太陽活動峰年北美中緯電離層分層結構變化

姜陽厚，劉 晨*，周鴻蕓

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510663；2.廣州市黃浦區不動產登記中心，廣東 廣州 510700）

電離層延遲是衛星導航系統測量中最主要的誤差源之一，從天頂到地平，電離層引起的測距誤差范圍可達5～150 m；而且目前無線電技術被廣泛應用，根據電磁波在電離層中的傳播特征還可進行超視距探測、遠距離通信等活動。不僅如此，電離層垂直結構變化的研究對于電離層預報、電離層異常監測、磁暴太陽耀斑和地震等日地活動具有重要意義。

太陽輻射作為電離層主要的能量源，直接影響電離層的電離狀態，從而導致結構特征變化。電離層參數觀測數據包括總電子含量（TEC）、等離子體層電子含量（PEC）、峰值密度（高度）和電子密度等，均表現出強烈的時空變化相關性[1]。電離層和太陽活動存在同步周期變化（11年），因此研究太陽活動峰年不同電離層狀態參量的變化十分必要。在常見的大尺度電離層時空變化探測手段中，地基GNSS監測憑借其高時空分辨率和全球覆蓋性的優勢成為了主流[2]，但對電子密度和等離子體層考慮較少，觀測資料主要集中在TEC（0～20 200 km）等參數。實際上，在太陽活動高峰期，PEC對TEC的貢獻有可能超過70%，不僅電離層的垂直結構變化明顯，而且具有明顯的時空變化特征[3]。目前獲取PEC的方式可歸納為兩種：①由兩顆不同高度衛星觀測的TEC數據之差獲取PEC數據，適合大范圍的等離子體層研究[4-6]；②由地面探測儀估算單站TEC數據，再結合GPS TEC可分析局部PEC變化[4,7]。相關研究表明，非相干散射雷達（ISR）探測范圍能從D層（60 km）延伸到頂層電離層F層（1 000 km），相較于電離層垂測儀，不僅探測高度范圍更大，而且精度也有保障[8]。

太陽活動存在11年的活動周期，一方面太陽活動影響地球磁場的變化，另一方面包括X射線、紫外線等輻射源直接影響電離層的電離程度，這些因素將導致電離層出現同步變化，在高峰年對電離層狀態和結構的影響更大[9]。因此，本文選取Millstone Hill臺站（42.6°N、288.5°E）的ISR觀測資料，該臺站位于北美中緯度區域，對探測該區域電離層的垂直結構變化有很多優勢[10]；同時結合美國噴氣推進實驗室發布的全球電離層圖（GIM）數據，對太陽活動高峰年（2014年）不同高度層電子含量以及底部至頂部的電離層電子密度（100～1 000 km）進行了研究。

1 數據來源與研究方法

本文以美國噴氣推進實驗室提供的GIM資料作為驗證，其時間分辨率為2 h，緯度為+87.5°～-87.5°（間隔2.5°），經度為+180°～-180°（間隔5°）[11]。由于在北美大陸上基準站數量較多，GIM數據在該區域具有較好的精度。本文采用美國麻省理工學院Millstone Hill臺站的ISR數據，其高度分辨率可達10 km，垂直區域覆蓋廣泛可由電離層底層D區延伸到2 000 km左右，可同時對多種電離層等離子體重要參數進行測量[12]。ISR觀測數據包括AC數據和SP數據兩種觀測模式，AC數據探測底部電離層數據的精度較高，但壞點多、數據連續性很差，數據量只有SP數據的1/10左右[9]。因此本文提取電離層D區以上的SP數據，按照五點滑動平均法對數據質量進行控制（圖1a）[13]。ISR數據處理主要通過剖面函數擬合和積分換算兩個步驟[14]，即可完成不同高度電離層電子密度和PEC信息的獲取。由于SP數據主要集中在160～700 km的電離層，首先利用變化標高的Chapman-α函數對其他高度層數據進行剖面擬合（詳細步驟見參考文獻[15]），并外推至100～1 000 km處的電離層；然后對從底部到頂部的電離層電子密度狀態進行分析。Chapman-α函數擬合的一個樣例如圖1b所示，利用該剖線上的35個點數據進行數據模擬，吻合度可達95%以上，電離層峰高和峰值電子密度均較一致，說明上述方法具有較高的可行性。

圖1 ISR電子密度輪廓線數據處理

2 數據分析

2.1 等離子體層分析

2014年Millstone Hill臺站上空的GPS TEC和ISR TEC散點圖如圖2所示，黑色直線表示最小二乘擬合的趨勢線，GPS TEC包括0～20 200 km高度范圍內的TEC，而ISR TEC主要考慮等電離層（100～1 000 km）的貢獻，可以看出，二者相關性較高，達到了86%；縱坐標截距為5.6 TECU，與Belehaki A[16]和Breed A M[17]等利用中低緯度臺站資料反演的ITEC和TEC差值結果較一致，表明該結果具有一定的可靠性。電離光合和化學作用主要發生在中低層大氣，ITEC貢獻了電子密度總含量的絕大部分[5]，接下來將詳細描述大氣高層電子含量PEC和TEC在太陽峰年的時間變化特征。

圖2 GPS TEC和ISR TEC散點關系圖/TECU

根據前文定義，通過Chapman-α函數反演的ISR TEC數據與GIM數據提取的GPS TEC數據之差得到PEC數據。該參數可以較好地反映1 000～20 200 km高空處等離子層的變化情況。本文提取臺站上空全年GPS TEC和PEC數據作平均化處理，以分析太陽活動峰年（2014年）PEC的日時段變化情況，結果如圖3所示，按照當地時間將6:00—18:00作為白天，19:00—5:00作為夜間。IRI-12模型和GIM模型均顯示在中低緯度TEC具有明顯的雙峰結構。GPS TEC和PEC時段變化曲線具有一致性（圖3），在LT 5:00左右，TEC和PEC均達到日時段變化的最小值，分別為9.6 TECU和5.6 TECU，但兩個參數的高峰時段出現了一定差異，TEC數據峰值點出現在LT 15:00，超過了25 TECU；而PEC數據在LT 19:00達到最高點，為12 TECU。此外，相較于TEC變化，PEC變化幅度稍小，這與PEC反映的TEC較小有關。PEC所占GPS TEC比例的日時段變化情況如圖4所示，可以看出，PEC相對日變化同樣具有明顯的雙峰結構，但與圖3的PEC絕對數值變化曲線呈相反趨勢，所占TEC比例在白天（32%～58%）遠低于夜間（59%～71%），分別在LT 9:00和21:00達到峰值（32%）和最低點（71%）。總體而言，PEC以及所占GPS TEC比例均具有顯著的周日變化特性和雙峰結構，PEC整體在5～12 TECU波動，GPS TEC與PEC的變化趨勢一致性，說明兩個參數可能具有一定的相關性。

圖3 2014年Millstone Hill臺站上空GPS TEC和PEC時段變化

圖4 2014年Millstone Hill臺站上空PEC/TEC比例時段變化

太陽活動對電離層和等離子體層均有較大影響[18]，研究太陽活動高年TEC變化發現明顯的冬季異常變化和半年異常變化，即冬季和春秋分季TEC含量高于其他季節。本文將3—5月作為春季、6—8月作為夏季、9—11月作為秋季、12—次年2月作為冬季，計算每個季節的PEC含量日時段中值，以分析春—冬季的日變化情況，結果如圖5所示，圖中點線表示月中值，散點表示每一天的數值，可以看出，PEC日變化范圍從1.8～11.4 TECU（春）、2.2～11.3 TECU（夏）、2.6～12.4 TECU（秋）到0.7～11.1 TECU（冬），表明在太陽高峰年PEC日變化幅度的季節性差異不明顯，秋季PEC含量達到了全年最大值，而夏季和冬季分別在白天和夜晚達到了全年最小值，存在一定程度的半年異?，F象。結合表示不同時段的PEC含量散點分布發現，夏季和冬季離散程度更大，說明等離子體層變化更為劇烈。此外，隨著時間的推移，全年PEC含量的谷值從LT 5:00左右延遲到7:00左右，峰值在LT 17:00點左右，地球公轉引起的太陽活動變化導致PEC的時間特征出現了一定變化。

圖5 PEC含量季節PEC時段變化

不同季節的PEC所占GPS TEC的比例變化如圖6所示，可以看出，春、夏、秋、冬4個季節的變化范圍分別從21%～70%、12%～56%、20%～61%到7%～64%，具有明顯的雙峰結構，同樣是春秋分季PEC占比變化幅度和峰值高于其他季節。總體而言，白天PEC含量高于夜晚，而所占GPS TEC比例的變化情況則相反，受太陽活動的影響，兩個指標均出現了春秋分季高于其他季節的情況，呈現半年異常變化，且日變化峰值和低谷在全年出現的時間也出現了一定差異。

圖6 PEC含量所占GPS TEC百分比季節變化

為進一步探測太陽活動峰年（2014年）等離子體層和電離層的同步變化情況，本文繪制了4個季節PEC與GPS TEC的對比散點圖（圖7），并進行了最小二乘線性擬合（圖中黑線），可以看出，PEC與GPS TEC相關性最大的季節為春季，高于70%，具有較強的線性關系；相關性最弱的為夏季，僅為34%；除此之外，春秋分季的相關系數遠高于夏、冬季，表明PEC與GPS TEC的同步變化更為顯著。

圖7 GPS TEC和PEC的相關性分析/TECU

2.2 電離層垂直結構分析

由于不同高度的大氣成分和密度不同，致使粒子發生電離的太陽輻射和影響因素也不盡相同，使得電離層分為3個明顯的分層結構，即D（60～90 km）、E（90～140 km）、F（＞140 km）[18-19]。由于底層電離層受大氣環流和粒子碰撞影響，導致電離層結構穩定性較差，同時考慮到ISR信號在100 km以下精度較差，因此本文只考慮100 km以上的電離層電子密度變化情況。

電離層的垂直結構不僅受到空間和地理位置的較大影響，而且具有明顯的季節性和晝夜性，本文提取了春、夏、秋、冬4個季節的電離層電子密度數據（100～1 000 km），進而分析了從底層到頂層的電離層結構。通常電子濃度隨著高度的爬升而增大，在固定高度層F層達到極大值，繼而從峰值濃度逐漸減小。電子密度垂直結構季節性變化情況如圖8所示，可以看出，各層電子密度通常白天大于夜晚，電離層在白天具有更明顯的分層結構；在太陽活動高峰年（2014年），電子密度在電離層底層出現了異常增大的響應，這一方面可能與電離層底層距離地面較近、電子與高密度的中性大氣碰撞頻率頻繁有關，另一方面在太陽活動峰年D層吸收作用明顯，將導致電離作用更加明顯[20]。圖8中的分界線可清楚顯示F層與其他層的邊界，邊界范圍可表示為F層的高度范圍，即厚度大小。F層分為F1和F2層，高度范圍分別為140～220 km和220 km以上，具有明顯的晝夜差異性，F2層電子濃度最大，在該層受太陽輻射電離形成的O+含量極高，而F1層主要受到O+和NO+離子比例變化的影響，白天和夜晚電子密度含量有所不同，在夜晚離子與電子的快速結合導致F2逐漸消失[21]。觀察F層的季節變化發現，春季電離層分層結構最明顯，F層電子密度明顯高于其他層；在夏季F層厚度達到了全年最大值，夜晚和白天均具有較高的電子密度，且高于其他季節；冬天的電子密度最小，且分層結構不太顯著。針對峰值高度（hmF2）觀測值在太陽活動高年（2014年）的變化，圖中黑色圓點表示不同時刻電離層峰值的高度，通常與太陽活動低年相比，峰值高度（200～400 km）在太陽活動高年相應增大，峰值高度在LT 6:00出現小低峰后不斷上升，并在LT 20:00左右達到全天的最大值；冬季的hmF2最大值明顯低于其他季節，全天峰高變化平緩；對于春、夏、秋3個季節，均存在夜間LT 0:00—4:00峰值高度出現快速下降的過程。

圖8 電子密度垂直結構季節性變化分析

3 結語

為了研究太陽高峰年對局部電離層垂直結構特征和等離子體層的影響，本文通過解算太陽活動高峰年（2014年）位于Millstone Hill臺站的ISR數據，結合GPS TEC數據，獲得了電子密度（100～1 000 km）、ITEC和PEC含量，進而研究了多個參數的變化特征。ITEC和PEC均與TEC表現出一致的時間變化特征，ITEC與TEC相關程度很高，而PEC具有明顯的周日特征；PEC值和所占GPS TEC比例具有雙峰特征，其中PEC值與GPS TEC變化一致，低谷和峰值點分別出現在早晨（LT 5:00）和傍晚（LT 17:00），但PEC所占比例的變化趨勢則相反，這是由于等離子體層和電離層不同的變化率和電子輸運速度所致[22]；季節變化呈現半年異常現象，PEC含量峰值出現在秋季（12 TECU），且春秋分季節PEC與GPS TEC的相關性達到了70%，表明等離子體層和電離層出現較同步的變化；受O+和NO+離子比例變化和中性風影響，F1/F2層晝夜變化較大，電離層分層結構也出現季節性差異。