海南地區電離層F2層底部厚度模型修正研究

王勝國 史建魁 王國軍 王 霄 謝志輝 陳光明

(1.中國科學院空間科學與應用研究中心空間天氣學國家重點實驗室,北京 100190;2.北京應用氣象研究所,北京 100029)

1.引 言

電離層經驗(NeQuick)模型是由意大利薩拉姆國際理論物理中心的高空物理和電波傳播實驗室(ARPL-ICTP,Trieste)與奧地利格拉茨大學的地球物理、氣象和天體物理研究所(IGAM,university of Graz)聯合研究開發的電離層模型。該模型已被歐洲Galileo系統的單頻用戶采用修正電離層延遲,被國際電信聯盟的無線電部門(ITU-R)采用作為計算電子總含量(TEC)的可選方法。該模式還被澳大利亞用來定性評估未來的全球導航衛星系統(GNSS);被英國的盧瑟福-阿普爾頓實驗室用來通過 f oF2和 M(3000)F2預報值預報垂直TEC.NeQuick模式不斷獲得改進[1-5],最新版本為NeQuick 2[6]。

NeQuick模式是一個經驗模式,利用各種資料源驗證模式在不同地區的有效性是十分必要的。一些研究[7-8]發現該模式在低緯地區太陽活動高年低估了頂部區域電子密度和TEC。P.Co?sson等[9]利用赤道地區資料研究發現NeQuick模式在太陽活動高年日間低估F2層底部厚度參數大約20 km.S.G.Wang[12]等利用海南高年資料研究發現早上NeQuick模式一般低估F2層底部厚度參數大約25 km.B2bot是NeQuick模式的電離層F2層底部厚度參數,此參數同時包含在NeQuick模式的頂部剖面公式中。因此,電離層剖面的模擬效果直接影響電離層TEC的計算,所以對NeQuick模式而言,驗證模式底部厚度參數B2bot計算模型的有效性,研究不同地區B2bot的日變化、季節變化及其隨太陽活動性的變化具有重要意義。

我國低(磁)緯度地區,尤其是海南地區,其位置位于磁赤道附近的北半球赤道異常峰區南側。海南電離層探測站(109.1°E,19.5°N;磁坐標:178.95°E,8.1°N)建立于2002年,取得了大量的電離層探測數據。利用這些資料王霄[13]等研究了海南地區的電離層漂移特性。王國軍[14]等研究了海南地區的擴展F季節變化特性。

本文利用海南電離層探測數據,詳細分析了中國低緯地區 F2層底部厚度參數 B2bot最佳值(B2best)和NeQuick模式計算值(B2NeQuick2)之間的差異(ΔB2),B2best季中值和相對值(R=B2best/B2NeQuick2)季中值的日變化、季節變化和年際變化規律;并在此基礎上對NeQuick 2模式的B2bot計算公式進行了修正。

2.資料和分析方法

研究數據來源于中國海南電離層觀測站經過SAO-Explorer(SAO Explorer,Interactive Ionogram Scaling Technologies,http://ulcar.uml.edu/SAO-X/SAO-X.html)[10]軟件訂正的15分鐘分辨率DPS-4電離層剖面資料。數據覆蓋范圍為太陽活動中年2003年1月-2004年12月(年平均太陽黑子數(Rz)分別為63.7和40.4)。各月資料按季節分為三組,分別為 1、2 、11、12 代表冬季;3、4 、9、10代表春秋季;5、6、7、8代表夏季。

以實測的 foF2、M(3000)F2作為輸入參數,由NeQuick的B2bot計算公式獲得F2層底部厚度參數模式值B2NeQuick2。通過利用最小二乘法計算實測電子密度剖面與以實測NmF2和hmF2作為輸入參數的semi-Epstein層函數最接近的方法求得B2bot的最佳值B2best。

3.NeQuick模式F2層底部厚度參數研究

3.1 NeQuick模式F2層底部剖面介紹

NeQuick模型的F2層底部剖面采用semi-Epstein層(Rawer,1982)公式,表達式為

式中:NmF2是F2層的峰值電子密度;hmF2是F2層的峰值高度;B是 F2層底部厚度參數。t的計算公式為

式中:NmF2的單位是1011m-3;(d N/d h)max的單位是109m-3;foF2單位是MHz;M(3000)F2是標準最高可用頻率因子。

3.2 ΔB2的日變化和季節變化

圖1 ΔB2的日變化和季節變化

由圖1可以看出,所有季節B2bot的最佳值和模式值之間都有不同程度的差異,這種差異具有以下特點:NeQuick的模式值一般都低估了F2層底部厚度,在大多數時間,這種差異小于20 km;春秋季和冬季,ΔB2的日變化峰值出現在0500 LT左右,夏季日變化峰值出現在0800 LT左右,差異平均為25 km左右。

3.3 B2best季中值的變化特征

取B2best季中值,研究其在各季節的日變化、季節變化及其隨太陽活動性的平均變化特性。圖2是B2best季中值在各季節的日變化圖,橫坐標為地方時。

由圖2可知,春秋季,在太陽活動中年B2best的年際變化小于10 km.B2best有兩個極大值(0530 LT和1300 LT),日間極大值要大于早上極大值。其日變化都是從前一天的午后日間最大值開始B2best逐漸減小,在0200 LT左右達到極小值,隨后逐漸增加,在0530 LT左右達到早上極大值,然后有一個短時(大約1小時)驟減,隨后又增加,在中午左右達到日間最大值,大約為60 km.從數值大小上看,隨太陽活動性的降低,B2best的值是減小的。

夏季,中等太陽活動性條件下B2best的年際變化也小于 10 km.B2best有兩個極大值(0600 LT和0900 LT),早上極大值變得不太明顯。其日變化是從午夜開始B2best逐漸增加,在日出前有一個短時急劇下降,大約在0900 LT左右達到日間最大值,約為60 km.隨后逐漸減小,在 1900 LT左右達到B2bot夜間值,大約為 35 km.

冬季,中等太陽活動性條件下B2best年際變化較大,在1200 LT～1600 LT年際變化大于10 km,最大差異達15 km左右。冬季的日變化比較復雜,有兩個極大值(0600 LT和1400 LT)和兩個極小值(0300 LT和0800 LT),而且與春秋季和夏季不同的是早上極大值甚至大于日間極大值。B2best的日變化為:從0000 LT開始逐漸減小,在0300 LT左右達到極小值;隨后逐漸增加,在0600 LT達到最大值;隨后迅速減小,大約在0800 LT左右達到第二個極小值,約為30 km,大約持續1 h;然后再逐漸增加,在1400 LT左右達到日間最大值;隨后逐漸減小,2100 LT左右達到夜間值。

由圖2可見,其季節變化主要體現在:1)早上極大值的時間從春秋季到冬季逐漸延遲,而且冬季早上極大值甚至大于日間極大值;2)達到日間極大值的時間上有差異,春秋季:1300 LT,夏季:0900 LT,冬季:1400 LT;3)早上極大值后的下降幅度,春秋季和冬季明顯大于夏季。

圖2 B2best季中值的日變化和季節變化

3.4 相對值R的季中值隨太陽活動性變化

厚度參數相對值R反映了F2層底部厚度參數的實測最佳值與NeQuick模式計算值之間的相對大小。通過研究R在不同季節的日變化和年際變化,研究其變化規律,可以對NeQuick模式的B2bot參數計算模型進行修正。為此,利用海南站點的電離層垂測儀數據和NeQuick模式計算了不同季節的R(圖3),橫坐標是地方時。

圖3 R季中值的日變化和季節變化

由圖3可見,在所有季節R的年際變化要遠小于B2best的年際變化,春秋季和夏季夜間1800 LT～2400 LT最佳值與模式值一致性最好,相對值R大約為1。春秋季R的日變化峰值在0600 LT,其峰值為大約2.1;夏季 R日變化峰值出現在 0600～0900 LT,其峰值大約為1.7;冬季R有兩個日變化峰值分別在0000 LT和0600 LT,其峰值分別大約為1.4和2.1。在中等太陽活動性情況下,不同年份厚度參數相對值R變化規律一樣,相對差異較小。這表明不需要對模式的F2層底部厚度參數計算模型作大的改動,而只是利用一個與地方時有關的函數修正模式F2層底部厚度參數計算模型的系數,就可以取得較好的效果。

4.NeQuick模式的底部厚度參數計算模型修正研究

通過以上太陽活動中年R在不同季度的日變化統計分析可知,相同季節不同年份R變化規律一樣,相對差異較小。考慮到這一特點,在不同季節可以用一個時變函數?(t)擬合R值的日變化,擬和函

式中:a0為平均值;ai1為周期變化的系數;ai2為相位;ai3為周期。利用最小二乘法可得擬合函數(5)的各項系數(表 1)。數可以寫為

表1 各季節擬合系數表

NeQuick模式的F2層底部厚度修正計算模型為

式中:B2NeQuick2和B2modN為NeQuick模式修正前后的計算值;?(t)為修正系數。

圖4是擬合函數與各年季中值的擬合效果圖,橫坐標是地方時。由圖4可知,利用擬合模型(5)可以很好地擬合所有季節R值的日變化特征。這表明利用時變函數?(t)修正NeQuick模式的B2bot計算模型是切實可行的。

圖5是參數最佳值和修正后模式值的偏差散點圖,橫坐標是地方時。由圖5可見,修正后的偏差分布更合理,消除了修正前的明顯日變化,具有良好的修正效果。

5.結 論

本文詳細分析了太陽中等活動性條件下海南電離層垂測儀實測數據所得的F2層底部厚度參數最佳值(B2best)和NeQuick模式計算值的差異、B2best季中值和相對值R季中值的日變化、季節變化和年際變化特征,主要結論如下:

1)所有季節B2bot的最佳值和模式值之間都有不同程度的差異;

2)NeQuick的模式值一般都低估了F2層底部厚度,在大多數時間,這種差異小于20 km;春秋季和冬季,ΔB2的日變化峰值出現在0500 LT左右,夏季日變化峰值出現在0800 LT左右,差異平均為25 km左右;

3)在中等太陽活動性情況下,不同年份厚度參數相對值R變化規律一樣,相對差異較小。

在以上統計分析的基礎上,根據R具有明顯的日變化,而R的年際變化不大這一特征。我們用時變函數?(t)擬合R值在不同季節的日變化,并利用函數?(t)對NeQuick模式的B2bot計算模型進行修正,主要結論如下:

1)利用函數?(t)可以很好的修正NeQuick模式的B2bot計算誤差,修正后的B2bot沒有了明顯的日變化。

2)修正后的偏差分布更合理,更集中,消除了修正前的明顯日變化。

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