南极长城站周边地区电离层TEC变化特性

邓忠新 冯健,2 甄卫民 胡红桥 欧明 刘钝

(1.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107; 2.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071; 3.中国极地研究中心,上海 200136)



南极长城站周边地区电离层TEC变化特性

邓忠新1冯健1,2甄卫民1胡红桥3欧明1刘钝1

(1.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107; 2.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071; 3.中国极地研究中心,上海 200136)

电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)是描述电离层电波环境特性的重要参量. 利用GPS观测数据分析讨论了南极长城站周边电离层TEC环境的规则和扰动变化,结果表明:电离层TEC具有明显的威德尔海异常特征,夏季夜侧要高于日侧,其极大值出现在地方时5 h前后,而冬季和分季则以地方时11 h前后为极大;电离层TEC负相暴在地方时12 h前后发生率极低,表现出所谓的“禁时效应”;电离层TEC暴事件发生率随太阳活动性的增强而升高,且其在夏季为极小,两分季为极大;高达94.8%的电离层TEC暴事件发生伴随有较强的极光电集流AE(Auroral Electrojet)指数扰动,这预示着该地区电离层TEC暴变事件与极光亚暴活动有着很强的相关性.

长城站； 电离层;总电子含量;电离层暴;极光亚暴

引 言

电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的时空变化对卫星导航定位、地空无线电通信等系统电波信号传播有着重要影响[1-4],特别是对于穿越电离层的电波信号,电离层引起的电波传播效应直接正比于TEC的数值,显然,电离层TEC是表征电波传播特性的最重要的环境参数之一.

长城站周边不仅处于大西洋和太平洋连接区,还位于南大西洋异常区和中纬槽区,其电离层环境有着独特的异常变化,称之为威德尔海异常,通常解释为太阳极紫外辐射和热层中性风共同作用的结果.南极长城站自1985年建立以来,为我国极地科学考察研究发挥了重要作用. 基于电离层测高仪观测资料,20世纪90年代早期,我国在长城站电离层变化特性研究方面取得了一些重要成果[5-7],甄卫民[7]还讨论了磁暴期间,中性风对长城站电离层扰动变化的影响.

随着卫星探测技术发展和观测资料的积累,电离层威德尔海异常研究在近年来又取得了一些新进展. Horvath[8]和Jee[9]分别利用TOPEX卫星探测数据分析了威德尔海异常特征,探讨了相关异常现象的来源. He[10]基于COSMIC卫星观测资料,分析了F2层峰值电子浓度(NmF2)和高度(hmF2)的威德尔海异常变化. 特别是以GPS为代表的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems, GNSS)在电离层科学研究上的广泛应用,因其提取的电离层TEC具有更高的测量精度和时空分辨率,使得TEC已成为电离层天气研究的有力工具和关键参量[11-16]. 国际全球导航卫星系统服务(International GNSS Service,IGS)组织整合了全球分布的GNSS跟踪站数据资源,这为以TEC为主要考察对象的电离层天气研究提供了便利.

本文基于长城站周边两个IGS站连续四年的观测数据,详细分析了电离层TEC的规则和扰动变化特征,并着重探讨了TEC暴这种剧烈电离层扰动现象的有关特性.

1 数据和分析方法

地面GPS双频接收机在每一时间历元能接收到多颗卫星发射的双频相干信号,可以提取电离层TEC信息,为了减少低仰角带来的电离层TEC测量误差,设定的卫星观测截至仰角为30°.采用载波平滑码伪距方法计算出每一时间历元每一卫星信号传播路径上的电离层斜向TEC(sTEC);依据电离层薄壳模型,取电离层电子密度质心高度为400 km,将sTEC转换为穿刺点的电离层垂直TEC(vTEC);对每5 min时间间隔内的所有穿刺点vTEC,采用Kriging方法拟合出观测站上空每5 min的vTEC数据;最后,将每15 min时间间隔内的3个5 min的vTEC进行算术平均. 电离层TEC的单位为TECu (1TECu=1016m-2).

按照上述方法,对处于南极长城站(62.22°S,58.96°W)周边的OHI2和PALM两个GPS观测站数据进行分析处理,得到了各观测站的电离层vTEC数据. 两个观测站地理位置及数据情况如表1所示,在400 km电离层高度上,两站间大圆距离约为360 km,而这两站与长城站之间的大圆距离分别约为140 km和400 km.

表1 GPS观测站位置及数据情况

为了方便描述电离层TEC扰动行为,引入电离层TEC扰动指数DI(t).它为观测值TEC(t)偏离背景值TECm(t)的相对值,如式(1)所示.

(1)

式中: dX(t)表示某观测时刻t的电离层TEC扰动指数DI(t);X0(t)为对应时刻t电离层vTEC的观测值；Xm(t)为观测日前后各13天对应时刻t电离层vTEC的27天滑动中值,它代表该时刻电离层vTEC的背景值[16].

2 结果与讨论

2.1 TEC规则变化

图1为OHI2和PALM两站电离层TEC随日期和地方时的变化图.从图中可以看出,尽管两站具有一定的空间距离,但其电离层TEC变化趋势极为相似,表明两站之间具有很好的空间相关性,而且有着下列明显特征: 1) 电离层TEC随太阳活动性增强而增大,在太阳活动性高的年份(如2012年和2013年)明显要高于太阳活动性相对较低的年份(如2010年和2011年); 2) 电离层TEC随季节具有周期性变化,在南半球夏季月份(如12月)要高于冬季月份(如7月).为了更好地考察电离层TEC规则变化,图2给出了两站的TEC月中值随日期和地方时的变化图. 可以看出月中值具有下列显著特征: 1) 存在年度变化,夏季月要明显高于冬季月; 2) 存在日变化,在地方时5 h前后出现最大峰值; 3) 在地方时11 h前后对应于两分季出现两个相对变弱的峰值.

图1 电离层TEC随日期和地方时变化

图2 电离层TEC月中值随日期和地方时变化

表2给出了OHI2和PALM两站电离层TEC在太阳活动性较低的2010年和太阳活动高年的2013年不同季节的上下四分值随地方时的变化情况,表中U、L分别表示上下四分值,而S、W、E分别代表夏季(11、12、1和2月)、冬季(5、6、7和8月)和分季(3、4、9和10月),US则表示夏季上四分值,U/L则表示对应季节的上下四分值的平均比率.从表中可以看出:1) 无论是2010年还是2013年,对应时段的夏季TEC值最大,分季次之,冬季最小;2) 在夏季,其日侧的TEC值要小于夜侧,且以地方时5 h前后为最大,而冬季和分季的TEC值却与夏季相反,其最大值出现在地方时正午前后时段. 而从上下四分值的日平均值变化来看,两站也呈现出极为相似的特征:1) 对应于不同季节,两站几乎相等,且随太阳活动性增强而增大; 2) 上下四分值的平均比率在1.20～1.38之间变化,以夏季为小,冬季和分季为大,且随太阳活动性的增强,其相应比率也略有提升.

表2 电离层TEC的上下四分值变化

2.2 TEC扰动变化

通常假定电离层大约有10%时段处于所谓的扰动状态,因此,可以通过分析DI指数的上下5%值的变化来考察电离层TEC的扰动变化情况. 表3给出了OHI2和PALM两站在2010～2013年的DI指数上下5%值随地方时变化的统计结果,可以看出两站的变化也近乎相同: 1) 不同太阳活动年份,其上5%值在0.26～0.36之间变化,下5%值在-0.22～-0.30之间变化,且随太阳活动性的增强其值也相应增大(四年中以2012年太阳活动性为最强,2010年为最弱); 2) 对四年取平均,其上5%值约为0.31,下5%值约为-0.26.

表3 DI指数上下5%值变化

电离层暴是一种强烈的电离层扰动现象,它具有剧烈的扰动幅度和较长的扰动持续时间. 基于上述对DI指数上下5%值的分析,建议以连续6 h及以上时间的DI>0.3(或者DI≤-0.25),且期间不满足该值的连续时间小于2 h来界定该地区的正(负)相电离层TEC暴事件. 根据上述判据,对OHI2和PALM两站连续四年的DI指数变化进行统计,对应上述两站分别提取了182次和203次电离层TEC暴事件,前者正负相暴事件分别为90次和92次,后者则分别为98次和105次. 对所提取的电离层TEC暴事件按其发生时间所在的地方时、年份和月份分别进行统计,其结果如图3所示.

图3给出的是两站各类情形下发生的事件数与事件总数的百分比.可以看出: 1) 图3(a)和图3(b)表明正相暴在不同地方时均有发生,而负相暴在夜侧时段的发生率占优,且在日侧的地方时12 h前后发生率很少,存在所谓的发生负相暴事件的“禁时效应”. 2) 图3(c)表明电离层TEC暴事件发生率随太阳活动性的增强而增多,以2012年为最多,2010年为最少. 3) 图3(d)表明电离层TEC暴事件在夏季的发生率相对较少,以12月和1月的发生率为最少,而在两分季前后发生概率较大,上半年以4、5月为多,下半年以9、10月份为多.

图3 不同地方时、年份和季节的TEC暴事件发生率

2.3 讨论

长城站周边OHI2和PALM两站处于南大西洋地磁异常区和亚极光区,宗秋刚[17]曾对南极地区极光粒子沉降进行了分析,表明长城站周边也是弥散极光发生区域. 在此,针对两站电离层TEC暴事件,分析其与表征极光亚暴活动的极光电集流AE指数和表征地磁暴活动的SYM指数H分量(SYMH)的相关性. 按电离层TEC暴事件发生前72 h、48 h和24 h至暴变事件结束三种不同时间间隔的AE指数和SYMH指数的活动情形分别进行统计. 同时,针对极光亚暴和地磁暴的活动强弱,将上述三个时间间隔的最大AE指数Max(AE)和最小SYMH指数Min(SYMH)分别按三类活动等级进行统计,结果如表4所示.

上述结果表明: 1) 如果以Max(AE)>200 nT来界定具有明显的极光亚暴活动,在上述三个时间间隔内伴随电离层TEC暴事件发生有极光亚暴活动的事件数OHI2站分别为180次、172和156次,占182次总事件数的百分比分别约为98.9%、94.5%和85.7%;而PALM站分别为201次、193次和176次,占203次总事件数的百分比分别约为99.0%、95.1%和86.7%. 对应三个时间间隔的两站平均值分别为99.0%、94.8%和86.2%. 2) 如果以Min(SYMH) <-30nT来界定具有明显的地磁暴活动,在上述三个时间间隔内伴随电离层TEC暴事件发生有地磁暴活动的事件数OHI2站分别为124次、79次和53次,占182次总事件数的百分比分别约为68.1%、43.4%和29.1%;而PALM站分别为136次、94次和66次,占203次总事件数的百分比分别约为67.0%和46.3%和32.5%. 对应三个时间间隔的两站平均值分别为67.6%、44.9%和30.8%.

从上述结果进一步可以看出: 1) 若以前48 h这个时间间隔作为考察时间标准,两站电离层TEC暴事件与有明显极光亚暴活动(Max(AE)>200 nT)的百分比平均值高达94.8%;而与明显地磁暴活动(Min(SYMH)<-30 nT)的百分比平均值仅有44.9%,这预示着电离层TEC暴事件与极光亚暴活动具有很强的相关性,且其要远强于地磁暴活动. 2) 比较两站电离层TEC暴事件与极光亚暴活动相关性,可以看出PALM站要略高于OHI2站,尤其是在Max(AE)处于200～500 nT区间的较弱极光亚暴活动,在三个时间间隔前者的百分比率均要高于后者,这可能与PALM站的地磁纬度要更靠近极光椭圆,极光亚暴活动期间极光椭圆向低纬度区扩展时,PALM站较OHI2站更易处于极光粒子沉降区. 3) 从三个不同时间间隔电离层TEC暴事件对极光亚暴活动和地磁暴活动的响应来看,伴随极光亚暴活动对应三个时间间隔的百分比率从约99.0%下降到86.2%左右,百分比率的降幅仅为13%左右,而伴随地磁暴活动的百分比率从约67.6%下降到30.8%,其降幅超过了50%,这表明该地区TEC暴事件对极光亚暴活动响应延迟时间要远小于对地磁暴活动.

表4 TEC暴事件与AE和SYMH指数活动的相关性

3 结 论

利用OHI2和PALM两站电离层TEC观测数据,分析南极长城站周边地区电离层TEC的变化特征,包括其规则变化和扰动变化,并分析讨论了该区域电离层TEC暴事件与极光亚暴活动和地磁暴活动的相关性,主要结果总结如下:

1) 尽管OHI2和PALM两站有着一定的空间距离,但电离层TEC变化的特征极为相似,表明两站电离层TEC具有很好的空间相关性.

2) 电离层TEC具有明显的夏季异常变化特征,其夏季夜侧要高于日侧,且夏季TEC最大值出现在地方时5 h前后,而冬季和分季的最大值在地方时11 h前后.

3) 电离层TEC具有年变化,且随太阳活动性的增强而增大. 夜侧以夏季为高,冬季为低;日侧正午前后呈现出双峰结构,分别对应于两分季.

4) 在地方时12 h前后电离层TEC负暴发生率很低,存在所谓的负相暴事件“禁时效应”;电离层TEC暴事件发生率随太阳活动性的增强而升高,且暴变事件发生率以夏季为低,两分季前后为高.

5) 高达94.8%的电离层TEC暴事件发生,往往伴有较强的极光电集流AE指数扰动,表明其与极光亚暴活动有着很强的相关性.

致谢:本文作者感谢ftp://ics.gnsslab.cn提供的GPS观测数据.

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Variations of ionospheric TEC surrounding Great Wall Station, Antarctica

DENG Zhongxin1FENG Jian1,2ZHEN Weiming1HU Hongqiao3OU Ming1LIU Dun1

(1.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagationNationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,Qingdao266107,China; 2.SchoolofPhysicsandOptoelectronicengineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China;3.PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China)

Total electron content (TEC) is an important characteristic parameter for ionospheric radiowave environment. The variations of ionospheric TEC are investigated by using GPS data observed from the surrounding of the Great Wall Station, Antarctica. Results show that the Weddell Sea Anomaly (WSA) can be observed which the TEC value is higher on nightside than dayside in summer. And the maximum values of TEC appears at 5 h LT in summer and at 11 h LT in winter and equinoxes. The silent effect of negative storm is revealed for its rare occurrence around 12 h LT. The occurring rate of TEC storm becomes higher with the rise of solar activities, and it is minimum in summer and is maximum in equinoxes. Up to 94.8% of TEC storm events are accompany with the intense disturbances of AE index, and it suggests the relativity is very strong between the auroral substorm and the TEC storm.

Great Wall Station; ionosphere; total electron content; ionospheric storm; auroral substorm

10.13443/j.cjors. 2014111201

2014-11-12

P352

A

1005-0388(2015)05-0951-08

邓忠新 (1971-),男,湖南人,博士,中国电波传播研究所高级工程师,主要从事电离层物理及电波传播应用方面的研究.

冯健 (1981-),男,山东人,高级工程师,西安电子科技大学在读博士生,主要从事电离层物理及电波传播应用方面的研究.

甄卫民 (1963-),男,河北人,中国电波传播研究所研究员,博士生导师. 现任中国GPS协会理事,中国空间学会空间物理专业委员会委员,《全球定位系统》杂志编委等主要从事空间环境、电磁环境和卫星导航领域的研究.

胡红桥 (1967-),男,湖北人,中国极地研究中心研究员,博士生导师主要从事极区电离层物理研究.

邓忠新,冯健,甄卫民,等. 南极长城站周边地区电离层TEC变化特性[J]. 电波科学学报,2015,30(5):951-958.

DENG Zhongxin, FENG Jian, ZHEN Weimin, et al. Variations of ionospheric TEC surrounding Great Wall Station, Antarctica [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):951-958. (in Chinese). doi:10.13443/j.cjors. 2014111201

联系人： 邓忠新 E-mail: dengzx2@163.com