GPS-CHAMP掩星探测的ES层不规则结构经度变化规律(2001—2008)

廖孙旻，徐继生，程洁

武汉大学电子信息学院，武汉　430072



GPS-CHAMP掩星探测的ES层不规则结构经度变化规律(2001—2008)

廖孙旻，徐继生*，程洁

武汉大学电子信息学院，武汉430072

本文利用GPS-CHAMP高分辨率的掩星探测数据，考察了ES层不规则结构随地理经度和随季节、倾角磁纬与太阳活动的变化特征.研究发现，ES层不规则结构的经度变化以波数1～5分量为主，呈现出多重波数特征.在低纬度带存在显著的波数4分量，其幅度存在季节依赖，在夏季和秋季明显高于春季和冬季.ES层不规则结构出现率随倾角磁纬的变化表现为赤道区和中纬度区较低，低纬区和极区较高.ES层不规则结构出现率的季节变化和年均值的逐年变化表现为夏季出现最频繁，秋季次之，冬春季最弱，随太阳活动水平的减弱而降低.

ES层；闪烁；不规则结构；经度变化；GPS-CHAMP掩星

For our purpose to get the longitudinal variation of irregularities,the data from GPS-CHAMP radio occultation was binned for every 10° in longitude into 36 geographical longitude bins.The bins are all 30° wide in zonal and 5° wide in meridional.To get the dip latitudinal variation,the data was binned for every 1° in dip latitude into 171 dip latitude bins (85°S to 85°N)which are all 10° wide in meridional.Then we calculated the occurrence rates of ESlayer irregularities in each bin which were defined as the ratio of the number of occultation events occurring scintillation to the total number of all occultation events in the same bin.The method of Fourier analysis was applied to decompose them to extract the different order harmonic waves especially the WN-4.To examine the seasonal dependence of the longitudinal variations,each year was divided into four seasons.The periods during one and half month before and after the vernal equinox,the summer solstice,the autumn equinox and the winter solstice are defined as spring,summer,autumn and winter,respectively.

By using the data from GPS-CHAMP radio occultation and the Fourier series decomposition technology,we quantitatively investigated the feature of the wavelike fluctuation in longitudinal structure of occurrence rates of irregularities in the ESlayer and their dependence on the season,dip latitude and solar activity.The main results can be drawn as follows:(1)Longitudinal structures of irregularities in the ESlayer mainly contain the WN-1 to WN-5 components in addition to the WN-0 component (longitudinal average value),indicating that the longitudinal variations of irregularities in the ESlayer has the feature of multiple wave-numbers.(2)Wave components in different latitude and different season exhibit notable difference,WN-4 components are most obvious in the EIA peak region and occur most frequently in summer and autumn.(3)Occurrence rates of irregularities in the ESlayer vary with the dip latitude.In dip equator region and mid-latitude region,the rates are lower than those in the EIA peak region and the aurora region.(4)Occurrence rates of irregularities in the ESlayer show a strong seasonal dependence.The rates are the highest in summer,then in autumn,and the lowest in winter and spring.(5)Occurrence rates also exhibit inter-annual variation,which reduces with the decrease of solar activity.

Fourier series decomposition analysis was used to investigate the longitudinal structure which provides new understanding of the longitudinal variations of irregularities causing scintillation in the ESlayer.It is found that there exists the structure with seasonal dependent multiple wave numbers in the longitudinal variations of the occurrence rates of the ESlayer irregularities causing scintillation.The amplitude of WN-4 component is most intense in the EIA peak region.The results can provide insights into the understanding of the generation mechanism of longitudinal structure of the ESlayer irregularities and the coupling process between the lower atmosphere and the ionosphere.

1　引言

传播介质的折射效应使得穿过大气层和电离层的无线电信号的传播路径发生弯曲，从而使低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星能接收到来自地平线以下的GPS发射的信号，形成掩星探测.与地基雷达探测或卫星探测相比，掩星探测不受地理环境约束，而且能得到高垂直分辨率的图像，因此，GPS-LEO无线电掩星技术广泛用于大气层和电离层探测(Hajj and Romans，1998).

无线电波穿过电离层不规则结构传播时，由于散射和衍射效应，无线电信号的振幅和相位发生快速随机起伏，这种现象称为电离层闪烁.电离层不规则结构引起折射指数强的随机起伏，导致强闪烁及相对较大的弯曲角，这样，对于探测这些不规则结构以及它们所在的位置，掩星测量成为十分有效的技术手段，这是传统的地基探测技术无法实现的(Hajj et al.，2002；Straus et al.,2003).

早期的研究表明，电离层闪烁主要来源于F2层不规则结构，在近赤道区和极区出现最频繁(Aarons,1982).后来的研究发现，由于ES层中不规则结构的散射，E层高度也频繁观测到强烈的闪烁(Rastogi,1983；Yue et al.，2014).ES层不规则结构的成因较为复杂，双流不稳定性和梯度漂移不稳定性的发展以及平流层的重力波、大气层的风场和电场等都可能导致ES层不规则结构的形成(Tsuda and Hocke，2004；Hocke and Tsuda,2001；Hocke and Igarashi,2002)，而且，在高纬带、低纬赤道带和中纬带，ES的生成机制也不尽相同.近来的研究发现，ES的出现与当地的钠元素浓度突然增强存在很强的相关性(Dou et al.，2009，2013).很多研究(Wu，2006；Zeng and Sokolovskiy，2010；Yue et al.，2014)指出，E层高度发生的信号闪烁与ES层不规则结构存在密切的关联，据此人们通常用无线电掩星探测到的振幅和相位闪烁来判断电离层ES层不规则结构的存在.

ES层闪烁及引起闪烁的不规则结构的出现与地方时、高度、纬度、季节以及地磁场都有着密切的关系.一般认为，ES层不规则结构大多发生在夏季中纬度地区，ES活动性的峰值高度约在90～120 km(Hocke et al.，2001；Wu,2006；Pavelyev et al.，2007；Arras et al.，2008；Zeng and Sokolovskiy，2010).Wu等(2005)提到ES活动性对磁倾角的依赖性，也有研究给出ES活动性随地方时的变化(Fytterer et al.，2014).不过，在地理分布特性方面，此前对引起闪烁的ES层不规则结构的经度变化，特别是类波状结构还缺少充分的研究.

最近人们注意到，非迁移潮汐在电离层E区生成经度调制的东向电场，导致电离层参量在4个彼此相隔约90°的经度上增强，即经度波数4图样(Sagawa et al.，2005；Wan et al.，2008).在低纬和赤道区，ES层不规则结构的出现率是否也存在经度波数4变化，值得深入研究.本文利用GPS-CHAMP卫星从2001年5月到2008年10月具有50 Hz高分辨率的掩星观测数据，统计分析了引起L波段电波闪烁的ES层不规则结构的经度变化及其对季节、倾角磁纬和太阳活动等因素的依赖.研究工作有助于深入认识电离层与中低层大气的耦合过程.

2　掩星测量与数据处理方法

CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)是由德国波兹坦地球科学研究中心(GFZ)主导研发的小型低地球轨道(LEO)卫星，主要用于地球重力场、地磁场及大气层和电离层参量的测量.本文所用的数据是CHAMP卫星从2001年5月至2008年10月的GPS掩星观测数据.由GFZ提供的50 Hz高分辨率掩星数据中包含了轨道坐标、掩星发生时间、双频信号的载波相位、L1频率C/A码的信噪比(Signal Noise Ratio,简称SNR)等信息.由于电离层和中性大气层对无线电波的折射作用，电波路径发生弯曲，使得LEO卫星能接收到来自地球“背面”的GPS卫星发出的信号.GPS信号穿过电离层传播后，信号的相位和信噪比经常出现快速起伏.Hocke等(2001)指出，信号的快速起伏主要由位于GPS掩星射线近地点附近的不规则结构造成.为了研究这种不规则结构及其引起的闪烁出现的位置，本文依据Hocke和Igarashi(2002)给出的方法估算掩星近地点的坐标.

本文用归一化的SNR及其标准差作为表征ES层不规则结构的特征参量.借鉴Wu等(2005)的方法，计算SNR标准差分两步进行：(1)用101个点的窗口宽度作滑动平均消除SNR的长趋势变化并得到归一化SNR，(2)用51个点的窗口宽度计算归一化SNR的标准差σ.Arras等(2008)提出，当最大标准差超过以经验设定的阈值时，将SNR快速起伏定义为ES扰动.本文参考前人的做法(Wu，2006；Arras et al.，2008)，以阈值σ≥0.1作为出现不规则结构和闪烁的判据，采用设定的阈值可以抑制掩星观测数据中背景噪声的影响，而绝大部分ES闪烁依然可以识别出来.此外，利用双频差分载波相位计算相对总电子含量TEC及TEC的变化率ROT和TEC变化率的标准差ROTI等参量.对相对TEC消趋势的方法与SNR消趋势的方法相同，窗口宽度也相同，为101个点.

图1是在低纬度区观测到的1个典型的掩星事件，图1从左到右依次为归一化的SNR、归一化SNR的标准差、相对TEC起伏以及TEC的变化率ROT 和TEC变化率的标准差ROTI.从图1可以看出，信号在约100 km高度上下出现ES层不规则结构引起的电波闪烁.在这一高度区，SNR幅度出现快速涨落，其标准差在相同高度区明显增大.从图1还能看出，相对TEC和ROT在同一高度出现与SNR类似的起伏，而且ROTI在相应高度也有明显增大.这些现象说明依据归一化的SNR标准差或相对TEC快速起伏能有效地表征ES层不规则结构的特征.

按照Kelley和Heelis(1989)，ES层一般出现在90～125 km的高度范围内，偶尔可以出现在更高些的高度，在90～110 km出现最为频繁(Hocke et al.，2001).本文假定ES层出现在90 km到130 km高度带内，在统计分析中，不计入此高度带之外的数据.为了考察ES层不规则结构的经度变化特征，我们选用所有经度上倾角磁纬从80°S至80°N的数据.数据用以下方式进行网格化处理以得到每个网格中心的平均ES层不规则结构出现率：网格的中心倾角磁纬和经度间隔分别为1°和10°，南北向网格宽10°，东西向宽30°.计算每个网格内存在ES层不规则结构的掩星事件数与该网格内掩星事件总数之比，代表该网格上ES层不规则结构出现率的均值.

图1　2002年1月11日11:23:52—11:25:16 UT在低纬度区(156.7°W，20.3°S，倾角磁纬20.9°S)观测到的掩星事件(a)归一化SNR；(b)归一化SNR的标准差；(c)相对TEC起伏；(d)ROT；(e)ROTI.Fig.1　An occultation event observed in the low latitude region(156.7°W，20.3°S，dip latitude 20.9°S)during 11:23:52 UT to 11:25:16 UT on January 11 in 2002(a)Normalized SNR;(b)Standard deviation of normalized SNR;(c)Perturbation of relative TEC;(d)ROT;(e)ROTI.

本文用以下方式考察ES层不规则结构出现率的经度变化对季节的依赖.把1年分成4季.以春分日为中心前后1个半月为春季，夏至日为中心前后1个半月为夏季，秋分日为中心前后1个半月为秋季，冬至日为中心前后1个半月为冬季.

3　结果与分析

3.1ES层不规则结构的经度分布特征

为了考察ES层不规则结构随经度的分布特征，本文以倾角磁纬15°N带为例给出图示.图2的空心圆给出倾角磁纬15°N带上实测的ES层不规则结构出现率随经度的变化.由图2可见，ES层不规则结构出现率随经度变化呈现波状起伏，同时可以注意到，ES层不规则结构的经度变化特征显著依赖季节，不同季节波状起伏图样差别很大.在春季，呈现起伏幅度较小的5个峰和5个谷；在夏季和冬季，呈现显著的3峰结构，夏季和冬季3个峰出现的经度不同；秋季，在经度约165°W、60°W、15°E和120°E出现4个峰，呈现准4波结构.如图2空心圆所示，在所有季节，ES层不规则结构出现率随经度的变化都不是由单一波数构成，而是多种波数成分的叠加.如陈亚楠和徐继生(2015)所指出，若经度变化可以分解为具有不同波数的谐波，则对每个固定的倾角磁纬带，可以用N阶傅里叶级数进行重构.傅里叶重构表达式为

(1)

式中Ri(φj,θi)是倾角磁纬为θi、经度为φj处ES层不规则结构的傅里叶重构值，a0是零阶傅里叶系数，代表R的经度平均值，re是地球半径，xj=reφj，an和kn分别是第n阶谐波的幅度和波数，Φn是第n阶谐波的初相位.ancos(knxj+Φn(Ii))代表第n阶谐波分量.本文借助Matlab软件平台中的工具箱，通过傅里叶分解的方法计算得到1至8阶谐波分量的振幅和相位.

图2给出了8阶傅里叶重构的经度变化(实线)与实测的经度变化(空心圆)的对比.从图2可以看出，ES层不规则结构出现率经度分布的实测值与傅里叶重构值非常吻合，表明ES层不规则结构出现率的经度变化确实含有多重波数的谐波，可以用波数0至波数8的傅里叶谐波相当精确地重构.通过统计分析，得到春夏秋冬四个季节的重构值的标准差分别为0.40、0.50、0.49和0.25.

为了进一步分析ES层不规则结构经度结构的不同波数分量及其对季节的依赖，图3a至3f分别给出了倾角磁纬15°N春夏秋冬四季波数1至波数6分量随经度的变化.图中实线、短虚线、长虚线和点虚线分别代表春季、夏季、秋季和冬季.由图可见，波数1分量在夏季最强，幅度约为9.6%，冬季幅度次之，约为4.9%，夏季和冬季的相位接近反相，春季和秋季较弱，幅度分别为2.0%和2.4%.波数2分量的幅度也在夏季最高，秋季和冬季其次，春季最低，分别约为3.9%、3.0%、2.6%和1.3%，波数3相位夏季滞后于春季，秋季滞后于夏季，冬季和春季相位接近正交.在4个季节，波数3分量幅度相差不明显，与波数1、波数2和波数4分量相比，整体上幅度偏低.波数4分量幅度在夏季和秋季明显高于冬季和春季，秋季幅度最高，约为3.2%，夏季其次，幅度约为2.8%，冬季和春季的幅度分别是1.3%和0.5%，秋季和夏季相位接近，冬季和春季相位接近，夏季和春季相位接近正交.波数5分量的幅度在夏季最大，达到3.4%，冬季和春季次之，幅度在1%左右，秋季最弱，幅度仅为0.1%.多重波数结构以波数1至波数5为主，波数6分量幅度很小，波数7和波数8分量幅度更小，可以忽略.陈亚楠和徐继生(2015)曾研究了日落赤道顶部电离层中离子总密度的经度变化，发现在每个季节都存在波数1至波数4分量，离子总密度的经度变化图像显著依赖季节.图3证实了陈亚楠和徐继生(2015)的结果，并进一步得到ES层不规则结构出现率的经度变化存在波数1至波数5结构，在不同季节，其图像也存在显著的差异.

图2　倾角磁纬15°N四季ES层不规则结构出现率经度变化测量值与傅里叶重构值.图中实线代表傅里叶重构值，空心圆记号代表测量值Fig.2　A comparison of longitudinal variations of observed and the Fourier reconstructed occurrence rates of irregularities in the ES layer for four seasons at dip latitude 15°N.The solid lines represent Fourier reconstructed values and the circle symbol represent observed ones

图3　倾角磁纬15°N的ES层不规则结构出现率经傅里叶分解后得到的波数1～6分量，图中实线、短虚线、长虚线和点虚线分别代表春季、夏季、秋季和冬季Fig.3　The Fourier decomposed WN-1 to WN-6 components of the occurrence rates of irregularities in the ES layer for four seasons at dip latitude 15°N,represented by solid line (spring),short dash line (summer),long dash line(autumn)and dot line(winter)

图4　ES层不规则结构出现率随倾角磁纬的变化，实线代表2001—2008年的值，短虚线和长虚线分别代表2001—2004年和2005—2008年的值Fig.4　Variations of the occurrence rates of irregularities in the ES layer with the dip latitude,represented by solid line (value from 2001 to 2008),shot dash line (2001 to 2004),long dash line (2005 to 2008)

3.2ES层不规则结构的纬度分布特征

在分析ES层不规则结构的纬度分布特征时，对同一倾角磁纬带上的数据取经度平均，得到出现率随倾角磁纬的分布，如图4所示.图4分别给出2001—2008年(实线)年平均ES层不规则结构出现率随倾角磁纬的变化曲线以及太阳活动水平较高的2001—2004年(短虚线)和太阳活动水平较低的2005—2008年(长虚线)相应的变化曲线比较.由图4可以看出，ES层不规则结构出现率的纬度分布在倾角赤道附近有极小值，而在磁赤道南北两侧，出现率逐步增大，在南北半球倾角磁纬22°附近达到极大值，北半球的极大值略高于南半球，随后出现率随倾角磁纬的增高而减小，南半球在倾角磁纬45°S附近出现极小值，北半球在倾角磁纬60°N附近出现极小值.然后随倾角磁纬增高而增高，在倾角磁纬75°N和80°S附近出现极大值，南半球的极大值略高于北半球.此前，Arras等(2008)的研究表明，在中纬度40°上下，ES层不规则结构出现率最高，Wu等(2005)的研究则得到，ES变化的全球分布表现出很强的倾角依赖，夏季中纬度的ES大多发生在倾角磁纬16°—40°的区域，冬季极区的ES大多发生在倾角磁纬约70°以上的区域.本文图4所示的结果与上述研究结果稍有不同，表现为从倾角赤道区到极区，ES层不规则结构出现率在南北半球各有一个主极大和一个次级大，主极大出现在赤道异常峰区附近，次极大出现在极光区.此外，太阳活动水平较高的2001—2004年，ES层不规则结构出现率也明显高于太阳活动水平较低的2005—2008年，暗示ES层不规则结构出现率对太阳活动水平的依赖.对此下文还将进一步讨论.

图5　经度平均ES层不规则结构出现率的季节变化(a)倾角磁纬10°N—40°N；(b)倾角磁纬10°S—40°S；(c)倾角赤道.Fig.5　Seasonal variations of the longitude-average occurrence rates of the ES layer irregularities(a)Dip latitude 10°N—40°N;(b)Dip latitude 10°S—40°S;(c)Dip equator.

3.3ES层不规则结构的季节变化与逐年变化特征

图5是不同磁纬带上经度平均ES层不规则结构出现率随季节的变化.从图5中可以看出，无论在南半球还是在北半球，中低纬度区ES层不规则结构出现率都在当地夏季最高，秋季低于夏季，冬季和春季最低.在相同季节，北半球出现率略高于南半球，表现出半球不对称性.在倾角赤道带上，季节变化不甚明显，出现率仅有较小起伏，夏秋季略高于冬春季.此前的研究表明，ES不规则结构在夏季半球出现率最高，且总体而言北半球出现率高于南半球(Wu，2006)，本文的研究结果与前人的结果基本一致.

图6给出ES层不规则结构出现率年平均值的逐年变化.如图6所示，ES层不规则结构出现率年平均值的逐年变化显示出对太阳活动的依赖性.在全球范围内，从2001至2008年，随太阳活动水平的逐步降弱，ES层不规则结构出现率基本上呈现递减趋势.Wu(2006)指出，ES活动性受太阳活动的调节，表现出剧烈的年度变化和逐年变化，从2001年至2006年逐渐减弱.图6展示的结果与Wu(2006)的研究结果基本一致.中纬地区的ES应该随太阳活动变化很小，本节的结果可能主要是高纬和低纬的贡献.

图6　ES层不规则结构出现率年均值的逐年变化Fig.6　Inter-annual variation of annual average occurrence rates of irregularities in the ES layer

4　结论

本文基于2001年至2008年GPS-CHAMP卫星的高分辨率掩星观测数据，利用傅里叶分解与重构技术，分析了引起L波段电波闪烁的ES层不规则结构的经度变化特征，并通过统计分析，获得了ES层不规则结构出现率随季节、倾角磁纬和太阳活动的变化.主要结果如下：

(1)发现ES层不规则结构出现率存在经度变化，这种经度变化以波数1至波数5为主，具有多重波数结构，夏季和秋季波数4分量明显强于冬春两季.

(2)ES层不规则结构出现率存在显著的纬度变化.在赤道异常峰区(南北半球倾角磁纬22°附近)以及极光区(倾角磁纬75°N和80°S附近)出现最频繁.倾角赤道区和中纬度区活动性相对较弱.在赤道异常峰区，ES层不规则结构出现率北半球稍高于南半球，在极区，南半球稍高于北半球.

(3)在中低纬地区，季节变化特征表现为ES层不规则结构出现率夏季最高，冬季最低；在倾角赤道带上，季节变化不明显.

(4)ES层不规则结构活动性的年均值的逐年变化特征显示ES层不规则结构与太阳活动性密切相关，在太阳活动高年活动水平明显增强.

自Sagawa等(2005)发现电离层F2层参量存在经度波数4变化以来，许多研究者证实，F层峰区和顶部F层多种参量都存在经度波数4变化.不过，ES层不规则结构是否也存在经度波数4变化还鲜有报道.本文的研究结果证实ES层不规则结构出现率存在显著的经度多重波数结构，这有助于对电离层与中低层大气耦合过程的深入认识.对ES层不规则结构的经度变化的形成机理，还需要进一步的理论和数值模拟研究.

致谢本文所用掩星数据由德国波兹坦地球科学研究中心(GFZ)H.Lühr教授提供，作者谨致感谢.

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附中文参考文献

陈亚楠,徐继生.2015.顶部电离层离子密度经度结构的特征及其随季节、太阳活动和倾角的变化.地球物理学报,58(6):1843-1852,doi:10.6038/cjg20150601.

(本文编辑胡素芳)

Longitudinal variations of ESlayers irregularities based on GPS-CHAMP occultation measurements (2001—2008)

LIAO Sun-Min，XU Ji-Sheng*,CHENG Jie

College of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan 430072，China

In order to obtain information about ionospheric scintillation caused by small-scale irregularities in the sporadic E (ES)layer,the data from GPS-CHAMP radio occultation measurements with 50 Hz resolution were treated and analyzed in this paper.The main purpose of this study is to investigate the longitudinal variations which are represented by the occurrence rates of the scintillation caused by irregularities in the ESlayer.Also,the statistical analysis of the relationship between the occurrence rate of irregularities in the ESlayer and season,dip latitude and solar activity is carried out.

ESlayers;Scintillation;Irregularities;Longitudinal variations;GPS-CHAMP occultation

廖孙旻，徐继生，程洁.2016.GPS-CHAMP掩星探测的ES层不规则结构经度变化规律(2001—2008).地球物理学报，59(8):2739-2746,

10.6038/cjg20160801.

Liao S M，Xu J S,Cheng J.2016.Longitudinal variations of ESlayers irregularities based on GPS-CHAMP occultation measurements (2001—2008).Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(8):2739-2746,doi:10.6038/cjg20160801.

国家自然科学基金(41274160)项目资助．

廖孙旻，女，1991年生，2013年毕业于武汉大学，现为武汉大学硕士研究生，主要从事电离层研究.E-mail:whulsm@163.com

徐继生，男，武汉大学电子信息学院教授，主要从事电离层和电波传播研究.E-mail:jsxu@whu.edu.cn

10.6038/cjg20160801

P352

2016-02-11，2016-05-31收修定稿