电离层春秋分不对称的地方时依赖

刘勇，陈一定*，刘立波

1 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室，北京 1000292 中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外科学观测研究站，北京 1000293 中国科学院大学，北京 100049



电离层春秋分不对称的地方时依赖

刘勇1,2,3，陈一定1,2,3*，刘立波1,2

1 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室，北京 1000292 中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外科学观测研究站，北京 1000293 中国科学院大学，北京 100049

利用全球203个电离层测高仪台站的F2层临界频率(foF2)和E层临界频率(foE)，以及美国喷气推进实验室(JPL)提供的电离层总电子含量(TEC)地图数据统计分析了电离层春秋分(March Equinox and September Equinox，ME and SE)不对称的特点．基于电离层参量随年积日(Day of Year，DoY)和太阳活动指数F10.7变化的傅里叶级数模型，对foF2、foE及TEC数据分别进行最小二乘法拟合，将电离层参量归算到低太阳活动(F10.7=80)、中等太阳活动(F10.7=150)和高太阳活动(F10.7=200)水平．该方法定量分离了实际观测数据中包含的电离层参量随季节和太阳活动的变化，因而得到了更为定量、精确的电离层春秋分不对称性特征.分析了不同地方时(LT)的春秋分不对称性指数(Asymmetry Index，AI)和春秋分差值Δ(=ME-SE)的全球分布特征与太阳活动依赖性．结果表明，foE日出时全球主要表现为9月分点值高于3月分点值，午后春秋分不对称性几乎消失，而日落时则反转为3月分点值高于9月分点值；foF2日出时除少数地区外也主要表现为9月分点值高于3月分点值，而其他时段则相反；TEC日出时低太阳活动时的全球及中高太阳活动时的低纬地区表现为9月分点值高于3月分点值，而其他时段则相反．foE春秋分不对称性受太阳活动影响较弱，而foF2和TEC的春秋分不对称随太阳活动有明显的变化，其3月分点值相对于9月分点值增加．计算了F2层峰高(hmF2)处对应的氧氮浓度比([O]/[N2]，由大气模型NRLMSISE-00计算得到)和hmF2的春秋分不对称性，提取了TEC年变化的幅度及相位信息．氧氮浓度比和hmF2的春秋分不对称性能够部分解释电离层的春秋分不对称性，而TEC春秋分不对称的全球分布特征可以用TEC年变化的相位的全球分布解释．

F2层临界频率；E层临界频率；GPS TEC；电离层；春秋分不对称

1 引言

受太阳辐射、中性大气等因素变化的影响，电离层表现出从气候学到天气学多重时间尺度的复杂变化．就气候学变化而言，主要包括太阳活动周变化、季节变化及周日变化等．对于电离层季节变化，如年异常(从全球范围看，NmF2的年度变化12月比6月大)、半年异常(电子含量在两分点月份附近出现峰值)、冬季异常(中纬度地区白天NmF2冬季高于夏季)等，其原因可能与中性大气成分、热层中性风、日地距离的季节变化等有关(Richards,2001;Rishbeth et al.,2000;Buonsanto,1986)．春秋分不对称性是电离层季节变化的一个重要特征(Balan et al.,1998;Chen et al.,2012)．太阳天顶角在春分点与秋分点(本文所讨论春分点与秋分点分别指3月分点与9月分点)大致相当，但即使在太阳活动水平一致时，电离层参量有时在这二分点表现出较强的差异(Liu et al.,2010)，即电离层的春秋分不对称性．这种特征可能由中性大气的季节变化以及电离层动力学过程的春秋分差异引起(Kawamura et al.,2002;Aruliah et al.,1996)．然而现有的一些电离层经验模式，如国际参考电离层(International Reference Ionosphere)(Bilitza et al.,2014)、Fejer的电场模型(Fejer and Scherliess,1997)，都没有考虑电离层的春秋分不对称性的影响．研究该特征对认识、理解电离层季节变化以及对电离层经验建模都具有重要意义．

在电离层季节变化期间，太阳辐射也在显著改变(除太阳活动低年)，引起电离层变化．从观测数据中通常难以准确地将这两种因素导致的电离层变化完全定量分离开，从而得到电离层春秋分不对称特征的更为定量的信息，有时甚至会引起误导．例如，Unnikrishnan等(Unnikrishnan et al.,2002)分析Palehua地区TEC的春秋分不对称特征，得出TEC春秋分不对称在太阳活动高年与太阳活动低年截然相反(1981太阳活动高年9月份TEC高，而1984太阳活动低年3月份TEC高)的结论．从太阳辐射变化的角度分析原因，可以发现，1981年9月份附近的太阳辐射水平明显强于3月份附近的太阳辐射水平，从而导致TEC值在9月份高于3月份．由此可见，对于电离层季节变化研究，分离出太阳辐射变化的影响十分必要．在本文中，为了得到不同太阳活动条件下的电离层季节变化，以分析其春秋分不对称性，我们通过建立电离层参量(foF2、foE、TEC)随太阳活动指数F10.7和年积日DoY变化的模型，剥离观测到的电离层季节变化中的太阳辐射变化的影响；利用该模型计算低太阳活动(F10.7=80)、中等太阳活动(F10.7=150)和高太阳活动(F10.7=200)情况下电离层参量的季节变化，得到其春秋分不对称性指数(AIfoF2、AIfoE、AITEC)和春秋分差值(ΔfoF2、ΔfoE、ΔTEC)，从而分析不同地方时的春秋分不对称指数和春秋分差值在全球的分布特点及其随太阳活动的变化特征，最后简要探讨出现这些特征的原因．

2 数据及分析方法

所用的全球203个电离层测高仪台站foF2及foE的每小时值数据下载自SPIDR网站(http:∥spidr.ngdc.noaa.gov/spidr)．为得到可靠的foF2及foE数据，选择经手动标定及编辑过的数据(Pezzopane and Scotto,2007)．数据空间分布和时间分布如图1所示，数据时间范围依不同的台站而有所不同，大致为1957年至2014年，或其间的若干年．TEC数据由美国喷气推进实验室(JPL)提供(下载自ftp:∥cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/)，时间分辨率为每两UT时一张全球TEC图，空间分辨率为2.5°(Latitude)×5°(Longitude)．为了研究TEC春秋分不对称性对地方时的变化规律，将TEC数据按地方时线性插值到地方时网格．太阳活动指数F10.7由加拿大彭蒂克顿无线电观测站(Pentictin Radio Observatory)提供，每天一个数据．大气模型NRLMSISE-00是一个中性大气的经验模型，提供从地表到逃逸层的中性组分、密度和温度(Picone et al.,2002)，本文中所用到的氧氮浓度比数据由该模型计算得到．考虑到地磁活动的影响，同时保留较多的数据，将Ap>27的数据去除．

图1 测高仪数据分布(a)台站位置分布；(b)数据时间覆盖.Fig.1 Spatial and temporal distributions of ionosonde data(a) Lonosonde locations;(b) Temporal coverage of the data.

众多研究表明，可以用二次多项式函数较好地描述foF2随F10.7的变化关系(Liu et al.,2004,2006；Chen et al.,2008)．因此建立foF2与F10.7的关系如下：

(1)

其中A，B，C为系数．而foF2的季节变化成分通常主要包括年变化分量与半年变化分量，可以用傅里叶级数表示如下(Liu et al.,2009;Yang et al.,2012)：

(2)

其中c0为年平均值，DoY为年积日，ε为略去残差．将年变化分量中的两项与半年变化分量中的两项分别合并，得到

(3)

(4)

其中，A1、A2分别为年变化和半年变化的振幅，φ1、φ2分别为年变化和变年变化的相位．

由此，我们对每个站每个地方时的foF2建立如下模型(Liu et al.,2009)：

(5)

其中Ai,Bi,Ci,Di,Ei,Fi(i=0，1，2)为系数．基于该模型，对观测的foF2值进行最小二乘拟合，确定模型系数，进而通过模型计算不同太阳活动水平(不同F10.7值)条件下foF2随年积日的变化，分析春秋分不对称特征．

以日本Akita站(台站代码：AK539，位置：39.7°N，140.1°E)地方时14∶00为例，说明本文中的数据分析方法．对该台站地方时为14∶00的foF2数据建立式(5)所示模型．将观测数据foF2及其相应DoY、F10.7代入模型，通过最小二乘拟合确定模型系数Ai,Bi,Ci,Di,Ei,Fi(i=0，1，2)．拟合的结果与观测值的比较如图2所示．从图2中可以看出观测值和拟合值比较一致，可以清晰地看到AK539站地方时14∶00的半年异常特征．模型值与观测值的相对误差(RE)及其期望(μ)、均方根误差(RMSE)按下式计算：

(6)

(7)

(8)

其中foF2obs为观测值，foF2mod为模型值，REi为每个观测点与相应模型值的相对误差，RMSE为RE的标准差．为保证模型拟合的可靠性，我们将均方根误差控制在30%以下，否则认为该组数据拟合得不好，将该组数据剔除． AK539站地方时14∶00拟合的相对误差分布如图3所示，其拟合相对误差的期望μ为0.0486%，均方根误差为12.2191%．图4 为所有台站各地方时foF2拟合的μ及RMSE分布．去除RMSE>30%的数据后，所有数据拟合的μ的平均值为0.0207%，RMSE平均值为15.55%．同理，foE和TEC分别去除RMSE>20%和RMSE>35%的数据后，所有数据拟合的μ的平均值分别为-0.0937%、0.1465%，RMSE平均值分别为6.41%、18.87%．

定义春秋分不对称性指数AIfoF2为foF2在3月分点与9月分点的差值与foF29月分点的值之比，再乘以100%，即foF2两分点值的相对差：

(9)

foF2春秋分绝对差ΔfoF2为

(10)

图2 AK539站地方时14∶00 foF2的拟合结果与观测数据的比较(a) 原始数据与拟合数据的时间序列；(b) 拟合foF2随DoY与F10.7的变化；(c) 观测的foF2随DoY与F10.7的变化.Fig.2 Comparison between fitted and observed foF2 at 14∶00 LT over Akita ionosonde station(a) Temporal series of observed and fitted foF2;(b) Fitted foF2 as a function of DoY and F10.7; (c) Scatter plots of observed foF2 versus DoY and F10.7.

同理，foE、TEC的春秋分不对称性指数AIfoE、AITEC及其春秋分绝对差值ΔfoE、ΔTEC分别为

(11)

(12)

(13)

ΔTEC=TECME-TECSE.

(14)

由此，定量得到了Akita站地方时为14∶00在不同太阳活动水平下的春秋分不对称性特征．由foF2不对称性指数的定义可以看出,若AIfoF2的值为正则表示foF23月分点值大于9月分点值，若AIfoF2的值为负则表示foF23月分点值小于9月分点值，若AIfoF2的值为零，则表示foF23月分点值与9月分点值相等；AIfoF2的绝对值越大，则春秋分不对称性越强．如图5所示，当F10.7分别为80、150、200时，AIfoF2分别为9.13%、8.99%、9.53%，ΔfoF2分别为0.69 MHz、1.04 MHz、1.26 MHz，即Akita站14时的foF2有3月分点值大于9月分点值的春秋分不对称性．

图3 AK539站地方时14∶00 foF2拟合的相对误差分布Fig.3 Error distribution of fitted foF2 with respect to observed foF2 at AK539 at 14∶00 LT

图4 (a)所有测高仪站foF2拟合相对误差的期望值；(b) 所有测高仪站foF2拟合的均方根误差分布Fig.4 (a) Averages of the relative error of fitted foF2 with respect to observed foF2 over all stations; (b) RMSE of fitted foF2 with respect to observed foF2 over all stations

图5 AK539站14∶00不同太阳活动条件foF2春秋分不对称性Fig.5 Equinoctial asymmetry of Akita foF2 at 14∶00 LT

3 结果

3.1 foF2春秋分不对称性

图6揭示了不同太阳活动水平，不同地方时foF2春秋分不对称性指数AIfoF2及其春秋分差值ΔfoF2的分布情况．图中三条蓝绿色的线分别代表地磁倾角为20°、0°、-20°，红色圆点代表该台站处AIfoF2>0(ΔfoF2>0)，即foF23月分点值高于9月分点值；蓝色圆点代表该台站处AIfoF2<0(ΔfoF2<0)，即foF23月分点值低于9月分点值．从图6中可以看出，日出时全球除少数台站外foF2春秋分不对称主要表现为9月分点值高于3月分点值，且随着太阳活动增强，这种差异变得更弱．低太阳活动(F10.7=80)、中等太阳活动(F10.7=150)和高太阳活动(F10.7=200)，AIfoF2平均值分别为-5.02%，-3.53%，-2.54%，表明随着太阳活动增强，日出时段foF2春秋分相对差异有所减弱；而ΔfoF2平均值分别为-0.25 MHz、-0.27 MHz、-0.24 MHz，表明日出时foF2春秋分绝对差受太阳活动影响较小．在午后、日落和午夜时，foF2的春秋分不对称全球主要表现为3月分点值高于9月分点值，且随着太阳活动增强，特别是从低太阳活动到中等太阳活动，foF23月分点值与9月分点值之相对差与绝对差均增大．午后和日落时的AIfoF2高于午夜的AIfoF2，特别是在低太阳活动条件下；同时，午后和日落的ΔfoF2在各太阳活动水平条件下均高于午夜的ΔfoF2．另外，图6b中的午后时段，在120°E附近的ΔfoF2剖面表明在该经度附近低太阳活动时foF2春秋分不对称主要出现在低纬赤道异常峰地区，而高太阳活动时中纬的foF2春秋分不对称也很显著，这与Chen 等人的研究结果一致(Chen et al.,2012)．

3.2 foE春秋分不对称性

图7所示的是foE春秋分不对称性指数AIfoE及其春秋分绝对差值ΔfoE的分布情况．由于电离层E层峰夜间基本消失，因此本文不考虑foE夜间的春秋分不对称性．从图7a中可以看出，AIfoE与AIfoF2情况类似．日出时，foE春秋分不对称性主要表现为9月分点值高于3月分点值．在低太阳活动(F10.7=80)、中等太阳活动(F10.7=150)和高太阳活动(F10.7=200)情况下，AIfoE平均值分别为-4.84%、-5.69%、-5.74%，ΔfoE 平均值分别为-0.11 MHz、-0.14 MHz、-0.15 MHz，即日出时foE春秋分不对称性随着太阳活动增强而略有增大；E层春秋分绝对差值表现出的不对称程度弱于F层，但其相对差值表现出的不对称性却强于F层．午后和日落时，foE春秋分不对称性主要表现为3月分点值高于9月分点值,且日落时不对称性明显强于午后时不对称性．图7b展示了ΔfoE的分布情况，其结果与AIfoE分布类似．

图6 foF2春秋分不对称的分布．每个子图左下角括号里为AIfoF2或ΔfoF2均值 (a) 春秋分不对称性指数AIfoF2的分布;(b) 春秋分差值ΔfoF2的分布Fig.6 Scatter plots of (a) equinoctial asymmetry index and (b) equinoctial difference of foF2 versus geographic coordinates

图7 foE春秋分不对称的分布．每个子图左下角括号里为AIfoE或ΔfoE均值． (a) 春秋分不对称性指数AIfoE的分布；(b) 春秋分差值ΔfoE的分布.Fig.7 Scatter plots of (a) equinoctial asymmetry index and (b) equinoctial difference of foE versus geographic coordinates

图8 foE春秋分不对称性指数与foF2春秋分不对称性指数的地方时变化图中实线为各地方时所有台站的春秋分不对称指数的均值，误差棒为其标准偏差.Fig.8 Local time variations of the equinoctial asymmetry indices of (left) foE and (right) foF2The solid lines are the averages of the equinoctial asymmetry indices of all ionosonde stations at each local time, and the error bars indicate the standard deviations of the indices.

图9 TEC春秋分不对称的分布(a) 春秋分不对称性指数AITEC的分布；(b) 春秋分差值ΔTEC的分布.Fig.9 Longitudinal and latitudinal variations of (a) Equinoctial asymmetry index,(b) Equinoctial difference of TEC

图8所示为AIfoE与AIfoF2随地方时变化，其中实线分别代表各地方时AIfoE、AIfoF2的平均值，误差棒为所有台站AIfoE、AIfoF2在各地方时的标准差．从图中可以看出，就平均值而言，AIfoE日出时为负值，在午后变得相对较小，到日落时变为相对较大的正值．即早晨时段foE 9月分点值大于3月分点值，而下午时段则变为3月分点值大于9月分点值．太阳活动水平对AIfoE的地方时变化特征的影响并不显著．而AIfoF2随地方时变化的主要特点是，平均而言，日出时偏负值(尤其在低太阳活动时)，而其余时段主要为正值．也就是说，日出时foF2主要表现为9月分点值高于3月分点值，而其余时段则相反．低太阳活动条件下foF2夜间的春秋分不对称性弱．随着太阳活动增强，日出时段foF2的春秋分不对称性有减弱趋势，而其他地方时段foF2的春秋分不对称性有增强趋势．

3.3 TEC春秋分不对称性

图9所示为TEC春秋分不对称性分布．图中黑色的线代表地磁倾角为0°．从图9a中可以看出，日出时段，TEC在低太阳活动(F10.7=80)条件下全球主要表现为9月分点值高于3月分点值，这与foF2的春秋分不对称性及foE的春秋分不对称性类似，但在高太阳活动下，仅在低纬地区出现9月分点值高于3月分点值的春秋分不对称性．而在其他时段，低太阳活动时，在午后和日落时段低纬地区主要表现为3月分点值高于9月分点值，在午夜时段倾角赤道附近有明显的3月分点值高于9月分点值的不对称性；中高太阳活动时，全球都主要表现为3月分点值高于9月分点值，且春秋分不对称性程度较大(大于foE和foF2的春秋分不对称性程度)．图9b中ΔTEC展示了与AITEC类似的结果．Liu等(Liu et al.,2010)研究了GPS TEC在低太阳活动白天午后时春秋分不对称性的全球分布特征，结果表明GPS TEC 3月分点值高于9月分点值的春秋分不对称性主要出现在低纬地区，通过图9中 F10.7=80，LT=1400的ΔTEC分布与其对比，结果符合得较好．

4 讨论

热层成分及电离层动力学过程的春秋分差异可能是引起电离层春秋分不对称的重要原因．Balan等(Balan et al.,1998)通过分析非相干散射雷达的数据表明，日本Shigaraki(34.85°N，136.10°E)地区300 km高度白天向极风的速度春分日比秋分日低了20 m·s-1．因此，电离层在春分日相较秋分日有所抬升，春分日电离层有较低的复合损失率，秋分日电离层有较高的复合损失率．但由于缺少全球的中性风观测数据，而中性风影响峰高的分布，因此本文尝试分析氧氮浓度比及hmF2的春秋分不对称性．foE春秋分不对称性的原因需要进一步研究．

对电离层F2层而言，电子产生率与氧原子浓度有关，而损失率与分子成分(氮分子与氧分子，二者对F2层复合损失的贡献基本相当)的浓度有关．因此，[O]/[N2]是衡量F2层峰区光化平衡电子密度的重要指标．由于原子成分与分子成分标高的差异，静压平衡状态下热层[O]/[N2]随高度增加而显著减小．因而，在太阳辐射与热层状态不变的情况下，F2层峰高hmF2越大对应的foF2就越高．有研究表明，hmF2与foF2有较好的正相关性(Danilov and Konstantinova,2013)．由于热层中性风等因素在两个分点季节可能不一致(Balan et al.,1998)，全球F2层峰高可能也有春秋分不对称性，从而影响到F2

层电子密度的春秋分不对称性．因此，考察hmF2在两分点的值．根据求取峰高的经验公式(Dudeney,1983;Marin et al.,2001;McNamara,2008)：

hmF2=-176+1490

(15)

求得各台站的hmF2数据，根据上述方法对hmF2的春秋分不对称性进行分析．如图10所示，从统计上平均而言，hmF2除低太阳活动时的早晨与日落时段有3月分点值略低于9月分点值的情况之外，其他条件下AIhmF2平均值为正(AIhmF2代表hmF2春秋分不对称性指数)，即hmF23月分点值高于9月分点值．即hmF2的春秋分不对称性与白天foF23月分点值高于9月分点值的不对称性基本一致，但日出时段hmF2的春秋分不对称性与foF2的春秋分不对称性不一致．

热层成分的季节变化是导致电离层一些季节变化特征的重要原因．研究表明，电离层季节变化中的半年异常和冬季异常就与氧氮浓度比[O]/[N2]的季节变化有关(Rishbeth et al.,2000;Yu et al.,2004)．在其他条件不变情况下，高的[O]/[N2]对应F2层高的电子密度．热层成分的季节变化也可能是引起电离层电子密度春秋分不对称的原因．同时考虑F2层峰高的变化和热层成分的变化，对hmF2处对应的氧氮浓度比[O]/[N2]的春秋分不对称性进行分析．其中，氧原子浓度[O] 和氮气分子浓度[N2]的数据由NRLMSISE-00模型(Picone et al.,2002)计算得到．如图10所示，从统计上看，几乎在低、中、高各太阳活动水平条件下从日出到日落的所有地方时段(低太阳活动时的日落除外)，AIrON2平均值均大于零(其中AIrON2代表氧氮浓度比[O]/[N2]春秋分不对称性指数),即F2层峰高度的氧氮浓度比[O]/[N2]表现为3月分点值高于9月分点值．因此，可以部分解释除日出时段外的foF2春秋分不对称性(3月分点值高于9月分点值)．但对于日出时段foF2为什么会出现9月分点值高于3月分点值，还需要进一步的研究．

电离层最主要的季节变化分量包括年变化与半年变化分量．从数学上而言，半年变化分量不论其相位如何，都不会引起电离层的春秋分不对称性；而年变化分量，只要其幅度较大，其相位的改变会显著影响到电离层的春秋分不对称性．因此，本文从数学上考察TEC年变化的幅值与相位，以试图理解TEC春秋分不对称性的全球分布特点．图11所展示的是低太阳活动地方时14∶00的TEC年变化幅值与相位分布图．其中Aannual、φannual分别为年变化的幅值和相位．φannual代表了TEC年分量(即周期为12个月余弦变化)的峰值出现的时间．可以看出，TEC年变化的幅值和相位与图9中的低太阳活动地方时14∶00的TEC春秋分不对称性的全球分布特征符合得较好．例如，低太阳活动14∶00时低纬地区主要表现为3月分点值高于9月分点值，是因为其年变化分量的相位位于1月份，且其振幅在低纬较大．

图10 hmF2及hmF2高度对应的氧氮浓度比[O]/[N2]的春秋分不对称性的地方时变化Fig.10 Local time variations of the equinoctial asymmetries of (left) hmF2 and (right) the ratio of [O]/[N2] at hmF2

图11 低太阳活动地方时14∶00 TEC年变化的幅值(Aannual)与相位(φannual)图Fig.11 Longitudinal and latitudinal variations of the amplitude and phase of TEC annual component under 14∶00 LT,solar minimum conditions

5 结论

本文通过建立电离层三个参量foF2、foE、TEC随年积日与太阳活动的变化模型，研究了电离层的春秋分不对称性．结果表明，电离层的春秋分不对称特征有明显的地方时依赖性．主要结果如下：

(1) 对于foF2，日出时全球除少数测高仪台站外，主要表现为9月分点值高于3月分点值，其他时段则主要表现为3月分点值高于9月分点值，随着太阳活动增强，foF2的春秋分不对称性指数增大．

(2) 对于foE的春秋分不对称性，日出和日落表现出截然相反的特点．日出时主要是9月分点值高于3月分点值，而下午及日落时段则变为3月分点值高于9月分点值，午后的春秋分不对称性较弱．foE的春秋分不对称性受太阳活动的影响较小．

(3) 对于TEC，日出时低纬地区主要为9月分点值高于3月分点值，而中高纬地区在低太活动时表现为9月分点值高于3月分点值，中高太阳活动时3月分点值高于9月分点值；其他时段，除低太阳活动时3月分点值高于9月分点值主要出现在低纬地区外，中高太阳活动时全球主要为3月分点值高于9月分点值．

hmF2及氧氮浓度比的春秋分差异可以部分解释F2层的春秋分不对称的特征．此外，TEC年变化分量的相位和幅值分布可以较好地解释TEC的春秋分不对称的分布特征，但其机制需要更进一步的研究．

致谢 测高仪观测数据和TEC数据分别由SPIDR(http:∥spidr.ngdc.noaa.gov/)和ftp:∥cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/网站提供；两位审稿专家对本文提出建设性修改意见．在此一并表示感谢．

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(本文编辑 胡素芳)

Local time dependence of ionospheric equinoctial asymmetry

LIU Yong1,2,3,CHEN Yi-Ding1,2,3*,LIU Li-Bo1,2

1 Key Laboratory of Earth and Planetary Physics,Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China2 Beijing National Observatory of Space Environment,Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China3 University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

In this paper,the critical frequency of the F2-layer (foF2) and the critical frequency over the E-layer (foE) of global 203 ionosonde stations and Jet Propulsion Laboratory (JPL) total electron content (TEC) map data were used to investigate the characteristics of ionospheric equinoctial (March Equinox and September Equinox，ME and SE) asymmetry.By fitting the three parameters foF2,foE and TEC in terms of a function of Day of Year (DoY) and the solar activity index F10.7,the three parameters were normalized to the low solar activity level of F10.7=80,the moderate solar activity level of F10.7=150,and the high solar activity level of F10.7=200.Thus,by this method,the actually observed seasonal and solar activity variations of ionospheric parameters,which are interlaced with each other,can be quantitatively separated to acquire more accurate characteristics of ionospheric equinoctial asymmetry.The equinoctial asymmetry index (AI) and the equinoctial difference (Δ=ME-SE) of the three ionospheric parameters at different local times were analyzed to get the global features and the solar activity dependence of equinoctial asymmetry.In general,foE is mainly higher at SE than at ME over the global ionosonde stations at sunrise,and the equinoctial asymmetry of foE almost disappears in the afternoon,while foE is higher at ME than at SE at sunset.foF2is higher at SE than at ME over the most of the global ionosonde stations at sunrise,while it is higher at ME than at SE at other local times.With respect to TEC,the equinoctial asymmetry of higher TEC at SE than at ME exists over the global at low solar activity level but mainly occurs at low latitudes at moderate and high solar activity levels at sunrise,while TEC is mainly higher at ME than at SE at other local times.The dependence of the equinoctial asymmetry of foE is weak,while for foF2and TEC,solar activity dependence of the equinoctial asymmetry is evident.The equinoctial asymmetries of the oxygen-nitrogen ratio ([O]/[N2],computed from the atmospheric model NRLMSISE-00) at the peak height of the F2-layer (hmF2) and hmF2were investigated;they can be used to partially explain the equinoctial asymmetry of foF2.The amplitude and the phase of TEC annual variation were calculated.The phase of TEC annual variation can be used to account for the global distribution of TEC equinoctial asymmetry.

foF2;foE;GPS TEC;Ionosphere;Equinoctial asymmetry

刘勇，陈一定，刘立波.2016.电离层春秋分不对称的地方时依赖.地球物理学报，59(11):3941-3954,

10.6038/cjg20161101.

Liu Y,Chen Y D,Liu L B.2016.Local time dependence of ionospheric equinoctial asymmetry.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):3941-3954,doi:10.6038/cjg20161101.

国家自然科学基金(41274161，41231065，41321003)和973项目课题(2012CB825604)共同资助．

刘勇，男，1989年生，汉族，四川内江人，硕士生在读，主要研究方向为电离层物理．E-mail:455509433@qq.com

*通迅作者 陈一定，男，1981年生，汉族，安徽怀宁人，博士，副研究员，主要从事电离层物理研究．E-mail:chenyd@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20161101

P352

2015-12-17，2016-04-24收修定稿