华南地区TEC耗尽及增强与电离层闪烁的相关性*

全宏俊 林果果 邓柏昌† 黄江

(1.华南理工大学 理学院，广东 广州 510640;2.广州气象卫星地面站，广东 广州 510640)

电离层是空间环境的重要组成部分，其除了本身背景变化外，还会受到各种不稳定过程的作用，进而产生各种尺度的电离层等离子体密度不规则体.赤道扩展F 层(ESF)就是这样一种尺度从几十厘米到数十千米的等离子体密度不规则体结构，而等离子体泡(Plasma Bubble)是与ESF 密切相关的最大尺度不规则体.

1976年Woodman 等［1］利用雷达回波对ESF 不规则体结构进行了分析，指出等离子体泡是等离子体密度与背景电离层等离子体密度相比低到3 个数量级的低电子密度区域.在日落后，由于电场、中性风和地球磁场等一系列复杂因素作用，赤道低纬地区电离层F 层常常变得不稳定，电离层底部会形成等离子体泡，在重力引起的电流和东向电场与磁场的作用下，等离子体泡向上运动并向两极扩展沿磁力线排列，直至磁纬正负15°［1-3］.Weber 等［4］证明，总电子含量(TEC)耗尽是赤道区等离子体耗尽的表现，因此可以通过TEC 耗尽来研究ESF 不规则体.除了等离子体泡这一不规则体外，另外一种不规则体——等离子体团(Plasma Blob)作为局部等离子体密度增强的现象也首次在1986年被观测到［5］.Le等［6］指出，与等离子体泡密切相关的极化电场的映射是引起赤道地区局部等离子体密度增强的原因.由于TEC 是衡量电离层等离子体密度的一个主要参数，所以可以通过TEC 增强来研究等离子体密度增强［7］.

无线电波穿过不规则体传播时，其振幅、相位和偏振方向均可能发生快速随机起伏，这种现象称为电离层闪烁.大量研究表明，由于ESF 的存在，从C波段到L 波段的无线电波信号都受其影响而产生扰动，引起的闪烁信号频率甚至高达7 GHz［8-9］.L 波段信号受电离层闪烁影响最甚，导致信号的衰落最大可达20 dB.

近年来，全球定位系统(GPS)以其多星和全天候的观测特点，成为监测TEC 和L 波段电离层闪烁的有效手段.利用GPS 卫星数据，国内外相继开展了对电离层闪烁和TEC 耗尽之间关系的研究.Dashora 等［10］利用2004年10月至2005年2月赤道异常峰区印度Udaipur 地区(24.6°N，73.7°E)GPS振幅闪烁和TEC 起伏测量，进行了TEC 起伏和电离层闪烁的比较研究，发现晚间TEC 耗尽和振幅闪烁指数S4指数增大有着很好的对应关系，而TEC 增强与S4指数变化无明显对应关系.Olwendo 等［11］对肯尼亚Nairobi 大学赤道异常峰区(1.27°S，36.8°E)2011年3月份TEC 进行了分析，表明TEC 耗尽和电离层闪烁的发生有着很好的对应关系，TEC 增强则没有.徐继生等［12］通过对2004年11月武汉地区一次强磁暴间TEC 响应以及电离层闪烁的特征分析，指出伴随电离层闪烁活动的增强，多次观测到TEC 的深度耗尽和ROTI 指数增强.Deng 等［13］利用广州和深圳GPS 卫星数据分析了华南地区TEC 耗尽和电离层闪烁之间的关系，指出在春秋分期间强闪烁总是伴随着TEC 耗尽发生.

华南地区处于赤道异常北驼峰区附近，是TEC扰动和电离层闪烁高发区域，该区域是研究TEC 耗尽和电离层闪烁之间关系的最佳区域.文中利用华南地区深圳GPS 观测站(22.59°N，113.97°E)2011年1月至2012年10月TEC 和电离层闪烁数据，对TEC 耗尽与电离层闪烁的关系进行了研究，同时对华南地区TEC 增强的GPS 观测结果进行了介绍.

1 数据观测和处理

在深圳站布设GSV 4004A GPS 电离层闪烁和TEC 监测设备(GISTM)，该设备可同时对11 颗GPS卫星L1 波段(1.575GHz)和L2 波段(1.227GHz)信号进行观测，提供电离层闪烁和TEC 数据.电离层闪烁和TEC 监测设备自2010年12月2日开始产出数据，数据采样周期为1min.电离层闪烁和TEC 数据文件变量信息包括方位角、仰角、S4、相位闪烁指数以及垂直总电子含量(VTEC)，其中S4由L1 波段信号计算所得，定义为归一化的信号强度标准差，每分钟计算1 次:

式中，I 表示信号强度，〈〉表示算术平均运算.文中认为S4＞0.2，且持续时间大于或者等于10 min 为1 次电离层闪烁事件.

卫星电离层穿刺点(IPP)地理经纬度由深圳站观测到的卫星实时路径的仰角和方位角计算所得.在计算IPP 地理经纬度过程中，假定在F 层的某一高度处，所有的自由电子大部分都集中在一个无限薄的球壳上，距离地面约400 km.

TEC 是指卫星到接收机间整个路径每平方米上的总电子含量，单位为TECU(1TECU=1016个电子/m2).TEC 耗尽指TEC 值在某一时刻快速衰减，经过一段时间后恢复到衰减前的水平［10］，整个过程花费的时间记为TEC 耗尽持续时间.文中认为TEC 衰减值大于或等于5 TECU 为1 次TEC 耗尽事件.考虑到本地噪声及多路径效应的影响，文中分析时仅取仰角高于25°的观测数据.

将ROTI 定义为TEC 变化率指数，文中按5min间隔计算.ROTI 由下式计算得到:

式中，ROT 为某一时刻TEC 减去前1 min 的TEC，表示某一时刻的TEC 变化率，单位为TECU/min.ROTI和S4代表不同尺度的不规则体，当卫星星下点轨迹的运动速度和不规则体结构正交于传播路径的漂移速度的矢量和在100 m/s 这个量级，奈奎斯特周期为60 s 时，ROTI 对应的不规则体空间尺度大约为6 km;而S4对应的不规则体结构由菲涅尔尺度决定，主要由无线电波的波长和不规则体所在高度决定，即

式中:DF为S4对应的菲涅尔尺度;为无线电波波长(L1波段);z 为不规则体所在的高度，取为400 km，由此推算出L1波段闪烁对应的不规则体空间尺度约为390 m［3］.

2 基于GPS 观测结果的分析

2.1 TEC 耗尽与电离层闪烁的关系

图1 给出了2012年7月13日对PRN 28 号卫星观测的TEC 和S4随国际协调时(UTC)的变化.大约在13:08 UTC，TEC 值有一个突然的下降，其减少值约为7 TECU，15 min 后TEC 值恢复至下降之前的水平，这个过程我们认为是1 次TEC 耗尽.S4在TEC 耗尽之前小于噪声量0.2，伴随着TEC 耗尽的发生，S4突然增长到约0.9.随着TEC 值恢复到耗尽前的水平，S4也下降到噪声水平以下，TEC 耗尽和电离层闪烁有很好的对应关系.

图1 2012年7月13日观测到的PRN 28 号卫星TEC 和S4随国际协调时(UTC)的变化Fig.1 Variation of TEC and S4 with UTC on 13 July，2012 for PRN 28

图2 是2011年3月29日对PRN 13 号卫星的观测结果.第1 次TEC 耗尽约从13:40 UTC 到14:15 UTC 发生，TEC 值减少达22 TECU，整个过程持续约35 min.在此次TEC 耗尽发生前，S4均在0.2 以下，当耗尽发生时，S4值瞬间增长到0.6.第2 次TEC 耗尽发生在15:30 UTC 到16:00 UTC 间，TEC 变化值约为20 TECU，持续时间30 min，伴随此次TEC 耗尽的发生，S4达到0.7.在整个卫星运行轨迹中，卫星IPP 地理纬度随时间减小，变化范围约从28.5°N 至19.5°N，而经度基本保持在109.5°E，说明TEC 耗尽代表的等离子体泡沿地磁场线排列.

由图2 还可以看出:在两次TEC 耗尽发生之间，TEC 值有一个缓慢减小再增大的过程，该过程对应着卫星仰角增大再减小的变化过程(如图2(a)所示)，是由于卫星到接收机间斜向距离随着卫星仰角变化所引起，由图2(c)可知在此期间并未观测到电离层闪烁事件发生.对比图1 和2，发现图2 中两次TEC耗尽持续的时间和耗尽程度以及闪烁强度总体均比图1 中大，由此推测，电离层闪烁持续时间及强度和TEC 耗尽程度及持续时间存在某种关系.

图2 2011年3月29日观测到的PRN 13 号卫星TEC 和S4随国际协调时(UTC)的变化Fig.2 Variation of TEC and S4 with UTC on 29 March，2011 for PRN 13

为了验证上述推测，对2011年3月和2012年3月间的85 次TEC 耗尽事件进行了统计分析.图3分别给出了电离层闪烁持续时间和对应的TEC 耗尽持续时间关系图(图3(a))、电离层闪烁持续时间与S4最大值乘积值和对应TEC 耗尽最大值的关系图(图3(b)).从图3 中可以看到，TEC 耗尽和电离层闪烁在持续时间上呈现良好的线性关系，线性回归分析发现二者呈显著正相关，线性回归方程为y=1.007 2x +1.071 8(图3(a)实线)，相关系数为0.97;而TEC 耗尽最大值和S4最大值之间却无明显的线性关系.通过对数据进一步处理，将电离层闪烁持续时间与S4最大值的乘积值和TEC 耗尽最大值进行对比分析，发现二者正相关性增大，线性回归方程为y=0.581x+5.7558(图3(b)实线)，相关系数达0.67，表明TEC 耗尽程度和电离层闪烁持续时间及强度都有关系.

表1 给出了2011 和2012年每月强闪烁、弱闪烁分别发生的平均次数和对应TEC 耗尽发生的平均次数，以及二者同时发生的比例.表1 中c1和c2分别为强弱闪烁发生次数，d1和d2分别为对应强弱闪烁下TEC 耗尽的发生次数，d1/c1和d2/c2分别为强弱闪烁下二者同时出现的比例.可以看到，大多数月份强闪烁和TEC 耗尽同时出现的比例高于弱闪烁和TEC 耗尽同时出现的比例，闪烁发生时并不总是有TEC 耗尽发生.TEC 耗尽主要发生在春秋分季节，这与电离层闪烁出现的季节分布特征一致.

图3 TEC 耗尽和闪烁持续时间及强度关系图Fig.3 Distribution map of duration and degree of TEC depletions and scintillations

表1 2011 和2012年每月强、弱闪烁分别发生的平均次数以及对应TEC 耗尽同时发生的平均次数Table 1 Average occurrence number of strong and weak scintillations，and their corresponding TEC depletions for each month of 2011 and 2012

2.2 ROTI 和S4对比

为了更清楚地了解TEC 耗尽和电离层闪烁的关联，图4 给出了观测到TEC 耗尽的几个特定日子对应的特定卫星ROTI 和S4的对比.由于ROTI 是按5 min 间隔计算，而S4为每分钟一个数据，所以对S4求5 min 的平均值.图4 给出的观测实例都显示ROTI 和S4二者随时间变化的形态结构十分相似，表明反映较大尺度不规则体的ROTI 和反映小尺度不规则体的S4密切关联.ROTI 在数值上数倍于S4，两者比值在1 到10 之间变化.但两者在结构上也有不完全相同的情况，如图4(e)中，在14:50 UTC 左右ROTI 出现一个极大值，但此时S4较小，这可能是由于小尺度不规则体衰减较快所引起的［14］.从图4中还可以看到，S4和ROTI 的变化在时间上基本是同步的.

图4 TEC 耗尽的ROTI 和S4关系图Fig.4 Distribution map of S4 and ROTI of TEC depletions

大量研究结果表明，伴随闪烁的出现，TEC 耗尽和ROTI 明显增大，证明TEC 耗尽和电离层闪烁的发生以及ROTI 的增大伴随出现是一种具有统计意义的普遍现象.图5 是对深圳统计的ROTI 和S4对应关系分布图.线性回归分析算得二者呈正相关，相关系数达0.68.

图5 ROTI 和S4对应关系分布图Fig.5 Distribution map of S4 and ROTI

2.3 TEC 耗尽反演的等离子体泡的特性

图6 显示的是2011年3月25日对PRN 6 号卫星观测的结果，在14:00 UTC 前有两次TEC 耗尽发生，针对每一次TEC 耗尽，都对应有电离层闪烁发生，说明TEC 耗尽代表的不规则体可能为小尺度不规则体.在整个卫星运行轨迹中，卫星IPP 地理纬度随时间增大，变化范围约从20.5°N 至28°N，而地理经度在14:00 UTC 前基本保持在一个常值，表明TEC 耗尽代表的不规则体(等离子体泡)可能沿经线排列.分析PRN 6 号卫星观测到两次TEC 耗尽间的传播路径在电离层F 层投影轨迹表明，对两次TEC 耗尽发生的区域，PRN 6 号卫星在电离层F 层投影轨迹相距远大于400 m，这意味着两次TEC 耗尽代表的等离子体泡不是同一个，这一分析对图2中PRN 13 号卫星观测到的结果同样适用.

对比图2 和6，图2 中第1 次TEC 耗尽发生在14:00 UTC(22:00 LT)左右，第2 次发生在14:00 UTC后，第2 次TEC 耗尽代表的等离子体泡所处区域纬度比第1 次低;而图6 中两次TEC 耗尽都发生在14:00 UTC 前，后一次TEC 耗尽代表的等离子体泡所处区域纬度比前一次高.笔者对2011 和2012年一天内观测到两次或以上的TEC 耗尽并有电离层闪烁与之一一对应的卫星数进行了统计，结果如表2.结果表明在14:00 UTC 前观测到的等离子体泡的纬度大部分具有升高的趋势，而14:00 UTC 后其纬度有降低的趋势.

图6 2011年3月25日观测到的PRN 6 号卫星TEC 和S4随国际协调时(UTC)变化Fig.6 Variation of TEC and S4 with UTC on 25 March 2011 for PRN 6

表2 2011 和2012年每月观测到两次或以上TEC 耗尽并有闪烁与之一一对应的平均卫星数Table 2 Average number of PRNs that having observed two or more depletions，and one to one correspondence between the TEC depletions and scintillations for each month of 2011 and 2012

2.4 TEC 增强

在对2012年5月20日PRN 17 号卫星观测结果图的分析过程中，发现了晚间连续的TEC 增强现象.如图7 所示，随着卫星仰角的增大，斜向距离减小，TEC值总体上有一个下降的趋势，但从13:20 UTC 左右起，TEC 值有两次明显突然增大的过程，持续时间都在15 min 以上，两次TEC 增强值分别为5 和7 TECU.将图7(d)与图7(c)结合来看，发现S4在整个TEC增强过程中始终处于噪声水平值以下，而不像TEC耗尽发生时的情形(S4增大).在对2012年5月20日其他卫星观测结果的分析过程中，并未发现TEC 增强现象，TEC 增强可能是一个局部、独立的事件.TEC 增强与电离层闪烁的发生没有明显的对应关系，也就意味着产生TEC 耗尽和增强的物理机制有所区别.

图7 2012年5月20日观测到的PRN 17 号卫星TEC 和S4随国际协调时(UTC)变化Fig.7 Variation of TEC and S4 with UTC on 20 May，2012 for PRN 17

3 结果分析

利用华南地区深圳站观测到GPS 电离层闪烁和TEC 数据，对观测到的电离层闪烁与TEC 耗尽及增强之间的关系进行了分析，结论如下:

(1)TEC 耗尽与电离层闪烁事件的发生有着很好的对应关系.伴随闪烁活动增强，都出现明显的TEC 耗尽和ROTI 增大.

(2)电离层闪烁持续的时间及强度和TEC 耗尽持续时间及程度密切相关，在持续时间上呈显著正相关，电离层闪烁持续时间与S4最大值乘积值和TEC 耗尽最大值呈线性关系.强闪烁和TEC 耗尽同时发生的比例大于弱闪烁和TEC 耗尽同时发生的比例.

(3)TEC 耗尽代表的等离子体泡基本沿经线排列，且在14:00 UTC 前观测到的等离子体泡的纬度具有升高的趋势，而14:00 UTC 后其纬度有降低的趋势.

(4)华南地区晚间观测到的TEC 增强现象和电离层闪烁无明显对应关系.

由于F 层等离子体密度的任何扰动都能在TEC变化中体现出来，且低纬和赤道电离层闪烁是卫星发射信号穿透ESF 小尺度不规则体(即F 层等离子体密度耗尽)产生的，因而结论(1)说明TEC 耗尽的出现可能代表了晚间低纬F 层等离子体密度耗尽的出现，即代表了诱发电离层闪烁发生的ESF 小尺度不规则体的出现.这和文献［10-11，13］所得的结论是一致的.所有这些分析结果表明:TEC 耗尽和电离层闪烁的发生有着很好的对应关系，而ESF 小尺度不规则体是诱发电离层闪烁的原因，说明TEC 耗尽可以作为赤道ESF 出现的前兆而预测ESF 的出现.

由图2 和6 还发现，TEC 耗尽代表的等离子体泡基本沿经线排列.另外，根据表2 的统计结果，发现华南地区晚间等离子体泡在14:00 UTC(22:00 LT)前有向高纬漂移的趋势，而14:00 UTC 后有向低纬漂移的趋势.这里除有日落后由于R-T 不稳定性以及东向电场的反向增强，赤道低纬地区电离层底部形成的等离子体泡在重力引起的电流和东向电场与磁场的作用下向上运动并向两极扩展沿磁力线排列产生的影响外，还有经向风的作用和影响.经向风在日落前由赤道方向反转吹向两极方向，日落后2 h 又重新吹向赤道方向并在22:00 LT 达到最大，所以笔者观测到了华南地区等离子体泡在22:00 LT 前绝大部分有向高纬漂移趋势，在22:00 LT 后也观测到了华南地区等离子体泡绝大部分有向低纬漂移的趋势.除此以外，还可能意味着除了赤道漂移过来的等离子体泡外，在赤道异常北驼峰区也产生了一些引起电离层闪烁的ESF 小尺度不规则体，这些不规则体在22:00 LT 后有从北驼峰向赤道漂移的趋势.

文中还有一个值得注意的现象就是TEC 增强.研究中发现了多次晚间TEC 增强现象，但其幅度大多增长较小(在5 TECU 以内).图7 指出这些TEC增强显然不是由于斜向距离变化或者等离子体密度随纬度正常变化所引起［10］，图7 同时指出晚间TEC增强发生在赤道异常北驼峰区，这和Chen 等［7-11］的观测结果一致.Le 等［6］提出，赤道区和等离子泡密切相关的极化电场的映射是引起局部等离子体密度增强的主因，当赤道区等离子泡上升到F 层顶部时，东向极化电场可以沿着电场线映射到较高纬度，能够达到赤道异常驼峰区.映射极化电场使得高密度等离子体上升，进而导致赤道异常区等离子体密度增强(TEC 增强).有研究指出TEC 增强和等离子体泡发生的季节变化特性相似［15］，通常发生在春秋分季节，而很少在夏季发生.

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