姬姍姍

(山東建材勘察測繪研究院有限公司, 山東 濟南 250199)

0 引言

電離層作為地球大氣層的一部分,是一個部分電離的區(qū)域,其位置距離地面60～1 000 km。電離層的活動強烈影響著衛(wèi)星導(dǎo)航、授時等通信服務(wù)。電離層總電子含量是表述電離層狀態(tài)的重要參數(shù),可以反映電離層時空變化。川藏高原位于中國的西南部,是世界最高的高原,其經(jīng)濟發(fā)展同樣需要高精度的導(dǎo)航和授時服務(wù)等。因此，研究川藏高原的電離層時空特性對本地區(qū)建立相應(yīng)的電離層模型具有重要的意義。

目前,國內(nèi)外研究學(xué)者對區(qū)域電離層的變化做了廣泛分析。高敬帆[1]利用拉薩電波環(huán)境觀測站30余年的總電子含量(total electronic content,TEC)數(shù)據(jù),研究了拉薩地區(qū)電離層的變化特性。他發(fā)現(xiàn)拉薩地區(qū)電離層日變化顯著,季節(jié)變化明顯,隨太陽活動變化幅度較大。靳婷婷[2]利用2000—2018年的全球電離層格網(wǎng)(global ionosphere map,GIM)TEC數(shù)據(jù),分析京津冀地區(qū)電離層時空分布特性及太陽活動與電離層的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)電離層TEC與F10.7指數(shù)據(jù)具有極強的相關(guān)性,且京津冀地區(qū)TEC每日最大值出現(xiàn)在協(xié)調(diào)世界時(coordinated universal time,UTC)4:00左右。朱軍桃[3]利用歐洲定軌中心提供的2000—2019年的電離層TEC數(shù)據(jù)對四川及周邊地區(qū)進行電離層時空特性分析,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)2000—2019年TEC與F10.7日均值、月均值、年均值相關(guān)性分別為0.879、0.923和0.998。劉鈍[4]更對中國區(qū)域電離層特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)中國區(qū)域電離層將影響電離層延遲誤差的空間相關(guān)性。孫文杰[5]也對2013和2015年磁暴期間中國地區(qū)電離層特性進行了探究,發(fā)現(xiàn)2013年3月磁暴期間中國不同地區(qū)電離層變化較弱或不明顯,而2015年3月磁暴期間中國地區(qū)電離層變化整體表現(xiàn)為大范圍的強負相暴,中國地區(qū)不同程度的電離層響應(yīng)主要受到不同的磁暴強度和磁暴期間不同的能量輸入影響。李筱[6]和張盼盼[7]分別對重慶地區(qū)和沖繩地區(qū)的電離層突發(fā)E層進行了分析,發(fā)現(xiàn)重慶地區(qū)Es主要發(fā)生在夏季白天,峰值強度出現(xiàn)在6月份的上午,而沖繩地區(qū)Es整體強度較強,峰值強度出現(xiàn)在6月份中午11—12時。許多國外學(xué)者研究了區(qū)域上的異?，F(xiàn)象,比如中緯度夏季夜間異常(midlatitude summer nighttime anomaly,MSNA),冬季異常現(xiàn)象[8-9],例如,Yasyukevich等[8]利用GIM TEC繪制了冬季異常的區(qū)域分布圖。

以上研究從局域角度對不同區(qū)域電離層進行了探究,但并未對高海拔區(qū)域進行分析。本文基于歐洲軌道確定中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)分析中心2014—2019年的GIM TEC數(shù)據(jù)和太陽參數(shù)F10.7的修正指數(shù)F10.7p,利用時間序列分析、相關(guān)性分析以及快速傅里葉分析的方法,對川藏高原地區(qū)的電離層時空特性進行聯(lián)合分析。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 TEC數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域為川藏高原地區(qū),選取范圍為90°E—105°E,27.5°N—32.5°N。數(shù)據(jù)來源于歐洲定軌中心,歐洲定軌中心選取全球約300個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite systems,GNSS)地面跟蹤站,利用球諧函數(shù)建立了全球電離層模型[10]。本文選擇CODE分析中心2014—2019年的GIM TEC數(shù)據(jù),對川藏高原地區(qū)的電離層活動特性展開分析。

1.2 太陽活動參數(shù)F10.7p地磁參數(shù)

F10.7是指太陽的10.7 cm波段輻射通量,單位是sfu,1sfu=10-22m-2Hz-1,是目前使用最廣泛的太陽活動指數(shù)之一。本文使用的太陽活動指數(shù)是F10.7的修正指數(shù)F10.7p,F10.7p與TEC有著更好的相關(guān)性,并且在統(tǒng)計意義上F10.7p相當好地反映了太陽極紫外(extreme ultraviolet,EUV)輻射通量的強度。F10.7p通過式(1)計算而來。式中,F10.7A是F10.7的81 d滑動平均值。

F10.7p=(F10.7+F10.7A)/2

(1)

2 分析

2.1 時變特性

圖1描述了該地區(qū)2014與2019年各季節(jié)的日變化。從圖1可以看出,2014年各季節(jié)的TEC均值大于2019年各季節(jié)的TEC均值,這主要是因為2014年屬于太陽活動高年,TEC受太陽輻射強度增加,電離程度加強。對于2014年,春季的TEC值最大,秋季次之,接著是冬季,最后是夏季,這體現(xiàn)了TEC的年度異常、半年度異常和冬季異常。其中,年度異常是指冬至日的TEC值大于夏至日的TEC值[11],半年度異常是指二分點的TEC值大于二至點的TEC值[12],冬季異常指冬季日間TEC值大于夏季日間TEC值。對于2019年,由于太陽活動較弱,各季節(jié)的TEC含量基本一致。與2014不同的是,2019年冬季的TEC值最小,說明太陽活動低年沒有冬季異常。此外,TEC在08:00:00—20:00:00更大,這主要是因為日間太陽輻射劇烈,電離程度加大導(dǎo)致。圖2對該地區(qū)2014—2019年的TEC進行了傅里葉分析,X軸是頻率(Hz),周期是頻率的倒數(shù),單位為天。經(jīng)統(tǒng)計,TEC周期為26.4、121.7、182.6、219.1、365.0 d,基本體現(xiàn)了TEC的27 d周期變化、半年變化、年變化。

圖1 2014與2019年各季節(jié)的日間變化

圖2 2014—2019年TEC的傅里葉分析

2.2 空間特性

為探究川藏地區(qū)TEC的空間分布特征。圖3描述了川藏地區(qū)TEC的空間分布,從圖3可以看出,無論是2014年還是2019年,低緯度地區(qū)(30°N以下)的TEC較大,本文認為這可能與赤道異常有關(guān)。其中,赤道異常是指電離層F層的最大電子密度出現(xiàn)于磁赤道兩邊±10°～20°磁緯區(qū)的現(xiàn)象[13-15];此外,2014年為太陽活動高年,該區(qū)域TEC整體介于30～40 TECU。2019年為太陽活動低年,2019年為太陽活動低年,該區(qū)域TEC整體在10 TECU附近。

(a)2014年

2.3 時空聯(lián)合分析

為探究川藏地區(qū)TEC隨經(jīng)度和地方時間的變化。圖4給出了在2014和2019年TEC隨經(jīng)度和地方時間的變化。從圖4可以看出,該地區(qū)各經(jīng)度的TEC變化特征相似,體現(xiàn)了時空相關(guān)性。另外,TEC在08:00:00—20:00:00相對較大,在20:00:00—08:00:00較小,且2014年白天和夜間的TEC相差變大,這與圖3所展示的現(xiàn)象一致。此外,太陽活動高年(2014年)比太陽活動低年(2019年)的TEC更大,這一特征在各經(jīng)度處相同。

(a)2014年

3 結(jié)束語

本文基于CODE分析中心2014—2019年的GIM TEC數(shù)據(jù)和太陽參數(shù)F10.7的修正指數(shù)F10.7p,利用時間序列分析、相關(guān)性分析以及快速傅里葉分析的方法,對川藏高原地區(qū)的電離層時空特性進行分析。(1)在太陽活動高年時,TEC具有年度異常、半年度異常和冬季異常。在太陽活動低年時,這些異常減弱或消失。(2)本文通過傅里葉分析驗證了TEC的27 d周期變化、半年變化、年變化。(3)無論是2014年還是2019年,低緯度地區(qū)(30°N以下)的TEC較大,本文認為這可能與赤道異常有關(guān)。(4)該地區(qū)各經(jīng)度的TEC變化特征相似,體現(xiàn)了時空相關(guān)性。