南極長城站周邊地區(qū)電離層TEC變化特性

鄧忠新 馮健,2 甄衛(wèi)民 胡紅橋 歐明 劉鈍

(1.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107; 2.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071; 3.中國極地研究中心,上海 200136)

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南極長城站周邊地區(qū)電離層TEC變化特性

鄧忠新1馮健1,2甄衛(wèi)民1胡紅橋3歐明1劉鈍1

(1.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107; 2.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071; 3.中國極地研究中心,上海 200136)

電離層總電子含量(Total Electron Content, TEC)是描述電離層電波環(huán)境特性的重要參量. 利用GPS觀測數(shù)據(jù)分析討論了南極長城站周邊電離層TEC環(huán)境的規(guī)則和擾動(dòng)變化,結(jié)果表明:電離層TEC具有明顯的威德爾海異常特征,夏季夜側(cè)要高于日側(cè),其極大值出現(xiàn)在地方時(shí)5 h前后,而冬季和分季則以地方時(shí)11 h前后為極大;電離層TEC負(fù)相暴在地方時(shí)12 h前后發(fā)生率極低,表現(xiàn)出所謂的“禁時(shí)效應(yīng)”;電離層TEC暴事件發(fā)生率隨太陽活動(dòng)性的增強(qiáng)而升高,且其在夏季為極小,兩分季為極大;高達(dá)94.8%的電離層TEC暴事件發(fā)生伴隨有較強(qiáng)的極光電集流AE(Auroral Electrojet)指數(shù)擾動(dòng),這預(yù)示著該地區(qū)電離層TEC暴變事件與極光亞暴活動(dòng)有著很強(qiáng)的相關(guān)性.

長城站； 電離層;總電子含量;電離層暴;極光亞暴

引 言

電離層總電子含量(Total Electron Content, TEC)的時(shí)空變化對衛(wèi)星導(dǎo)航定位、地空無線電通信等系統(tǒng)電波信號傳播有著重要影響[1-4],特別是對于穿越電離層的電波信號,電離層引起的電波傳播效應(yīng)直接正比于TEC的數(shù)值,顯然,電離層TEC是表征電波傳播特性的最重要的環(huán)境參數(shù)之一.

長城站周邊不僅處于大西洋和太平洋連接區(qū),還位于南大西洋異常區(qū)和中緯槽區(qū),其電離層環(huán)境有著獨(dú)特的異常變化,稱之為威德爾海異常,通常解釋為太陽極紫外輻射和熱層中性風(fēng)共同作用的結(jié)果.南極長城站自1985年建立以來,為我國極地科學(xué)考察研究發(fā)揮了重要作用. 基于電離層測高儀觀測資料,20世紀(jì)90年代早期,我國在長城站電離層變化特性研究方面取得了一些重要成果[5-7],甄衛(wèi)民[7]還討論了磁暴期間,中性風(fēng)對長城站電離層擾動(dòng)變化的影響.

隨著衛(wèi)星探測技術(shù)發(fā)展和觀測資料的積累,電離層威德爾海異常研究在近年來又取得了一些新進(jìn)展. Horvath[8]和Jee[9]分別利用TOPEX衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)分析了威德爾海異常特征,探討了相關(guān)異常現(xiàn)象的來源. He[10]基于COSMIC衛(wèi)星觀測資料,分析了F2層峰值電子濃度(NmF2)和高度(hmF2)的威德爾海異常變化. 特別是以GPS為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite Systems, GNSS)在電離層科學(xué)研究上的廣泛應(yīng)用,因其提取的電離層TEC具有更高的測量精度和時(shí)空分辨率,使得TEC已成為電離層天氣研究的有力工具和關(guān)鍵參量[11-16]. 國際全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)(International GNSS Service,IGS)組織整合了全球分布的GNSS跟蹤站數(shù)據(jù)資源,這為以TEC為主要考察對象的電離層天氣研究提供了便利.

本文基于長城站周邊兩個(gè)IGS站連續(xù)四年的觀測數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了電離層TEC的規(guī)則和擾動(dòng)變化特征,并著重探討了TEC暴這種劇烈電離層擾動(dòng)現(xiàn)象的有關(guān)特性.

1 數(shù)據(jù)和分析方法

地面GPS雙頻接收機(jī)在每一時(shí)間歷元能接收到多顆衛(wèi)星發(fā)射的雙頻相干信號,可以提取電離層TEC信息,為了減少低仰角帶來的電離層TEC測量誤差,設(shè)定的衛(wèi)星觀測截至仰角為30°.采用載波平滑碼偽距方法計(jì)算出每一時(shí)間歷元每一衛(wèi)星信號傳播路徑上的電離層斜向TEC(sTEC);依據(jù)電離層薄殼模型,取電離層電子密度質(zhì)心高度為400 km,將sTEC轉(zhuǎn)換為穿刺點(diǎn)的電離層垂直TEC(vTEC);對每5 min時(shí)間間隔內(nèi)的所有穿刺點(diǎn)vTEC,采用Kriging方法擬合出觀測站上空每5 min的vTEC數(shù)據(jù);最后,將每15 min時(shí)間間隔內(nèi)的3個(gè)5 min的vTEC進(jìn)行算術(shù)平均. 電離層TEC的單位為TECu (1TECu=1016m-2).

按照上述方法,對處于南極長城站(62.22°S,58.96°W)周邊的OHI2和PALM兩個(gè)GPS觀測站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到了各觀測站的電離層vTEC數(shù)據(jù). 兩個(gè)觀測站地理位置及數(shù)據(jù)情況如表1所示,在400 km電離層高度上,兩站間大圓距離約為360 km,而這兩站與長城站之間的大圓距離分別約為140 km和400 km.

表1 GPS觀測站位置及數(shù)據(jù)情況

為了方便描述電離層TEC擾動(dòng)行為,引入電離層TEC擾動(dòng)指數(shù)DI(t).它為觀測值TEC(t)偏離背景值TECm(t)的相對值,如式(1)所示.

(1)

式中: dX(t)表示某觀測時(shí)刻t的電離層TEC擾動(dòng)指數(shù)DI(t);X0(t)為對應(yīng)時(shí)刻t電離層vTEC的觀測值；Xm(t)為觀測日前后各13天對應(yīng)時(shí)刻t電離層vTEC的27天滑動(dòng)中值,它代表該時(shí)刻電離層vTEC的背景值[16].

2 結(jié)果與討論

2.1 TEC規(guī)則變化

圖1為OHI2和PALM兩站電離層TEC隨日期和地方時(shí)的變化圖.從圖中可以看出,盡管兩站具有一定的空間距離,但其電離層TEC變化趨勢極為相似,表明兩站之間具有很好的空間相關(guān)性,而且有著下列明顯特征: 1) 電離層TEC隨太陽活動(dòng)性增強(qiáng)而增大,在太陽活動(dòng)性高的年份(如2012年和2013年)明顯要高于太陽活動(dòng)性相對較低的年份(如2010年和2011年); 2) 電離層TEC隨季節(jié)具有周期性變化,在南半球夏季月份(如12月)要高于冬季月份(如7月).為了更好地考察電離層TEC規(guī)則變化,圖2給出了兩站的TEC月中值隨日期和地方時(shí)的變化圖. 可以看出月中值具有下列顯著特征: 1) 存在年度變化,夏季月要明顯高于冬季月; 2) 存在日變化,在地方時(shí)5 h前后出現(xiàn)最大峰值; 3) 在地方時(shí)11 h前后對應(yīng)于兩分季出現(xiàn)兩個(gè)相對變?nèi)醯姆逯?

圖1 電離層TEC隨日期和地方時(shí)變化

圖2 電離層TEC月中值隨日期和地方時(shí)變化

表2給出了OHI2和PALM兩站電離層TEC在太陽活動(dòng)性較低的2010年和太陽活動(dòng)高年的2013年不同季節(jié)的上下四分值隨地方時(shí)的變化情況,表中U、L分別表示上下四分值,而S、W、E分別代表夏季(11、12、1和2月)、冬季(5、6、7和8月)和分季(3、4、9和10月),US則表示夏季上四分值,U/L則表示對應(yīng)季節(jié)的上下四分值的平均比率.從表中可以看出:1) 無論是2010年還是2013年,對應(yīng)時(shí)段的夏季TEC值最大,分季次之,冬季最小;2) 在夏季,其日側(cè)的TEC值要小于夜側(cè),且以地方時(shí)5 h前后為最大,而冬季和分季的TEC值卻與夏季相反,其最大值出現(xiàn)在地方時(shí)正午前后時(shí)段. 而從上下四分值的日平均值變化來看,兩站也呈現(xiàn)出極為相似的特征:1) 對應(yīng)于不同季節(jié),兩站幾乎相等,且隨太陽活動(dòng)性增強(qiáng)而增大; 2) 上下四分值的平均比率在1.20～1.38之間變化,以夏季為小,冬季和分季為大,且隨太陽活動(dòng)性的增強(qiáng),其相應(yīng)比率也略有提升.

表2 電離層TEC的上下四分值變化

2.2 TEC擾動(dòng)變化

通常假定電離層大約有10%時(shí)段處于所謂的擾動(dòng)狀態(tài),因此,可以通過分析DI指數(shù)的上下5%值的變化來考察電離層TEC的擾動(dòng)變化情況. 表3給出了OHI2和PALM兩站在2010～2013年的DI指數(shù)上下5%值隨地方時(shí)變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以看出兩站的變化也近乎相同: 1) 不同太陽活動(dòng)年份,其上5%值在0.26～0.36之間變化,下5%值在-0.22～-0.30之間變化,且隨太陽活動(dòng)性的增強(qiáng)其值也相應(yīng)增大(四年中以2012年太陽活動(dòng)性為最強(qiáng),2010年為最弱); 2) 對四年取平均,其上5%值約為0.31,下5%值約為-0.26.

表3 DI指數(shù)上下5%值變化

電離層暴是一種強(qiáng)烈的電離層擾動(dòng)現(xiàn)象,它具有劇烈的擾動(dòng)幅度和較長的擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間. 基于上述對DI指數(shù)上下5%值的分析,建議以連續(xù)6 h及以上時(shí)間的DI>0.3(或者DI≤-0.25),且期間不滿足該值的連續(xù)時(shí)間小于2 h來界定該地區(qū)的正(負(fù))相電離層TEC暴事件. 根據(jù)上述判據(jù),對OHI2和PALM兩站連續(xù)四年的DI指數(shù)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對應(yīng)上述兩站分別提取了182次和203次電離層TEC暴事件,前者正負(fù)相暴事件分別為90次和92次,后者則分別為98次和105次. 對所提取的電離層TEC暴事件按其發(fā)生時(shí)間所在的地方時(shí)、年份和月份分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其結(jié)果如圖3所示.

圖3給出的是兩站各類情形下發(fā)生的事件數(shù)與事件總數(shù)的百分比.可以看出: 1) 圖3(a)和圖3(b)表明正相暴在不同地方時(shí)均有發(fā)生,而負(fù)相暴在夜側(cè)時(shí)段的發(fā)生率占優(yōu),且在日側(cè)的地方時(shí)12 h前后發(fā)生率很少,存在所謂的發(fā)生負(fù)相暴事件的“禁時(shí)效應(yīng)”. 2) 圖3(c)表明電離層TEC暴事件發(fā)生率隨太陽活動(dòng)性的增強(qiáng)而增多,以2012年為最多,2010年為最少. 3) 圖3(d)表明電離層TEC暴事件在夏季的發(fā)生率相對較少,以12月和1月的發(fā)生率為最少,而在兩分季前后發(fā)生概率較大,上半年以4、5月為多,下半年以9、10月份為多.

圖3 不同地方時(shí)、年份和季節(jié)的TEC暴事件發(fā)生率

2.3 討論

長城站周邊OHI2和PALM兩站處于南大西洋地磁異常區(qū)和亞極光區(qū),宗秋剛[17]曾對南極地區(qū)極光粒子沉降進(jìn)行了分析,表明長城站周邊也是彌散極光發(fā)生區(qū)域. 在此,針對兩站電離層TEC暴事件,分析其與表征極光亞暴活動(dòng)的極光電集流AE指數(shù)和表征地磁暴活動(dòng)的SYM指數(shù)H分量(SYMH)的相關(guān)性. 按電離層TEC暴事件發(fā)生前72 h、48 h和24 h至暴變事件結(jié)束三種不同時(shí)間間隔的AE指數(shù)和SYMH指數(shù)的活動(dòng)情形分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì). 同時(shí),針對極光亞暴和地磁暴的活動(dòng)強(qiáng)弱,將上述三個(gè)時(shí)間間隔的最大AE指數(shù)Max(AE)和最小SYMH指數(shù)Min(SYMH)分別按三類活動(dòng)等級進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表4所示.

上述結(jié)果表明: 1) 如果以Max(AE)>200 nT來界定具有明顯的極光亞暴活動(dòng),在上述三個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)伴隨電離層TEC暴事件發(fā)生有極光亞暴活動(dòng)的事件數(shù)OHI2站分別為180次、172和156次,占182次總事件數(shù)的百分比分別約為98.9%、94.5%和85.7%;而PALM站分別為201次、193次和176次,占203次總事件數(shù)的百分比分別約為99.0%、95.1%和86.7%. 對應(yīng)三個(gè)時(shí)間間隔的兩站平均值分別為99.0%、94.8%和86.2%. 2) 如果以Min(SYMH) <-30nT來界定具有明顯的地磁暴活動(dòng),在上述三個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)伴隨電離層TEC暴事件發(fā)生有地磁暴活動(dòng)的事件數(shù)OHI2站分別為124次、79次和53次,占182次總事件數(shù)的百分比分別約為68.1%、43.4%和29.1%;而PALM站分別為136次、94次和66次,占203次總事件數(shù)的百分比分別約為67.0%和46.3%和32.5%. 對應(yīng)三個(gè)時(shí)間間隔的兩站平均值分別為67.6%、44.9%和30.8%.

從上述結(jié)果進(jìn)一步可以看出: 1) 若以前48 h這個(gè)時(shí)間間隔作為考察時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),兩站電離層TEC暴事件與有明顯極光亞暴活動(dòng)(Max(AE)>200 nT)的百分比平均值高達(dá)94.8%;而與明顯地磁暴活動(dòng)(Min(SYMH)<-30 nT)的百分比平均值僅有44.9%,這預(yù)示著電離層TEC暴事件與極光亞暴活動(dòng)具有很強(qiáng)的相關(guān)性,且其要遠(yuǎn)強(qiáng)于地磁暴活動(dòng). 2) 比較兩站電離層TEC暴事件與極光亞暴活動(dòng)相關(guān)性,可以看出PALM站要略高于OHI2站,尤其是在Max(AE)處于200～500 nT區(qū)間的較弱極光亞暴活動(dòng),在三個(gè)時(shí)間間隔前者的百分比率均要高于后者,這可能與PALM站的地磁緯度要更靠近極光橢圓,極光亞暴活動(dòng)期間極光橢圓向低緯度區(qū)擴(kuò)展時(shí),PALM站較OHI2站更易處于極光粒子沉降區(qū). 3) 從三個(gè)不同時(shí)間間隔電離層TEC暴事件對極光亞暴活動(dòng)和地磁暴活動(dòng)的響應(yīng)來看,伴隨極光亞暴活動(dòng)對應(yīng)三個(gè)時(shí)間間隔的百分比率從約99.0%下降到86.2%左右,百分比率的降幅僅為13%左右,而伴隨地磁暴活動(dòng)的百分比率從約67.6%下降到30.8%,其降幅超過了50%,這表明該地區(qū)TEC暴事件對極光亞暴活動(dòng)響應(yīng)延遲時(shí)間要遠(yuǎn)小于對地磁暴活動(dòng).

表4 TEC暴事件與AE和SYMH指數(shù)活動(dòng)的相關(guān)性

3 結(jié) 論

利用OHI2和PALM兩站電離層TEC觀測數(shù)據(jù),分析南極長城站周邊地區(qū)電離層TEC的變化特征,包括其規(guī)則變化和擾動(dòng)變化,并分析討論了該區(qū)域電離層TEC暴事件與極光亞暴活動(dòng)和地磁暴活動(dòng)的相關(guān)性,主要結(jié)果總結(jié)如下:

1) 盡管OHI2和PALM兩站有著一定的空間距離,但電離層TEC變化的特征極為相似,表明兩站電離層TEC具有很好的空間相關(guān)性.

2) 電離層TEC具有明顯的夏季異常變化特征,其夏季夜側(cè)要高于日側(cè),且夏季TEC最大值出現(xiàn)在地方時(shí)5 h前后,而冬季和分季的最大值在地方時(shí)11 h前后.

3) 電離層TEC具有年變化,且隨太陽活動(dòng)性的增強(qiáng)而增大. 夜側(cè)以夏季為高,冬季為低;日側(cè)正午前后呈現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu),分別對應(yīng)于兩分季.

4) 在地方時(shí)12 h前后電離層TEC負(fù)暴發(fā)生率很低,存在所謂的負(fù)相暴事件“禁時(shí)效應(yīng)”;電離層TEC暴事件發(fā)生率隨太陽活動(dòng)性的增強(qiáng)而升高,且暴變事件發(fā)生率以夏季為低,兩分季前后為高.

5) 高達(dá)94.8%的電離層TEC暴事件發(fā)生,往往伴有較強(qiáng)的極光電集流AE指數(shù)擾動(dòng),表明其與極光亞暴活動(dòng)有著很強(qiáng)的相關(guān)性.

致謝:本文作者感謝ftp://ics.gnsslab.cn提供的GPS觀測數(shù)據(jù).

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Variations of ionospheric TEC surrounding Great Wall Station, Antarctica

DENG Zhongxin1FENG Jian1,2ZHEN Weiming1HU Hongqiao3OU Ming1LIU Dun1

(1.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagationNationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,Qingdao266107,China; 2.SchoolofPhysicsandOptoelectronicengineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China;3.PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China)

Total electron content (TEC) is an important characteristic parameter for ionospheric radiowave environment. The variations of ionospheric TEC are investigated by using GPS data observed from the surrounding of the Great Wall Station, Antarctica. Results show that the Weddell Sea Anomaly (WSA) can be observed which the TEC value is higher on nightside than dayside in summer. And the maximum values of TEC appears at 5 h LT in summer and at 11 h LT in winter and equinoxes. The silent effect of negative storm is revealed for its rare occurrence around 12 h LT. The occurring rate of TEC storm becomes higher with the rise of solar activities, and it is minimum in summer and is maximum in equinoxes. Up to 94.8% of TEC storm events are accompany with the intense disturbances of AE index, and it suggests the relativity is very strong between the auroral substorm and the TEC storm.

Great Wall Station; ionosphere; total electron content; ionospheric storm; auroral substorm

10.13443/j.cjors. 2014111201

2014-11-12

P352

A

1005-0388(2015)05-0951-08

鄧忠新 (1971-),男,湖南人,博士,中國電波傳播研究所高級工程師,主要從事電離層物理及電波傳播應(yīng)用方面的研究.

馮健 (1981-),男,山東人,高級工程師,西安電子科技大學(xué)在讀博士生,主要從事電離層物理及電波傳播應(yīng)用方面的研究.

甄衛(wèi)民 (1963-),男,河北人,中國電波傳播研究所研究員,博士生導(dǎo)師. 現(xiàn)任中國GPS協(xié)會(huì)理事,中國空間學(xué)會(huì)空間物理專業(yè)委員會(huì)委員,《全球定位系統(tǒng)》雜志編委等主要從事空間環(huán)境、電磁環(huán)境和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究.

胡紅橋 (1967-),男,湖北人,中國極地研究中心研究員,博士生導(dǎo)師主要從事極區(qū)電離層物理研究.

鄧忠新,馮健,甄衛(wèi)民,等. 南極長城站周邊地區(qū)電離層TEC變化特性[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(5):951-958.

DENG Zhongxin, FENG Jian, ZHEN Weimin, et al. Variations of ionospheric TEC surrounding Great Wall Station, Antarctica [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):951-958. (in Chinese). doi:10.13443/j.cjors. 2014111201

聯(lián)系人： 鄧忠新 E-mail: dengzx2@163.com