基于GNSS的川藏高原電離層活動特性分析

姬姍姍

(山東建材勘察測繪研究院有限公司, 山東 濟南 250199)

0 引言

電離層作為地球大氣層的一部分,是一個部分電離的區域,其位置距離地面60～1 000 km。電離層的活動強烈影響著衛星導航、授時等通信服務。電離層總電子含量是表述電離層狀態的重要參數,可以反映電離層時空變化。川藏高原位于中國的西南部,是世界最高的高原,其經濟發展同樣需要高精度的導航和授時服務等。因此，研究川藏高原的電離層時空特性對本地區建立相應的電離層模型具有重要的意義。

目前,國內外研究學者對區域電離層的變化做了廣泛分析。高敬帆[1]利用拉薩電波環境觀測站30余年的總電子含量(total electronic content,TEC)數據,研究了拉薩地區電離層的變化特性。他發現拉薩地區電離層日變化顯著,季節變化明顯,隨太陽活動變化幅度較大。靳婷婷[2]利用2000—2018年的全球電離層格網(global ionosphere map,GIM)TEC數據,分析京津冀地區電離層時空分布特性及太陽活動與電離層的相關性,發現電離層TEC與F10.7指數據具有極強的相關性,且京津冀地區TEC每日最大值出現在協調世界時(coordinated universal time,UTC)4:00左右。朱軍桃[3]利用歐洲定軌中心提供的2000—2019年的電離層TEC數據對四川及周邊地區進行電離層時空特性分析,發現該地區2000—2019年TEC與F10.7日均值、月均值、年均值相關性分別為0.879、0.923和0.998。劉鈍[4]更對中國區域電離層特性進行了分析,發現中國區域電離層將影響電離層延遲誤差的空間相關性。孫文杰[5]也對2013和2015年磁暴期間中國地區電離層特性進行了探究,發現2013年3月磁暴期間中國不同地區電離層變化較弱或不明顯,而2015年3月磁暴期間中國地區電離層變化整體表現為大范圍的強負相暴,中國地區不同程度的電離層響應主要受到不同的磁暴強度和磁暴期間不同的能量輸入影響。李筱[6]和張盼盼[7]分別對重慶地區和沖繩地區的電離層突發E層進行了分析,發現重慶地區Es主要發生在夏季白天,峰值強度出現在6月份的上午,而沖繩地區Es整體強度較強,峰值強度出現在6月份中午11—12時。許多國外學者研究了區域上的異常現象,比如中緯度夏季夜間異常(midlatitude summer nighttime anomaly,MSNA),冬季異常現象[8-9],例如,Yasyukevich等[8]利用GIM TEC繪制了冬季異常的區域分布圖。

以上研究從局域角度對不同區域電離層進行了探究,但并未對高海拔區域進行分析。本文基于歐洲軌道確定中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)分析中心2014—2019年的GIM TEC數據和太陽參數F10.7的修正指數F10.7p,利用時間序列分析、相關性分析以及快速傅里葉分析的方法,對川藏高原地區的電離層時空特性進行聯合分析。

1 數據來源

1.1 TEC數據

本文研究區域為川藏高原地區,選取范圍為90°E—105°E,27.5°N—32.5°N。數據來源于歐洲定軌中心,歐洲定軌中心選取全球約300個全球導航衛星系統(global navigation satellite systems,GNSS)地面跟蹤站,利用球諧函數建立了全球電離層模型[10]。本文選擇CODE分析中心2014—2019年的GIM TEC數據,對川藏高原地區的電離層活動特性展開分析。

1.2 太陽活動參數F10.7p地磁參數

F10.7是指太陽的10.7 cm波段輻射通量,單位是sfu,1sfu=10-22m-2Hz-1,是目前使用最廣泛的太陽活動指數之一。本文使用的太陽活動指數是F10.7的修正指數F10.7p,F10.7p與TEC有著更好的相關性,并且在統計意義上F10.7p相當好地反映了太陽極紫外(extreme ultraviolet,EUV)輻射通量的強度。F10.7p通過式(1)計算而來。式中,F10.7A是F10.7的81 d滑動平均值。

F10.7p=(F10.7+F10.7A)/2

(1)

2 分析

2.1 時變特性

圖1描述了該地區2014與2019年各季節的日變化。從圖1可以看出,2014年各季節的TEC均值大于2019年各季節的TEC均值,這主要是因為2014年屬于太陽活動高年,TEC受太陽輻射強度增加,電離程度加強。對于2014年,春季的TEC值最大,秋季次之,接著是冬季,最后是夏季,這體現了TEC的年度異常、半年度異常和冬季異常。其中,年度異常是指冬至日的TEC值大于夏至日的TEC值[11],半年度異常是指二分點的TEC值大于二至點的TEC值[12],冬季異常指冬季日間TEC值大于夏季日間TEC值。對于2019年,由于太陽活動較弱,各季節的TEC含量基本一致。與2014不同的是,2019年冬季的TEC值最小,說明太陽活動低年沒有冬季異常。此外,TEC在08:00:00—20:00:00更大,這主要是因為日間太陽輻射劇烈,電離程度加大導致。圖2對該地區2014—2019年的TEC進行了傅里葉分析,X軸是頻率(Hz),周期是頻率的倒數,單位為天。經統計,TEC周期為26.4、121.7、182.6、219.1、365.0 d,基本體現了TEC的27 d周期變化、半年變化、年變化。

圖1 2014與2019年各季節的日間變化

圖2 2014—2019年TEC的傅里葉分析

2.2 空間特性

為探究川藏地區TEC的空間分布特征。圖3描述了川藏地區TEC的空間分布,從圖3可以看出,無論是2014年還是2019年,低緯度地區(30°N以下)的TEC較大,本文認為這可能與赤道異常有關。其中,赤道異常是指電離層F層的最大電子密度出現于磁赤道兩邊±10°～20°磁緯區的現象[13-15];此外,2014年為太陽活動高年,該區域TEC整體介于30～40 TECU。2019年為太陽活動低年,2019年為太陽活動低年,該區域TEC整體在10 TECU附近。

(a)2014年

2.3 時空聯合分析

為探究川藏地區TEC隨經度和地方時間的變化。圖4給出了在2014和2019年TEC隨經度和地方時間的變化。從圖4可以看出,該地區各經度的TEC變化特征相似,體現了時空相關性。另外,TEC在08:00:00—20:00:00相對較大,在20:00:00—08:00:00較小,且2014年白天和夜間的TEC相差變大,這與圖3所展示的現象一致。此外,太陽活動高年(2014年)比太陽活動低年(2019年)的TEC更大,這一特征在各經度處相同。

(a)2014年

3 結束語

本文基于CODE分析中心2014—2019年的GIM TEC數據和太陽參數F10.7的修正指數F10.7p,利用時間序列分析、相關性分析以及快速傅里葉分析的方法,對川藏高原地區的電離層時空特性進行分析。(1)在太陽活動高年時,TEC具有年度異常、半年度異常和冬季異常。在太陽活動低年時,這些異常減弱或消失。(2)本文通過傅里葉分析驗證了TEC的27 d周期變化、半年變化、年變化。(3)無論是2014年還是2019年,低緯度地區(30°N以下)的TEC較大,本文認為這可能與赤道異常有關。(4)該地區各經度的TEC變化特征相似,體現了時空相關性。