太陽活動高低年電離層TEC變化特性分析

趙海山，楊 力，徐世依

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001)

太陽活動高低年電離層TEC變化特性分析

趙海山，楊 力，徐世依

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001)

為了進一步研究電離層變化特性受不同太陽活動強度影響的問題，提出太陽活動高低年對比分析的方法，研究5個特定點的電離層TEC的變化特性；重點對太陽活動高低年的TEC半年變化、季節(jié)變化以及周日變化進行分析。結果表明：太陽活動強度影響TEC數值變化的同時，還影響其半年變化和季節(jié)變化特性；春秋分季節(jié)是出現峰值的高峰期，TEC半年變化強度與太陽活動成正比；太陽活動強度對季節(jié)異常現象有一定影響，太陽活動高年季節(jié)變化更顯著，0°N～-20°N是TEC季節(jié)異常的活躍范圍；全球TEC峰值呈自東向西周日性運動，通過2年數據的自相關分析可以明顯看出其變化周期為24 h，未受到太陽活動高低年影響。

電離層TEC；半年變化；季節(jié)變化；周日變化；相關性分析；太陽活動高低年

0 引言

電離層是受太陽XUV即X射線和極紫外光(extreme ultraviolet，EUV)輻射電離高層大氣而形成的，因此電離層總電子含量(total electron content，TEC)的變化很大程度上受到太陽活動的影響[1]。除此之外電離層還受到地磁場、中性大氣成分等條件的影響，從而表現出豐富的時空變化特性。國內外學者對電離層的時空變化特性做了很多研究，如：文獻[2]對電離層TEC的季節(jié)變化、月變化和日變化規(guī)律進行了研究；文獻[3]利用10個印度觀測站的數據分析了TEC的空間變化特征；文獻[4]則分析了電離層TEC的梯度變化特性；文獻[5]分析了夜晚電離層TEC的變化規(guī)律；文獻[6]對赤道電離異常區(qū)的TEC時空變化特點進行了分析，文獻[7-8]也做了相關研究；文獻[9]對研究了中國區(qū)域電離層TEC的半年度變化、季節(jié)變化以及周日變化；文獻[10]分析了北美與東亞中緯地區(qū)電離層TEC變化；文獻[11]利用國際全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)服務 (international GNSS service，IGS)數據，分析了白天和夜間電離層TEC變化特性，通過研究電離層與太陽、地磁活動的相關指數，得到電離層TEC地磁活動指數日均值的相關性較弱，而與太陽活動指數日均值的相關性較強的結論。

本文通過分析2010至2016年太陽射電流量和太陽黑子數(sunspot numbers，SSN)的變化情況，選擇具有代表性的太陽活動高低年進行對比分析，研究電離層在太陽活動高低年的半年變化、季節(jié)變化以及周日變化特性。

1 數據準備和處理方法

空間環(huán)境預報中心(Space Environment Prediction Center，SEPC)可以提供采樣間隔為1 d的太陽活動數據以及地磁活動數據。

歐洲定軌中心(Center for Orbit Determination in Europe，CODE)可以提供全球電離層格網數據(global ionosphere maps，GIM)，CODE GIM將450 km高度采樣間隔為2 h的TEC數據按分辨率的經緯度格網進行儲存，在不同太陽活動強度下，在全球范圍內大部分TEC數據精度高于24個TECU(電離層TEC的計算單位為TECU，1 TECU=1016/m2)，可以滿足實驗的精度要求。本文太陽活動數據采用SEPC提供的太陽射電流量F10.7和太陽黑子數SSN數據，利用統(tǒng)計分析方法對太陽活動數據時間序列進行分析，得到電離層活動高低年；本文電離層格網TEC數據采用CODE提供的全球電離層格網數據，利用對比分析方法，對比太陽活動高年與低年特點，分析電離層TEC半年變化、季節(jié)變化以及周日變化特性。

文獻[9]運用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)的P碼觀測數據分析電離層TEC的周日變化規(guī)律，認為TEC受太陽活動影響較大。眾多研究表明，TEC半年變化幅度的大小與太陽活動明顯相關，與地磁活動沒有明顯相關性；因此本文不考慮TEC與地磁活動的相關情況，重點分析太陽活動對TEC的影響。在空間環(huán)境預報中心下載2010-01—2016-06衡量太陽活動的參數和太陽黑子數SSN數據，如圖1所示。

從圖中可以看出太陽射電流量值與太陽黑子數SSN變化情況相似，在2010—2011年數值最小，變化幅度最低；而在2014—2015年數值最大，變化幅度最高。因此可以判定2010年太陽活動較弱，視為太陽活動低年；2014年太陽活動較強，視為太陽活動高年。

2 電離層TEC變化特性分析

本文選取5個不同的點作為研究對象，分析其在在太陽活動高低年電離層TEC的半年變化，季節(jié)變化以及晝夜變化的基本的特征，5個地點的地磁和地理經緯度如表1所示。

表1 5個TEC數據點的地理和地磁位置

選取表1中各數據點2年的CODE GIM格網TEC值分別繪制太陽活動高年(2014年)和太陽活動低年(2010年)的電離層TEC年變化情況，詳見圖2。圖中橫坐標為年積日，縱坐標為每天對應的時刻，分辨率為2 h。

從圖2中可以明顯看出，太陽活動對電離層TEC值有明顯的影響，各個數據點2014年TEC值明顯高于2010年TEC值。圖2中給出的時間為世界時，由于所選數據點1和點4位于60°W，因此轉換為當地時間需減去4 h；數據點3位于30°E，轉換為當地時間應該加上2 h；數據點2和點5位于90°E，轉化為當地時需加上6 h。因此，發(fā)現無論太陽活動的高低，電離層TEC都表現出了典型的周日變化特征，夜晚22∶00到次日6∶00的電離層TEC變化較為平緩，TEC值較小；而白天的變化大致是從上午8∶00開始逐漸增加，直至地方時下午14∶00左右達到最大值，隨后逐漸減小。同時，電離層TEC也呈現出明顯的季節(jié)變化，每年出現2個峰值，分別出現在4、5月和9、10月。從全年TEC變化情況來看，位于夏季的6、7、8月TEC值最低，其中太陽活動高年的季節(jié)變化更為明顯。

為了更好地分析電離層TEC在太陽活動高低年的半年變化、季節(jié)變化和周日性變化，本文把各個GIM格網點TEC每天8∶00—18∶00時段內的TEC進行平均，作為TEC的白天均值，并將其他時段TEC值進行平均，作為TEC夜晚均值；并約定每年3—4月份為北半球的春季，5—8月份為夏季，9—10月份為秋季，11—2月份為冬季。取1月份平均值作為冬季值，取7月份平均值作為夏季值。

2.1 半年變化特性分析

TEC半年變化是指TEC值在春秋分季節(jié)出現極大值。本文以1年的數據為基礎，求各格網點1年內最大值，并確定其所在月份，然后利用錘投影(hammer projection)將其標注在世界地圖上，再將世界地圖投影到一個橢圓上，如圖3所示。圖中橫坐標為經度范圍，從左到右為-180°至180°；縱軸為緯度范圍，由下到上為-90°至90°。將12個月分別用不同的顏色標記在地圖上，用以顯示太陽活動高年2014年和太陽活動低年2010年和最大值出現的月份的全球分布。

從圖3中可以發(fā)現：太陽活動高低年和最大值大部分都出現在春秋分季節(jié)；太陽活動低年和最大值出現在12月份的比例高于太陽活動高年。為了量化太陽活動高低年半年變化分布特點，現將2010和2014年春秋分季節(jié)出現和最大值比例情況用表格的形式體現出來。從表2中可以發(fā)現：2014年和最大值出現在春秋分季節(jié)的比例分別為68.13 %和72.12 %；明顯高于2010年的55.36 %和54.68 %。同時，2010年和最大值在春分季節(jié)出現的比例分別為6.32 %和8.94 %，分別占和最大值出現在春秋分季節(jié)總比例的11.41 %和16.35 %；而2014年和最大值在春分季節(jié)出現的比例分別為51.25 %和47.46 %，分別占和最大值出現在春秋季總比例的75.22 %和65.81 %。由此不難發(fā)現：太陽活動高年和最大值出現在春秋分季節(jié)的概率更大，且春分季節(jié)所占比例更大；而太陽活動低年和最大值出現在秋分季節(jié)的比例明顯高于春分季節(jié)。

表2 2010/2014年和最大值出現在春秋分季節(jié)比例統(tǒng)計表 (%)

2.2 季節(jié)變化特性分析

TEC季節(jié)異常是指電離層冬季日間的TEC值高于夏季日間的TEC值[9]。本文研究電離層季節(jié)變化特性時，將每天12∶00時刻的數據作為白天值，將00∶00的數據作為夜間值，并取1月份和7月份對應時刻的平均值作為研究電離層季節(jié)變化特性的基本數據。通過研究夏季TEC平均值與冬季TEC平均值的比值，來研究電離層季節(jié)變化特性，若比值小于1，則說明出現季節(jié)異常。圖4為2010和2014年白天與夜間TEC夏冬季比值的全球分布圖。

通過對比圖4的4幅圖像可以發(fā)現：無論電離層活動強弱，夏冬季比值在地球北半球緯度0～20°地區(qū)普遍小于或接近1，明顯出現季節(jié)異常現象。通過對比2010和2014年夏冬季比值情況，可以發(fā)現太陽活動強度對TEC季節(jié)異常有一定的影響，太陽活動越強，低緯度地區(qū)TEC季節(jié)異常現象越明顯。

2.3 周日變化特性分析

為了更好地分析電離層的周日變化特征，利用自相關分析方法，分別對2010和2014年的TEC數據進行自相關分析，其中選取的數據為每天12個歷元，歷元間隔2 h，365 d共計4 380個歷元。自相關分析結果如圖5所示。

由圖中可以看出：通過自相關函數計算后，電離層TEC存在明顯的周期性，每隔12個歷元就出現一次明顯的峰值，而1 d的歷元數正好也是12個；因此數據說明電離層TEC存在明顯的周日變化的特性。通過對比2010和2014年的自相關統(tǒng)計結果可以發(fā)現，電離層TEC的周日變化規(guī)律并不受到太陽活動高低的影響。

為了更清晰地描述電離層的周日變化特性，本文利用太陽活動指數分布情況，找到了2010—2016年太陽活動最高和最低的2 d，分別是：2010-05-19，指數達到最低值69；2014-01-07，指數達到最高值237。并利用這2 d的CODE發(fā)布的TEC數據，按照采樣間隔6 h畫出全球電離層分布圖。如圖6所示。

圖6(a)為2010-05-19全球電離層TEC變化情況，TEC在0～40 TECU范圍內變化；圖6(b)為2014-01-07全球電離層TEC變化情況，TEC在0～110 TECU范圍內變化。從圖中可以明顯看到：電離層TEC峰值隨時間自東向西移動；TEC峰值均分布在緯度-20°至20°范圍內，呈現出明顯的周日變化特點。通過對比2010和2014年的圖像可以發(fā)現，相同時刻電離層TEC峰值所在位置幾乎相同，未受到太陽活動高低的影響。

3 結束語

利用CODE提供的電離層TEC數據，在分析TEC普遍變化規(guī)律的同時，通過對比太陽活動高低年的分析結果，重點研究了TEC在太陽活動高低年的半年變化、季節(jié)變化以及周日變化等特性，得到以下結論：

1)太陽活動強度不僅對電離層TEC數值大小有強烈的影響，而且還影響TEC 變化特性，但并未改變其特性。

2)春秋分季節(jié)是出現峰值的高峰期，TEC半年變化強度與太陽活動成正比，太陽活動高年和最大值出現在春秋分季節(jié)的比例達到70 %，其中春分季節(jié)比例高于秋分季節(jié)，在太陽活動低年和最大值出現在春秋分季節(jié)的比例約為55 %，其中秋分季節(jié)比例高于春分季節(jié)。

3)太陽活動強度對季節(jié)異常現象有一定影響，太陽活動高年季節(jié)變化更顯著，北緯0至20°是TEC季節(jié)異常的活躍范圍。

4)全球TEC峰值呈自東向西周日性運動，通過2年數據的自相關分析可以明顯看出其變化周期為24 h，未受到太陽活動高低年影響。

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Analysis ofionospheric TEC variation characteristics in solar activity years

ZHAOHaishan，YANGLi，XUShiyi

(School of navigation and aerospace engineering，Information Engineering University，Zhengzhou，Henan 450001，China)

In order to further study on the influence of solar activity intensity on ionospheric variation characteristics，the paper proposed the method of comparative analysis on solar activity intensity in the high and low solar activity years，and studied the ionospheric TEC variation characters of 5 specific points；mainly annalyzed the TEC semiannual，seasonal and diurnal variations of both high and low ionospheric activity years.Result showed that the intensity of solar activity would affect not only the value variation，but also its semiannual and seasonal variation；the maximum values of TEC would mainly appear in equinox seasons，and the intensity of TEC variation would be proportional to that of solar activity；the TEC seasonal variation would be affected by the intensity of solar activity and more significant in high solar activity years，and the active range usually in 0°N～-20°N；the change of the global TEC maximum values would occur diurnal from the east to the west，and the data autocorrelation analysis of two years indicated that the variation period would turn out to be 24 h，unaffected by the high or low solar activity years.

ionospheric TEC；semiannual variation；seasonal variation；diurnal variation；correlation analysis；high and low solar activity years

2016-09-13

地理信息工程國家重點實驗室開放基金課題經費支持項目(SKLJIE2014-Z-2-1)。

趙海山(1991—)，男，遼寧阜新人，碩士生，研究方向為電離層特性和異常探測。

趙海山，楊力，徐世依.太陽活動高低年電離層TEC變化特性分析[J].導航定位學報，2017，5(1)：24-30.(ZHAO Haishan，YANG Li，XU Shiyi.Analysis of ionospheric TEC variation characteristics in solar activity years[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：24-30.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170106.

P228

A

2095-4999(2017)01-0024-07