综合多种方法分析中国区域TEC时空变化特征*
2014-09-20吴风波吴仁攀任晓东
吴风波 吴仁攀 任晓东
(武汉大学测绘学院,武汉 430079)
综合多种方法分析中国区域TEC时空变化特征*
吴风波 吴仁攀 任晓东
(武汉大学测绘学院,武汉 430079)
基于时序分析、频谱分析和小波分解方法,利用1999~2013年IGS全球电离层格网数据,对中国区域TEC年际变化、季节变化、日变化及空间分布特性进行研究。结果显示,TEC随空间分布白天差异大而夜间较小;总体上在低纬地区高于中纬地区,在冬季存在异常;一天中,其峰值一般出现在LT12:00~16:00,谷值在LT04:00~06:00,其中峰值时刻随纬度的增大而向前推移;平静期TEC在春季出现一年中的峰值,而活跃期则在秋季;TEC存在明显的183 d的半年周期。另外,中国区域除2001年外不存在“冬季异常”现象。
IGS;TEC;时空变化;频谱分析;冬季异常
电离层总电子含量(TEC)是重要的电离层特征参数之一,通过分析TEC参量,可以研究不同时空尺度的电离层物理过程[1]。国内外学者对电离层TEC时空分布规律作了大量研究[2-19]。已有的对中国区域的TEC时空特性研究都只是运用时序分析法,方法有其局限性,难以提取隐含信息,而且单一方法所得结论没有有效的印证方式。基于此,本文利用CODE提供的1999~2013年TEC资料,综合多种方法分析中国区域的长周期电离层时空变化特征。
1 数据来源和分析方法
CODE每天公布一次全球电离层图GIM。其全球电离层图最终产品精度约为2~8 TECu,间隔2 h。为了更加细致合理地分析各个时刻的TEC变化特征,本文采用11阶拉格朗日内插法对IGS数据进行内插,得到地方时(LT)0:00~23:00的TEC值。
在对中国区域TEC经向变化规律进行时序分析时,引入一阶差分的方法,即以相邻经线、相同纬度格网点TEC值之差作为该格网点对经度的微分,如式(1)所示。依次类推,求取不同经度格点处经向微分值来详细分析TEC经向变化规律。
式中,dLi表示格网点CNLi处TEC值对经度的微分;TECCNLi表示格网点CNLi处TEC值;LonCNLi表示格网点CNLi经度。
本文利用多种方法进行分析。除了常规的时序分析外,还运用到频谱分析和小波分解方法。在研究TEC时序变化特性时,同时采用傅里叶变换提取周期信息。其中,连续傅里叶变化公式如下:
式中,f(t)为连续时间序列,F(ω)为功率谱,ω为频率。
使用快速离散傅里叶变换(FFT)对TEC时间序列进行频谱分析。通过傅里叶变换可以得到TEC时间序列的频谱函数,进一步可获得周期谱函数。
在空间特征分析时,选取 15°~55°N、70°~135°E之间的区域(间隔5°选取节点),整个区域共126个节点。在研究TEC纬向变化特性时,将数据按经度优先排列,形成空间序列值,从序号1到126依次为(15°N,70°E)、(15°N,75°E)、(15°N,80°E)、(15°N,85°E)…(15°N,135°E)、(20°N,70°E)、…在分析经向空间变化特性时,则以纬度优先进行排列。对空间序列值进行4层db5小波分解,提取低频a4分量和高频d1分量,用以分析TEC空间分布特性。
2 中国区域TEC空间变化特性分析
2.1 中国区域单日TEC空间分布特征
从短时间尺度研究中国区域TEC空间分布特征时,无法全部展示1999~2013单日TEC空间分布特征。在对大量太阳活动和地磁环境平静日的TEC进行统计分析的基础上,以地磁环境和太阳活动相对稳定、没有发生任何磁暴或太阳耀斑事件(2012-06-22)的TEC空间分布特征为例。
图1绘出间隔4 h的全天电离层电子总含量时序等值线图。由图可见,中国区域单日TEC分布特性:夜间(UTC16、UTC20)差异不大,西部略高于东部;白天(UTC04、UTC08、UTC12)呈现出明显的南高北低特征;而凌晨(UTC00)则明显西低东高,这是由于此时东部位于太阳照射下,而西部尚未天明。
2.2 中国区域电离层TEC经向变化规律
在进行TEC经向变化规律分析时,按经度由西向东依次选取30°N的8个格网点 CNL1(85°E)、CNL2(90°E)、…、CNL8(120°E)。对 2009-03 ~ 06全部数据进行时序分析。由公式(1),依次计算dL1、dL2、…、dL7。进一步分析这些格网点24个时刻的年变化。限于篇幅,笔者只展示CNL1的12个时刻年变化如图2。图中,蓝线表示格网点TEC微分,红线表示时段内微分均值。由图可见,各时刻微分都呈现出一种随机分布的规律,其均值随时间存在变化,但变化不大。这说明中国区域TEC经向之间存在一个系统偏差加上随机变化。虽然经度不同,TEC的绝对值变化不同,但相对变化是一致的,即中国区域TEC绝对值随经向存在差异,且不可忽略,尤其是白天时段。
为了印证所得结论,在时序分析的同时,利用小波分解分析中国区域TEC的经向分布特性。选取2012年春分、夏至、冬至(年积日 080、174、267)3 d UTC10:00的TEC数据进行db5四层小波分解。图3展示了春分日小波分解的低频a4分量和高频d1分量。图中,a4反映电离层TEC变化的平缓部分在空间上随经度变化逐渐减小;高频d1存在明显的周期性,约为9,正好是经度节点处。这说明,经度的跳跃对TEC值产生较大影响,反映了中国区域TEC值在东西部存在较大差异。综合两种方法可以确定,中国区域TEC绝对值随经向存在系统性变化。
2.3 中国区域TEC随纬度变化规律
选取115°E,纬度依次 15°N、17.5°N、20°N、…、50°N共15个格点。顾及到TEC随纬度变化可能受季节影响,选取2009-03~2010-02的TEC数据分别计算季节均值,并绘出等值线图。由图4可见,在夏季和春秋季,TEC值随纬度变化规律一致:各个时刻的TEC随纬度的增高而减小,只是在20°N以下,0:00到8:00之间纬度越低值越低;冬季存在异常现象:17.5°N 处 TEC 出现谷值,22.5°~35°N 之间以及42.5°N左右出现峰值。这一现象说明,在中国区域TEC建模时不能单纯地认为TEC随纬度的变化是单调的,在冬季,TEC随纬度的变化远比单调变化要复杂。利用小波分解方法分析高频d1和低频a4分量(图5)表明,随着纬度增加,TEC逐渐减小,其变化幅度也逐渐减小,这与时序分析结果一致。
图1 中国区域全天电离层TEC时序等值线图Fig.1 Sequential contour maps of whole day ionosphere TEC(2012-6-22)
图2 格网点CNL1对经度方向微分年变化图Fig.2 Annual variation of the differential of Grid point CNL1in longitude direction
图3 经向空间序列db5小波分解图Fig.3 db5 wavelet decomposition of the longitudinal spatial sequence
3 中国区域TEC时间变化特性分析
3.1 TEC日均值年际变化规律
对1999-01-01~2013-08-30数据取日均值,分析TEC年际变化规律。选取中国区域4个典型测站 BJFS(39.6°N,115.88°E)、XIAM(24.43°N,118.07°E)、LHAS(29.65°N,91.1°E)、URUM(43.81°N,87.61°E)展示。
图4 3个季节TEC值随纬度变化等值线图Fig.4 Typical contour plots of the latitudinal variations of TEC in three seasons
图5 纬向空间序列db5小波分解图Fig.5 db5 wavelet decomposition of the latitudinal spatial sequence
由图6可知:1)电离层TEC的年际变化具有明显周期,而且与太阳活动有着很强的一致性,这与目前结论一致[17];2)电离层TEC值在太阳活动高年(2000~2002、2011~2013)明显高于太阳活动低年,电离层受太阳活动和强烈地磁活动影响;3)位于低纬的XIAM、LHAS的TEC明显大于中纬度的URUM、BJFS站,而位于同一纬度区域的两站虽然经度不同,但TEC没有明显的差异,这一规律在太阳活动高年更为明显。
3.2 中国区域TEC季节变化规律
选取BJFS站2006~2008年电离层平静期以及2010~2012年电离层活跃年数据绘制时序图(图7)。可以看出,BJFS站不论是在电离层平静期还是活跃期,都存在明显的季节变化特性:一年中的春秋季达到峰值,夏冬季达到谷值,夏季比冬季高。在电离层活跃期,一年中的秋季峰值高于春季峰值,而平静期则相反,这说明一年中峰值的季节不是固定不变的。另外,这6 a夏季峰值都要高于冬季峰值,说明中国区域不存在冬季异常。再看图6,除2001年存在冬季异常外,其余13 a都是冬季峰值低于夏季峰值,说明中国区域基本不存在“冬季异常”现象。
图6 1999~2013年不同中国GPS观测站日均TEC变化曲线Fig.6 Variation curve of day-mean TEC in different GPS stations during 1999-2013
图7 BJFS站电离层活跃期(黑线)和平静期(红线)各3 a时序图Fig.7 Temporal diagram of TEC druring Ionospheric active period(black)and quiet period(red)in BJFS in three years
为了捕获隐含的周期信息,对上述平静期和活跃期序列分别进行频谱分析。如图8,不论是平静期还是活跃期,中国区域都存在183 d的半年变化周期,这是由于地球公转引起季节效应,在春秋和夏冬间周期性变化。TEC具有周日特性,而且周日变化具有全年性行为,是由于地球自转引起不同时刻的太阳辐射不同,导致电离层活动周期性涨落。
按纬度由低到高依次选取4个格网点CN1、CN2、CN4、CN6,并计算其 2009-03 ~2010-06 每月日变化均值,见图9。可见,中国区域低纬和中纬月变化规律大体一致,且呈现明显的半年度变化规律。在春季3、4月,TEC 值出现峰值;在夏季 5、6、7、8月,TEC值下降;而在秋季9、10月,TEC值再度达到峰值;在冬季 11、12、1、2月,TEC 值下降。在一年中,TEC值峰值出现在春秋季,其中春季的峰值明显高于秋季,这是因为所选时段正好大部分处于电离层平静期,与前述时序分析一致。对比图9(a)、(b)、(c)、(d)可以看出,高纬TEC值明显小于低纬,其日变化幅度远比低纬平缓。这与之前结论基本一致。
3.3 中国区域TEC的日变化
选取115°E 的 CN1(15°N)、CN2(20°N)、…、CN8(50°N)8个点进行TEC日变化分析。选取春夏冬3个典型平静月份2009年3、5、12月,绘制整月的日变化图。图10展示了CN1、CN4、CN7的日变化图。图中,细蓝线表示当月每天TEC的日变化图,红色粗线表示当月各时刻均值的日变化图。
图10~12显示的TEC值日变化规律基本一致:白天值要大于其他时段,而且变化比较剧烈。在白天达到峰值后一直下降,变化相对比较平缓,直到早晨达到谷值。一般在接近峰值时变化最剧烈,振幅较大。在12:00~16:00之间达到峰值,4:00~6:00之间达到谷值。但是单独分析3图可以发现,随着季节的变化、纬度的不同,TEC的变化有着一定差异。
图8 电离层活跃期(上图)和平静期(下图)TEC时序傅里叶分解周期谱图Fig.8 Cycle-Spectrum diagrams druring Ionospheric active period(left)and quiet period(right)of temporal Fourier decomposition of TEC
图9 4个测站TEC月均值的日变化等值线图Fig.9 Contour plots of the monthly average value diurnal variation of TEC
图10 2009年3月3个格网点日变化Fig.10 Diurnal variation of TEC of three grid points in March 2009
图11 2009-05 3个格网点日变化Fig.11 Diurnal variation of TEC of three grid points in May 2009
横向比较图中不同纬度TEC最大值出现的时刻,不论在哪个季节,随着纬度的增大,TEC峰值时刻向前推移,而谷值时刻则相对稳定。纵向对比相同纬度不同季节极值出现的时刻可明显发现,在春秋季,TEC峰值时刻最晚,夏季次之,冬季最早;而谷值时刻与季节无明显关系。
此外,图中反映出格网点各天之间同一时刻的TEC存在明显差值,尤其是白天差别较大,在进行TEC建模和预测时需要足够重视。
4 结论
1)TEC随经向存在系统性变化,尤其是白天时段。随着纬度的增高,TEC显著减小。不过,在20°N以下,0:00~8:00之间,纬度越低,TEC值也越低。然而冬季存在异常现象,TEC随纬度的变化远比单调变化要复杂。在建立中国区域TEC模型时,应该充分考虑到TEC空间变化的复杂性。
2)单日TEC分布特性,在空间上夜间分布无明显差别;白天TEC在低纬更大,东西部差异不明显;凌晨TEC与纬度关系不大,明显西低东高。时间变化上,白天的TEC值更大,且变化比较剧烈。在白天达到峰值后一直下降,变化相对比较平缓,直到早晨达到谷值。一般在接近峰值时变化最剧烈,振幅较大。另外,不同季节的TEC峰值时刻不同,但都随着纬度增大向前推移,这一规律可为修正以峰值时刻为固定的K8模型提供一定参考。
3)电离层平静年份,TEC在春季达到一年中的峰值,活跃期则是秋季出现峰值;TEC存在明显的183 d的半年变化。另外,中国区域不存在冬季异常现象。
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ANALYSIS OF TEMPORAL-SPATIAL VARIATIONS OF TEC IN CHINA WITH SEVERAL METHODS
Wu Fengbo,Wu Renpan and Ren Xiaodong
(School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430079)
The interannual variation,seasonal variation,diurnal variation and spatial distribution characteristics of TEC in China are investigated with time series analysis,spectrum analysis and wavelet decomposition using the global ionospheric grid data provided by IGS from 1999 to 2013.The main features are as the followings:TEC varies greatly in the daytime while slightly in the night with the spatial distribution;overall,the TEC value in the low latitude area is higher than that in the mid latitude.In the winter,TEC value in the low latitude is lower than that in the mid-latitude.Within a day,peak value appears during LT 12:00-16:00 and valley appears during LT4:00-6:00.In the periods,the peak time moves forward with the increase of latitude.This rule may provide certain reference to modify K8 model which set peak time as fixed.The spring is quiet period,in which TEC reaches its maximum value of a year,and the autumn is active period.TEC has obvious semiannual period of about 183 days.In addition,the analysis of long time sequence shows that winter anomaly does not exist in China,except in 2001.
IGS;TEC;temporal-spatial variations;spectrum analysis;winter anomaly
P228.42
A
1671-5942(2014)05-0075-07
2013-11-01
中央高校基本科研业务费专项资金项目。
吴风波,男,1992年生,硕士生,主要研究GNSS精密定位及GNSS地学应用。E-mail:13212746680@163.com。