曲靖地區(qū)電離層多參數(shù)變化特征*

代連東 丁宗華 楊嵩 苗建蘇 許正文 吳健

(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266107)

(昆明電磁波環(huán)境國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 曲靖 655500)

0 引言

電離層是距地球表面60 km 至上千km 的部分電離的高空大氣，電離層中存在大量的自由電子，對(duì)電離層電波傳播以及有關(guān)的無(wú)線電信息系統(tǒng)具有重要影響。研究電離層各參數(shù)的變化特征，對(duì)于提升電離層環(huán)境認(rèn)知、建模與預(yù)報(bào)水平具有重要意義。

中國(guó)在電離層參數(shù)的變化特征分析方面開(kāi)展了大量工作。例如，Xiong等[1]分析了武漢地區(qū)電離層總電子含量（TEC）、NmF2與板厚的季節(jié)變化特征；Zuo等[2]分析了武漢地區(qū)偶發(fā)E 層（Es 層）與太陽(yáng)活動(dòng)的相關(guān)性；Zhao等[3]利用中國(guó)與日本共20 站的數(shù)據(jù)分析了東亞地區(qū)的Es 層臨界頻率（f0Es）的統(tǒng)計(jì)特征；Zhao等[4]分析了烏魯木齊（43.75°N，87.64°E）地區(qū)電離層F2層臨界頻率（f0F2）、F 層虛高（h'F）與Es 層臨界頻率（f0Es）的長(zhǎng)期變化特征；Gao等[5]分析了拉薩地區(qū)（29.63°N，91.28°E）電離層f0F2，h'F與f0Es的長(zhǎng)期變化特征；Wang等[6]分析了中國(guó)蘭州、曲靖與?？诘貐^(qū)電離層F 層峰值高度（hmF2）與厚度的變化特征，這些工作增強(qiáng)了對(duì)中國(guó)電離層變化特征的認(rèn)識(shí)，但是都局限于少部分參數(shù)。

曲靖地區(qū)位于中國(guó)中低緯過(guò)渡區(qū)，同時(shí)毗鄰青藏高原，電離層具有復(fù)雜的變化特征。本文利用曲靖站（25.50°N，103.80°E）一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周（2008-2018年）的電離層垂直探測(cè)數(shù)據(jù)（月中值），分析了該地區(qū)電離層垂直探測(cè)最低頻率（fmin）、Es 層臨界頻率（f0Es）、Es 層虛高（h'Es）、E 層臨界頻率（f0E）、F1層臨界頻率（f0F1）、F2層臨界頻率（f0F2）、F 層虛高（h'F）和F2層3000 km 傳播的最大可用頻率MUF(3000)F2日變化、季節(jié)變化和太陽(yáng)活動(dòng)變化等，得出了一些有意義的結(jié)論。

1 曲靖地區(qū)電離層多參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

圖1 為曲靖地區(qū)2008-2018 年太陽(yáng)10.7 cm 射電流量指（F10.7）的月中值，橫坐標(biāo)為2008-2018 年的各月份，縱坐標(biāo)為F10.7。從圖1 可見(jiàn)，2008-2009年、2018 年太陽(yáng)活動(dòng)處于低水平，F(xiàn)10.7數(shù)值范圍為66～73 sfu（太陽(yáng)流量單位1 sfu=10-22W·m-2·Hz-1）。在2012-2015 年處于高活動(dòng)水平，F(xiàn)10.7數(shù)值范圍為101～167 sfu，其他年份處于中等活動(dòng)水平，具有較顯著的11 年周期變化。

圖1 2008-2018 年太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F10.7 月中值Fig.1 Monthly median of solar activity index F10.7 from 2008 to 2018

1.1 參數(shù)fmin

圖2 為曲靖地區(qū)2008-2018年fmin的月中值，橫坐標(biāo)為2008-2018 年的各月份，縱坐標(biāo)為地方時(shí)。從圖2 可知，fmin數(shù)值范圍為1～4 MHz。經(jīng)計(jì)算，fmin與F10.7相關(guān)系數(shù)約為-0.04，表明fmin不隨太陽(yáng)活動(dòng)周期變化。fmin在05:00-20:00 LT 之間具有有效觀測(cè)值，在正午附近具有最大值，這是由于05:00 LT 以前與20: 00 LT 之后的低電離層電子密度太低，以至于fmin無(wú)有效數(shù)據(jù)，這反映出電離層D 區(qū)的太陽(yáng)電磁輻射控制效應(yīng)。此外，fmin隨季節(jié)變化顯著，春秋分季較大，冬季最小，5 月份具有最大值，在6 月份出現(xiàn)極小值。

圖2 曲靖地區(qū)2008-2018年fmin 月中值Fig.2 Monthly median of Qujing fmin from 2008 to 2018

1.2 參數(shù)f0Es

圖3 為曲靖地區(qū)2008-2018年f0Es月中值。從圖3 可知，f0Es數(shù)值范圍為1.2～9.5 MHz。經(jīng)計(jì)算，f0Es與F10.7相關(guān)系數(shù)約為-0.05，表明f0Es不隨太陽(yáng)活動(dòng)周期變化。f0Es全天都有有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，最大值出現(xiàn)在13:00 LT，最小值出現(xiàn)在03:00 LT，呈單峰結(jié)構(gòu)，白天大于夜間。f0Es隨季節(jié)變化顯著，冬季最小，6 月最大，春秋分季次之。

圖3 曲靖地區(qū)2008-2018年f0Es 月中值Fig.3 Monthly median of Qujing f0Es in 2008-2018

1.3 參數(shù)h'Es

圖4 為曲靖地區(qū)2008-2018年h'Es的月中值。從圖4 可知，h'Es數(shù)值范圍為95～155 km，經(jīng)計(jì)算h'Es與F10.7相關(guān)系數(shù)約為-0.26，表明h'Es不隨太陽(yáng)活動(dòng)周期變化。h'Es全天都有有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，白天大于夜晚，在09:00 LT 取得極大值，在17:00 LT 取得最大值。從季節(jié)變化來(lái)看，h'Es在春分季（3 至4 月）的數(shù)值大，在夏季最小，冬季和春分季次之。

圖4 曲靖地區(qū)2008-2018年h’Es 月中值Fig.4 Monthly median of Qujing h’Es from 2008 to 2018

1.4 參數(shù)f0E

圖5 為曲靖地區(qū)2008-2018年f0E的月中值。從圖5 可知，f0E數(shù)值范圍為1.4～3.9 MHz。經(jīng)計(jì)算，f0E與F10.7相關(guān)系數(shù)約為0.75，表明f0E與太陽(yáng)活動(dòng)周期變化相關(guān)性較高，太陽(yáng)活動(dòng)高年大，太陽(yáng)活動(dòng)低年小。在07:00-19:00 LT，f0E具有有效觀測(cè)值；在07:00 LT 以前與19:00 LT 之后，由于電離層E 區(qū)電子密度低f0E無(wú)有效數(shù)據(jù)，最大值出現(xiàn)在13:00 LT，最小值出現(xiàn)在07:00 LT，呈單峰結(jié)構(gòu)，白天大于夜晚。f0E隨季節(jié)變化顯著，呈單峰結(jié)構(gòu)，夏季最大（最大值出現(xiàn)在5 至7 月份），冬季最小，春秋分季次之。

圖5 曲靖地區(qū)2008-2018年f0E 月中值Fig.5 Monthly median of Qujing f0E from 2008 to 2018

1.5 參數(shù)f0F1

圖6 為2008-2018年f0F1的月中值。從圖6 可知，曲靖f0F1數(shù)值范圍為2.9～5.8 MHz。經(jīng)計(jì)算，f0F1與F10.7相關(guān)系數(shù)約為0.88，表明f0F1與太陽(yáng)活動(dòng)周期變化相關(guān)性較高，太陽(yáng)活動(dòng)高年大，太陽(yáng)活動(dòng)低年小。太陽(yáng)活動(dòng)高年（2012-2015 年）f0F1在09:00-18:00 LT 具有有效觀測(cè)值，其他年份在08:00-19:00 LT 之間f0F1具有有效觀測(cè)值，太陽(yáng)活動(dòng)高年有效觀測(cè)時(shí)間更短；在08:00 LT 以前與19:00 LT 之后，由于F1區(qū)電子密度低，f0F1無(wú)有效數(shù)據(jù)，最大值出現(xiàn)在13:00 LT，最小值出現(xiàn)在19:00 LT，呈單峰結(jié)構(gòu)，整體上白天大于夜晚。f0F1隨季節(jié)變化較顯著，冬季最小，春秋分季最大，夏季次之，在9 月出現(xiàn)最大值，4 月次之。需要注意的是，9 月明顯大于8 月與10 月，而4 月略大于5 月與6 月。

圖6 曲靖地區(qū)2008-2018年f0F1 月中值Fig.6 Monthly median of Qujing f0F1 from 2008 to 2018

1.6 參數(shù)f0F2

圖7 為曲靖地區(qū)2008-2018年f0F2的月中值。從圖7 可知，曲靖f0F2數(shù)值范圍為1.8～19.3 MHz。經(jīng)計(jì)算，f0F2與F10.7相關(guān)系數(shù)約為0.87，表明f0F2與太陽(yáng)活動(dòng)周期變化相關(guān)性較高，太陽(yáng)活動(dòng)高年大，太陽(yáng)活動(dòng)低年小。f0F2日變化顯著，最大值出現(xiàn)在14:00-19:00 LT，顯示了日落電子密度增強(qiáng)現(xiàn)象，最小值出現(xiàn)在06:00 LT，白天數(shù)值遠(yuǎn)大于夜晚。f0F2隨季節(jié)變化顯著，春秋分季較大，冬季最小，夏季次之。

圖7 曲靖地區(qū)2008-2018年f0F2 月中值Fig.7 Monthly median of Qujing f0F2 from 2008 to 2018

1.7 參數(shù)h'F

圖8 為曲靖地區(qū)2008-2018年h'F的月中值。從圖8 可知，曲靖h'F數(shù)值范圍為175～285 km。經(jīng)計(jì)算，h'F與F10.7相關(guān)系數(shù)約0.50，表明h'F與太陽(yáng)活動(dòng)周期變化具有一定的相關(guān)性，太陽(yáng)活動(dòng)高年大，太陽(yáng)活動(dòng)低年小。h'F在全天時(shí)段內(nèi)變化，整體呈現(xiàn)夜間高、白天低的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在01:00 LT，最小值出現(xiàn)在12:00 LT，在日出06:00 LT 附近有一個(gè)突然上升現(xiàn)象，在日落20:00 LT 附近有一個(gè)突然下降現(xiàn)象。h'F隨季節(jié)變化顯著，最大值出現(xiàn)在5 月份，最小值出現(xiàn)在2 月份，整體呈現(xiàn)出夏季最高、春秋分季次之、冬季最低的趨勢(shì)。

圖8 曲靖地區(qū)2008-2018年h'F 月中值Fig.8 Monthly median of Qujing h'F from 2008 to 2018

1.8 參數(shù)MUF(3000)F2

圖9 為曲靖地區(qū)2008-2018 年MUF(3000)F2的月中值。從圖9 可知，曲靖MUF(3000)F2數(shù)值范圍為5～57 MHz。經(jīng)計(jì)算，MUF(3000)F2與F10.7相關(guān)系數(shù)為0.8574，表明MUF(3000)F2與太陽(yáng)活動(dòng)周期變化相關(guān)性較高，太陽(yáng)活動(dòng)高年大，太陽(yáng)活動(dòng)低年小。MUF(3000)F2在全天時(shí)段內(nèi)變化，最大值出現(xiàn)在16:00 LT，最小值出現(xiàn)在06:00 LT，白天數(shù)值遠(yuǎn)大于夜晚，數(shù)值范圍在7～36 MHz 之間。MUF(3000)F2隨季節(jié)變化顯著，春秋分季較大，冬季最小，夏季次之。

圖9 曲靖地區(qū)2008-2018 年MUF（3000）F2 月中值Fig.9 Monthly median of Qujing MUF(3000)F2 from 2008 to 2018

2 結(jié)果對(duì)比與機(jī)理分析

從上文可知，fmin，f0Es，h’Es與太陽(yáng)活動(dòng)變化趨勢(shì)相關(guān)性不一致，f0E，f0F1，f0F2，h'F，MUF(3000)F2與太陽(yáng)活動(dòng)變化具有一致性。fmin為電離層垂直探測(cè)最小頻率（也稱起始觀測(cè)頻率），與電離層D 區(qū)電子密度、垂直探測(cè)儀技術(shù)性能（例如靈敏度）、短波背景電磁環(huán)境等有關(guān)。因此，fmin可一定程度上反映D 區(qū)電子密度的強(qiáng)弱，由于電離層D 區(qū)電子密度主要受太陽(yáng)X 射線輻射影響，而F10.7指數(shù)為太陽(yáng)10.7 cm 電磁輻射流量，因此fmin未顯示與太陽(yáng)10.7 cm 變化的相關(guān)性。f0Es一般認(rèn)為由風(fēng)剪切形成[7]，并受金屬離子密度、潮汐、行星波和重力波等因素影響[8,9]。因此，f0Es不隨太陽(yáng)活動(dòng)周期性變化。電離層E 層與F 層主要受太陽(yáng)活動(dòng)影響，包括太陽(yáng)電磁輻射引起的光化學(xué)過(guò)程與光致電離等，因此f0E，f0F1，f0F2，h'F，MUF(3000)F2與太陽(yáng)活動(dòng)周期變化特征一致。

與烏魯木齊地區(qū)[4]對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，曲靖地區(qū)f0F2日中值變化趨勢(shì)與烏魯木齊地區(qū)相似，不同之處在于曲靖地區(qū)最大值出現(xiàn)在14:00-19:00 LT，最小值出現(xiàn)在06:00 LT，而烏魯木齊地區(qū)最大值出現(xiàn)在12:00 LT，最小值出現(xiàn)在日出前04:00 LT，f0F2隨月份變化與烏魯木齊地區(qū)相似均呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，不過(guò)曲靖地區(qū)主峰在3 月份，烏魯木齊地區(qū)主峰在4 月份。曲靖地區(qū)h'F日中值變化趨勢(shì)與烏魯木齊地區(qū)相似，但曲靖地區(qū)h'F在06:00 LT 有一個(gè)突然上升，在20:00 LT 有一個(gè)突然下降，h'F隨月份變化趨勢(shì)與烏魯木齊地區(qū)相似，但曲靖地區(qū)h'F在2 月份取得最小值，5 月份取得最大值，烏魯木齊地區(qū)h'F在3 月份取得最小值，6 月份取得最大值。曲靖地區(qū)f0Es日中值變化與烏魯木齊相似均呈單峰結(jié)構(gòu)，不同在于曲靖地區(qū)最小值出現(xiàn)在03:00 LT 最大值出現(xiàn)在13:00 LT，烏魯木齊地區(qū)最小值出現(xiàn)在04:00 LT，最大值出現(xiàn)在11:00 LT。f0Es隨月份變化趨勢(shì)與烏魯木齊地區(qū)相似，但曲靖地區(qū)在7 月份和11 月份都有一個(gè)突然上升現(xiàn)象。電離層參數(shù)f0F2，h'F，f0Es在曲靖地區(qū)與烏魯木齊地區(qū)隨地方時(shí)和月份變化趨勢(shì)相同，只是極值出現(xiàn)的地方時(shí)和月份有所不同，這可能與烏魯木齊位于中緯，曲靖地區(qū)位于中低緯云貴高原同時(shí)受青藏高原地形影響等因素有關(guān)，該方面研究需要更多的數(shù)據(jù)以及機(jī)理分析。

與拉薩地區(qū)[5]研究結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，曲靖地區(qū)f0F2日中值變化趨勢(shì)與拉薩地區(qū)相似，不同之處在于曲靖地區(qū)最大值出現(xiàn)在14:00-19:00 LT，最小值出現(xiàn)在06:00 LT，而拉薩地區(qū)最大值出現(xiàn)在14:00 LT，最小值出現(xiàn)在日出前05:00 LT。f0F2隨月份變化與拉薩地區(qū)相似，均呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，不過(guò)曲靖地區(qū)主峰在3 月份次峰在9 月份，拉薩地區(qū)主峰在4 月份次峰在10 月份。曲靖地區(qū)h'F日中值變化趨勢(shì)與拉薩地區(qū)相似，不同之處在于曲靖地區(qū)在06:00 LT 有一個(gè)突然上升，而拉薩地區(qū)在04:00 LT有一個(gè)突然上升，h'F隨月份變化趨勢(shì)與拉薩地區(qū)相似，但曲靖地區(qū)h'F在2 月份取得最小值，5 月份取得最大值，拉薩地區(qū)h'F在11 月份取得最小值，6 月份取得最大值。曲靖地區(qū)f0Es日中值變化與拉薩相似，均呈單峰結(jié)構(gòu)，與曲靖地區(qū)最小值出現(xiàn)在03:00 LT 而最大值出現(xiàn)在13:00 LT 不同，拉薩地區(qū)最小值出現(xiàn)在04:00 LT，最大值出現(xiàn)在11:00 LT。f0Es隨月份變化趨勢(shì)與拉薩地區(qū)相似，但曲靖地區(qū)在7 月份和11 月份都有一個(gè)突然上升現(xiàn)象。同時(shí)，曲靖地區(qū)f0Es在1 月份取得最小值，拉薩地區(qū)f0Es在12 月份取得最小值。電離層參數(shù)f0F2，h'F，f0Es在曲靖地區(qū)與拉薩地區(qū)隨地方時(shí)和月份變化趨勢(shì)相同，只是極值出現(xiàn)的地方時(shí)和月份有所不同，這可能與兩地的經(jīng)緯度和地形等因素有關(guān)，該方面的研究需要更多的數(shù)據(jù)以及機(jī)理分析。

曲靖地區(qū)h'F夜間大于白天，并且在日出日落時(shí)段h'F有突然上升現(xiàn)象，冬季的h'F一般都小于其他季節(jié)，以上結(jié)論與Wang等[6]的研究結(jié)果一致。h'F夜間大于白天是因?yàn)閔'F反映了電離層從分子離子（NO+，O2+）層到原子氧離子（O+）稠密層的過(guò)渡，在夜間隨著太陽(yáng)電離輻射作用降低，分子離子層逐漸減弱甚至消失，過(guò)渡區(qū)域抬高。因此，h'F上升。日出日落時(shí)段h'F先上升后下降現(xiàn)象可能是因?yàn)榇藭r(shí)電離層F 層底部面臨的太陽(yáng)電磁輻射劇烈變化，從而引起電子產(chǎn)生率和分子離子-原子離子過(guò)渡高度的變化所致。

曲靖地區(qū)f0F2與MUF(3000)F2中值變化特征相似，MUF(3000)F2白天值高于夜晚值，MUF(3000)F2春秋分季高于夏冬季，太陽(yáng)活動(dòng)高年日落后MUF(3000)F2一直維持較高值并持續(xù)到03:00-04:00 LT，以上結(jié)論與Chen[10]的研究結(jié)果一致。MUF(3000)F2由F2層臨界頻率f0F2與傳播因子MUF(3000)F2相乘得到，f0F2與MUF(3000)F2中值變化特征相似，說(shuō)明MUF(3000)F2主要由f0F2確定。MUF(3000)F2白天值高于夜晚值是由于地球相對(duì)于太陽(yáng)自轉(zhuǎn)進(jìn)而會(huì)對(duì)電離層產(chǎn)生顯著影響，電離成分在白天增加而在夜間減少。MUF(3000)F2春秋分季高于夏冬季，可能是因?yàn)榘滋斓入x子體漂移在春秋分季高于夏冬季，強(qiáng)的漂移使更多的電子被輸運(yùn)到臺(tái)站上空所致。

Ding等[11,12]和Liu等[13]利用曲靖地區(qū)非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)曲靖地區(qū)電離層電子密度存在日落增強(qiáng)現(xiàn)象，認(rèn)為與日落時(shí)電離層西向電場(chǎng)反轉(zhuǎn)增強(qiáng)等有關(guān)。圖7 表明，曲靖地區(qū)經(jīng)常性出現(xiàn)日落電子密度增強(qiáng)現(xiàn)象，這與此結(jié)論基本一致。電離層日落增強(qiáng)現(xiàn)象主要與地磁場(chǎng)、中性風(fēng)、等離子體擴(kuò)散以及青藏高原大氣環(huán)流和底層大氣動(dòng)力學(xué)等因素相關(guān)，對(duì)于該現(xiàn)象的具體成因需要開(kāi)展進(jìn)一步機(jī)理分析。

3 結(jié)語(yǔ)

利用電波環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)曲靖地區(qū)垂測(cè)儀數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了2008-2018 年的電離層參數(shù)變化特征，得出各個(gè)參數(shù)隨年份、月份、地方時(shí)的變化規(guī)律，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析討論，主要結(jié)果如下。

（1）fmin主要受太陽(yáng)X 射線影響，所以與太陽(yáng)10.7 cm 電磁輻射流量變化不一致；f0Es主要受風(fēng)剪切、金屬離子密度、潮汐、行星波和重力波等因素影響，所以不隨太陽(yáng)活動(dòng)周期性變化。

（2）從季節(jié)分布看，fmin，f0Es，f0E，f0F1，f0F2，h'F，MUF(3000)F2均在冬季最小；fmin，f0Es，f0E，h'F在夏季最大，春秋分季次之；f0F1，f0F2，MUF(3000)F2在春秋分季最大，夏季次之。其中，f0F1秋分季高于春分季，而f0F2和MUF(3000)F2春分季高于秋分季，f0F2經(jīng)常出現(xiàn)日落增強(qiáng)現(xiàn)象。

（3）f0F2，h'F，f0Es參數(shù)在曲靖地區(qū)與烏魯木齊[4]、拉薩地區(qū)[5]變化趨勢(shì)大致相同，但在個(gè)別極值出現(xiàn)的位置與時(shí)間點(diǎn)有所不同，這可能與兩個(gè)地區(qū)的地理位置不同有關(guān)。

（4）h'F夜間大于白天，在日出有突然上升現(xiàn)象，日落有突然下降現(xiàn)象，冬季的h'F一般都小于其他季節(jié)，與Wang等[6]結(jié)論一致，但本文補(bǔ)充了在夏季最高的結(jié)論。

（5）MUF(3000)F2與f0F2的變化特征相似，白天值高于夜晚值，春秋分季高于夏冬季，太陽(yáng)活動(dòng)高年日落后MUF(3000)F2一致維持較高值并持續(xù)到03:00-04:00 LT，這與文獻(xiàn)[10]結(jié)論一致，本文對(duì)其中的機(jī)理特征進(jìn)行了分析。

下一步將結(jié)合電離層模型深入分析曲靖地區(qū)電離層變化特征的物理機(jī)理，以提升對(duì)中國(guó)中低緯過(guò)渡區(qū)電離層變化特征的認(rèn)知水平。

致謝本文所用電離層數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)電波傳播研究所信息中心。