基于全球定位系統的東亞電離層不規則體特性

尚社平 史建魁 張北辰 王 霄 武順智

（1.空間天氣學國家重點實驗室中國科學院空間科學與應用研究中心，北京100190；2.中國極地研究中心，上海200136）

引 言

赤道電離層在廣義瑞利-泰勒不穩定性等過程的作用下，會產生電離層F層電子密度不規則體，又稱為赤道擴展F現象.這些電離層不規則體會對穿越電離層的衛星通訊和導航系統的性能產生影響，導致不同波段無線電信號幅度和相位閃爍的發生，電離層閃爍通常在磁赤道區最為嚴重.過去的幾十年中，對電離層不規則體和閃爍已經進行了許多的觀測和研究，但還遠未達到令人滿意的程度，仍舊存在一些具有挑戰性問題如電離層不規則體的發生條件及其逐日變化的問題.其中一個重要的因素就在于各種觀測手段局限以及觀測數據的不足.利用衛星就地觀測可以覆蓋到較大區域，但很大程度上會受制于衛星軌道和高度的影響，且一般很難進行長時間觀測數據的積累.利用各種地基觀測手段，可以提供高分辨率的長時間觀測，但一般受觀測位置的限制，很難覆蓋到大范圍的區域.

近十余年間，隨著全球定位系統（Global Positioning System，GPS）技術的快速發展和全球范圍內各種GPS觀測網相繼建立，GPS已成為當前電離層探測和研究中的一種非常重要的手段.由GPS接收機提供的觀測資料具有時間分辨率高、空間覆蓋范圍大、連續性好、可進行長時間積累等優點，因此有可能提供一些新的電離層不規則體活動的信息.利用接收到的GPS L波段信號的幅度起伏，可以實現對L波段的幅度閃爍的有效探測［1］.GPS L波段電離層閃爍實際上反映了400m尺度電離層不規則體的活動.當電離層中有不規則體產生時，通常還會導致GPS總電子含量TEC的快速起伏，一些學者試圖利用GPS TEC起伏來研究電離層不規則體的變化.Aarons等利用國際GPS服務（International GPS Service，IGS）網30s間隔GPS數據，通過計算TEC的變化率ROT，研究了赤道區電離層等離子體泡不規則體的特性［2］.Pi等在計算5min期間ROT標準偏差的基礎上，定義了TEC變化率的指數在赤道區，這種TEC起伏（ROTI）通常反映了幾千米到十幾千米尺度電離層不規則體的活動.由于TEC起伏對電離層不規則體反應相當敏感，且相應的觀測資料相對易于獲取，因此近些年來，TEC起伏被當作探測和研究赤道電離層不規則體的一種重要方法，在實際的研究中得到了逐步的應用［4-5］.

相對于其他區域，對東亞赤道區電離層不規則體和閃爍的研究還相對缺乏.近十年來，國內相關單位在我國中低緯如海南及東南沿海等區域紛紛建立了一些GPS電離層閃爍觀測站／網，對我國中低緯電離層不規則體和閃爍活動開展了一些相應的觀測和研究［6-11］，這些不同觀測站／網的結果往往存在一些明顯的差異.國際上在東南亞區也建立了類似的GPS電離層閃爍觀測站／網，研究結果表明東南亞區同樣存在類似的電離層不規則體活動的發生［12］.由于電離層不規則體和閃爍通常發生于整個赤道區，并且沿磁力線向磁赤道兩側進行擴散，這些單站或局域的結果還不足以反映出整個東亞區電離層不規則體形態及其沿磁緯的分布特性，目前還缺乏完整性的認識.在本研究中，我們在已有工作基礎上，利用IGS網提供的GPS觀測資料，將研究范圍擴展到110°E子午線附近的整個東亞赤道區以及磁緯±30°以內的低中緯區，以進一步研究太陽活動下降年期間該區域電離層不規則體特性及其隨磁緯的變化，為該區域電離層不規則體和閃爍的預報和其他應用研究奠定基礎.

1 數據和方法

本研究中，分析數據主要來源于中科院空間中心海南臺站的GPS電離層閃爍觀測資料及東亞110°E子午線附近11個GPS站的雙頻觀測資料.表1分別給出了這些GPS站的位置和坐標.從表1可以看出，這些GPS站主要處于地理經度100°E～120°E之間以及地磁緯度±30°以內.在東亞赤道區110°E附近，地磁赤道和地理赤道偏差達到極大，各GPS站的地理緯度一般比其地磁緯度大10°左右.

1.1 GPS閃爍數據和方法

海南臺站的GPS電離層閃爍監測儀由康奈爾大學空間物理組開發，它能以高采樣率（50次／秒）同時并行記錄11個通道GPS信號強度數據.電離層閃爍幅度閃爍指數S4定義為每分鐘信號強度的標準偏差與其平均值的比值.該儀器自2003年7月在海南臺站開始運行，在隨后太陽活動下降年的兩年期間，觀測到了非常明顯的電離層閃爍現象.利用這些觀測數據，我們對海南地區的電離層閃爍特性進行了分析［6］.本研究將在此基礎上，進一步結合東亞110°E附近的雙頻GPS觀測資料，來研究東亞110°E附近的電離層不規則體形態特性.

表1 東亞110°E附近GPS站坐標

1.2 雙頻GPS數據及方法

提供雙頻觀測資料的11個GPS站分別位于我國的北京（BJFS）、武漢（WUHN）、昆明（KUNM）、臺灣（TCMS）、菲律賓（PIMO和TVST）、新加坡（NTUS），印度尼西亞（SAMP和BAKO）和澳大利亞西部（COCO和KARR）等區域.除個別站外，這些GPS站均屬于IGS網，可以為本研究提供較為長期和可靠的觀測數據.利用IGS網站提供的各GPS站的觀測文件和導航文件，通過偽距和相位的差分等計算，可得到30s時間分辨率的電離層絕對TEC和相對TEC，以及相應的GPS衛星的仰角和方位角等參數.

1.3 TEC起伏及ROTI指數

當赤道電離層中出現F層不規則體活動時，可造成GPS TEC的快速起伏現象.利用GPS TEC起伏可以實現對電離層不規則體活動的有效探測.由載波相位差分可以得到每30秒的TEC及其變化率ROT，在此基礎上計算得到的每5分鐘ROT的標準偏差，稱為TEC變化率指數ROTI［3］.公式（1）、（2），（3）分別給出了單個衛星到地面觀測路徑上的相對TEC、ROT和ROTI的計算公式，其中f1和f2分別為GPS雙頻信號的頻率，L1和L2為對應載波相位觀測量，λ1和λ2為對應載波波長，d為常數.TEC的單位為TECU（1TECU＝1016el／m2），而ROT和ROTI的單位為TECU／min.

圖1 赤道區NTUS站的電離層TEC起伏

圖1給出了赤道區NTUS站在2003年10月8日夜間發生的電離層TEC起伏活動事件.圖中從上向下依次給出了接收到的衛星信號的仰角、經過相對TEC平滑處理的絕對TEC以及由相對TEC計算得到的ROTI的變化.其中衛星信號的最小仰角取為25°.電離層TEC呈現明顯的晝夜變化，而ROTI在白天幾乎沒有任何的明顯變化.在日落后不久到午夜附近，該臺站出現了明顯的電離層TEC和ROTI擾動現象，表明在此期間該區域出現了大的電離層不規則體活動.

盡管赤道區電離層不規則體的出現，經常可以導致電離層閃爍和TEC起伏的同時發生，但一般情形下，要得到S4和ROTI之間的定量關系是非常困難的，即使是在相同的GPS站.已有的結果表明，ROTI／S4比值范圍主要處于2～5或2～10之間［13-14］.

2 電離層不規則體活動分析和比較

根據各GPS站觀測數據的具體情況，主要考慮S4＞0.1的電離層閃爍和ROTI＞0.3的電離層TEC起伏時的情形.由于赤道區電離層F層不規則體活動主要發生于夜間，將研究時段限于每天夜間18-06LT之間，并將衛星的最小仰角取為25°，以盡可能去除多徑效應和其他低仰角效應的影響.

2.1 電離層不規則體活動的逐日變化

圖2給出了2003年7月-2005年6月期間東亞110°E附近電離層不規則體活動的逐日變化，其中各GPS站根據其磁緯的大小從上到下依次進行排列.電離層不規則體活動以其日發生率來反映，日發生率定義為每天夜間（18-06LT）系統所接收到的滿足相應閾值條件（S4＞0.1，ROTI＞0.3）的衛星數與所有接收到的衛星數的比值.從圖2可以看出，在第23周太陽活動下降年的這兩年期間，在海南HAIN站發生了明顯的GPS電離層閃爍活動（S4＞0.1），與此同時，處于東南亞區域的PIMO、TVST，SAMP和NTUS等4個GPS站也發生了非常明顯的電離層TEC起伏活動，這些GPS站均處于磁緯±10°以內區域，其不規則體活動主要發生于兩分點附近，在其他大部分時間明顯減弱，在兩至點附近達到極小.

在處于磁緯±14°以上的低中緯區域，電離層不規則體活動明顯減小，且南北半球呈現明顯的形態差異.在北半球，KUNM和TCMS站所在位置處于赤道離異常北峰附近，這兩個站的TEC起伏活動在兩分點附近明顯減弱.而處于磁緯更高的WUHN和BJFS站的TEC起伏活動在兩分點附近幾乎完全消失，但在6月夏至附近卻相對增加，但發生率相對較小.這些較高磁緯區的不規則體活動明顯不同于磁赤道區，已呈現出中緯不規則體活動特性.在南半球，處于較高磁緯的BAKO站，其不規則體活動類似于海南和其他東南亞站，且明顯強于北半球電離異常峰附近的GPS站.處于更高磁緯的COCO站，除了兩分點附近的極少數活動外，其他時間的不規則體活動幾乎完全消失.處于最高磁緯的KARR站，其不規則體活動幾乎完全消失.在兩至季期間，這些處于較高磁緯的區域有時也會發生非常強烈的電離層TEC起伏活動，這些強烈不規則體活動的出現幾乎總是與一些強磁暴事件的發生相聯系，其中以2004年7月下旬和11月上旬發生的強磁暴所造成的影響最為明顯.

2.2 電離層不規則體活動的月變化

從以上圖2的結果可以看出，東亞區電離層不規則體活動不但會明顯受到地磁緯度變化的影響，而且存在明顯的月和季節變化.為了進一步定量了解東亞赤道區電離層不規則體活動的月分布特性，圖3給出了各GPS站不規則體活動的月統計分布.不規則體的月發生率定義為每月期間發生電離層不規則體活動（S4＞0.1，ROTI＞0.3，且日發生率大于2%）的天數與當月總天數的比值.為了更清晰地得到不規則體的月分布特性，圖3中對兩年的月統計分布進行平均處理.

從圖3可以看出，對于處于磁緯±10°內的海南和東南亞站，電離層不規則體活動在分季3-4月和9-10月期間達到最強，最大可達近50%，在其他月份的明顯減小，最大不超過20%，在至季6月和12月達到極小，其中6月較12月的不規則體活動稍強一些，12月期間幾乎沒有任何不規則體活動的發生.對于北半球磁緯大于14°N的低中緯臺站，隨著磁緯的增加，電離層不規則體活動在分季月份迅速減弱直至消失，而夏季5-7月份逐漸所有增強.其中處于赤道異常峰附近的TCMS和KUNM站，分季月份不規則體活動明顯減弱，接近于夏季月份.而WUHN站分季月份的不規則體活動幾乎完全消失，但夏季月份不規則體活動相對明顯增加，最大可達15%.處于最高磁緯的BJFS站，其不規則體活動與WUHN站相類似，主要發生于夏季6-7月之間，但發生率相對較小.

圖3 東亞110°E附近各臺站電離層不規則體活動的月份變化

在南半球磁緯大于16°S的低中緯站，隨著磁緯的增加，其不規則體活動在分季3-4月和9-10月逐漸減弱直至消失，在其他月份沒有明顯的增加.其中BAKO站的不規則體活動與海南和東南亞其他站類似，但分季月份最大發生率不超過20%.而處于更高磁緯的COCO站，不規則體在分季月份發生率不超過2%.對處于最高磁緯的KARR站，分季月份的不規則體活動完全消失.

2.3 電離層不規則體活動的季節和地方時變化

為了進一步了解東亞電離層不規則體活動的季節和地方時特性，圖4給出了各GPS站不規則體活動隨季節和地方時的平均變化.不規則體活動的季發生率定義為每季度夜間（18-06LT）系統所接收到的滿足相應閾值條件（S4＞0.1，ROTI＞0.3）的衛星數與所有接收到的衛星數的比值.圖中的4條曲線分別為四個不同季節（3月分季、6月至季、9月分季和12月至季）不規則體活動的變化，每個季節分別由兩分／至點所在的月份及其相鄰的兩個月份所組成，分別以字母ME、JS、SE和DS來表示.每個站的地方時LT分別由世界時UT去除其經度效應而得到.

從圖4可以看出，對處于磁緯±10°以內海南和東南亞站，不規則體活動在兩分季達到最大，且趨于對稱，主要發生于地方時18-02LT附近，其發生率峰值出現于21LT附近，最大可達13%，其中9月分季的不規則體發生率峰值的時間稍早于3月分季.不規則體活動在兩至季明顯減弱.其發生率峰值在北半球的三個站趨于相等，在南半球兩個站存在明顯不對性，6月至季明顯強于12月至季.兩至季期間不規則體發生的地方時存在明顯的差異，其中12月至季不規則體發生的時間接近于兩分季，但6月至季不規則體峰值發生的時間明顯晚于其他季節2～3h，主要出現于午夜附近.

圖4 東亞110°E附近臺站電離層不規則體活動隨季節和LT的變化

對處于磁緯大于±14°的站，其不規則體活動明顯減弱，且存在明顯不同的季節和地方時變化.在北半球，隨著磁緯的增加，兩分季和12月至季的不規則體活動逐漸減弱直至消失，而6月至季的不規則體活動相對明顯增加，這種情形在WUHN和BJFS站尤為明顯，6月至季的不規則體活動主要發生于21-02LT之間，其峰值主要發生于23LT附近.在南半球BAKO站，其不規則體活動的季節變化與磁赤道區相類似，但發生時間存在1～2h的時間延遲，分季不規則體活動峰值主要發生于22-23LT之間.在更高磁緯的COCO和KARR站，所有季節的不規則體活動幾乎完全消失.

基于不同臺站和觀測手段，對東亞中低緯電離層閃爍和不規則體特性已經開展較多的研究.何友文等［15］的研究表明，東亞中緯電離層VHF和L波段閃爍基本上發生于夜間，在22-24LT之間達到極大，閃爍出現率及強度在夏季最強，秋季次之，冬季最弱.徐繼生等［8］的研究表明，武漢與桂林的L-波段振幅與相位閃爍活動主要發生在夜間，最大振幅閃爍出現率在午夜及其前后數小時；武漢閃爍出現率峰值出現時間平均比桂林滯后約1至2小時.本研究中BEIJ和WUHN站的不規則體活動隨季節和地方時的變化與以上這些結果基本相類似.

與所期望的情形相反，處于赤道異常北峰附近的TCMS和KUNM站的不規則體活動明顯弱于磁赤道區站.最近甄衛民、周彩霞等［7，9］研究也表明，海口站的閃爍頻率和強度明顯強于昆明、廈門等站.這些情形表明，在東亞磁赤道區，夜間產生的F區不規則體一般難以擴散到白天赤道異常北峰所處的區域.

3 結 論

我們利用2003年7月到2005年6月東亞110°E子午線附近的GPS觀測資料，對太陽活動下降期間該區域的電離層不規則體活動進行了分析和比較.主要結果表明：

1）在磁緯±10°以內的磁赤道區，海南和東南亞站存在明顯的不規則體活動，海南電離層閃爍活動與東南亞電離層TEC起伏活動之間存在明顯的相似性；而在磁緯±14°以上低中緯區，不規則體活動會明顯減弱，且南北半球呈現明顯的形態差異.

2）在磁赤道區，不規則體活動在分季達到極大且趨于對稱，在至季達到極小且呈現一定程度不對稱性.在兩分季和12月至季，不規則體活動主要發生于地方時18-02LT之間，在21LT附近達到其峰值，但在6月至季，不規則體活動的出現存在2-3小時時間延遲，其峰值主要發生于午夜附近.

3）北半球的不規則體活動不同于赤道區，隨著磁緯的增加，兩分季的不規則體活動會迅速減弱直至消失，而夏季的不規則體活動卻相對有所增加，主要發生于21-02LT之間，其峰值主要發生于23LT附近.

4）南半球的不規則體活動（如BAKO站）與赤道區相類似，但發生時間存在1～2h的時間延遲，兩分季不規則體活動峰值主要發生于22-23LT之間.隨著磁緯的增加，兩分季不規則體活動會逐漸減弱直至消失.

赤道區電離層不規則體活動主要受磁偏角變化的影響［16］.磁場強度B、以及地磁赤道與地理赤道位置的相對變化，也會影響到磁赤道區電離層不規則 體 活 動［17］.在 東 亞 磁 赤 道 區，磁 偏 角 很 小（≈-0.4°）且在100°E～120°E之間變化很小，導致東亞赤道區不規則體活動在兩分季達到極大，在兩至季達到極小，并呈現明顯的相似性.在東亞磁赤道區，地磁強度B達到最大（≈0.34nT），地磁赤道相對地理赤道偏離達到極大，緯度相差近10°，且南北半球的地理條件也存在明顯的差異，這些因素也會影響到該區域不規則體活動及其隨磁緯的變化.對東亞電離層不規則體形態及其影響機制的更深入了解，還有待于進一步結合其他觀測資料，進行更多的觀測分析和理論研究.

［1］BEACH T L，KINTNER P M.Development and use of a GPS ionospheric scintillation monitor［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，2001，39（5）：918-928.

［2］AARONS J，MENDILLO M，YANTOSCA R.GPS phase fluctuations in the equatorial region during the MISETA 1994campaign［J］.J Geophys Res，1996，101：26851-26862.

［3］PI X，MANNUCCI A J，LINDQWISTER U J，et al.Monitoring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPS network［J］.Geophys Res Lett，1997，24（18）：2283-2286.

［4］BHATTACHARYYA A，BEACH T L，BASU S，et al.Nighttime equatorial ionosphere：GPS scintillations and differential carrier phase fluctuations［J］.Radio Sci，2000，35（1）：209-234.

［5］NISHIOKA M，SAITO A，TSUGAWA T.Occurrence characteristics of plasma bubble derived from global ground-based GPS receiver networks［J］.J Geophys Res，2008，113：A05301.doi：10.1029／2007JA012605.

［6］尚社平，史建魁，甄衛民，等.赤道地區L-波段電離層閃爍的形態特性［J］.電波科學學報，2006，21（3）：410-415.SHANG Sheping，SHI Jiankui，ZHEN Weimin，et al.Morphological study of L-band ionospheric scintillations in the equatorial region［J］.Chinese Journal o f Radio Science，2006，21（3）：410-415.（in Chinese）

［7］甄衛民，馮 健，陳 麗，等.多站多路徑GPS信號研究低緯電離層不均勻體［J］.電波科學學報，2007，22（1）：138-142.ZHEN Weimin，FENG Jian，CHEN Li，et al.Investigation of low-latitude ionospheric irregularities by using multi-station GPS multi-link signals［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（1）：138-142.（in Chinese）

［8］徐繼生，朱 劼，李 莉，等.武漢與桂林L-波段電波閃爍與TEC起伏特征比較［J］.電波科學學報，2007，22（2）：182-186.XU Jisheng，ZHU Jie，LI Li，et al.Comparison of Lband radio wave scintillations and TECfluctuations from observation of Wuhan and Guilin［J］.Chinese Journal o f Radio Science，2007，22（2）：182-186.（in Chinese）

［9］周彩霞，吳振森，甄衛民，等.昆明站電離層閃爍形態與海口站的對比分析［J］.電波科學學報，2009，24（5）：833-836.ZHOU Caixia，WU Zhensen，ZHEN Weimin，et al.Contrastive analysis for ionospheric scintillation morphology over Kunming and Haikou station［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）：833-836.（in Chinese）

［10］王斯宇，王勁松，余 濤，等.中國廣州地區電離層閃爍觀測結果的初步統計分析［J］.空間科學學報，2010，30（2）：141-147.WANG Siyu，WANG Jinsong，YU Tao，et al.Preliminary analysis of ionospheric scintillations over Guangzhou Region of China［J］.Chinese Journal of Space Science，2010，30（2）：141-147.（in Chinese）

［11］楊升高，方涵先，翁利斌，等.中國南京地區L波段電離層閃爍初步統計分析［J］.空間科學學報，2011，31（6）：765-770.YANG Shenggao，FANG Hanxian，WENG Libin，et al.Preliminary statistic analysis of L-band ionospheric scintillation over Nanjing Region in China［J］.Chinese Journal of Space Science，2011，31（6）：765-770.（in Chinese）

［12］THOMAS R M，CERVERA M A，EFTAXIADIS K，et al.A regional GPS receiver net work for monitoring equatorial scintillation and total electron content［J］.Radio Sci，2001，36（6）：1545-1557.

［13］BASU S，GROVES K M，QUINN J M，et al.A comparison of TECfluctuations and scintillations at Ascension Island［J］.J Atmos Sol Terr Phys，1999，61：1219-1226.

［14］BEACH T L，KINTNER P M.Simultaneous Global Positioning System observation of equatorial scintillations and total electron content fluctuations［J］.J Geophys Res，1999，104（A10）：22553-22565.

［15］何友文，龍其利.東亞中緯地區的電離層閃爍［J］.電波科學學報，1994，9（2）：45-51.HE Youwen，LONG Qili.Mid-latitude ionospheric scintillation in Eastern Asia［J］.Chinese Journal of Radio Science，1994，9（2）：45-51.（in Chinese）

［16］TSUNODA R T.Control of the seasonal and longitudinal occurrence of equatorial scintillations by the longitudinal gradient in integrated E region Pedersen conductivity［J］.J Geophys Res，1985，90：447-456.doi：10.1029／JA090iA01p00447.

［17］SU S Y，CHAO C K，LIU C H.On monthly／seasonal／longitudinal variations of equatorial irregularity occurrences and their relationship with the postsunset vertical drift velocities［J］.J Geophys Res，2008，113：A05307.doi：10.1029／2007JA012809.