国际电离层模型磁暴模式的适用性分析

张 啸，闻德保，2，汤佳明

国际电离层模型磁暴模式的适用性分析

张 啸1，闻德保1，2，汤佳明1

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410004；2.中国科学院大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077)

针对IRI2012磁暴模式在中国大陆强太阳活动程度和磁扰条件下的适用性问题，利用该模型模拟了电离层TEC及自由电子密度在2003年8月磁暴发生前后的时空变化，并与GPS-TEC 、测高仪数据及GPS电离层层析重构结果作了比较，结果表明：IRI2012磁暴模式能够反映强太阳活动程度下TEC的分布特征，模拟精度可达±2.3 TECU～±7.4 TECU，并随纬度降低而变大，TEC周日峰值较实测数据提前2 h出现，TEC模拟值在白天偏高，在夜间则偏低；F2层自由电子密度模拟值在峰值密度和峰值高度上与武汉测高仪数据有较好的一致性，但在磁扰发生的条件下，IRI2012磁暴模式由于不能有效的反映电子密度剖面赤道异常区域的北向移动以及赤道异常核在纬度方向的收缩和在高度方向的扩展，使得TEC模拟精度也出现较大衰减，最大达±14.4 TECU。

IRI2012；磁暴模式；电离层；差异性

0 引言

国际电离层参考模型(the international reference ionosphere，IRI)是由空间研究委员会(the committee on space research，COSPAR)和国际无线电科学联合会(the international union of radio science，URSI)于二十世纪六十年代末共同建立的电离层经验模型，可计算距地面50～2000 km空间范围内电子密度、电子温度、离子构成、离子温度等电离层物理参量的月平均状态，目前已经更新到2012版本，并且包含磁暴模式。随着以无线电测量为主要手段的卫星导航、遥感、遥测的广泛应用，电离层时空物理特性对电离层延迟的建模和预测显得越来越重要，IRI作为主要电离层经验模型之一，汇集了全球数百个电离层观测站及卫星观测资料以及多个大气参数模型，反映了电离层在平均状态下的重要物理特征[1～3]。国内外学者针对IRI模型作了大量的工作[4～6]，IRI模型也被广泛应用于电离层研究当中，文献[7]利用IRI2007预测电子密度剖面，得出太阳活动高年和活动低年F2层峰值密度在白天和夜晚的高度范围；文献[8]利用非相干散射雷达观测数据同IRI2001进行比较，表明太阳活动低年IRI2001能较好的反映电离层电子密度随时间和高度的变化，而在太阳活动高年500 km以下总电子含量( total electron content，TEC)达到最高值以后IRI2001计算的电离层顶电子密度过大，使得TEC明显高于雷达数据；文献[9]比较了IRI、NeQuick和Klubchar三种电离层模式，认为三种模式均能较好的模拟出电离层TEC背景特征，而且在电离层延迟改正中IRI精度较其他两者高；文献[10]利用IRI2012，IRI plas计算了欧洲中纬度区域的垂直总电子含量(vertical total electron content，VTEC)并与由全球定位系统(global positioning system，GPS)获取的总电子含量(total electron content by GPS，GPS-TEC)作了比较分析；文献[11]利用IRI2007作为背景场，将单基站TEC地图精度在±0.25 个总电子含量单位(total electron content unit，TECU；相当于1016el/m2)范围内的比例提高到70%以上；文献[12]利用IRI2012模拟的电子密度作为初值，加快电离层层析迭代收敛速率，以拉布拉斯算子抑制结果对初值精度的依赖，实现了一种新的电离层层析算法。

鉴于IRI模型的研究和应用需求，本文针对IRI2012磁暴模式在中国区域强太阳活动程度和磁扰条件下的适用性问题，模拟了2003年8月磁暴中国区域及武汉上空的TEC分布、TEC周日变化及自由电子密度剖面，并与GPS电离层层析结果、GPS-TEC及测高仪观测的电子密度(Ionosondes -electron density，Ionosondes-Ne)作了对比，分析了IRI2012磁暴模式与电离层实况的差异特征，以期利用该差异探求一种以IRI模型为背景的电离层磁暴异常探测模式。

1 数据准备

本文所采用的数据为2003年8月磁暴期间电离层自由电子总含量以及电离层自由电子密度，主要包括：IRI模型计算的总电子含量(total electron content calculated by IRI，IRI-TEC)是IRI自由电子密度(electron density calculated by IRI，IRI-Ne)在垂直路径上的积分值，IRI2012自由电子密度在不同层别则通过不同的模型计算得到，本文中顶部电子浓度选用NeQuick模型，底部厚度参数选择B0ABT，F2层峰值模型选用CCIR，并且开启磁暴模式，此外，太阳和电离层指数(ig_rz.dat)、地磁场系数(dgrfyear.dat计算，igrfyear.dat预测)、F10.7(日平均、81日滑动平均、365日滑动平均)及地磁指数(apf107.dat)、F2层峰值模型系数(CCIR%%.ASC)均采取文件形式读入，并在igrf.for、irifun.for、irisub.for中修改相应文件存放路径。GPS-TEC由国际全球卫星导航系统服务组织(International GNSS Service，IGS)提供的TEC数据，非格网点采用二维双线性内插得到。

图1 2003年8月磁暴前后地磁扰动情况

电离层层析-电子密度(computerized ionospheric tomography-electron density，CIT-Ne)是基于中国陆态网GPS数据，利用组合电离层层析算法[13]计算得到的电离层自由电子密度。Ionosondes-Ne为电离层观测站数字测高仪数据。

2 IRI2012模拟数据与电离层实测数据的比较

2.1 磁暴前后电离层TEC的空间分布特征

图2为中国区域电离层IRI-TEC与GPS-TEC在磁暴前一天(17日)的分布图，其间F10.7日平均值达到122太阳通量单位(solar flux unit，sfu)，属于强太阳活动程度，IRI-TEC能较好的反映出TEC北半球赤道异常区域(20°N左右)的结构、大小和随太阳高度角变化的TEC峰值位置，以及中国区域TEC梯度南向逐渐增大的变化特性，但IRI-TEC整体上较GPS-TEC在白天时段偏高，在夜间时段则偏低。

由于赤道电急流的加剧，产生与地磁场相反的强电磁场，造成全球性地磁扰动，改变了赤道异常区域F2层自由电子的沉降位置，加之太阳高能离子流加热两极大气，形成赤道向中性风[14]，造成赤道异常区域南移或北移，在局部区域便体现为正相或负相暴[15]；18日的磁暴在中国区域是正相暴，赤道异常区域北移，中国中部南部GPS-TEC升高，梯度变大，北部中高纬区域GPS-TEC则呈现出负向扰动。而IRI-TEC除了在赤道异常区域较前日增大以外，未出现上述GPS-TEC的分布变化特征。

图2 地磁平静日IRI-TEC与GPS-TEC分布的比较

图3 磁暴日IRI-TEC与GPS-TEC分布的比较

2.2 IRI-TEC与GPS-TEC的周日变化差异

为比较IRI-TEC与GPS-TEC周日变化差异，本文选取中国区域相邻经度链上，纬度从高而低的北京、武汉、广州3个测站为研究对象，如图4(a)所示，在太阳活动程度较高但地磁较为平静的条件下，IRI-TEC能够反映电离层TEC周日变化趋势，但TEC峰值较GPS-TEC提前约2 h左右，且峰值大小在北京区域较GPS-TEC低，在武汉区域则与之相当，而在广州则偏高；IRI-TEC的模拟精度随着纬度降低而逐渐增大，依次为±2.3 TECU、±4.1 TECU、±7.4 TECU；如图4(b)，当磁暴发生，由于赤道异常区域北移，GPS-TEC急剧增大，峰值出现时间与IRI-TEC基本一致，但IRI-TEC的模拟精度也随磁暴发生而变低，分别为±9.3 TECU、±14.4 TECU、±8.1 TECU，基本失去了电离层TEC的预报功能。

图4 IRI-TEC与GPS-TEC的周日差异

2.3 IRI-Ne剖面与测高仪数据的比较

图5展示了武汉站电离层测高仪观测和IRI2012模拟的自由电子密度在白天(01 UT)和夜晚(13 UT)随高度变化的变化情况其中，UT为世界时(universal time)。在太阳活动程度较高但地磁平静的条件下，IRI2012模型白天F2层峰值密度约6.4×1011el/m3，峰值高度在250 km左右，与测高仪观测的结果有较好的一致性(如图5(a))；在夜晚IRI2012与测高仪在峰值高度上保持一致，在峰值密度上略有差异(如图5(b))，总体上能较为真实的反映电离层的电子密度变化。随着磁暴的爆发，IRI2012的F2层层顶计算模型数值偏低，且峰值高度在250 km左右，低于测高仪350 km的测量值(如图5(c))；在夜晚，虽然峰值高度与测高仪保持一致300 km左右(如图5(d))，但峰值密度明显小于测高仪观测值，这主要与IRI2012中F2层峰值高度模型和峰值密度模型相关。

图5 地磁平静和扰动条件下IRI-Ne剖面与测高仪数据的比较

2.4 IRI-Ne经度剖面与CIT-Ne的比较

图6展示了在地磁平静条件下，利用电离层层析组合算法得到的电子密度重构结果与IRI2012的模拟结果在114°经度链上的时序剖面图，从图6各子图可看出，IRI2012的模拟结果与GPS电离层层析得到的结果具有较好的一致性，赤道异常核01 UT开始高度为350 km，07 UT增加到400 km，13UT又降到350 km；从北纬10°到北纬50°的区域，赤道异常核的层顶具有明显的倾斜结构，且IRI-Ne较CIT-Ne要缓，这与所用的地磁模型有关。

图7展示的是磁扰条件下在114°经度链上电子密度的时序剖面图，由对应子图可知CIT-Ne相对于IRI-Ne有明显的异常特征，如图4(a)，赤道异常区域的倾斜结构被破坏，在北纬30°到40°之前开始向高低两处扩展，至07 UT(如图4(b))，赤道异常核收缩并向北移动到而北纬20°左右处，之后不断向高低两个方向延伸(如图4(c))，扩大到100～700 km的高度范围，这也说明了3.2中IRI-TEC的模拟精度在武汉区域最差的原因；然而IRI-Ne则与前一日并无明显差异。

图6 地磁平静日IRI电子密度剖面与GPS电离层层析的比较(1012 el/m3)

图7 地磁平静日IRI电子密度剖面与GPS电离层层析的比较(1011 el/m3)

3 结束语

利用IRI2012磁暴模式模拟了强太阳活动程度下，磁暴期间TEC及自由电子密度的分布和变化，通过与GPS-TEC、Ionosondes-Ne、CIT-Ne的对比分析，得出如下结论：

1)在地磁平静条件下，IRI2012能够反映强太阳活动程度下TEC分布随太阳高度角变化的变化特性及经向梯度变化特征，包括北半球赤道异常区域的位置和大小；在TEC峰值模拟计算上比GPS-TEC实测数据提前2 h，计算精度最高为±2.3 TECU，并随纬度的减小而降低至±7.4 TECU；模拟值在白天较GPS-TEC高，夜间则偏低；

2)IRI2012在 F2层峰值高度及峰值密度的模拟计算上与武汉测高仪数据具有较好的一致性，但在磁暴条件下，由于赤道异常区移动即正负向扰动的不确定性，IRI2012模式F2层顶模型不能很好的描述Ne白天在400～1 000 km的异常变化，夜晚F2层峰值高度与测高仪一致，但峰值密度偏低4.7×1011el/m3；

3)在自由电子密度剖面模拟方面，IRI2012能够反映强太阳活动程度下的自由电子密度的时序变化，磁暴时CIT-Ne赤道异常核的北向移动，纬度向收缩及高度方向的扩张则未能有效反映，造成IRI-TEC较大的精度衰减。

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The Applicability Analysis of International Reference Ionosphere in Storm Mode

ZHANGXiao1，WENDe-Bao1，2，TANGJia-Ming1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology， Changsha 410004，China；2.State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics，Chinese Academy of Science，Wuhan 430077，China)

For the applicability over China of IRI2012(the international reference ionosphere )in storm mode with strong solar activity or magnetic disturbance，the model is used to simulate the temporal and spatial variation of the ionospheric TEC(total electron content) and free electron density during magnetic storms in August 2003，and compared with the GPS-TEC，ionosondes data and reconstruction of ionospheric electron density by CIT(computerized ionospheric tomograph)，the results showed that：IRI2012 in storm mode can reflect the distribution of TEC over China with strong solar activity，the simulation accuracy is up to ± 2.3 TECU ～ ± 7.4 TECU increasing with latitude decline.In addition，TEC analog values is higher in daytime and lower at night compared with the measured data，its diurnal peak appears two hours earlier than GPS-TEC.The simulation of peak density and peak height of electron density in F2 layer is in well agreement with the ionosondes in Wuhan，but in the condition that magnetic disturbance occurs，the analog values of electron density profiles by IRI2012 in storm mode are unable to effectively reflect such changes of the area of equatorial anomaly that integral movement toward the north，contraction of nuclear in the latitude direction and expansion in the height direction，as a result the simulation accuracy of TEC make larger attenuation over this region，which is up to ± 14.4 TECU.

IRI2012；Storm mode；Ionosphere；Difference

张啸，闻德保，汤佳明.国际电离层模型磁暴模式的适用性分析[J].导航定位学报,2015,3(3):89-94.ZHANG Xiao，WEN De-Bao，TANG Jia-Ming.The Applicability Analysis of International Reference Ionosphere in Storm Mode[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(3):89-94.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150318.

2015-05-18

国家自然科学基金(41174001)；湖南省杰出青年基金(14JJ1021)；教育部科学技术类项目(213028A)；湖南省教育厅重点项目(12A002)；湖南省研究生科研创新基金资助(CX2015B350)。

张啸(1989—)，男(苗族)，贵州安顺人，硕士生，主要从事电离层层析成像与电离层天气的研究。

闻德保(1974—)，河南光山人，教授，博士，主要从事电离层层析成像、GNSS气象学和无线电掩星技术等方面的研究。

P228

A

2095-4999(2015)-03-0089-06