全球电离层时变特性分析范文

1电离层随太阳活动强度的变化规律

太阳是电离层形成的主要因素之一，太阳活动对电离层的变化起到决定性的作用。太阳活动的强弱一般用太阳黑子数（SSN,SunspotNumber）或者F10.7指数表示。太阳黑子（SunspotNumber）是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。太阳黑子最多的年份称为“太阳活动高峰年”，太阳黑子最少的年份称为“太阳活动低峰年”。F10.7是指太阳的10.7cm波段辐射通量，单位是sfu(solarfluxunit)，2221110sfumHz，是目前使用最广泛的太阳活动指数。根据F10.7的大小将太阳活动分为3个等级，即F10.7150sfu，100sfuF10.7150sfu，F10.7100sfu。这3个等级分别代表强太阳活动，中等太阳活动和弱太阳活动。本文通过分析SSN、F10.7和TEC三者之间的关系，揭示电离层随太阳活动强度的变化规律。选取由比利时世界太阳黑子索引资料中心(SIDC)提供的1998年~2012年的SSN和F10.7数据序列，采样间隔为1天。选取IGS提供的1998年~2012年的全球电离层TEC格网数据，原始数据的采样间隔为2小时，为了与SSN和F10.7数据的采样间隔保持一致，本文求得每天的全球电离层平均值组成一个新的时间序列，采样间隔也为1天。3种数据的时间序列如图1所示。从图1可以看出，TEC、SSN和F10.7三者的变化趋势大致相同。结合SSN和F10.7的数据可知，2000年~2002年为太阳活动高峰年，2006年~2009年为太阳活动低峰年。由表1可以得出以下结论：1）F10.7、SSN和TEC之间的相关系数在0.785~0.9422之间，所以三者属于高度线性相关。2）F10.7指数和SSN之间的相关系数为0.9422，接近与1。这说明，作为影响电离层变化的因素，F10.7和SSN可以相互替代。3）电离层TEC与F10.7之间的相关系数大于电离层TEC与SSN之间的相关系数。因此，在电离层模型中引入参数F10.7更为合理。

2电离层日变化规律研究

以2011年3月21日，本初子午线（0°经线）上，纬度分别是80°N、60°N、40°N、20°N、0°、20°S、40°N、60°S和80°S的9个电离层TEC格网点为例，分析了不同纬度上TEC随当地时间的变化规律，如图2所示。从图2中可以看出，白天TEC从当地时间6时左右开始增大，到12时~16时之间达到最大值。下午至黄昏，随太阳辐射的减弱，TEC急速下降，大约20时左右曲线的下降斜率出现一个转折点，这说明日落以后TEC值减少速率明显变得平缓。夜间TEC值达到最小值，且变化较为平缓。图2只反映了电离层的日变化规律的总体趋势。接着，本文从电离层TEC极大值出现的时刻和夜间电离层TEC两个方面，进一步分析了电离层的日变化规律。

2.1TEC极大值出现时刻的研究根据IGS提供的TEC格网数据的特点，每一条经线上，从87.5°N到87.5°S，每隔2.5°分布着一个格网点，共有71个TEC格网点。以2011年本初子午线上71个TEC格网点的全年365天的数据为例，提取了365×71，共25915个TEC最大值出现的时刻。对这些时刻进行统计分析，如图3和表2所示。从图3和表2可以看出，一天中TEC最大值出现的时刻主要集中在当地时间10时~16时，其中，当地时间14时出现7678次，占到38.47%，所占比重最大；当地时间12时和16时分别占26.58%和19.05%，也占有一定的比重。因此，在建立电离层经验模型时，将一天中TEC最大值出现的时刻固定为当地时间14时是不准确的。

2.2夜间TEC值的时变研究在顾及昼夜时间随季节变化的前提下，取当地时间22时至次日5时为夜间时段。利用IGS提供的TEC格网数据，对2000年~2012年的四季点（春分、夏至、秋分和冬至）的夜间全球电离层TEC平均值进行统计。统计结果如图4所示。图4中，每年春分、夏至、秋分和冬至的夜间全球电离层TEC平均值分别由4种颜色表示。分析发现：每年中不同季节夜间电离层TEC平均值不同，冬季的夜间电离层TEC一般大于夏季的，夜间电离层TEC在夏季达到最小值。另外，夜间电离层TEC值在太阳活动高峰年和太阳活动低峰年之间相差很大，在2000年~2002年太阳活动高峰年，夜间电离层TEC平均值在17个TECU左右，最大值可达24TECU，并且在不同季节之间，夜间电离层TEC平均值相差很大；在2006年~2009年太阳活动低峰年，夜间电离层TEC平均值仅在5TECU左右，不同季节之间差距很小。由此可见，夜间全球电离层TEC的变化与太阳活动密切相关。在Klobuchar模型中，将夜间电离层延迟视为常数（5TECU）是不准确的。

3电离层季节变化规律研究

利用IGS提供的2000年、2004年、2008年和2012年的电离层TEC格网数据，分析了电离层的季节性变化规律。从图1中可以看出，2000年属于太阳活动高峰年，2008年是太阳活动低峰年，2004年为太阳活动平缓年份，2012年接近太阳活动高峰年。选取这4种太阳活动强度年份，可在分析电离层季节变化的过程中顾忌到太阳活动的影响，使结论更具代表性。将每隔2小时的全球电离层TEC分别求平均值，即可得到每天13组TEC平均值，取全年365天的数据，绘制全球电离层TEC的季节变化图，共4幅，如图5所示。本文取12月、1月、2月作为冬季，取3月、4月、5月作为春季；取6月、7月、8月作为夏季；取9月、10月、11月作为秋季。从图4中可以看到全球TEC平均值在春季（4月份）和秋季（10~11月份）出现了2个明显的峰值，远大于冬季（2月份）和夏季（7~8月份）的全球TEC平均值。这种现象被称为“半年度异常”[14]。半年度异常现象即使是在太阳活动低峰年（2008年）也很明显。电离层半年度异常的成因非常复杂，无论从观测上还是机制上，都需要进一步的研究。将春季（4月份）和秋季（10~11月份）的两个峰值比较后发现：在2000年、2004年和2012年，秋季的全球TEC平均值高于春季，这种差异在太阳活动高峰年（2000年）达到最大。在太阳活动低峰年（2008年），秋季的全球TEC平均值却低于春季的。这说明，全球TEC平均值秋季高于春季的现象在太阳活动增强时变得明显，在太阳活动低峰年消失，甚至出现相反的现象。此外，无论是在太阳活动高峰年还是低峰年，夏季（7~8月份）的全球TEC平均值都是最低的。这一现象主要是由日地距离的变化引起的，每年7月初，地球位于绕日公转轨道的远日点，日地距离达到最大值，约为1.521×108km。但是4月份和10月份出现的TEC峰值，与1月份的近日点不相符合。由此可见，除了日地距离和太阳活动强度之外，还存在其他的因素影响着电离层的季节变化。

4结束语

IGS提供的电离层TEC格网数据具有时间连续性好，空间分辨高的特点，通过对IGS电离层TEC数据的发掘，可有效地揭示全球电离层的变化特性。本文以TEC数据为主要数据源，结合SIDC提供的SSN和F10.7数据，详尽地分析了全球电离层的时变特性，得出了初步性结论。分析发现，电离层TEC与太阳活动密切相关，电离层TEC与F10.7和SSN的相关性均在0.7以上，且F10.7与TEC的相关性最高，因此在建立电离层经验模型时引入F10.7参数较为合理；在对电离层日变化规律研究时发现，当地时间14h并非是TEC日极大值出现的惟一时刻，另外，夜间全球电离层平均值随太阳活动强度的变化而变化，且存在季节性变化，因此Klobuchar模型中将当地时间14h作为TEC日极大值出现的时刻和夜间电离层TEC固定为5TECU的做法是不准确的。最后讨论了电离层TEC的季节变化，发现影响TEC季节变化的主要因素包括日地距离和太阳活动强度两个方面。本文采用了1998年~2012年的全球电离层TEC数据以及相应年份的SSN和F10.7数据，时段跨越一个11年的太阳活动周期，在顾及太阳活动对电离层大尺度影响的前提下，分析了电离层的日变化和季节变化等小尺度变化，使得结论更具合理性和代表性。本文只是对电离层中的规则的变化规律做了分析，实际上电离层中还存在一些不规则的变化规律，如电离层闪烁，电离层行扰以及电离层的不规则体和电离层突然骚扰（SID）。对于电离层中的不规则变化，笔者将做进一步研究，此处不再详述。

作者：冯建迪王正涛赵珍珍单位：武汉大学测绘学院山东农业大学信息科学与工程学院中国测绘科学研究院