2005年至2015年拉薩地區電離層變化特性分析

朱農

摘? 要：針對電離層對無線電傳播帶來的影響，該文利用2005—2015年拉薩站GPS雙頻接收機觀測到的電離層垂直總電子含量（vertical total electron content， VTEC）數據，研究了拉薩地區的電離層變化的特性。實驗分析結果表明：拉薩地區的電離層VTEC值分別有明顯的半年周期和年周期變化。在2011年和2014年出現“冬季異常”現象。此外，拉薩地區垂直電離層VTEC與太陽活動指數F10.7之間的為強相關性，兩者之間的相關性系數達到0.99。

關鍵詞：電離層? 垂直電離層? 時間特性? 冬季異常

中圖分類號：P352.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）02（b）-0101-07

Analysis of Ionospheric Variation Characteristics in Lhasa from 2005 to 2015

ZHU Nong

（Fujian Gutian Zhongmei Ecological Environment Development Co.， Ltd.， Ningde， Fujian Province， 352200 China）

Abstract：In view of the influence of ionosphere on radio propagation， the ionospheric vertical total electron content （VTEC） data observed by GPS dual-band receiver at Lhasa Station from 2005 to 2015 are used in this paper， we study the characteristics of the ionospheric variation in Lhasa area. The experimental analysis show that the ionospheric VTEC values in Lhasa region have obvious semi-annual and annual cycle changes respectively. In 2011 and 2014， "Winter Anomaly" phenomenon occurred. In addition， there is a strong correlation between the vertical ionospheric VTEC and the solar activity index F10.7 in Lhasa， and the correlation coefficient between them is 0.99.

Key Words：Ionosphere;Vertical total electron content;Time characteristic;Winter anomaly

在太陽輻射和磁層下沉的高能粒子的影響下，地球大氣層中的中性氣體就會發生電離，產生大量的離子與自由電子，形成電離層。對于使用無線電衛星導航的客戶端而言，電離層是對導航定位的準確度和精度產生影響的重要距離誤差源之一，同時也對衛星導航系統產生決定性的影響[1]。這是因為電離層會對GPS信號產生折射現象，導致在時間上有了延遲。電離層延遲是當前GNSS精密定位過程中最重要的誤差來源之一[2]。故而這種誤差是不可以忽視的。電離層VTEC是一個描述電離層變化特性的關鍵參數。VTEC的變化會受到季節、經緯度、地方時、太陽活動以及地磁活動的影響，這就使VTEC在時間和空間上表現出豐富的變化特性[3]。為了有效地削弱電離層延遲帶來的影響，可以對VTEC進行研究和分析。

對于電離層的時空特性分析，國內外學者都做了許多研究：靳婷婷為了研究北京—天津—河北3個地區的電離層時空變化，采用IGS中心2000—2018年共計19年的全球總電離層TEC格網數據，研究該區域電離層時空分布特征并分析太陽活動指數與電離層TEC之間的相關性[4];李涌濤等研究者通過歐洲定軌中心提供的3年TEC數據，分析相鄰格網點電離層的變化和某一格網點不同時期電離層的變化范圍，該研究為小范圍電離層建模提供理論支撐[5];此外，李涌濤等研究者還基于中國陸態網的連續GNSS觀測數據，研究在小尺度空間和高分辨率情況下，中國區域電離層的變化特性和精度評估[6];劉磊等研究者利用2008—2015年武漢站獲得的垂直電離層數據，得到了武漢站垂直電離層變化特性以及電離層與太陽活動之間的相關性強度[7];黃良珂根據IGS提供的1999—2015年電離層數據，計算不同緯度情況下的電離層峰值不對稱指數，并分析其與太陽活動指數和地磁活動指數之間的關系，為建立高精度電離層模型提高參考依據[8];廖章回等研究者根據IGS中心電離層數據，對北京地區、阿克拉地區以及墨爾本地區進行了年周期變化和半周期變化分析[9];袁菲等研究者針對電離層延遲對GNSS精密定位精度的影響，在廣西和周邊地區，基于IGS數據中心提供的4年電離層數據，分析太陽活動、地產活動對電離層的影響[10]。

以上大多是關于全球、中國區域或者某區域的短期的電離層變化特性的分析，對于研究中國某局部區

域的年限較長的電離層變化特性則比較少。故該文將分析我國拉薩地區2005—2015年這11年的數據，對拉薩地區的VTEC值從時序變化、地磁活動和太陽活動。

對VTEC產生影響的這些方面進行分析。研究結果將會對改進拉薩地區的電離層模型提供參考價值。

1? 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

拉薩（東經91°06′北緯29°36′）是我國西藏自治區的省會，海拔3 650 m，是目前世界上平均海拔最高的城市之一。同時也被認為是我國西藏自治區的歷史文化、政治、經濟和宗教中心。拉薩坐落于遼闊的青藏高原中部、喜馬拉雅山脈的北側。一年中晴朗的天氣相對較多，降水稀少，氣候宜人。拉薩地區太陽輻射強，全年平均日照3 000 h以上，素來擁有“日光城”的美稱。

1.2 數據來源

該文選取的研究對象是拉薩地區上空的電離層，所用的2005—2015年VTEC數據由拉薩站GPS雙頻接收機觀測到的，采樣間隔為30 s。可以對拉薩地區的VTEC值進行時序變化分析。

2? 拉薩地區電離層特性分析

圖1是2005—2015年拉薩地區VTEC日均值時序變化圖。將2005—2015年拉薩地區的VTEC值以日為尺度，取2005—2015年VTEC月均值，用MATLAB軟件繪出拉薩地區2005—2015年VTEC月均值時序變化圖（見圖2）。

由圖1和圖2可知，拉薩地區VTEC值每年在3～5月份會出現全年的第一個峰值，之后又在每年的9～10月份有全年的第二峰值。因此拉薩地區VTEC值具有明顯的年周期和半年的周期變化（電離層半年度變化是指在春秋分季節的時候出現極大值）特征，這符合文獻[9]全球電離層具有周年變化和半年變化的結果。半年變化成因分析：拉薩屬于我國低緯地區，電離層VTEC值在春秋季節比冬夏季節相對較高，這是位于低緯地區電離層VTEC值的一種季節異常現象，這種季節異常現象可以用大氣中性成分和經向中性風變化來解釋。當北半球到了夏季的時候，經向中性風向地球的赤道這個方向吹，這和地球赤道上方的對應的那部分等離子體順著磁線分散的方向是正好相反的，故而會削弱等離子體的擴散作用;當北半球到了春季時，經向中性風從地球的赤道向北這個方向吹，這與地球赤道上空的那部分等離子體擴散的方位是相同的并且是相互平行的，這就導致了更多來自地球赤道上空的那部分等離子體與大氣中性成分向地球赤道兩旁的低緯區域的擴散。

從圖2可以看出，每一年拉薩地區的VTEC值都會在3～5月具有峰值，接著VTEC值下降，在9～10月出現當年的第二個峰值;在太陽活動高年即2014年拉薩地區的電離層VTEC值有最大值，在太陽活動低年即2008年則與之相反。這說明了影響拉薩地區VTEC值的重要因素之一是太陽活動。

將每年拉薩地區VTEC的月均值均按春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11月）和冬（12月到次年2月）劃分，用MATLAB軟件繪出2005—2015年拉薩地區VTEC季節變化圖，具體見圖3。

圖3中橫軸顯示的時間是世界時，因為拉薩位于東六區，所以轉換成當地時間需要加上6 h。在電離層季節變化方面，拉薩地區2005年、2010年、2011年、2012年和2013年均出現秋季VTEC值高于春季，產生此現象的原因可能是地域差異性造成的。冬季的VTEC值在2011年的地方時10～16時和2014年的地方時8～18時的時候明顯比夏季的VTEC值大，呈現出了冬季異常的現象（電離層冬季異常也可稱為季節異常，是指電離層VTEC值在夏季的時候小于在冬季時的一種現象），和半年度異常不同，在太陽活動低年，地球的赤道地區和南半球不存在冬季異常。一般認為冬季異常是由南北半球熱層大氣吸收的紫外輻射的能量差異引起的。在電離層日變化方面（按照季節為尺度VTEC時間特性）：從整體上看白天時段VTEC值大于夜晚VTEC值，并且白天變化趨勢劇烈，夜晚變化趨勢緩慢。在當地時間12～16時具有VTEC峰值，接著VTEC值迅速下降，并在當地時間4～6時具有最低值。

3? 太陽活動對電離層的影響

F10.7是太陽10.7cm射電流量的簡稱，它的單位是sfu（solar flux unit），其中，1sfu=10-22wm-2hz-1。作為一種可在地面觀測的太陽輻射參數，與EUV相比，F10.7的觀測相對容易和方便。F10.7與太陽活動關系密切，可以描述太陽活動的周期性變化規律。按照F10.7的大小，對太陽活動進行劃分。F10.7>150sfu是強太陽活動水平，100sfu

從圖4（a）可知，在2005—2015年中，2008年F10.7年均值是最小值，2014年F10.7年均值是最大值;2005—2008年F10.7年均值的變化趨勢是逐年緩慢下降，2009—2014年F10.7年均值則表現出逐年增加的趨勢，并且峰值在太陽活動高年2014年，隨后下降。從圖4（b）可知，拉薩地區的VTEC年均值的變化趨勢和F10.7年均值的變化趨勢是一致的。拉薩地區電離層VTEC年均值在太陽活動低年最小，在太陽活動高年最大。

對拉薩地區2005—2015年的VTEC年均值和F10.7年均值進行線性回歸分析，具體見圖5。在圖5中，F10.7年均值是橫坐標x軸，VTEC年均值為縱坐標y軸，兩者的線性回歸方程式是：y=ax+b，相關系數是0.995 6，其中0.7≤‖K‖≤1是高度相關。這說明VTEC年均值和太陽射電流量F10.7指數高度相關，并且影響拉薩地區VTEC值的重要因素之一是太陽活動。

4? 結論

拉薩是我國一個典型的高原地區，研究拉薩區域的電離層VTEC的變化特性，將會對拉薩區域的電離層模型改正提供重要的參考價值。該文利用拉薩站（東經北緯）GPS雙頻接收機觀測到的2005—2015年的VTEC數據，以多年限區域性的角度對拉薩地區的電離層變化特性進行分析，得到以下結論。

（1）拉薩地區電離層VTEC值分別有半年周期和年周期;在2011年和2014年具有“冬季異常”現象。

（2）VTEC值日變化：VTEC值在地方時6～12時之間迅速上升，地方時12～16時具有了當日的VTEC峰值，之后迅速下降直至當地時間4～6時到當天最低值。

（3）拉薩地區垂直電離層VTEC與太陽活動指數F10.7之間的為強相關性，兩者之間的相關性系數達到0.99。

參考文獻

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