吳文壇，鄖曉光，李得根，萬壽興，梁麗芳，趙奕源

(1.河北省自然資源檔案館，河北 石家莊 050031；2.甘肅省白銀市興堡川電灌工程管理局，甘肅 白銀 730900；3.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100036；4.北京房山人衛(wèi)激光國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100830)

0 引言

電離層是地球大氣的重要組成部分,位于距離地面60～2 000 km的高空,由于太陽的輻射作用,其中分布著大量的帶電離子和自由電子[1-3]。當(dāng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)信號穿越電離層時,會產(chǎn)生數(shù)米到上百米的測距誤差[4-5]。電離層正常狀態(tài)下,可通過差分定位削弱電離層延遲影響,提高定位精度[6-8]。然而地磁爆的發(fā)生會引發(fā)電離層異常,導(dǎo)致差分定位對電離層延遲的削弱效果大幅下降,定位精度隨之降低[9-10]。針對磁暴期間的電離層異常響應(yīng),研究電離層異常狀態(tài)下的變化特性[2],對消除電離層影響,保障異常狀態(tài)下的GNSS和連續(xù)運行參考站(Continuous Operation Reference Station, CORS)服務(wù),具有重要意義[11-13]。

文獻[14]針對2017年9月發(fā)生的特大磁暴,通過計算地磁活動指數(shù)與垂直電子總含量(Vertical Total Electron Content, VTEC)之間的相關(guān)關(guān)系,分析了地磁爆對全球不同緯度的影響規(guī)律。文獻[15-16]針對2018年的地磁暴事件分別進行了全球和高緯度地區(qū)的電離層響應(yīng)分析。文獻[17]對比了2000年和2003年的2次特大磁暴,揭示了不同時期的磁暴對中低緯地區(qū)電離層影響的不同特點。

已有研究主要利用GNSS數(shù)據(jù),從大尺度方面開展了電離層異常分析。但是,對于省級CORS系統(tǒng),重點關(guān)注本區(qū)域電離層異常情況。省級CORS網(wǎng)具有測站密度高、覆蓋范圍完整、數(shù)據(jù)細節(jié)豐富等特點。利用省級CORS網(wǎng)數(shù)據(jù),能夠更精細地建立區(qū)域電離層模型,支撐電離層異常提取。研究區(qū)域電離層異常,可更精準深入地掌握電離層異常的時空規(guī)律。本文選取2022年10月份磁暴發(fā)生前后共8 d的河北省CORS觀測數(shù)據(jù),進行河北省區(qū)域電離層建模,并通過建模結(jié)果分析此次磁暴對河北省區(qū)域電離層影響的時空規(guī)律和分布特征,為后續(xù)省級CORS運行維護提供參考。

1 區(qū)域電離層精細建模及其異常提取方法

1.1 區(qū)域電離層建模

利用非差非組合精密單點定位的方法,將電離層延遲值作為待估參數(shù)進行逐歷元估計,提取得到電離層延遲量如下[18-19]:

(1)

式中:STEC為傾斜總電子含量(Slant Total Electron Content,STEC),f1、f2為L1、L2的載波頻率,DCBs和DCBr分別為衛(wèi)星和接收機的差分碼偏差(Differential Code Bias, DCB),c0為真空中的光速。將STEC通過投影函數(shù)轉(zhuǎn)換為VTEC,利用低階球諧函數(shù)將所有穿刺點VTEC值進行模型擬合。

Bnmsin(mλ)],

(2)

式中:φ與λ分別為穿刺點經(jīng)緯度,nmax為球諧模型階數(shù),Pnm為歸一化后的勒讓德級數(shù),Anm、Bnm為待求模型系數(shù)。球諧系數(shù)按每小時一組,1 d 24組求解,DCB值設(shè)為1 d 中固定不變,同時附加衛(wèi)星DCB之和為0的約束條件,通過最小二乘求解得到模型系數(shù)與DCB值。

1.2 電離層異常提取

通常使用滑動四分位距法進行電離層異常值的提取。選取電離層正常情況下多天某一時刻的VTEC作為背景值,將待檢測天數(shù)同一時刻下的VTEC作為檢核值。背景值按從小到大依次排列,并將其平均分為4份,得到3個分割點,分別為上四分位數(shù)Q1、中位數(shù)Q2、下四分位數(shù)Q3。四分位距為:

dIQR=Q3-Q1。

(3)

根據(jù)四分位距與中位數(shù)可計算得到異常提取的上下邊界值為:

(4)

式中:up為上邊界值,low為下邊界值,k為指定系數(shù),通?？扇?.5,表示以95%的置信度來進行異常判定。

2 區(qū)域電離層數(shù)值試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗方案設(shè)計

選取河北省區(qū)域內(nèi)均勻分布的20個CORS,利用其2022年年積日(Day of Year, DOY)第298～305 d的觀測數(shù)據(jù)進行河北省區(qū)域電離層建模,其間地磁與太陽活動情況如圖1所示。利用區(qū)域電離層建模結(jié)果,在地球磁暴天氣環(huán)境下進行電離層異常響應(yīng)的時間特征、量級特征、空間分布與變化特征分析。

圖1 2022年DOY 298～305 d地磁、太陽活動情況Fig.1 The geomagnetic and solar activities of DOY 298～305 d in 2022

圖中為DOY 298～305 d Kp指數(shù)、Dst指數(shù)隨協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordinated, UTC)的變化情況,及每天的F10.7指數(shù)變化。其中DOY 298～302 d F10.7指數(shù)逐天遞增,第302 d達到最大值,302～305 d逐天緩慢遞減,8 d的F10.7指數(shù)全部超過100 sfu,表明第298～305 d太陽處于中等活動水平,且第302 d活動最為劇烈。

Kp指數(shù)以每3 h 1個值,1 d共8個值的形式給出,Dst指數(shù)每小時1個值,每天共24個值。DOY 298～300 d,Kp指數(shù)一直維持在3 nT以下,Dst指數(shù)也一直處于大于-30 nT的水平,說明該天數(shù)內(nèi)地磁未達到活躍狀態(tài)。DOY 301 d, UTC 18時Kp指數(shù)突增至4 nT以上,Dst指數(shù)也下降至-30 nT左右,地磁達到活躍狀態(tài),UTC 21時Kp指數(shù)稍有回落,而后在24時又超過4 nT,Dst指數(shù)則在UTC 21時開始不斷上升。DOY 302 d,Kp指數(shù)一直保持在3 nT以上,在UTC 9時達到全天最大值,超過4.5 nT,Dst指數(shù)自UTC 0時開始下降,至9時達到最小值,地磁活動達到磁暴水平,9時以后Kp指數(shù)開始下降,Dst指數(shù)逐漸增大,地磁恢復(fù)至平靜狀態(tài)。DOY 303～305 d,Kp指數(shù)均未超過3.5 nT,且大部分時段處于3 nT以下,Dst指數(shù)也基本維持在-20 nT以上,表明該天數(shù)內(nèi)地磁較為平靜,未發(fā)生較大變化。

由上述指數(shù)變化可知,在2022年DOY 301～302 d,發(fā)生小磁暴一次,第301 d UTC 18—24時為初始相階段,302 d UTC 0—9時為主相階段,302 d UTC 9時之后,進入恢復(fù)相階段。

電離層異常變化是指當(dāng)太陽或地磁發(fā)生劇烈活動時,電離層中電子含量發(fā)生較大變化,VTEC呈現(xiàn)出異于正常時期的時空分布狀態(tài),通常表現(xiàn)為部分區(qū)域VTEC值相較于正常時期的同一時刻劇烈增大或減小。本文利用上述滑動四分位距法進行電離層異常值提取,根據(jù)背景值計算得到待檢核天數(shù)每一時刻的上邊界與下邊界VTEC值,而后依據(jù)上下邊界對待檢核時刻VTEC值進行異常判斷,若檢核值大于上邊界,則異常值為檢核值減去上邊界值,若檢核值小于下邊界,異常值為檢核值減去下邊界值,若檢核值介于上下邊界之間,則不存在異常,異常值為0。

2.2 電離層異常響應(yīng)時間和量級特征分析

選取河北省區(qū)域內(nèi)同一經(jīng)線上不同緯度處的格網(wǎng)點,由南至北格網(wǎng)點緯度分別為37.5°N、40°N、42.5°N。利用解算得到的模型參數(shù)計算格網(wǎng)點在2022年DOY 298～305 d的VTEC值,并采用滑動四分位距方法進行異常探測,得到電離層異常ΔVTEC值。磁暴引起電離層異常變化結(jié)果如圖2～圖4所示。每幅圖中上圖為DOY 298～305 d每天UTC 0—23時的格網(wǎng)點VTEC值,下圖為每天UTC 0—23時的電離層異常值,異常值為0表示當(dāng)前時刻未發(fā)生電離層異常。

圖2 (37.5°N,115°E)格網(wǎng)點天頂電子總量(VTEC)、電離層異常變化(ΔVTEC)結(jié)果Fig.2 Results of VTEC and ionospheric anomaly change (ΔVTEC) at the grid point (37.5° N, 115° E)

圖3 (40.0°N,115°E)格網(wǎng)點天頂電子總量(VTEC)、電離層異常變化(ΔVTEC)結(jié)果Fig.3 Results of VTEC and ionospheric anomaly change (ΔVTEC) at the grid point (40.0° N, 115° E)

圖4 (42.5°N,115°E)格網(wǎng)點天頂電子總量(VTEC)、電離層異常變化(ΔVTEC)結(jié)果Fig.4 Results of VTEC and ionospheric anomaly change (ΔVTEC) at the grid point (42.5° N, 115° E)

此次磁暴主相發(fā)生時間為DOY 302 d UTC 0—9時,圖中可以看出隨著磁暴進入主相階段,格網(wǎng)點VTEC值出現(xiàn)明顯增大。DOY 298～301 d,每天格網(wǎng)點VTEC值均未超過35 TECU。DOY 302 d VTEC值自UTC 0時開始持續(xù)增大,至UTC 5時達到最大值。緯度為37.5°N、40.0°N、 42.5°N格網(wǎng)點處VTEC峰值由南至北依次為41.9、42.0、43.4 TECU。此刻較低緯度處的VTEC值小于較高緯度處的VTEC值,地球磁暴引起了電離層異常,磁暴期間電離層VTEC分布規(guī)律已不同于磁暴前VTEC分布規(guī)律。電離層異常導(dǎo)致同一經(jīng)線上隨緯度升高VTEC并未減小。說明磁暴對不同緯度處的VTEC影響量級具有顯著差異,導(dǎo)致VTEC隨緯度升高而增大[14],因此同一經(jīng)線上低緯度處的VTEC反而小于高緯度處VTEC值。

DOY 303 d VTEC值較302 d 有所減小,但依然高于DOY 298～301 d,在當(dāng)天UTC 7時VTEC達到最大值,由南至北格網(wǎng)點VTEC峰值依次為39.9、37.8、37.1 TECU。說明在時間響應(yīng)特征方面,區(qū)域電離層異常對磁暴響應(yīng)具有拖尾效應(yīng)。VTEC值并未隨著磁暴主相的結(jié)束而立刻恢復(fù)至磁暴發(fā)生前的水平。至DOY 304 d,VTEC值恢復(fù)至與磁爆發(fā)生前相當(dāng)?shù)乃?最大值僅在30.0 TECU左右。

電離層VTEC異常計算結(jié)果顯示,在DOY 302、303 d均有電離層異常發(fā)生。其中DOY 302 d電離層異常主要發(fā)生在UTC 1—10時,與磁暴主相發(fā)生時間存在1 h延遲。(37.5°N,115°E)格網(wǎng)點異常發(fā)生時段共為6 h,(40.0°N,115°E)格網(wǎng)點異常發(fā)生時段共為7 h,(42.5°N,115°E)格網(wǎng)點異常發(fā)生時段共為10 h,3個格網(wǎng)點電離層異常值均在UTC 5時達到最大值,由南至北異常值依次為5.050、6.950、9.575 TECU,這與VTEC分析結(jié)果中UTC 5時達到最大值的結(jié)論一致,也進一步確認了磁暴發(fā)生對高緯度地區(qū)影響量級大于低緯度地區(qū)的現(xiàn)象。

DOY 303 d 電離層異常主要集中UTC 0—10時,(37.5°N,115°E)格網(wǎng)點與(40.0°N,115°E)格網(wǎng)點異常發(fā)生時段都為8 h,(42.5°N,115°E)格網(wǎng)點異常發(fā)生時段共為9 h,異常值在UTC 8時達到最大,由南至北異常最大值分別為6.750、7.375、8.175 TECU。高緯度處的格網(wǎng)點異常值低于磁暴發(fā)生當(dāng)天的異常值,但依然為受磁暴影響發(fā)生異常最強烈的區(qū)域。

2.3 電離層異?？臻g分布和變化特征分析

根據(jù)電離層模型參數(shù)和異常值提取結(jié)果,繪制DOY 302、303 d UTC 0—11時河北省電離層異常發(fā)生區(qū)域分布如圖5和圖6所示。圖中(a)～(l)依次為UTC 0—11時河北省及其周邊部分區(qū)域電離層異常分布情況。

圖5 DOY 302 d UTC 0—11時河北省電離層異常值空間分布Fig.5 Spatial distribution of ionospheric anomalies in Hebei Province at UTC 0-11 on DOY 302 d

圖6 DOY 303 d UTC 0—11時河北省電離層異常值空間分布Fig.6 Spatial distribution of ionospheric anomalies in Hebei Province at UTC 0-11 on DOY 303 d

圖5中顯示DOY 302 d UTC 0時電離層異常主要發(fā)生在河北省南部,而后異常區(qū)域開始北移,至UTC 3時僅有40.0°N以北區(qū)域發(fā)生電離層異常。UTC 4時開始,異常區(qū)域由北向南延伸,全省范圍內(nèi)電離層異常值開始增大,且呈現(xiàn)出電離層異常值隨緯度升高而增大的現(xiàn)象,至UTC 5時全省大部分區(qū)域電離層異常達到全天最大值,UTC 6時電離層異常值開始減小,UTC 10時北部區(qū)域電離層異常值再度小于南部區(qū)域,至UTC 11時全省電離層異常完全消失。

圖6中DOY 303 d顯示了與DOY 302 d幾乎一樣的規(guī)律,UTC 0時河北省南部為電離層異常主要發(fā)生區(qū)域,而后異常區(qū)域向北移動,至UTC 6時全省無電離層異常發(fā)生,UTC 7時電離層異常區(qū)域開始逐漸向南延伸,南北部電離層異常值均不斷增大,至UTC 8時達到全天異常最大值,UTC 9時開始,由北向南電離層異常值逐漸減小,最終至UTC 11時全省電離層不再發(fā)生異常。

3 結(jié)束語

人類生活的地球經(jīng)常遭遇磁暴天氣,地球磁暴可引起電離層異常。對于通過電離層的無線電信號,將受到電離層異常的嚴重影響。GNSS衛(wèi)星通過向地球發(fā)送導(dǎo)航信號,提供實時全天候定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。若電離層發(fā)生異常,將可能引起導(dǎo)航信號產(chǎn)生異常延遲甚至難以被觀測處理。因此,有必要對地球磁暴引起的電離層異常響應(yīng)特征開展系統(tǒng)深入研究。

當(dāng)前利用GNSS研究電離層異常效應(yīng)已取得豐富成果,但主要集中在全球范圍和大尺度分析方面,有待進一步利用更加詳盡的省級CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)精細化定量研究區(qū)域電離層異常特征。為此,本文在全球電離層異常研究基礎(chǔ)上,利用河北省CORS網(wǎng)觀測數(shù)據(jù),精細構(gòu)建區(qū)域電離層模型,定量提取磁暴引起的電離層異常值,研究了地球磁暴與區(qū)域電離層異常之間的時間響應(yīng)特征、地球磁暴引起電離層VTEC異常的量級特征、電離層異常響應(yīng)的空間分布和變化特征等:

① 磁暴與區(qū)域電離層異常之間的時間響應(yīng)特征顯示,地球磁暴可引起電離層異常,電離層異常在響應(yīng)時間方面具有拖尾效應(yīng)。地磁活躍可引發(fā)電離層異常變化。當(dāng)?shù)卮臟p指數(shù)大于4發(fā)生磁暴1 h后,區(qū)域電離層出現(xiàn)異常。當(dāng)Kp指數(shù)小于4地磁活動平靜24 h后,電離層才恢復(fù)正常,VTEC逐漸恢復(fù)至磁暴發(fā)生前水平。

② 磁暴引起電離層VTEC異常變化的量級特征顯示,小磁暴引起電離層VTEC增大約9.5 TECU,對應(yīng)視線方向STEC增大約36 TECU。通過研究磁暴發(fā)生前后電離層VTEC變化情況,磁暴期間VTEC峰值較磁暴前增大了5～9.5 TECU。實際觀測視線方向傳播路徑STEC,可由天頂方向VTEC與投影因子求得。對于截止高度角15°,實際觀測視線方向STEC增大約20～36 TECU。

③ 磁暴引起電離層異常的空間分布特征顯示,高緯度地區(qū)的電離層異常響應(yīng)大于低緯度地區(qū)。地球磁暴不僅引起電離層VTEC值異常增大,而且出現(xiàn)電離層VTEC分布異常。通常,磁暴前低緯度地區(qū)電離層VTEC值大于高緯度地區(qū)。磁暴期間,低緯度地區(qū)電離層VTEC值小于高緯度地區(qū)。進一步研究VTEC異常變化規(guī)律顯示,高緯度地區(qū)電離層VTEC增幅大于低緯度地區(qū),高緯度地區(qū)電離層異常發(fā)生時段數(shù)大于低緯度地區(qū)。

④ 電離層異常響應(yīng)的空間變化特征顯示,磁暴期間電離層異常響應(yīng)首先呈現(xiàn)出從南向北增大延伸態(tài)勢;當(dāng)電離層VTEC及其異常值達到峰值后,電離層異常響應(yīng)呈現(xiàn)從北向南減弱回歸態(tài)勢。發(fā)生磁暴當(dāng)天,區(qū)域電離層異常首先出現(xiàn)在南部區(qū)域。隨著電離層VTEC及其異常值逐步增大,從南向北不同區(qū)域依次出現(xiàn)電離層異常。當(dāng)電離層VTEC及其異常值達到峰值開始下降后,從北向南不同區(qū)域電離層異常依次減弱消失。

本文充分發(fā)揮了省級CORS網(wǎng)測站密度大、數(shù)據(jù)細節(jié)豐富的優(yōu)勢,建立了區(qū)域電離層模型。利用區(qū)域電離層建模結(jié)果,精細化提取了電離層異常值,初步分析了磁暴期間電離層異常響應(yīng)的時序關(guān)系、量級大小、空間分布和變化規(guī)律等。上述研究有助于精準深入地掌握磁暴的影響和電離層異常響應(yīng)的規(guī)律,為省級CORS系統(tǒng)的運行維護提供有益參考。地球磁暴引起電離層異常的物理機理十分復(fù)雜,仍有許多工作可后續(xù)開展。繼續(xù)選擇不同等級的磁暴天氣,增加GNSS數(shù)據(jù)處理和電離層建模數(shù)值試驗,統(tǒng)計各類磁暴天氣下的電離層異常時空響應(yīng)規(guī)律,為GNSS系統(tǒng)的運行和維護服務(wù)。