速度更快，最大值出現(xiàn)在12:00LT，此后開(kāi)始逐漸減小。相比較而言，夏季半球電離層foF2從6:00—7:00LT開(kāi)始增加，在15:00LT左右超過(guò)冬季半球，并于16:00—17:00LT達(dá)到最大。赤道雙峰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯半球不對(duì)稱(chēng)特性，這可能是由于至日期間太陽(yáng)輻射作用抑制了夏季半球峰值結(jié)構(gòu)的發(fā)展，從而導(dǎo)致冬季北半球電離層foF2赤道雙峰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性[2, 18]。

利用上述模型綜合分析其他太陽(yáng)和地磁活動(dòng)水平以及經(jīng)度、季節(jié)情況下結(jié)果，研究表明電離層foF2白天存在顯著的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，至日期間呈現(xiàn)顯著不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，且冬季半球峰值更早出現(xiàn)和結(jié)束。電離層foF2日夜變化特征隨緯度增加而增大，春秋分季期間南半球日夜變化幅度顯著高于北半球，至日期間的夏季半球電離層foF2數(shù)值大小整體高于冬季半球，但日夜變化幅度遠(yuǎn)低于冬季半球。

2.3 季節(jié)變化特征

圖7(a)為中等太陽(yáng)活動(dòng)水平(F10.7=120 sfu)、地磁平靜(Kp=1)、本初子午線(xiàn)(long=0°)、夜間(lt=2:00)條件下電離層foF2隨天數(shù)和緯度變化結(jié)果。從中可以看出夜間中高緯地區(qū)電離層foF2以年變化為主，即最大值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)匕肭蛳募酒陂g，南北半球季節(jié)變化幅度分別達(dá)到了300%和60%以上，因此南半球電離層foF2季節(jié)變化幅度遠(yuǎn)高于北半球，呈現(xiàn)出顯著的半球不對(duì)稱(chēng)性。南半球低緯地區(qū)依然以年變化為主，而北半球低緯及赤道地區(qū)則包括年和半年變化，即最大值出現(xiàn)在春秋分季，最小值出現(xiàn)在7月份，季節(jié)變化幅度約為50%。

圖7 電離層foF2季節(jié)變化結(jié)果Fig.7 Ionospheric foF2 seasonal variation

圖7(b)為正午(lt=14:00)情況下結(jié)果，可以看出白天電離層foF2包括年和半年變化，極大值出現(xiàn)在70 d和300 d左右，極小值位于180 d附近，最小值則基本位于南半球高緯極區(qū)，季節(jié)變化幅度約為150%。隨著緯度逐漸降低，南半球中低緯地區(qū)電離層foF2的極大值出現(xiàn)時(shí)間變?yōu)?0 d和290 d左右，最小值則延后至190 d附近，季節(jié)變化幅度約為50%。低緯地區(qū)存在顯著的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，峰值位于30°N和10°S附近，峰值和谷值數(shù)值大小比值約為1.2，極大值位于100 d和290 d附近，最小值位于190 d附近，季節(jié)變化幅度約為30%。北半球中緯地區(qū)電離層foF2極大值出現(xiàn)在90 d和290 d左右，極小值位于190 d附近，季節(jié)變化幅度約為40%。北半球高緯極區(qū)電離層foF2極大值出現(xiàn)在100 d和260 d左右，極小值位于190 d附近，季節(jié)變化幅度約為20%。

利用上述模型綜合分析其他太陽(yáng)和地磁活動(dòng)水平以及經(jīng)度、地方時(shí)結(jié)果，夜間電離層foF2除了北半球低緯地區(qū)極大值出現(xiàn)在春秋分季外，其他地區(qū)以年變化為主，而白天電離層foF2極大值則基本位于春秋分季，呈現(xiàn)出顯著的年、半年變化特征。此外，電離層foF2季節(jié)變化幅度隨著緯度增加而增大，且夜間明顯高于白天，南半球顯著高于北半球。研究表明[19]，電離層電子密度季節(jié)變化與大氣成分O和N的比值具有很大關(guān)系，因此中性大氣環(huán)流以及太陽(yáng)輻射季節(jié)變化被認(rèn)為是引起電離層foF2季節(jié)變化特征的主要原因。

2.4 經(jīng)度變化特征

圖8(a)為低太陽(yáng)活動(dòng)水平(F10.7=70 sfu)、地磁平靜(Kp=1)、春分(doy=80)、夜間(lt=2:00)條件下電離層foF2隨經(jīng)度和緯度變化結(jié)果?？梢钥闯鲭婋x層foF2隨地磁場(chǎng)分布，且在南北半球60°附近存在極小值區(qū)域，電離層foF2的數(shù)值大小比附近高緯及低緯地區(qū)低約50%，這種出現(xiàn)在極光帶上的電離層夜間等離子體濃度耗空結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為電離層中緯槽[2]，該現(xiàn)象與磁層等離子體對(duì)流上行、中性大氣濃度增加、中性風(fēng)場(chǎng)或快速離子流等有關(guān)。此外，在赤道附近可以看出顯著的4個(gè)極大值區(qū)域，這種隨經(jīng)度方向變化的特征稱(chēng)之為四波結(jié)構(gòu)，即非洲西部、東南亞、太平洋中部和南美出現(xiàn)4個(gè)電離層foF2數(shù)值增強(qiáng)區(qū)，波動(dòng)變化幅度約為15%。研究表明[20]，該現(xiàn)象是由低層大氣非遷移潮汐傳播到電離層高度，從而影響低緯地區(qū)F層電子密度的分布，激發(fā)出電離層四波結(jié)構(gòu)。

圖8(b)為正午時(shí)間(lt=14:00)電離層foF2隨經(jīng)緯度分布結(jié)果，可以看出同樣出現(xiàn)了顯著的四波結(jié)構(gòu)，且位于赤道雙峰結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域。相比較而言，南北半球四波結(jié)構(gòu)變化幅度分別為10%和20%左右，呈現(xiàn)出顯著的半球不對(duì)稱(chēng)性特征。

利用上述模型綜合分析其他太陽(yáng)和地磁活動(dòng)水平以及天數(shù)、地方時(shí)結(jié)果，電離層foF2隨地磁場(chǎng)位型分布，中緯槽現(xiàn)象主要出現(xiàn)在春秋分季夜間，四波結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)較低水平和春秋分季條件下，且夜間主要位于磁赤道上，白天主要位于赤道雙峰結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域。

圖8 電離層foF2經(jīng)度變化結(jié)果Fig.8 Ionospheric foF2 seasonal variation

3 結(jié)論

使用2006—2014年COMSIC掩星電離層數(shù)據(jù)，以及包含太陽(yáng)和地磁活動(dòng)、地方時(shí)、季節(jié)、經(jīng)度變化的多項(xiàng)式方法，在每個(gè)緯度帶分別進(jìn)行建模，從而構(gòu)建了全球電離層foF2經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使?015—2019年觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立檢驗(yàn)，重點(diǎn)使用該模型研究了電離層隨地方時(shí)、季節(jié)及經(jīng)度等時(shí)空變化特征，得到以下主要結(jié)論。

(1)本文構(gòu)建的全球電離層foF2經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果與建模時(shí)段模型COSMIC觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.948，平均偏差和相對(duì)誤差分別為2.38%和11.72%；模型與獨(dú)立檢驗(yàn)時(shí)段數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.937，平均偏差和相對(duì)誤差分別為3.08%和12.69%，說(shuō)明模型具有較高的精度和可靠性。

(2)電離層foF2日夜變化幅度隨著緯度增加而增大，白天存在隨季節(jié)變化的赤道雙峰結(jié)構(gòu)，春秋分季期間南半球電離層foF2日夜變化幅度顯著高于北半球，且夏季半球遠(yuǎn)低于冬季半球。

(3)電離層foF2季節(jié)變化幅度隨緯度增加而增大，夜間電離層foF2季節(jié)變化除北半球低緯地區(qū)外均以年變化為主，白天電離層foF2呈現(xiàn)顯著年、半年變化特征，夜間明顯高于白天，南半球顯著高于北半球。

(4)電離層foF2隨地磁場(chǎng)位型分布，中緯槽現(xiàn)象主要出現(xiàn)在春秋分季夜間，經(jīng)度方向四波結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)較低水平和春秋分季條件下，夜間及白天分別位于磁赤道和赤道雙峰結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域。

綜上所述，本文構(gòu)建的全球電離層foF2模型具有較高的精度及模擬能力，輸入時(shí)間、經(jīng)緯度、太陽(yáng)和地磁活動(dòng)指數(shù)就可以獲得全球電離層foF2參數(shù)信息，計(jì)算結(jié)果可以應(yīng)用于短波通信、超視距雷達(dá)工作頻率選擇等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)進(jìn)一步定量認(rèn)知全球電離層foF2隨地方時(shí)、經(jīng)緯度、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)等時(shí)空變化特征具有重要意義。需要指出的是，由于本文研究所用的COSMIC掩星電離層數(shù)據(jù)主要覆蓋太陽(yáng)和地磁活動(dòng)中低水平，模型使用條件具有一定局限性，用于獨(dú)立檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)COSMIC結(jié)果，理論上使用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的垂測(cè)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉比對(duì)驗(yàn)證才能夠進(jìn)一步提高模型的適用性，因此后續(xù)可以在本文研究基礎(chǔ)上結(jié)合更多天地基觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)開(kāi)展建模研究工作。