磁擾和磁靜期間南極McMurdo地區電離層閃爍統計特征的對比分析

朱光逸 邢贊揚,2,3 張清和,2 王勇 曹政

(1.山東大學空間科學與物理學院,威海 264209; 2. 山東大學空間科學研究院 山東省光學天文與日地空間環境重點實驗室,威海 264209; 3. 中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

磁擾和磁靜期間南極McMurdo地區電離層閃爍統計特征的對比分析

朱光逸1邢贊揚1,2,3張清和1,2王勇1曹政1

(1.山東大學空間科學與物理學院,威海 264209; 2. 山東大學空間科學研究院 山東省光學天文與日地空間環境重點實驗室,威海 264209; 3. 中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

利用南極McMurdo站(地理經緯度(166.73°E,77.88°S),地磁緯度80°S)2011—2014年電離層閃爍觀測數據,對比分析了磁擾和磁靜期間電離層閃爍發生率的周日分布、季節分布,以及隨太陽活動變化的統計特征．結果表明:磁擾和磁靜期間電離層閃爍的周日分布均在磁中午附近和磁子夜后出現峰值,而磁擾期的閃爍發生率顯著高于磁靜期,并且閃爍發生范圍向低緯和高緯方向擴展;春秋季電離層閃爍發生率明顯高于夏冬季,每年的2、3月份和9、10月份高發,冬季6月份發生率最低;磁擾期的季節性特征比磁靜期更為明顯,且閃爍發生范圍、發生頻率均明顯大于磁靜期;太陽活動對電離層閃爍的影響十分顯著,隨著太陽活動的增強,閃爍發生的范圍和發生頻率均明顯增大．該研究結果有助于了解極區電離層閃爍的整體分布情況,將為極區電離層閃爍建模以及閃爍預報提供支持,對極區通信、導航定位等有著重要的應用價值．

極區電離層;電離層閃爍;南極地區;地磁活動;統計特征

引 言

電離層閃爍是無線電信號穿越電離層時受電離層小尺度不規則體的影響導致信號的振幅、相位等出現擾動的現象．前人研究發現電離層閃爍主要發生在低緯地區(南北磁緯20°之間)和極光卵區域,而中緯地區則較弱[1-2]．極區受太陽風-磁層-電離層耦合作用的影響,在等離子體沉降、輸運過程等作用下產生眾多的不均勻體結構,如舌狀電離區、極蓋區等離子體云塊和極光等大尺度結構[3]．這些不均勻體在等離子體密度梯度/速度剪切等不穩定性作用下會產生更小尺度的不規則體,進而引起電離層閃爍[4-10]．這些電離層閃爍通常會干擾衛星系統的通信、導航及監測,嚴重時甚至引起信號中斷[5]．因此,在極區開展電離層閃爍研究,分析閃爍發生的時空分布特征和規律,可為極區電離層閃爍現報或預報提供支持,對保障跨極區無線電通信、導航系統的可靠運行有重大意義,具有著重要的應用前景．

全球衛星導航系統的出現為電離層閃爍研究提供了新途徑．一些學者利用地面接收的導航信號開展了極區電離層閃爍發生的形態學研究[6-14]．例如,Doherty等利用北極Alaska地區的電離層閃爍數據,統計分析了太陽活動高年高緯地區閃爍特征,發現該地區閃爍活動的強度和發生頻次非常依賴于地磁活動[6]．Pryse等和Nichols等的分析發現太陽活動高年閃爍發生明顯增多,且高緯地區的相位閃爍明顯高于幅度閃爍[7-8]．Prikryl等利用加拿大北極高緯度地區電離層觀測網(Canadian High Arctic Ionospheric Network,CHAIN)的閃爍接收機數據,統計研究了2008—2013年相位閃爍的發生情況及其與行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)的關系,發現其在極隙區向陽面、極蓋區邊緣和極光卵閃爍發生頻繁,并且與IMF方向有明顯相關性[9]．馮健等統計分析北極地區太陽活動低年閃爍的變化特征,發現隨著太陽活動的降低,閃爍事件明顯減少,并且通過對磁暴事件的分析發現了極區閃爍在地磁活動強時發生更多[10]．磁暴期間磁層、熱層等發生的擾動現象會影響電離層[11],從而產生更多的不規則體,引發電離層閃爍．Basu等發現南極地區相位閃爍磁暴期間會增強,推斷這可能與極光粒子沉降有關[12]．Priyadarshi等開發了一個基于南極電離層閃爍觀測數據的半經驗閃爍模型,發現2013年6次X級耀斑峰值期對南極電離層大范圍閃爍的強度具有抑制作用[13]．李鵬輝等統計了南極地區相位閃爍發生率的分布,發現閃爍發生春秋季強于夏冬季,一天中出現兩個峰值分別是磁中午附近和磁子夜后[14],但僅僅使用一年的數據,未能細分磁擾和磁靜期間的特征,對于產生機理也有待進一步研究．

由于南極惡劣的自然環境使得地面接收站稀少,造成南極電離層閃爍的觀測數據較少,目前對南極地區閃爍觀測特征還缺乏較系統的研究,尤其是磁擾期間和平靜期間閃爍統計特征的對比研究．

本文利用南極McMurdo站2011—2014年的電離層閃爍觀測數據,統計分析磁擾和磁靜期間的電離層閃爍發生率的周日分布、季節分布,以及太陽活動不同年份閃爍發生率分布變化,總結南極地區電離層閃爍的時空分布特征．該研究有助于了解南極地區電離層閃爍的綜觀分布情況,將為極區電離層閃爍現報或預報提供新方法和新思路,對保障跨極區無線電通信、導航系統的可靠運行有重大意義,具有著重要的應用前景．

1 數據來源與計算方法

1.1數據來源

本文采用的電離層閃爍數據是由南極McMurdo站(地理經緯度(166.73°E,77.88°S),地磁緯度80°S)的閃爍接收機(型號 Novatel GSV4004)提供的(從MIT madrigial下載,http://www.openmadrigal.org/)．該接收機可同時跟蹤不同GPS衛星,并以50 Hz的頻率記錄 L1(1 575.42 MHz)、 L2(1 227.60 MHz)波段的振幅和相位信息,經計算輸出L1波段的幅度閃爍指數S4和相位閃爍指數σφ．本文主要利用南極McMurdo站2011年12月至2014年11月的相位閃爍數據．

Kp指數反映了地磁活動水平,Kp指數越大表示地磁擾動幅度越大,本文選用的Kp指數來源于日本京都的世界數據中心(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/kp/),每三小時一個數值．

圖1是19:00 UT時McMurdo站在磁緯度/磁地方時(MLAT/MLT)坐標系下的位置,位于極蓋區,修正地磁坐標(80.0°S,31.5°E),MLT為UT+17 h,兩條紅色曲線包圍的區域是Kp=2時Zhang-Paxton極光模型下的極光橢圓[15]．

圖1 19:00 UT時McMurdo站在MLAT/MLT 坐標系下的位置和Kp=2時的極光橢圓

1.2計算方法

在電離層閃爍研究中,極區主要發生相位閃爍,因而本文中采用相位閃爍指數．它用信號的載波相位的標準差來表示,計算公式為

(1)

式中:σφ表示衛星信號由于電離層閃爍引起相位變化的強弱,單位為弧度;φ表示載波相位;E表示期望值．本文采用GSV4004輸出的時間分辨率1 min的σφ數據．

由于GPS衛星的軌道傾角為55°,位于極蓋區的McMurdo站上閃爍接收機的仰角范圍在0°～63°,為消除低仰角效應造成的不利影響,選擇仰角大于20°的數據．電離層穿刺點高度選擇250 km,即電離層F層等效層高度[14]．

定義相位閃爍的發生率指數如下:

(2)

式中:N(σφ)是一定時間和區域內觀測得到的相位閃爍指數的有效觀測總次數;σ0是門限值,本研究選擇門限σ0=0.15;N(σφ>σ0)是該時間和區域內觀測得到的大于某門限值的相位閃爍指數的次數．為研究電離層閃爍發生率的時空分布特征,我們劃分1°MLAT×1/6MLT的時空分布網格,將McMurdo站觀測的相位閃爍映射到MLAT/MLT坐標系上,如果觀測數據點落入對應的網格內,則利用公式(2)計算各網格區域內的閃爍發生率[11]．計算閃爍周日分布時,將全年的數據映射到MLAT/MLT坐標系;計算閃爍季節分布時,將不同季節的數據分別映射到MLAT/MLT坐標系,依此類推．

2 南極區電離層閃爍分布特征

2.1相位閃爍發生率的周日分布

為了對比研究磁擾和磁靜期間相位閃爍發生率的周日變化,我們利用地磁擾動指數Kp劃分磁擾期和磁靜期．如果一天中有超過60%的時間Kp>2即磁擾期,少于60%的時間Kp>2即磁靜期[1,9]．

圖2給出了2011—2014年磁擾和磁靜期間McMurdo站電離層相位閃爍發生率的周日分布．McMurdo站的地磁緯度為80°S,觀測范圍在75°S～85°S．從圖2可以看出,閃爍主要發生在75°S～80°S的磁中午附近和磁子夜后．磁靜期閃爍發生的范圍很小,且發生率低,而磁擾期閃爍發生范圍向極光卵赤道向和極向都有擴大,同時發生率也有增大．這是因為磁中午附近McMurdo站位于極區電離層逆陽對流的入口處,由于極隙區軟電子沉降及電離層對流剪切作用使得產生大量小尺度的電離層不規則體,引起較強的電離層閃爍[16]．由于日側通過逆陽對流進入極蓋區的等離子體云塊,穿越極蓋區抵達夜側時存在向晨側傳輸的優勢方向,等離子體云塊破碎產生了小尺度的不規則體,以及夜側極光粒子沉降的影響,都可能導致磁子夜后閃爍發生率增大[17-20]．在磁擾期間,磁層-電離層耦合過程增強,不規則體的分布區域面積增大,進而導致閃爍發生范圍的擴大和增強[9,16]．

在太陽光致電離作用下,電離層的電子密度升高,從而形成電離層等離子體背景．當太陽活動比較平靜時,對電離層等離子體背景的擾動較少,閃爍表現出比較平靜、穩定的特點;而當太陽活動變得逐漸劇烈時,引起電離層等離子體密度更加不規則的擾動,這些擾動疊加于背景上,便導致閃爍增強、發生頻繁．2013—2014年為太陽活動高年,該年的發生率明顯增高可能與太陽活動增強有關[21]．

(a) 2011.11—2012.11

(b) 2012.11—2013.11

(c) 2013.11—2014.11圖2 2011—2014年磁擾和磁靜期間McMurdo站電離層相位閃爍的周日分布

2.2相位閃爍發生率的季節分布

為了研究相位閃爍發生率的季節變化,我們將閃爍數據按照發生時的季節劃分,其中夏季為12—2月,秋季為3—5月,冬季為6—8月,春季為9—11月．圖3給出了2011—2014年的磁擾和磁靜期間McMurdo站電離層相位閃爍發生率在MLAT/MLT坐標系下的季節分布．從圖3看出,磁擾期和磁靜期春秋季閃爍發生率均大于夏冬季,夏季閃爍發生率大于冬季．對比磁擾期和磁靜期的閃爍分布可以看出:夏季、秋季磁擾期磁閃爍發生范圍、強度均明顯大于磁靜期,并且向極光卵赤道向和極向擴大;春季、冬季磁擾期在磁中午附近的閃爍發生范圍、強度同樣大于磁靜期．在春季極光卵赤道向大幅度擴大,超出觀測范圍,所以在圖3(a)中顯示出磁子夜后磁擾期閃爍范圍、強度比磁靜期小．另外,從圖3磁擾期可以看出,2013—2014年(太陽活動高年)磁擾期閃爍發生率普遍高于前兩年,發生率極大時段有所擴大,尤其體現在春秋兩季．而從圖3磁靜期可以看出,2013—2014年磁靜期閃爍發生率同樣高于前兩年．縱觀三年變化可以看出隨著太陽活動性增強,閃爍發生范圍和強度均明顯增大．

(b) 2012.11—2013.11

(c) 2013.11—2014.11圖3 2011—2014年磁擾和磁靜期間McMurdo站電離層相位閃爍的季節分布

為了更進一步分析閃爍高發期的月份分布,圖4給出了2011年12月至2014年11月磁擾期和磁靜期的閃爍發生率隨月份的變化,其中橫軸表示月份,縱軸表示閃爍發生率．從圖4可以看出:在磁擾期一年中閃爍發生率呈現雙峰結構,分別在2、3月份和9、10月份達到極大值,且2、3月份閃爍發生率的極大值均在10%以上,而9、10月份的極大值也均在7%以上,明顯高于其他月份;在磁靜期,同樣呈現雙峰結構,但變化幅度不如磁擾期明顯．其中,2014年1月至3月發生多次磁暴事件,Kp指數變化頻繁,一天中出現Kp指數大幅上升后下落,因此這可能是導致磁靜期閃爍發生率與磁擾期接近甚至超出的原因．

極區發生的相位閃爍季節性特征十分明顯．冬季閃爍發生率小,這是因為冬季極區有極夜現象,受到太陽輻射很弱．而春秋季閃爍發生率較高,這是因為春秋季電離層總電子含量變化率較高,導致電子密度不均勻體出現[22]．與磁靜期相比,磁擾期的季節性變化更為明顯．在統計的36個月中有12個月磁擾期閃爍發生率超過磁靜期發生率的2倍,進一步說明地磁擾動對電離層中的不規則體有較大的影響．2013—2014年閃爍發生率的季節性特征更加突出,體現在春秋兩季閃爍發生率大幅度增加,這是因為這一年是太陽活動高年,除冬季發生極夜太陽輻射微弱外,其他季節電離層閃爍均高于前兩年．

圖4 2011—2014年磁擾和磁靜期間McMurdo站電離層閃爍發生率隨月份的變化

3 結 論

利用南極McMurdo站2011—2014年的電離層閃爍觀測數據,對比研究了磁擾和磁靜期間不同年份電離層閃爍發生率的周日分布、季節分布,以及隨太陽活動變化的統計特征．南極McMurdo地區電離層閃爍的時空分布統計特征歸納如下:

1)電離層閃爍發生率的周日分布表現為:磁擾期和磁靜期均呈現周期性規律,在磁中午附近和磁子夜后出現峰值,而磁擾期的閃爍發生率顯著高于磁靜期,并且閃爍發生范圍向低緯和高緯方向同時擴展．這是因為在磁正午附近時McMurdo站的低緯一側是極隙區,在軟電子沉降和電離層對流剪切作用下,更易產生小尺度的不規則體,因而在其低緯側極隙區附近觀測到電離層閃爍的增強．磁子夜后,等離子體云塊破碎并進入極光卵,且存在向晨側傳輸的優勢,故觀測到子夜后閃爍增強．在磁擾期間,磁層-電離層耦合過程增強,不規則體的分布區域面積增大,進而導致閃爍發生范圍的擴大和增強．

2)相位閃爍的發生與季節密切相關,春秋季閃爍發生率明顯高于夏冬季,每年的2、3月份和9、10月份高發,冬季6月份發生率最低;磁擾期的季節性特征比磁靜期更為明顯．夏季、秋季磁擾期閃爍發生范圍、強度均明顯大于磁靜期,并且向其低緯和高緯方向擴展;春季、冬季磁擾期間,磁中午附近閃爍發生范圍、強度大于磁靜期．

3)隨著太陽活動增強,閃爍發生的范圍和強度均不斷擴大,春秋季閃爍發生率明顯增高．這表明太陽活動對電離層閃爍發生率的影響十分顯著．

該研究首次獲得了磁擾和磁靜期間南極McMurdo地區的電離層閃爍的分布特征和規律,有助于促進對極區電離層閃爍產生機制以及太陽風-磁層-電離層耦合動力學過程的理解．這些將對研發更為有效的空間天氣中的極區電離層閃爍模型,將來用于空間天氣監測和預報,具有重要的應用價值．然而,極區電離層閃爍的發生位置與伴隨的各不均勻體結構的關系以及閃爍產生和演化的物理機制至今仍遠未清楚,仍需利用多種觀測設備進一步深入研究．

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朱光逸(1995—),男,黑龍江人,山東大學(威海)空間科學與物理學院本科生．

邢贊揚(1985—),男,安徽人,博士,山東大學(威海)講師,主要從事磁層-電離層耦合、極光物理、電離層閃爍研究．

張清和(1979—),男,湖北人,山東大學(威海)教授、博導,主要從事極區電離層-磁層耦合、極區電離不均勻體及其伴隨的離子上行、空間天氣學研究．

王勇(1985—),男,湖北人,山東大學(威海)博士研究生,主要從事極區電離層不規則體及閃爍研究．

StatisticalfeaturesofionosphericscintillationoverMcMurdo,Antarcticaduringdisturbedandquietgeomagneticconditions:acomparativeanalysis

ZHUGuangyi1XINGZanyang1,2,3ZHANGQinghe1,2WANGYong1CAOZheng1

(1.SchoolofSpaceScienceandPhysics,ShandongUniversity,Weihai264209,China;2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOpticalAstronomyandSolar-TerrestrialEnvironment,InstituteofSpaceSciences,ShandongUniversity,Weihai264209,China;3.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

This paper presents statistical features of the ionospheric scintillation observations over McMurdo (77.88oS, 166.73oE; geomagnetic latitude 80oN), Antarctica during the period of 2011—2014. Using the occurrence rate of ionospheric phase scintillation as a function of geomagnetic latitude (MLAT)and magnetic local time (MLT) under the disturbed and quiet geomagnetic conditions respectively, we comparatively analyzed the diurnal variation of phase scintillation and its dependence on season and solar activities. We find that the phase scintillation mainly occurred near magnetic noon and near magnetic midnight during both disturbed and quiet geomagnetic conditions, but it occurred higher at disturbed geomagnetic conditions, expanding toward both poleward and equatorward geomagnetic latitude.Seasonally, the scintillation occurrence is significantly higher in spring and autumn than in summer and winter, with the highest rate during February to March, September to October and the weakest rate during June in winter, which has been obviously presented during disturbed conditions. With stronger solar activity, yearly maps of occurrence of phase scintillation show gradually increase and expand of enhanced scintillation regions. These results can help to obtain the ionospheric scintillation distribution and provide support for the ionospheric scintillation modeling and prediction, which has important application value for the communication and navigation positioning in the polar region.

polar ionosphere;ionospheric scintillation; Antarctica; geomagnetic activity; statistical characteristics

朱光逸, 邢贊揚, 張清和, 等. 磁擾和磁靜期間南極McMurdo地區電離層閃爍統計特征的對比分析[J]. 電波科學學報,2017,32(4):369-376.

10.13443/j.cjors.2017062701

ZHU G Y, XING Z Y, ZHANG Q H, et al. Statistical features of ionospheric scintillation over McMurdo, Antarctica during disturbed and quiet geomagnetic conditions:a comparative analysis[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):369-376. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017062701

P352

A

1005-0388(2017)04-0369-08

DOI10.13443/j.cjors.2017062701

2017-06-27

國家自然科學基金(No. 41604139, 41574138)；電波環境特性及模化技術重點實驗室基金(JW2016-009)

聯系人： 邢贊揚 E-mail: xingzanyang@sdu.edu.cn