基于GNSS 數據的第24 太陽活動周中國電離層變化特性分析

白 斌，李 新，劉峰華

（1.甘肅省地質礦產勘察開發局測繪勘察院，甘肅 蘭州 730064；2.山東正維勘察測繪有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

地球上層大氣中的分子和原子受到太陽輻射的影響，產生大量的自由電子和離子，由此形成電離層［1］。按照地球大氣的電離程度可自上而下將其分成磁層、電離層和中性層。電離層位于距離地面60 ～1000 km 高度范圍，是地球高層大氣中一個部分電離的區域（完全電離的區域稱為磁層）。電離層內部的變化受到海拔、經度、緯度、時間、季節、太陽活動和地磁活動的影響［2］。電離層的活動水平用總電子含量（total electron content，TEC）來進行描述，TEC 是指底面積為1 m2的傳播路徑中所含的電子總量，TEC 以TECU 為單位，1 TECU=1×1016el/m2［1］。TEC 一直被認為是全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位的重要影響因素，對無線電的傳播、衛星通信和導航應用也存在影響［3］。因此，通過分析電離層TEC 的時空變化特性，對電離層進行預測和建模，提高區域電離層延遲改正的精度尤為重要。中國地域廣闊，氣候多樣，電離層變化復雜。因此，研究中國區域的電離層時空特性變化，對中國區域電離層的建模和預測具有重要意義。

近年來，許多學者對不同區域的電離層時空變化進行了大量的研究。孟泱等利用南極中山站的GNSS 觀測數據對南極地區電離層TEC 變化特征進行了研究［4］。吳云等基于IGS 提供的TEC 數據和GNSS 解算的TEC 數據，分析了緬甸地區震前電離層的時空變化特征［5］。李旺等將全球分為四大區域，對全球電離層TEC 的空間分布規律以及各個區域電離層的周期變化進行了分析［6］。黃林峰等利用IGS 提供的TEC 數據，分析了太陽活動上升期華南地區上空電離層赤道異常（EIA）北駝峰的變化特征［7］。李涌濤等基于CODE-TEC 數據，分析了相鄰格網點TEC 的變化范圍以及不同時間間隔同一格網點TEC 的變化范圍［8］。

前人對全球和不同區域電離層的時空變化特征進行了諸多研究。但在中國僅有少數學者利用單站數據對小范圍電離層變化進行探索，中國地區大范圍的電離層時空變化特征仍有待進一步研究。鑒于此，本文基于太陽活動數據和TEC 數據，對中國地區電離層的時空變化特征進行了研究，為中國區域電離層的建模和預測提供參考。

1 數據來源

本文TEC 數據來源于歐洲定軌中心（Center for Orbit Determination in Europe，CODE）。歐洲定軌中心屬于IGS 組織，自1998 年IGS 成立電離層工作組以來，為全球電離層研究與應用提供了有力的數據支持。該組織由IGS 數據分析中心、電離層信息驗證協調中心、電離層研究工作者、IGS 數據分析中心協調員及IGS 中心局的有關代表組成。其中，歐洲伯爾尼大學的歐洲定軌中心提供的GIM 產品（CODE-TEC）應用廣泛，該產品由15 度15 階的球諧函數計算得到，沿經緯度取5°×2.5°，共5184 個格網點。

本文使用的10.7 cm 太陽輻射通量（F10.7）的修正指數F10.7p，時間序列如圖1 所示。F10.7 數據來源于比利時世界太陽黑子索引資料中心（Solar Influences Data Analysis Center SIDC）。F10.7p 是F10.7 的修正指數，F10.7p 的計算公式如式（1）所示：

圖1 第24 太陽活動周F10.7p 的時間序列

F10.7p=（F10.7+F10.7A）/2 （1）

其中，F10.7A 是F10.7 的81 天滑動平均值，F10.7p 與TEC 有著更好的相關性，并且在統計意義上F10.7p 相當好地反映了太陽EUV 輻射通量的強度。本文重點以2009 年和2014 年研究對象，因2009 年F10.7p 的數值大多介于60～80sfu，屬于太陽活動低年，2014 年F10.7p 的數值大多介于160～180sfu，屬于太陽活動高年。這兩個年份在第24 太陽活動周具有相當好的代表意義。

2 區域電離層在第24太陽活動周的變化特性

為了研究中國區域電離層在第24 太陽活動周的變化特性，本文先對第24 太陽活動周的CODETEC 數據進行預處理，將中國范圍內的TEC 在110°E 和120°E 下不同緯度的時間序列展示出來，如圖2 所示。由圖2 可以看出：從緯度上看，TEC變化具有明顯的緯度特征，TEC 隨緯度的降低而增大，這點在110°E 和120°E 都表現明顯，這可能與赤道異常有關。而從不同經度上看，同緯度下的TEC 在不同經度變化相似，值得注意的是，110°E 各緯度TEC 相差較大，120°E 各緯度TEC 相差較小。此外，2009 年和2014 年的TEC 分別處于第24 太陽活動周低值點和高值點，為此本文選取2009 年和2014 年進行特性分析。

圖2 第24 太陽活動周中國區域TEC 在110°E 和120°E 下不同緯度的時間序列

本文選取第24 太陽活動周內的2009 年和2014 年的TEC 數據，將整個TEC 數據取平均值后以當地時間（LT）為橫坐標，以年積日（Day）為縱坐標繪制TEC 變化圖，如圖3 所示。由圖3 可以看出：2009 年和2014 年中國區域的TEC 變化有很多相同之處。就日變化來看，中國區域TEC 在當地時間11：00-17：00 LT 范圍內出現最大值。按照Chapman 模型，NmF2 與太陽活動水平和正午時刻的太陽天頂角有關。當太陽活動水平保持不變時，NmF2 由太陽天頂角決定，理論上夏季的NmF2 最大，二分點次之，冬季最小。但實際上，TEC 在二分點大于二至點，冬至大于夏至，這分別體現了TEC的半年度異常和年度異常。一般認為，12 月的太陽電通量與6 月的相比有6% 的變化，而電離層TEC在12 月比6 月的高出20%，這就是年度異常［9］。另一種表述是將南北半球聯合考慮，TEC 在冬至點大于夏至點的現象稱為年度異常。半年度異常是指TEC 的量值在二分點大于二至點的現象。年度異常、半年度異常的物理機制仍然具有挑戰性，被列為電離層的最高科學目標之一。在12：00 LT 附近，TEC 在夏季低于冬季，體現了冬季異常。冬季異常是指在中緯度地區，TEC 的日間值在冬季大于夏季的現象。值得注意的是，由于夏季半球的強夜間赤道風的影響，冬季異常在夜間消失。目前，普遍認為背景大氣中化學成分的變化（例如［O/N2］濃度比的變化）可能導致電離層F2 區產生冬季異常現象。期間大氣的非對稱半球加熱誘導全球尺度的半球間大氣環流，能夠影響［O/N2］比值，最終改變TEC。這些觀點的提出時，并沒有合適的觀測手段去驗證。直到上世紀20 世紀70 年代，更多先進探測儀器的出現，例如，非相干散射雷達探測、火箭探測以及各種衛星探測等，這些觀測數據都相繼證實背景大氣中的原子分子含量比值存在季節異常變化。另外，通過對比2009 年和2014 年中國區域的TEC變化，發現在太陽活動高年（2014 年）的TEC 平均值要高于太陽活動低年（2009 年）。在一天之間，TEC 開始升高的時刻并不相同，這一點在2014 年表現明顯。在春季，TEC 開始增大的時刻大約在7：00 LT，在夏季，TEC 開始增大的時刻大約在8：00 LT，秋季情況跟夏季一樣。就月變化來看，整個中國區域春秋兩季的TEC 平均值要高于夏季和冬季的TEC 平均值。這種現屬于電離層半年異常。半年度異常在太陽活動低年也很明顯，且在南半球和低緯度地區更顯著。

圖3 2009 年和2014 年中國區域當地時間TEC 變化圖

由于中國地幅遼闊，范圍跨越中緯度和低緯度地區。將整個中國區域的TEC 看作一個平均值并不準確，因此本文繪制了2009 年和2014 年春分、夏至、秋分、冬至四個時刻的中國區TEC 分布圖，如圖4、圖5 所示。由圖4 可以看出：2009 年在不同時刻TEC 分布具有明顯的緯度特征，TEC 自中緯度向低緯度逐漸增加，這主要是赤道異常導致的。這個特征在春分、秋分、冬至時刻表現明顯。值得注意的是，在2009 年的夏至，中國區域整體表現較為安靜，且不同緯度地區差異不大。就不同緯度的變化特征來看，中國低緯度區域TEC 最大值出現在春分時刻，中國高緯度區域（大于45°N）TEC 最大值出現在夏至時刻。中國版圖占據最多的中緯度地區在季節變化中不明顯。由圖5 可以看出：2014 年在不同時刻TEC 分布同樣具有明顯的緯度特征。特別的，在夏至時刻整個中國區域的TEC 值都處于較為安靜的狀態。

圖4 2009 年春分、夏至、秋分、冬至中國區域TEC 分布圖

圖5 2014 年春分、夏至、秋分、冬至中國區域TEC 分布圖

為了更好地顯示中國不同緯度電離層的變化情況，本文將2009 年和2014 年中國區域不同緯度平均TEC 的季節變化展示出來，如圖6 所示。由圖6 可以看出：不同年份中國區域緯度變化不同。在中國20°N 區域，半年異常明顯，春季和秋季的TEC明顯高于冬季和夏季，這體現了半年度異常。在30°N 和40°N 區域，2009 年和2014 年的TEC 變化略有不同。在2009 年中國30°N～40°N 區域，平均TEC 在春季最高，其次是夏季，最低的是冬季。而在2014 年中國30°N～40°N 區域，還是具有半年異常的現象，但這種現象較中國20°N 區域明顯減弱。本文認為，高層大氣在冬夏季比春秋季被“攪動”得更厲害，因此［O/N2］的值就會出現在春秋季最大的情況，進而導致了TEC 的半年變化。

圖6 2009 年和2014 年中國區域當地時間TEC 變化圖

3 結語

本文利用第24 太陽活動周的CODE TEC 數據和太陽活動修正參數F10.7p 數據，研究了中國區域的電離層變化特性。研究結果表明：

1）總體上，中國區域TEC 緯度變化特征顯著，隨緯度降低，TEC 明顯升高，低緯度地區主要受到了赤道異常的影響；

2）時間上，電離層半年度異常和冬季異常較為明顯；

3）區域上，中國不同緯度區域電離層變化特性并不相同。中國低緯度區域電離層半年異常明顯，中高緯度區域的半年異常現象跟太陽活動有關。在太陽活動高年，中國中高緯度區域半年異常顯著。太陽活動低年則反之。