基于掩星观测的全球低纬地区电离层不均匀体形态分析

於晓 王妍 甄卫民 刘钝 蔡红涛

（1. 中国电波传播研究所,青岛 266107；2. 武汉大学电子信息学院,武汉 430072）

引 言

当电离层中有不均匀体出现时，经过其传播的无线电信号的幅度和相位等会产生快速随机起伏，这种现象称为电离层闪烁.电离层闪烁现象会对多种电子信息系统的性能产生影响.如对卫星通信系统来说，电离层闪烁会导致信号幅度快速衰落，当信号幅度衰落至超过接收系统的动态范围时，将造成通信障碍和误码率增加，严重时甚至造成通信链路中断.就全球范围来说，低纬地区的电离层闪烁强度大、出现频繁且持续时间长，影响尤为严重[1].近年来，随着通信和导航系统对空间环境的依赖日益增长，电离层闪烁的监测与预报成为空间天气研究的重要课题.

无线电波的闪烁现象与电离层不均匀体密不可分.电离层不均匀体和闪烁探测手段包括：电离层垂直探测(垂测仪)、地面大功率雷达(相干散射雷达和非相干散射雷达)、气辉成像仪、地基卫星信标电离层总电子含量(total electron content,TEC)/闪烁监测仪、基于卫星和火箭的天基原位测量、基于掩星的空基卫星信标技术等.电离层垂直探测的长期资料是其重要优势，其频高图上反映的偶发E 层和扩展F 等现象，记录了电离层不均匀体的发展演变过程，可以为电离层不均匀体的产生机制提供重要依据[2-3].相干散射雷达集中分布在高纬和赤道地区，主要用于探测电离层中沿地磁场排列的小尺度不均匀体[4-5].非相干散射雷达是空间环境探测的有力工具，可提供整个电离层E 区和F 区的电子密度、等离子体漂移速度、电子和离子温度等信息[6].美国西北研究所(North West Research Associate,NWRA)开发的WBMOD 电离层闪烁模型内置的不均匀体漂移速度模型就是基于Jicamarca 非相干散射雷达的测量结果[7].现今，全天空多波段气辉成像系统获得广泛应用，可获得观测站附近较宽视场的等离子体泡的二维图像、纬向等离子体漂移速度随时间的变化[8-9].地基卫星信标电离层TEC/闪烁探测技术，基于固定(或移动)信标观测站对站点上空卫星过境期间的多频点相干信号或单频点信号的幅度、相位、多普勒频移、法拉第旋转等观测，获得星-地链路电离层TEC/闪烁等参数，如早期的ATS-6、ETS-II 地球同步卫星和极轨Wide Band 卫星信标试验等[7,10-11]，提供了多重相干频率的振幅闪烁和相位闪烁数据，可用作分析电离层闪烁现象对频率的依赖关系.天基原位测量一般是在卫星或火箭上安装测量等离子体成分、密度和温度、电场和磁场等专用的探针进行当地测量，随卫星的运动，可获得卫星轨道高度附近的空间环境参数随时间、经度和纬度的分布[12].基于掩星的空基卫星信标技术，可探测获得地球上空近似均匀分布的电子密度剖面和闪烁等信息.

上述地球空间环境电离层探测手段各有其特点：传统的地基无线电和地基卫星信标观测的共同优势是全天时、观测时间连续，缺点是观测范围受地面站分布的限制，难以获得全球范围的变化；地基光学手段(气辉观测)容易受到气象和环境的影响，难以实现全天时观测.而天基原位观测和COMSIC 掩星观测可以较好地弥补这一不足(海洋、沙漠、极地等特殊地区观测资料缺乏)，可获得地球上空近似均匀分布的电离层不均匀体信息.实际上，在广大的低纬海域地区难以布设常规的地基观测站.因此，若要实现全球低纬地区的电离层不均匀体观测，必须依赖于卫星的原位观测或掩星探测.

近年来，COMSIC 掩星观测技术获得快速发展.它借助于搭载在低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星上的监测仪，临边接收COMSIC 卫星发射的信号幅度和相位.由于大气折射指数的变化，COMSIC信号穿过地球电离层和大气层时，信号路径会发生弯曲.因此，COMSIC 折射率剖面包含大气温度、水蒸气、压力和电子密度等信息.不同于这些参数，闪烁指数测量可以直接获得.气象、电离层和气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate,COSMIC)卫星是美国和中国台湾合作的卫星计划，由6 颗小卫星组成.卫星轨道高度800 km，倾角72°，其星载GPS 接收机每天能提供2 500 多个电子密度剖面.它们均匀分布在地球上空，同时具有垂直分辨率高、接收信号不易受来自地面环境的多径干扰等优势，能弥补特殊地区(海洋、沙漠、极地等)观测资料的缺乏，因而被越来越广泛地应用于电离层研究.

最近，有学者开始利用COSMIC 掩星观测的振幅闪烁指数(S4)或GPS L1 和/或L2 频点信号的幅度和相位数据，来研究全球L 波段电离层闪烁、赤道F 区不均匀体和偶发E 层(sporadic E layer,Es)的气候学特征[13-18].Chen 等基于COSMIC 闪烁指数数据，分析得到电离层F 层闪烁指数的三维全球形态和季节变化[13].Arras 等由CHAMP、GRACE-A 和COSMIC掩星观测得到的50 Hz 的信噪比(signal to noise ratio,SNR)数据，计算得到不同季节Es 出现率的全球变化[14].Tsai 等研究了不同经度扇区F 区电离层不均匀体随季节、地方时、地磁活动和太阳活动的变化[15].Brahmananda 等给出太阳活动低年(2008 年)期间，S4中值三维全球形态特征和它的季节变化[16].Carter 等分析了F 区不均匀体出现率的季节/经度变化特征，揭示了太阳和地磁活动对F 区不均匀体出现率时空变化的影响[17].Yu 等利用COSMIC 掩星和海口站地基闪烁监测仪两种手段的观测数据，对比分析了海口站电离层不规则体的出现特征，发现掩星观测数据可反映区域尺度的电离层闪烁特征[18].这些研究或者侧重于分析极端空间环境下(太阳活动极小年)的电离层不均匀体形态，或者单独分析电离层E 区或F 区不均匀体的时空变化，或者侧重于区域尺度的电离层不均匀体特征，缺少基于长期观测数据的全球大尺度电离层E 区和F 区不均匀体的平均形态分析.

本文将利用大半个太阳活动周的COSMIC 掩星观测数据，分析不同高度全球电离层不均匀体的形态特征，重点对比分析电离层E 区和F 区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化特征，并与天基的原位观测结果进行对比.

1 观测数据及其处理方法

本文所用掩星观测数据来自COSMIC 卫星.COSMIC 卫星于2006-04 发射升空，每颗小卫星搭载有3 套探测设备：GPS 掩星实验(GPS occultation experiment,GOX)设备、小型电离层光度计和三频信标机.本文研究所用数据来自GOX 设备，从COSMIC数据获取和分析中心(COSMIC Data Acquisition and Analysis Center，CDAAC)网站获取.观测文件记录了S4指数的最大值，观测卫星的经度、纬度、高度、世界时(UT)和地方时(LT)，以及掩星遮掩点的经度、纬度、高度和地方时.

在对大量观测数据进行分析时，假定电离层不均匀体位于遮掩点位置并不会改变统计结果[13,16-18].这里我们认为引起闪烁的电离层不均匀体位于背景电子密度值最大的区域，即掩星观测的遮掩点.2007 年初COSMIC 卫星完成部署，此后观测数据的地方时覆盖比较均匀.因此，本文选用2007-01-01—2013-12-31 COSMIC 掩星观测的幅度闪烁指数最大值(S4max)及相关的位置信息.实际上，COSMIC 星载GPS 接收机并不直接计算S4指数，只记录由L1 频点50 Hz 幅度数据得到的1 Hz 信号SNR 强度波动的均方根值.S4指数在该数据传至地面后，经后处理计算获得，该计算过程中假定信号强度的波动服从高斯分布[13,16].该后处理过程会导致一些不可靠的S4max，如超过10的S4max值.参考ITU(ITU-R P.531-11，2012)[19]给出的信号强度波动Pfluc与S4的经验公式：Pfluc=27.5×S41.26，可知当S4为1.5 时，对应的信号强度波动为45.8 dB.为避免这部分数据的影响，本文剔除了S4max＞1.5 的观测值.

如前文所述，伴随低轨卫星的运动，COMSIC 掩星和天基原位观测均可反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征.但是，掩星观测可反映电离层不均匀体随高度的变化，而天基原位观测主要反映卫星轨道高度附近的不均匀体变化.这里用作对比分析的天基原位测量数据来自德国CHAMP 卫星星载郎缪尔探针的电子密度探测数据，其测量范围为108～1012el/m3，时间分辨率为15 s.CHAMP 卫星于2000-07-15 发射升空，2010-09-19 日停止飞行.卫星轨道平面倾角为87.3°，其卫星高度在发射初期约为450 km，2003 年降到400 km 以下，到2010 年降到320 km 左右.因此，CHAMP 卫星测量的是电离层F 层峰值高度及以上的电子密度值.两种测量手段对比时，需要将COMSIC 掩星的遮掩点高度限定为原位测量的卫星轨道高度附近.因此，COSMIC 卫星的掩星观测的遮掩点高度取为300～500 km.

这里，CHAMP 卫星原位测量判定电离层不均匀体是否出现的方法采用熊超的方法[20]：将低纬地区(45°S～45°N)的电子密度测量值经高通滤波后再取绝对值，如果结果出现峰值，并在连续的40 s 内超过了较高的阈值(0.05×1012m-3)，且峰值前后均低于较低阈值(0.02×1012m-3)，将其视为有不均匀体出现，并将其极大值出现的位置作为不均匀体出现的位置.对比时参考现有的研究做法[17-18]：将S4max是否大于0.3 作为COSMIC 掩星观测电离层F 层不均匀体出现的判据.

2 掩星观测电离层不均匀体变化特性分析

基于COSMIC 掩星观测数据，分析全球低纬地区电离层不均匀体的形态特征，包括它随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化.将电离层不均匀体按高度分为E 区不均匀体和F 区不均匀体，对应的高度分别取为80～130 km 和150～550 km.

电离层不均匀体随时间的变化，主要考虑它的周日变化和季节变化.将观测数据按时间划分为4 个季节，分别包括以03-22、06-22、09-22 和12-22为中心的前后45 天(以下简称为3 月、6 月、9 月和12 月)，合计91 天，对应于北半球的春季、夏季、秋季和冬季，以及南半球的秋季、冬季、春季和夏季.

2.1 电离层不均匀体随空间的变化

图1 给出不同高度电离层S4max均值的全球分布.可以看出：电离层E 区闪烁主要出现于100～120 km，尤其是110 km 附近；电离层F 区闪烁主要出现在150～00 km 高度，尤其是200～300 km附近.就地理分布来说，电离层E 区闪烁主要出现于南北半球的中纬地区，(磁)赤道附近的闪烁强度弱于低纬地区，北半球的强度略高于南半球.随着高度的增加，E 区闪烁沿纬圈向的分布略有弯曲.F 区闪烁主要出现于南北半球的低纬和赤道地区，且沿磁纬圈向排列非常明显.同时，在南半球(0°E，30°N)附近区域有一个电离层E 区闪烁的低发区.

图1 不同高度电离层S4max 均值随地理位置的全球分布Fig.1 Geographic distribution of S4max mean value at different altitudes

2.2 电离层不均匀体随时间的变化

图2 给出不同季节电离层E区S4max均值随地方时和地理纬度的变化.可以看出：E 区闪烁在北半球6 月的中纬地区最强，峰值出现于35°N～45°N，其次是南半球12 月的中纬地区，峰值出现于40°S～50°S.9 月电离层E 区的闪烁形态与6 月比较相似，3 月电离层E 区闪烁形态与12 月比较相似，但是强度较低，且纬度范围较小.至点(6 月和12 月)有两个比较明显的E 区闪烁极大值，分别出现于上午—正午和午后—日落，以及上午—午后和日落前后；分季(3 月和9 月)只有一个较明显的E 区闪烁极大值，出现于午后—日落.

图2 不同季节E区S4max 均值随时间和地理纬度的变化Fig.2 Latitude profile of S4max mean value at the E layer as a function of local time

图3 给出不同季节电离层F区S4max均值随地方时和地磁纬度的变化.可以看出，F 区闪烁主要出现于南北半球的磁赤道和低纬地区，且呈现显著的季节变化，即3 月和9 月(分季)最强，其次是12 月，6 月较弱.F 区闪烁于日落后出现，极大值出现于子夜前(22:00LT 左右)，持续到子夜后.

图3 不同季节F区S4max 均值随时间和地磁纬度的变化Fig.3 Geomagnetic latitude profile of S4max mean value at the F layer value as a function of local time

2.3 电离层不均匀体随太阳活动和地磁活动的变化

太阳活动用F10.7指数来表征，地磁活动用Kp 指数来表征.图4 给出2007—2013 年期间，F10.7指数和Kp 指数随时间的变化，红线分别对应F10.7指数为100 和Kp 指数为3.可以看出：2007—2009 年期间，太阳活动和地磁活动均较为平静，F10.7指数不超过100，Kp 指数很少超过3；2010 年期间，太阳活动仍较为平静，但是地磁活动已经比较活跃，经常有Kp 指数超过3；2011—2013 年期间，太阳活动和地磁活动均较为活跃，F10.7指数经常超过100，Kp 指数也经常超过3.下面将2007—2009 年和2011—2013 年的数据分别用作分析太阳活动低年和太阳活动高年的情形，将Kp＜3 和Kp＞3 的数据分别用作分析地磁平静和地磁扰动的情形.

图4 2007—2013年F10.7 和Kp 指数随时间的变化Fig.4 Temporal variations of F10.7 and Kp indices during the period of 2007—2013

图5 给出太阳活动低年和高年不同季节电离层E区S4max均值随时间和地理纬度的变化，从上到下依次为太阳活动低年、太阳活动高年及两者的差值.从左到右依次为3 月、6 月、9 月和12 月.总体来说，无论哪个季节，太阳活动低年的E 区闪烁随纬度和地方时的分布，与太阳活动高年非常相似.对比发现，太阳活动低年期间，中低纬地区(45°S～45°N)电离层E 区闪烁的强度和纬度范围比太阳活动高年略大，但是6 月南半球低纬地区(0°S～45°S)的E 区闪烁强度和纬度范围却与太阳活动高年比较接近.

图5 太阳活动低年和高年不同季节E区S4max 均值随时间和地理纬度的变化Fig.5 Seasonal and latitudinal profile of S4max mean value at the E layer value as a function of local time,during the high and low solar activity years

作为对比，图6 给出太阳活动低年和高年不同季节电离层F区S4max均值随时间和地磁纬度的变化.可以看出：太阳活动低年，电离层F 区闪烁在3 月最强，其次是12 月，9 月较低，6 月最低；太阳活动高年，F 区闪烁在9 月和3 月最强，6 月较低，12 月最低.总体来说，太阳活动高年期间，电离层F 区闪烁随地方时和地磁纬度的变化，与太阳活动低年比较相似.但是，每个月夜间的闪烁强度值，都大于相应的太阳活动低年，同时闪烁影响的区域也由磁赤道和低纬地区扩展到更高的纬度.这表明电离层F区闪烁的强度和纬度范围均随太阳活动的增加而增强.

图6 太阳活动低年和高年不同季节F区S4max 均值随时间和地磁纬度的变化Fig.6 Seasonal and geomagnetic latitude profile of S4max mean value at the F layer value as a function of local time,during the high and low solar activity years

两者结果对比表明，除季节因素外，太阳活动对E 区闪烁的影响并不是基本的，而赤道异常区和磁赤道区的电离层F 区闪烁受到太阳活动的显著控制.

为进一步分析不同时间地磁活动对电离层闪烁的影响，将观测数据划分为4 个时段：00:00—06:00LT、06:00—12:00LT、12:00—18:00LT、18:00—24:00LT.图7 给出了地磁平静和扰动期间不同时段电离层E区S4max均值的全球分布.从上到下依次为地磁平静时、地磁扰动时及两者的差值.从左到右依次对应00:00 —06:00LT、06:00 —12:00LT、12:00—18:00LT、18:00—24:00LT 时段.总体来说，地磁扰动时，中低纬地区电离层E 区闪烁的全球分布与地磁平静时比较相似，但是闪烁强度总体上略有增加，尤其是凌晨时段(00:00—06:00LT).

图7 地磁平静和扰动期间不同时段E区S4max 均值的全球分布Fig.7 Global distribution of S4max mean value at the E layer,for different LT period during the geomagnetic quiet and active years

作为对比，图8 给出地磁平静和扰动期间不同时段电离层F区S4max均值的全球分布.总体来说，地磁扰动时的中低纬地区电离层F 区闪烁的全球分布与地磁平静时比较相似；但是闪烁强度明显增加且扩展至更高的纬度，尤其是00:00—06:00LT 和18:00—24:00LT的太平洋扇区(160°E～130°W).

图8 地磁平静和扰动期间不同时段F区S4max 均值的全球分布Fig.8 Global distribution of S4max mean value at the F layer,for different LT period during the geomagnetic quiet and active years

3 与卫星原位测量的对比

CHAMP 卫星原位观测数据覆盖时间为2000—2010 年，而COSMIC 掩星观测数据覆盖时间为2007—2013 年，两组观测数据的重合时段比较短，且主要在太阳活动低年(2007—2009 年).本文将所有可用时段的两种数据分别用作电离层不均匀体出现率的计算，然后进行分析.

3.1 年际变化

图9 给出CHAMP 卫星原位观测和COSMIC 掩星观测电离层不均匀体出现率的年际变化.可以看出：CHAMP 卫星观测到的电离层不均匀体在2001—2002 年出现率较高，超过20%；在2003—2006 年下降，接近6%～10%；2007—2009 年最低，接近5%.总体来说，电离层不均匀体出现率依赖于太阳活动：在太阳活动高年出现率较高，随太阳活动水平的降低，出现率逐渐降低；在太阳活动低年，出现率也较低.

图9 不同卫星观测不均匀体出现率的年际变化Fig.9 Yealy mean values of the ionospheric irregularities occurrence for in-situ and radio occultation observations

COSMIC 掩星观测的电离层不均匀体出现率在2007 年最高，超过20%；在2008—2010 年较低，接近7%；在2011—2013 年较高，接近10%～12%.可见除2007 年外，COSMIC 掩星观测的不均匀体出现率随太阳活动的增强而增强，趋势与CHAMP 卫星原位测量结果一致.Chen 等也发现 2007 年350 km 以上高度的电离层闪烁活动比其他年都要活跃，甚至比太阳活动极大年都高，认为这个现象需要联合更多其他手段的观测进行研究[13].下面对比分析时，暂不考虑2007 年的COSMIC 掩星观测数据.

3.2 季节/经度变化

图10 给出CHAMP 卫星原位观测和COMSIC掩星观测电离层不均匀体出现率随季节/经度的变化.可以看出：CHAMP 卫星观测到电离层不均匀体出现率的极大值出现在12 月的美洲扇区，达到40%，而在该经度扇区的其他月份(如4—8 月)，不均匀体出现率则低于10%；亚洲扇区的电离层不均匀体出现率的极大值出现在9—10 月和3—4 月，幅值接近15%～20%；而在太平洋的西海岸，极大值出现在6—10 月，幅值接近15%.

图10 不同卫星观测不均匀体出现率随季节和经度的变化Fig.10 Seasonal/longitudinal variations of the ionospheric irregularities occurrence for in-situ and radio occultation observations

COMSIC 掩星观测的电离层不均匀体出现率的季节/经度变化与CHAMP 卫星原位观测结果一致：极大值出现于12 月的美洲扇区，幅值达到并超过20%；亚洲扇区的电离层不均匀体出现率极大值出现于3—4 月和9—10 月，幅值接近15%；而太平洋的西海岸附近，极大值则出现在6—10 月，幅值接近12%.

3.3 随太阳活动变化

图11 给出太阳活动高年和低年，COMSIC 掩星观测电离层不均匀体出现率随季节/经度的变化.可以看出，太阳活动高年期间，COMSIC 掩星观测电离层不均匀体出现率随季节/经度的变化与整个观测期间的结果非常相似，极大值仍出现于12 月的美洲扇区，但是幅值更大，超过25%；亚洲扇区和太平洋的西海岸的电离层不均匀体出现率的极大值分别出现在3—4 月和9—10 月、6—10 月，幅值接近20%.太阳活动低年，COMSIC 掩星观测电离层不均匀体出现率的极大值，出现于美洲扇区的11—2 月，幅值接近20%.同时，1—2 月的电离层不均匀体出现率高于其他季节，且沿经度较为均匀分布，幅值接近10%.

图11 太阳活动高年和低年GNSS 掩星观测不均匀体出现率随季节和经度的变化Fig.11 Seasonal/longitudinal variations of the ionospheric irregularities occurrence for GNSS radio occultation observations,during the high and low solar activity years

3.4 随地方时变化

图12 给出太阳活动低年和高年期间日落—次日凌晨，CHAMP 卫星原位观测和COSMIC 掩星观测电离层不均匀体出现率随地方时的变化.可以看出，CHAMP 卫星原位观测和COSMIC 掩星观测无论是太阳活动低年还是高年，电离层不均匀体出现率均在日落后迅速增加，极大值均出现在子夜前(20:00—22:00LT)，然后缓慢下降直至次日凌晨.但是太阳活动高年的电离层不均匀体出现率高于太阳活动低年，在子夜前尤为明显.太阳活动高年CHAMP 卫星原位观测和COMSIC 掩星观测的电离层不均匀体出现率的极大值分别接近28%和32%，04:00LT 幅值分别接近3%和8%；太阳活动低年CHAMP 卫星原位观测和COMSIC 掩星观测的电离层不均匀体出现率的极大值分别接近20% 和14%，04:00LT 的幅值分别接近3%和5%.

图12 不同卫星观测不均匀体出现率随时间的变化Fig.12 Variations of the ionospheric irregularities occurrence versus local time for in-situ and radio occultation observations

3.5 随磁纬和经度变化

为便于分析不同经度扇区电离层不均匀体出现率随磁纬的变化，将全球分为不同的扇区：非洲(0°E～45°E)、印度(45°E～105°E)、太平洋(105°E～210°E)、美洲(210°E～315°E)和大西洋(315°E～360°E).

图13 给出不同经度扇区CHAMP 卫星原位观测不均匀体出现率随磁纬的变化.可以看出，太阳活动高年期间的电离层不均匀体出现率显著高于太阳活动低年，尤其是在赤道异常区附近，且呈现出赤道异常现象，即赤道异常处的闪烁出现率高于磁赤道处.在非洲和大西洋扇区，电离层不均匀体出现率较高，且在太阳活动高年北半球的电离层不均匀体出现率显著高于南半球.在太阳活动极大年，非洲扇区的电离层不均匀体出现率的极大值分别出现于18°S 和0.5°S，幅值分别为10%和7%；大西洋扇区的电离层不均匀体出现率的极大值分别出现在23°S 和1°N，幅值分别为12%和7%.在印度、太平洋和美洲扇区，电离层不均匀体出现率较低，且南北半球近似对称分布，在太阳活动高年呈现赤道异常现象：电离层不均匀体出现率的极大值分别出现在8°N 和8°S，幅值接近5%左右.

图13 不同经度扇区CHAMP 卫星原位观测不均匀体出现率随磁纬的变化Fig.13 Variations of the ionospheric irregularities occurrence at different longitudinal sectors vs.geomagnetic latitude for insitu observations of CHAMP satiuate

作为对比，图14 给出不同经度扇区COSMIC 掩星观测的电离层不均匀体出现率随磁纬的变化.可以看出，在磁赤道附近和高纬地区，太阳活动高年期间的不均匀体出现率高于太阳活动低年.在中纬地区，太阳活动高年期间的电离层闪烁出现率和低年的差别不大.无论是太阳活动低年还是高年，电离层不均匀体出现率的极大值均出现于磁赤道附近.就经度分布来说，电离层不均匀体出现率在非洲和大西洋扇区较高，太阳活动高年的极大值接近50%；太阳活动低年的极大值接近或超过20%.在印度、太平洋和美洲扇区，电离层不均匀体出现率较低，太阳活动高年的极大值接近35%，太阳活动低年的极大值接近15%.

图14 不同经度扇区COSMIC 掩星观测不均匀体出现率随磁纬的变化Fig.14 Variations of the ionospheric irregularities occurrence at different longitudinal sectors versus geomagnetic latitude for radio occultation observations

4 讨 论

本文基于COSMIC 掩星观测闪烁指数数据，取遮掩点的位置为掩星观测电离层不均匀体出现的位置，按高度将电离层不均匀体分为了E 区不均匀体和F 区不均匀体，对应的高度分别为80～130 km 和150～550 km，对比分析了它们随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化.同时取遮掩点位于300～500 km高度的COSMIC 掩星观测数据，并将S4max大于0.3 作为COSMIC 掩星观测电离层F 层不均匀体出现的判据，将掩星观测电离层不均匀体出现率与CHAMP 卫星原位测量结果进行对比，分析了电离层F 区不均匀体出现率的年际变化、季节/经度变化、随太阳活动、地方时以及磁纬和经度的变化.得到一些有趣的结果.

4.1 电离层E 区和F 区闪烁对比

电离层E 区闪烁主要出现于100～120 km 高度，尤其是110 km 附近，略高于现有太阳活动极小年期间的掩星Es 观测结果[14].太阳活动极小年期间，夏季Es 主要出现在95～110 km，春秋季和冬季主要出现在90～105 km.这种差异可能来源于本文观测期间的平均太阳活动水平较高，电离层高度也较高.电离层F 区闪烁主要出现在150～400 km，尤其是200～300 km 附近，与Chen 等 2017 的观测结果[13]基本一致.电离层E 区闪烁主要出现在南北半球的中纬地区，(磁)赤道附近的闪烁强度弱于低纬地区，且沿纬圈向的分布略有弯曲，表明E 区闪烁受到地磁场的影响.

电离层F 区闪烁主要出现于南北半球的低纬和赤道地区，沿磁纬圈向排列非常明显(尤其是200～300 km 高度)，与现有结果一致[13]，表明F 区闪烁受到地磁场的强烈控制.

电离层E 区闪烁在夏季半球(北半球6 月和南半球12 月)的中纬地区最强，峰值出现于35°N～45°N 和40°S～50°S；极大值出现于日落前后，在至点(6 月和12 月)还有一个极大值，出现于上午.总体来说，除日出前后外，全天都有可能出现E 区闪烁.本文观测的电离层E 区闪烁随时间的变化与2012年Brahmanandam 等的观测结果[16]较为一致.但是，地基较少观测到电离层E 区闪烁，造成这些差异的原因可能有：1)两种观测手段的几何学不同.电离层闪烁现象实际是沿星-地链路(或星-星链路)信号传播路径的积分效应，它与路径上电子密度的起伏成正比.如前文所述，引起电离层E 层闪烁的不均匀体(Es)是位于110 km 附近的电离密度增强的薄层，水平尺度为200 m～100 km，有时可能在更大范围内连续.地基观测基本沿垂直方向，观测路径经过电离层不均匀体的概率远低于沿水平方向的掩星观测.因此，掩星观测出现电离层E 区闪烁的概率更大.Arras等发现掩星观测Es 夏季极大值出现率接近45%[14].2)掩星观测不均匀体位于遮掩点位置的假设造成的位置(时间)误差.研究表明，当遮掩点高度与F 区峰值高度相差不大时，将遮掩点作为引起掩星闪烁的电离层不均匀体位置是合理的[21].但是当遮掩点位于E 区高度时，可能误差较大.

本文发现在南半球(0°E，30°S)附近区域有一个电离层E 区闪烁的低发区.Arras 等也观测到了太阳活动极小年期间南大西洋附近电离层Es 出现率较低[14]，认为这可能与地磁场的分布有关.

总体来说，无论哪个月份，太阳活动低年的低纬地区(45°S～45°N)电离层E 区闪烁随纬度和地方时的分布均与太阳活动高年非常相似；但低年期间的闪烁强度和纬度范围比太阳活动高年略大，6 月南半球低纬地区(0°S～45°S)除外，其闪烁强度和纬度范围与太阳活动高年比较相近.

电离层F 区闪烁主要出现于南北半球的磁赤道和低纬地区，且呈现显著的季节变化：分季最强，其次是12 月，6 月较弱.就地方时变化来说，F 区闪烁于日落后出现，极大值出现于子夜前(22:00LT 左右)，持续到子夜后.太阳活动低年电离层F 区闪烁在3 月最强，其次是12 月，在9 月较低，6 月最低.太阳活动高年F 区闪烁在9 月和3 月最强，6 月较低，12 月最低.总体来说，F 区闪烁随地方时和纬度的变化在太阳活动高年与太阳活动低年比较相似.但是夜间F 区闪烁的强度和纬度范围均随太阳活动的增加而增强.本文观测的6 月和12 月期间，电离层F 区闪烁对太阳活动的依赖关系与Chen 等观测结果一致[13].

两者结果对比表明，除季节因素外，太阳活动对E 区闪烁的影响并不是基本的，而赤道异常区和赤道区的电离层F 区闪烁受太阳活动的显著控制.

地磁扰动时，中低纬地区电离层E 区闪烁的全球分布与地磁平静时比较相似，但是闪烁的强度总体上略有增加，尤其是凌晨时段(00:00―06:00LT)；中低纬地区电离层F 区闪烁的全球分布也与地磁平静时比较相似，但是闪烁强度明显增加，且扩展至更高的纬度，尤其是00:00―06:00LT 以及18:00―24:00LT 的太平洋扇区.两者对比表明，电离层F 区闪烁对地磁活动更为敏感.

4.2 电离层F 区闪烁与卫星原位测量对比

除2007 年外，掩星观测电离层不均匀体出现率对太阳活动的依赖关系，与CHAMP 卫星原位观测结果一致：在太阳活动高年出现率较高，随太阳活动水平的降低，出现率逐渐降低；在太阳活动低年，出现率也较低.

掩星观测电离层不均匀体出现率随季节/经度的变化与CHAMP 卫星原位观测结果一致：极大值出现于12 月的美洲扇区，3—4 月和9—10 月的亚洲扇区、6—10 月的太平洋西海岸附近.掩星观测美洲和亚洲扇区电离层闪烁出现率的季节变化、对太阳活动的依赖关系，与地基观测结果一致[22-23].掩星观测电离层闪烁随季节/经度的变化可以用Tsunoda 提出的理论来解释[24].该理论认为，在昼夜分界线与磁子午线平行的地方，磁力线在南北半球同时进入夜间，急速减小的E 区电导率会导致R-T 不稳定性的增长，有利于赤道不均匀体的生成，从而造成电波闪烁.

太阳活动高年期间，掩星观测电离层不均匀体出现率随季节/经度的变化与整个观测期间的平均结果非常相似.太阳活动低年，COMSIC 掩星观测电离层不均匀体出现率的极大值，出现于美洲扇区的11—2 月份.此外，1—2 月期间的电离层不均匀体出现率高于其他季节，且沿经度分布较为均匀.

掩星观测电离层不均匀体的出现率随地方时的变化与CHAMP 卫星原位观测结果一致：在日落后迅速增加，极大值均出现于子夜前(20:00—22:00LT)，随后缓慢下降直至次日凌晨.

不同经度扇区掩星观测电离层不均匀体出现率随磁纬的变化与CHAMP 卫星原位观测结果一致：电离层不均匀体出现率在非洲和大西洋扇区较高，在印度、太平洋和美洲扇区较低.

此外，两种手段的不均匀体变化特征存在一些差异：1)CHAMP 卫星原位观测电离层不均匀体随磁纬的分布呈现赤道异常现象，即赤道异常处的电离层闪烁出现率高于磁赤道，且在太阳活动高年非洲和大西洋扇区观测到南北半球不对称性现象.而掩星观测电离层不均匀体出现率没有出现赤道异常现象或南北半球不对称性现象.2017 年Tsai 等也没有观测到赤道异常驼峰，认为可能与掩星观测经过一个较长的临边观测基线导致的平滑过程有关[15].2)不同经度扇区，掩星观测电离层不均匀体出现率(峰值～40%)明显高于CHAMP 卫星观测的出现率(峰值～15%)，约为后者的2～3 倍.Tsai 等观测到2006—2014 年期间150～500 km 高度平均的电离层F 区不均匀体出现率在中太平洋(磁纬-20°N～ 20°S，经度160°E～130°W))、南美(磁纬-20°N～20°S，经度100°W～30°W)和非洲(磁纬-20°N～20°S，经度30°W～50°E)的峰值接近25%[15]，与本文观测结果一致.初步猜测差异可能部分来源于掩星观测电离层不均匀体位于遮掩点位置产生的定位误差，但需要结合两种探测手段的特点进行进一步分析.

5 结 论

本文基于COSMIC 掩星观测闪烁指数数据，取遮掩点的位置为掩星观测电离层不均匀体出现的位置，对比分析了电离层E 区不均匀体和F 区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化.得到以下结论：

1)除季节因素外，太阳活动对E 区闪烁的影响并不是基本的，而赤道异常区和赤道区的F 区闪烁受到太阳活动的显著控制：相比太阳活动低年，高年的F 区闪烁强度更大，且扩展至更高的纬度.

2)地磁扰动时，中低纬地区电离层E 区闪烁的全球分布与地磁平静时比较相似，但是闪烁的强度总体上略有增加，尤其是凌晨时段(00:00—06:00LT)；中低纬地区电离层F 区闪烁的全球分布也与地磁平静时比较相似，但是闪烁强度明显增加，且扩展至更高的纬度，尤其是00:00—06:00LT 及18:00—24:00LT的太平洋扇区.两者对比表明，电离层F 区闪烁对地磁活动更为敏感.

3)掩星观测可较好地反映电离层峰值高度及以上电离层不均匀体出现率随季节/经度、地方时和太阳活动的变化.电离层不均匀体出现率的极大值出现在12 月的美洲扇区、春秋分的亚洲扇区、6—10 月的太平洋的西海岸附近.电离层不均匀体出现率在非洲和大西洋扇区较高，在印度、太平洋和美洲扇区较低.太阳活动高年，电离层不均匀体出现率随季节/经度的变化与整个观测期间的平均结果非常相似.太阳活动低年，电离层不均匀体出现率的极大值，出现于美洲扇区的11—2 月.此外，1—2 月期间的电离层不均匀体出现率高于其他季节.

上述结果表明，COMSIC 掩星不仅可以反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征，且可以反映电离层不均匀体随高度的变化.但掩星观测结果也呈现出一些不同的特征：如没有观测到赤道异常现象、某些经度扇区的南北半球不对称性不太显著等.以往也有研究发现掩星观测电离层不均匀体出现率的春秋分不太显著等[18].