全球電離層時變特性分析范文

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1電離層隨太陽活動強度的變化規律

太陽是電離層形成的主要因素之一，太陽活動對電離層的變化起到決定性的作用。太陽活動的強弱一般用太陽黑子數（SSN,SunspotNumber）或者F10.7指數表示。太陽黑子（SunspotNumber）是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動，是太陽活動中最基本、最明顯的活動現象。太陽黑子最多的年份稱為“太陽活動高峰年”，太陽黑子最少的年份稱為“太陽活動低峰年”。F10.7是指太陽的10.7cm波段輻射通量，單位是sfu(solarfluxunit)，2221110sfumHz，是目前使用最廣泛的太陽活動指數。根據F10.7的大小將太陽活動分為3個等級，即F10.7150sfu，100sfuF10.7150sfu，F10.7100sfu。這3個等級分別代表強太陽活動，中等太陽活動和弱太陽活動。本文通過分析SSN、F10.7和TEC三者之間的關系，揭示電離層隨太陽活動強度的變化規律。選取由比利時世界太陽黑子索引資料中心(SIDC)提供的1998年~2012年的SSN和F10.7數據序列，采樣間隔為1天。選取IGS提供的1998年~2012年的全球電離層TEC格網數據，原始數據的采樣間隔為2小時，為了與SSN和F10.7數據的采樣間隔保持一致，本文求得每天的全球電離層平均值組成一個新的時間序列，采樣間隔也為1天。3種數據的時間序列如圖1所示。從圖1可以看出，TEC、SSN和F10.7三者的變化趨勢大致相同。結合SSN和F10.7的數據可知，2000年~2002年為太陽活動高峰年，2006年~2009年為太陽活動低峰年。由表1可以得出以下結論：1）F10.7、SSN和TEC之間的相關系數在0.785~0.9422之間，所以三者屬于高度線性相關。2）F10.7指數和SSN之間的相關系數為0.9422，接近與1。這說明，作為影響電離層變化的因素，F10.7和SSN可以相互替代。3）電離層TEC與F10.7之間的相關系數大于電離層TEC與SSN之間的相關系數。因此，在電離層模型中引入參數F10.7更為合理。

2電離層日變化規律研究

以2011年3月21日，本初子午線（0°經線）上，緯度分別是80°N、60°N、40°N、20°N、0°、20°S、40°N、60°S和80°S的9個電離層TEC格網點為例，分析了不同緯度上TEC隨當地時間的變化規律，如圖2所示。從圖2中可以看出，白天TEC從當地時間6時左右開始增大，到12時~16時之間達到最大值。下午至黃昏，隨太陽輻射的減弱，TEC急速下降，大約20時左右曲線的下降斜率出現一個轉折點，這說明日落以后TEC值減少速率明顯變得平緩。夜間TEC值達到最小值，且變化較為平緩。圖2只反映了電離層的日變化規律的總體趨勢。接著，本文從電離層TEC極大值出現的時刻和夜間電離層TEC兩個方面，進一步分析了電離層的日變化規律。

2.1TEC極大值出現時刻的研究根據IGS提供的TEC格網數據的特點，每一條經線上，從87.5°N到87.5°S，每隔2.5°分布著一個格網點，共有71個TEC格網點。以2011年本初子午線上71個TEC格網點的全年365天的數據為例，提取了365×71，共25915個TEC最大值出現的時刻。對這些時刻進行統計分析，如圖3和表2所示。從圖3和表2可以看出，一天中TEC最大值出現的時刻主要集中在當地時間10時~16時，其中，當地時間14時出現7678次，占到38.47%，所占比重最大；當地時間12時和16時分別占26.58%和19.05%，也占有一定的比重。因此，在建立電離層經驗模型時，將一天中TEC最大值出現的時刻固定為當地時間14時是不準確的。

2.2夜間TEC值的時變研究在顧及晝夜時間隨季節變化的前提下，取當地時間22時至次日5時為夜間時段。利用IGS提供的TEC格網數據，對2000年~2012年的四季點（春分、夏至、秋分和冬至）的夜間全球電離層TEC平均值進行統計。統計結果如圖4所示。圖4中，每年春分、夏至、秋分和冬至的夜間全球電離層TEC平均值分別由4種顏色表示。分析發現：每年中不同季節夜間電離層TEC平均值不同，冬季的夜間電離層TEC一般大于夏季的，夜間電離層TEC在夏季達到最小值。另外，夜間電離層TEC值在太陽活動高峰年和太陽活動低峰年之間相差很大，在2000年~2002年太陽活動高峰年，夜間電離層TEC平均值在17個TECU左右，最大值可達24TECU，并且在不同季節之間，夜間電離層TEC平均值相差很大；在2006年~2009年太陽活動低峰年，夜間電離層TEC平均值僅在5TECU左右，不同季節之間差距很小。由此可見，夜間全球電離層TEC的變化與太陽活動密切相關。在Klobuchar模型中，將夜間電離層延遲視為常數（5TECU）是不準確的。

3電離層季節變化規律研究

利用IGS提供的2000年、2004年、2008年和2012年的電離層TEC格網數據，分析了電離層的季節性變化規律。從圖1中可以看出，2000年屬于太陽活動高峰年，2008年是太陽活動低峰年，2004年為太陽活動平緩年份，2012年接近太陽活動高峰年。選取這4種太陽活動強度年份，可在分析電離層季節變化的過程中顧忌到太陽活動的影響，使結論更具代表性。將每隔2小時的全球電離層TEC分別求平均值，即可得到每天13組TEC平均值，取全年365天的數據，繪制全球電離層TEC的季節變化圖，共4幅，如圖5所示。本文取12月、1月、2月作為冬季，取3月、4月、5月作為春季；取6月、7月、8月作為夏季；取9月、10月、11月作為秋季。從圖4中可以看到全球TEC平均值在春季（4月份）和秋季（10~11月份）出現了2個明顯的峰值，遠大于冬季（2月份）和夏季（7~8月份）的全球TEC平均值。這種現象被稱為“半年度異常”[14]。半年度異常現象即使是在太陽活動低峰年（2008年）也很明顯。電離層半年度異常的成因非常復雜，無論從觀測上還是機制上，都需要進一步的研究。將春季（4月份）和秋季（10~11月份）的兩個峰值比較后發現：在2000年、2004年和2012年，秋季的全球TEC平均值高于春季，這種差異在太陽活動高峰年（2000年）達到最大。在太陽活動低峰年（2008年），秋季的全球TEC平均值卻低于春季的。這說明，全球TEC平均值秋季高于春季的現象在太陽活動增強時變得明顯，在太陽活動低峰年消失，甚至出現相反的現象。此外，無論是在太陽活動高峰年還是低峰年，夏季（7~8月份）的全球TEC平均值都是最低的。這一現象主要是由日地距離的變化引起的，每年7月初，地球位于繞日公轉軌道的遠日點，日地距離達到最大值，約為1.521×108km。但是4月份和10月份出現的TEC峰值，與1月份的近日點不相符合。由此可見，除了日地距離和太陽活動強度之外，還存在其他的因素影響著電離層的季節變化。

4結束語

IGS提供的電離層TEC格網數據具有時間連續性好，空間分辨高的特點，通過對IGS電離層TEC數據的發掘，可有效地揭示全球電離層的變化特性。本文以TEC數據為主要數據源，結合SIDC提供的SSN和F10.7數據，詳盡地分析了全球電離層的時變特性，得出了初步性結論。分析發現，電離層TEC與太陽活動密切相關，電離層TEC與F10.7和SSN的相關性均在0.7以上，且F10.7與TEC的相關性最高，因此在建立電離層經驗模型時引入F10.7參數較為合理；在對電離層日變化規律研究時發現，當地時間14h并非是TEC日極大值出現的惟一時刻，另外，夜間全球電離層平均值隨太陽活動強度的變化而變化，且存在季節性變化，因此Klobuchar模型中將當地時間14h作為TEC日極大值出現的時刻和夜間電離層TEC固定為5TECU的做法是不準確的。最后討論了電離層TEC的季節變化，發現影響TEC季節變化的主要因素包括日地距離和太陽活動強度兩個方面。本文采用了1998年~2012年的全球電離層TEC數據以及相應年份的SSN和F10.7數據，時段跨越一個11年的太陽活動周期，在顧及太陽活動對電離層大尺度影響的前提下，分析了電離層的日變化和季節變化等小尺度變化，使得結論更具合理性和代表性。本文只是對電離層中的規則的變化規律做了分析，實際上電離層中還存在一些不規則的變化規律，如電離層閃爍，電離層行擾以及電離層的不規則體和電離層突然騷擾（SID）。對于電離層中的不規則變化，筆者將做進一步研究，此處不再詳述。

作者：馮建迪王正濤趙珍珍單位：武漢大學測繪學院山東農業大學信息科學與工程學院中國測繪科學研究院