海南地區(qū)電離層F2層底部厚度模型修正研究

王勝國(guó) 史建魁 王國(guó)軍 王 霄 謝志輝 陳光明

(1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.北京應(yīng)用氣象研究所,北京 100029)

1.引 言

電離層經(jīng)驗(yàn)(NeQuick)模型是由意大利薩拉姆國(guó)際理論物理中心的高空物理和電波傳播實(shí)驗(yàn)室(ARPL-ICTP,Trieste)與奧地利格拉茨大學(xué)的地球物理、氣象和天體物理研究所(IGAM,university of Graz)聯(lián)合研究開發(fā)的電離層模型。該模型已被歐洲Galileo系統(tǒng)的單頻用戶采用修正電離層延遲,被國(guó)際電信聯(lián)盟的無線電部門(ITU-R)采用作為計(jì)算電子總含量(TEC)的可選方法。該模式還被澳大利亞用來定性評(píng)估未來的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS);被英國(guó)的盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室用來通過 f oF2和 M(3000)F2預(yù)報(bào)值預(yù)報(bào)垂直TEC.NeQuick模式不斷獲得改進(jìn)[1-5],最新版本為NeQuick 2[6]。

NeQuick模式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?利用各種資料源驗(yàn)證模式在不同地區(qū)的有效性是十分必要的。一些研究[7-8]發(fā)現(xiàn)該模式在低緯地區(qū)太陽活動(dòng)高年低估了頂部區(qū)域電子密度和TEC。P.Co?sson等[9]利用赤道地區(qū)資料研究發(fā)現(xiàn)NeQuick模式在太陽活動(dòng)高年日間低估F2層底部厚度參數(shù)大約20 km.S.G.Wang[12]等利用海南高年資料研究發(fā)現(xiàn)早上NeQuick模式一般低估F2層底部厚度參數(shù)大約25 km.B2bot是NeQuick模式的電離層F2層底部厚度參數(shù),此參數(shù)同時(shí)包含在NeQuick模式的頂部剖面公式中。因此,電離層剖面的模擬效果直接影響電離層TEC的計(jì)算,所以對(duì)NeQuick模式而言,驗(yàn)證模式底部厚度參數(shù)B2bot計(jì)算模型的有效性,研究不同地區(qū)B2bot的日變化、季節(jié)變化及其隨太陽活動(dòng)性的變化具有重要意義。

我國(guó)低(磁)緯度地區(qū),尤其是海南地區(qū),其位置位于磁赤道附近的北半球赤道異常峰區(qū)南側(cè)。海南電離層探測(cè)站(109.1°E,19.5°N;磁坐標(biāo):178.95°E,8.1°N)建立于2002年,取得了大量的電離層探測(cè)數(shù)據(jù)。利用這些資料王霄[13]等研究了海南地區(qū)的電離層漂移特性。王國(guó)軍[14]等研究了海南地區(qū)的擴(kuò)展F季節(jié)變化特性。

本文利用海南電離層探測(cè)數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了中國(guó)低緯地區(qū) F2層底部厚度參數(shù) B2bot最佳值(B2best)和NeQuick模式計(jì)算值(B2NeQuick2)之間的差異(ΔB2),B2best季中值和相對(duì)值(R=B2best/B2NeQuick2)季中值的日變化、季節(jié)變化和年際變化規(guī)律;并在此基礎(chǔ)上對(duì)NeQuick 2模式的B2bot計(jì)算公式進(jìn)行了修正。

2.資料和分析方法

研究數(shù)據(jù)來源于中國(guó)海南電離層觀測(cè)站經(jīng)過SAO-Explorer(SAO Explorer,Interactive Ionogram Scaling Technologies,http://ulcar.uml.edu/SAO-X/SAO-X.html)[10]軟件訂正的15分鐘分辨率DPS-4電離層剖面資料。數(shù)據(jù)覆蓋范圍為太陽活動(dòng)中年2003年1月-2004年12月(年平均太陽黑子數(shù)(Rz)分別為63.7和40.4)。各月資料按季節(jié)分為三組,分別為 1、2 、11、12 代表冬季;3、4 、9、10代表春秋季;5、6、7、8代表夏季。

以實(shí)測(cè)的 foF2、M(3000)F2作為輸入?yún)?shù),由NeQuick的B2bot計(jì)算公式獲得F2層底部厚度參數(shù)模式值B2NeQuick2。通過利用最小二乘法計(jì)算實(shí)測(cè)電子密度剖面與以實(shí)測(cè)NmF2和hmF2作為輸入?yún)?shù)的semi-Epstein層函數(shù)最接近的方法求得B2bot的最佳值B2best。

3.NeQuick模式F2層底部厚度參數(shù)研究

3.1 NeQuick模式F2層底部剖面介紹

NeQuick模型的F2層底部剖面采用semi-Epstein層(Rawer,1982)公式,表達(dá)式為

式中:NmF2是F2層的峰值電子密度;hmF2是F2層的峰值高度;B是 F2層底部厚度參數(shù)。t的計(jì)算公式為

式中:NmF2的單位是1011m-3;(d N/d h)max的單位是109m-3;foF2單位是MHz;M(3000)F2是標(biāo)準(zhǔn)最高可用頻率因子。

3.2 ΔB2的日變化和季節(jié)變化

圖1 ΔB2的日變化和季節(jié)變化

由圖1可以看出,所有季節(jié)B2bot的最佳值和模式值之間都有不同程度的差異,這種差異具有以下特點(diǎn):NeQuick的模式值一般都低估了F2層底部厚度,在大多數(shù)時(shí)間,這種差異小于20 km;春秋季和冬季,ΔB2的日變化峰值出現(xiàn)在0500 LT左右,夏季日變化峰值出現(xiàn)在0800 LT左右,差異平均為25 km左右。

3.3 B2best季中值的變化特征

取B2best季中值,研究其在各季節(jié)的日變化、季節(jié)變化及其隨太陽活動(dòng)性的平均變化特性。圖2是B2best季中值在各季節(jié)的日變化圖,橫坐標(biāo)為地方時(shí)。

由圖2可知,春秋季,在太陽活動(dòng)中年B2best的年際變化小于10 km.B2best有兩個(gè)極大值(0530 LT和1300 LT),日間極大值要大于早上極大值。其日變化都是從前一天的午后日間最大值開始B2best逐漸減小,在0200 LT左右達(dá)到極小值,隨后逐漸增加,在0530 LT左右達(dá)到早上極大值,然后有一個(gè)短時(shí)(大約1小時(shí))驟減,隨后又增加,在中午左右達(dá)到日間最大值,大約為60 km.從數(shù)值大小上看,隨太陽活動(dòng)性的降低,B2best的值是減小的。

夏季,中等太陽活動(dòng)性條件下B2best的年際變化也小于 10 km.B2best有兩個(gè)極大值(0600 LT和0900 LT),早上極大值變得不太明顯。其日變化是從午夜開始B2best逐漸增加,在日出前有一個(gè)短時(shí)急劇下降,大約在0900 LT左右達(dá)到日間最大值,約為60 km.隨后逐漸減小,在 1900 LT左右達(dá)到B2bot夜間值,大約為 35 km.

冬季,中等太陽活動(dòng)性條件下B2best年際變化較大,在1200 LT～1600 LT年際變化大于10 km,最大差異達(dá)15 km左右。冬季的日變化比較復(fù)雜,有兩個(gè)極大值(0600 LT和1400 LT)和兩個(gè)極小值(0300 LT和0800 LT),而且與春秋季和夏季不同的是早上極大值甚至大于日間極大值。B2best的日變化為:從0000 LT開始逐漸減小,在0300 LT左右達(dá)到極小值;隨后逐漸增加,在0600 LT達(dá)到最大值;隨后迅速減小,大約在0800 LT左右達(dá)到第二個(gè)極小值,約為30 km,大約持續(xù)1 h;然后再逐漸增加,在1400 LT左右達(dá)到日間最大值;隨后逐漸減小,2100 LT左右達(dá)到夜間值。

由圖2可見,其季節(jié)變化主要體現(xiàn)在:1)早上極大值的時(shí)間從春秋季到冬季逐漸延遲,而且冬季早上極大值甚至大于日間極大值;2)達(dá)到日間極大值的時(shí)間上有差異,春秋季:1300 LT,夏季:0900 LT,冬季:1400 LT;3)早上極大值后的下降幅度,春秋季和冬季明顯大于夏季。

圖2 B2best季中值的日變化和季節(jié)變化

3.4 相對(duì)值R的季中值隨太陽活動(dòng)性變化

厚度參數(shù)相對(duì)值R反映了F2層底部厚度參數(shù)的實(shí)測(cè)最佳值與NeQuick模式計(jì)算值之間的相對(duì)大小。通過研究R在不同季節(jié)的日變化和年際變化,研究其變化規(guī)律,可以對(duì)NeQuick模式的B2bot參數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行修正。為此,利用海南站點(diǎn)的電離層垂測(cè)儀數(shù)據(jù)和NeQuick模式計(jì)算了不同季節(jié)的R(圖3),橫坐標(biāo)是地方時(shí)。

圖3 R季中值的日變化和季節(jié)變化

由圖3可見,在所有季節(jié)R的年際變化要遠(yuǎn)小于B2best的年際變化,春秋季和夏季夜間1800 LT～2400 LT最佳值與模式值一致性最好,相對(duì)值R大約為1。春秋季R的日變化峰值在0600 LT,其峰值為大約2.1;夏季 R日變化峰值出現(xiàn)在 0600～0900 LT,其峰值大約為1.7;冬季R有兩個(gè)日變化峰值分別在0000 LT和0600 LT,其峰值分別大約為1.4和2.1。在中等太陽活動(dòng)性情況下,不同年份厚度參數(shù)相對(duì)值R變化規(guī)律一樣,相對(duì)差異較小。這表明不需要對(duì)模式的F2層底部厚度參數(shù)計(jì)算模型作大的改動(dòng),而只是利用一個(gè)與地方時(shí)有關(guān)的函數(shù)修正模式F2層底部厚度參數(shù)計(jì)算模型的系數(shù),就可以取得較好的效果。

4.NeQuick模式的底部厚度參數(shù)計(jì)算模型修正研究

通過以上太陽活動(dòng)中年R在不同季度的日變化統(tǒng)計(jì)分析可知,相同季節(jié)不同年份R變化規(guī)律一樣,相對(duì)差異較小。考慮到這一特點(diǎn),在不同季節(jié)可以用一個(gè)時(shí)變函數(shù)?(t)擬合R值的日變化,擬和函

式中:a0為平均值;ai1為周期變化的系數(shù);ai2為相位;ai3為周期。利用最小二乘法可得擬合函數(shù)(5)的各項(xiàng)系數(shù)(表 1)。數(shù)可以寫為

表1 各季節(jié)擬合系數(shù)表

NeQuick模式的F2層底部厚度修正計(jì)算模型為

式中:B2NeQuick2和B2modN為NeQuick模式修正前后的計(jì)算值;?(t)為修正系數(shù)。

圖4是擬合函數(shù)與各年季中值的擬合效果圖,橫坐標(biāo)是地方時(shí)。由圖4可知,利用擬合模型(5)可以很好地?cái)M合所有季節(jié)R值的日變化特征。這表明利用時(shí)變函數(shù)?(t)修正NeQuick模式的B2bot計(jì)算模型是切實(shí)可行的。

圖5是參數(shù)最佳值和修正后模式值的偏差散點(diǎn)圖,橫坐標(biāo)是地方時(shí)。由圖5可見,修正后的偏差分布更合理,消除了修正前的明顯日變化,具有良好的修正效果。

5.結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了太陽中等活動(dòng)性條件下海南電離層垂測(cè)儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得的F2層底部厚度參數(shù)最佳值(B2best)和NeQuick模式計(jì)算值的差異、B2best季中值和相對(duì)值R季中值的日變化、季節(jié)變化和年際變化特征,主要結(jié)論如下:

1)所有季節(jié)B2bot的最佳值和模式值之間都有不同程度的差異;

2)NeQuick的模式值一般都低估了F2層底部厚度,在大多數(shù)時(shí)間,這種差異小于20 km;春秋季和冬季,ΔB2的日變化峰值出現(xiàn)在0500 LT左右,夏季日變化峰值出現(xiàn)在0800 LT左右,差異平均為25 km左右;

3)在中等太陽活動(dòng)性情況下,不同年份厚度參數(shù)相對(duì)值R變化規(guī)律一樣,相對(duì)差異較小。

在以上統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)R具有明顯的日變化,而R的年際變化不大這一特征。我們用時(shí)變函數(shù)?(t)擬合R值在不同季節(jié)的日變化,并利用函數(shù)?(t)對(duì)NeQuick模式的B2bot計(jì)算模型進(jìn)行修正,主要結(jié)論如下:

1)利用函數(shù)?(t)可以很好的修正NeQuick模式的B2bot計(jì)算誤差,修正后的B2bot沒有了明顯的日變化。

2)修正后的偏差分布更合理,更集中,消除了修正前的明顯日變化。

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