太阳活动峰年北美中纬电离层分层结构变化

姜阳厚，刘 晨*，周鸿芸

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510663；2.广州市黄浦区不动产登记中心，广东 广州 510700）

电离层延迟是卫星导航系统测量中最主要的误差源之一，从天顶到地平，电离层引起的测距误差范围可达5～150 m；而且目前无线电技术被广泛应用，根据电磁波在电离层中的传播特征还可进行超视距探测、远距离通信等活动。不仅如此，电离层垂直结构变化的研究对于电离层预报、电离层异常监测、磁暴太阳耀斑和地震等日地活动具有重要意义。

太阳辐射作为电离层主要的能量源，直接影响电离层的电离状态，从而导致结构特征变化。电离层参数观测数据包括总电子含量（TEC）、等离子体层电子含量（PEC）、峰值密度（高度）和电子密度等，均表现出强烈的时空变化相关性[1]。电离层和太阳活动存在同步周期变化（11年），因此研究太阳活动峰年不同电离层状态参量的变化十分必要。在常见的大尺度电离层时空变化探测手段中，地基GNSS监测凭借其高时空分辨率和全球覆盖性的优势成为了主流[2]，但对电子密度和等离子体层考虑较少，观测资料主要集中在TEC（0～20 200 km）等参数。实际上，在太阳活动高峰期，PEC对TEC的贡献有可能超过70%，不仅电离层的垂直结构变化明显，而且具有明显的时空变化特征[3]。目前获取PEC的方式可归纳为两种：①由两颗不同高度卫星观测的TEC数据之差获取PEC数据，适合大范围的等离子体层研究[4-6]；②由地面探测仪估算单站TEC数据，再结合GPS TEC可分析局部PEC变化[4,7]。相关研究表明，非相干散射雷达（ISR）探测范围能从D层（60 km）延伸到顶层电离层F层（1 000 km），相较于电离层垂测仪，不仅探测高度范围更大，而且精度也有保障[8]。

太阳活动存在11年的活动周期，一方面太阳活动影响地球磁场的变化，另一方面包括X射线、紫外线等辐射源直接影响电离层的电离程度，这些因素将导致电离层出现同步变化，在高峰年对电离层状态和结构的影响更大[9]。因此，本文选取Millstone Hill台站（42.6°N、288.5°E）的ISR观测资料，该台站位于北美中纬度区域，对探测该区域电离层的垂直结构变化有很多优势[10]；同时结合美国喷气推进实验室发布的全球电离层图（GIM）数据，对太阳活动高峰年（2014年）不同高度层电子含量以及底部至顶部的电离层电子密度（100～1 000 km）进行了研究。

1 数据来源与研究方法

本文以美国喷气推进实验室提供的GIM资料作为验证，其时间分辨率为2 h，纬度为+87.5°～-87.5°（间隔2.5°），经度为+180°～-180°（间隔5°）[11]。由于在北美大陆上基准站数量较多，GIM数据在该区域具有较好的精度。本文采用美国麻省理工学院Millstone Hill台站的ISR数据，其高度分辨率可达10 km，垂直区域覆盖广泛可由电离层底层D区延伸到2 000 km左右，可同时对多种电离层等离子体重要参数进行测量[12]。ISR观测数据包括AC数据和SP数据两种观测模式，AC数据探测底部电离层数据的精度较高，但坏点多、数据连续性很差，数据量只有SP数据的1/10左右[9]。因此本文提取电离层D区以上的SP数据，按照五点滑动平均法对数据质量进行控制（图1a）[13]。ISR数据处理主要通过剖面函数拟合和积分换算两个步骤[14]，即可完成不同高度电离层电子密度和PEC信息的获取。由于SP数据主要集中在160～700 km的电离层，首先利用变化标高的Chapman-α函数对其他高度层数据进行剖面拟合（详细步骤见参考文献[15]），并外推至100～1 000 km处的电离层；然后对从底部到顶部的电离层电子密度状态进行分析。Chapman-α函数拟合的一个样例如图1b所示，利用该剖线上的35个点数据进行数据模拟，吻合度可达95%以上，电离层峰高和峰值电子密度均较一致，说明上述方法具有较高的可行性。

图1 ISR电子密度轮廓线数据处理

2 数据分析

2.1 等离子体层分析

2014年Millstone Hill台站上空的GPS TEC和ISR TEC散点图如图2所示，黑色直线表示最小二乘拟合的趋势线，GPS TEC包括0～20 200 km高度范围内的TEC，而ISR TEC主要考虑等电离层（100～1 000 km）的贡献，可以看出，二者相关性较高，达到了86%；纵坐标截距为5.6 TECU，与Belehaki A[16]和Breed A M[17]等利用中低纬度台站资料反演的ITEC和TEC差值结果较一致，表明该结果具有一定的可靠性。电离光合和化学作用主要发生在中低层大气，ITEC贡献了电子密度总含量的绝大部分[5]，接下来将详细描述大气高层电子含量PEC和TEC在太阳峰年的时间变化特征。

图2 GPS TEC和ISR TEC散点关系图/TECU

根据前文定义，通过Chapman-α函数反演的ISR TEC数据与GIM数据提取的GPS TEC数据之差得到PEC数据。该参数可以较好地反映1 000～20 200 km高空处等离子层的变化情况。本文提取台站上空全年GPS TEC和PEC数据作平均化处理，以分析太阳活动峰年（2014年）PEC的日时段变化情况，结果如图3所示，按照当地时间将6:00—18:00作为白天，19:00—5:00作为夜间。IRI-12模型和GIM模型均显示在中低纬度TEC具有明显的双峰结构。GPS TEC和PEC时段变化曲线具有一致性（图3），在LT 5:00左右，TEC和PEC均达到日时段变化的最小值，分别为9.6 TECU和5.6 TECU，但两个参数的高峰时段出现了一定差异，TEC数据峰值点出现在LT 15:00，超过了25 TECU；而PEC数据在LT 19:00达到最高点，为12 TECU。此外，相较于TEC变化，PEC变化幅度稍小，这与PEC反映的TEC较小有关。PEC所占GPS TEC比例的日时段变化情况如图4所示，可以看出，PEC相对日变化同样具有明显的双峰结构，但与图3的PEC绝对数值变化曲线呈相反趋势，所占TEC比例在白天（32%～58%）远低于夜间（59%～71%），分别在LT 9:00和21:00达到峰值（32%）和最低点（71%）。总体而言，PEC以及所占GPS TEC比例均具有显著的周日变化特性和双峰结构，PEC整体在5～12 TECU波动，GPS TEC与PEC的变化趋势一致性，说明两个参数可能具有一定的相关性。

图3 2014年Millstone Hill台站上空GPS TEC和PEC时段变化

图4 2014年Millstone Hill台站上空PEC/TEC比例时段变化

太阳活动对电离层和等离子体层均有较大影响[18]，研究太阳活动高年TEC变化发现明显的冬季异常变化和半年异常变化，即冬季和春秋分季TEC含量高于其他季节。本文将3—5月作为春季、6—8月作为夏季、9—11月作为秋季、12—次年2月作为冬季，计算每个季节的PEC含量日时段中值，以分析春—冬季的日变化情况，结果如图5所示，图中点线表示月中值，散点表示每一天的数值，可以看出，PEC日变化范围从1.8～11.4 TECU（春）、2.2～11.3 TECU（夏）、2.6～12.4 TECU（秋）到0.7～11.1 TECU（冬），表明在太阳高峰年PEC日变化幅度的季节性差异不明显，秋季PEC含量达到了全年最大值，而夏季和冬季分别在白天和夜晚达到了全年最小值，存在一定程度的半年异常现象。结合表示不同时段的PEC含量散点分布发现，夏季和冬季离散程度更大，说明等离子体层变化更为剧烈。此外，随着时间的推移，全年PEC含量的谷值从LT 5:00左右延迟到7:00左右，峰值在LT 17:00点左右，地球公转引起的太阳活动变化导致PEC的时间特征出现了一定变化。

图5 PEC含量季节PEC时段变化

不同季节的PEC所占GPS TEC的比例变化如图6所示，可以看出，春、夏、秋、冬4个季节的变化范围分别从21%～70%、12%～56%、20%～61%到7%～64%，具有明显的双峰结构，同样是春秋分季PEC占比变化幅度和峰值高于其他季节。总体而言，白天PEC含量高于夜晚，而所占GPS TEC比例的变化情况则相反，受太阳活动的影响，两个指标均出现了春秋分季高于其他季节的情况，呈现半年异常变化，且日变化峰值和低谷在全年出现的时间也出现了一定差异。

图6 PEC含量所占GPS TEC百分比季节变化

为进一步探测太阳活动峰年（2014年）等离子体层和电离层的同步变化情况，本文绘制了4个季节PEC与GPS TEC的对比散点图（图7），并进行了最小二乘线性拟合（图中黑线），可以看出，PEC与GPS TEC相关性最大的季节为春季，高于70%，具有较强的线性关系；相关性最弱的为夏季，仅为34%；除此之外，春秋分季的相关系数远高于夏、冬季，表明PEC与GPS TEC的同步变化更为显著。

图7 GPS TEC和PEC的相关性分析/TECU

2.2 电离层垂直结构分析

由于不同高度的大气成分和密度不同，致使粒子发生电离的太阳辐射和影响因素也不尽相同，使得电离层分为3个明显的分层结构，即D（60～90 km）、E（90～140 km）、F（＞140 km）[18-19]。由于底层电离层受大气环流和粒子碰撞影响，导致电离层结构稳定性较差，同时考虑到ISR信号在100 km以下精度较差，因此本文只考虑100 km以上的电离层电子密度变化情况。

电离层的垂直结构不仅受到空间和地理位置的较大影响，而且具有明显的季节性和昼夜性，本文提取了春、夏、秋、冬4个季节的电离层电子密度数据（100～1 000 km），进而分析了从底层到顶层的电离层结构。通常电子浓度随着高度的爬升而增大，在固定高度层F层达到极大值，继而从峰值浓度逐渐减小。电子密度垂直结构季节性变化情况如图8所示，可以看出，各层电子密度通常白天大于夜晚，电离层在白天具有更明显的分层结构；在太阳活动高峰年（2014年），电子密度在电离层底层出现了异常增大的响应，这一方面可能与电离层底层距离地面较近、电子与高密度的中性大气碰撞频率频繁有关，另一方面在太阳活动峰年D层吸收作用明显，将导致电离作用更加明显[20]。图8中的分界线可清楚显示F层与其他层的边界，边界范围可表示为F层的高度范围，即厚度大小。F层分为F1和F2层，高度范围分别为140～220 km和220 km以上，具有明显的昼夜差异性，F2层电子浓度最大，在该层受太阳辐射电离形成的O+含量极高，而F1层主要受到O+和NO+离子比例变化的影响，白天和夜晚电子密度含量有所不同，在夜晚离子与电子的快速结合导致F2逐渐消失[21]。观察F层的季节变化发现，春季电离层分层结构最明显，F层电子密度明显高于其他层；在夏季F层厚度达到了全年最大值，夜晚和白天均具有较高的电子密度，且高于其他季节；冬天的电子密度最小，且分层结构不太显著。针对峰值高度（hmF2）观测值在太阳活动高年（2014年）的变化，图中黑色圆点表示不同时刻电离层峰值的高度，通常与太阳活动低年相比，峰值高度（200～400 km）在太阳活动高年相应增大，峰值高度在LT 6:00出现小低峰后不断上升，并在LT 20:00左右达到全天的最大值；冬季的hmF2最大值明显低于其他季节，全天峰高变化平缓；对于春、夏、秋3个季节，均存在夜间LT 0:00—4:00峰值高度出现快速下降的过程。

图8 电子密度垂直结构季节性变化分析

3 结语

为了研究太阳高峰年对局部电离层垂直结构特征和等离子体层的影响，本文通过解算太阳活动高峰年（2014年）位于Millstone Hill台站的ISR数据，结合GPS TEC数据，获得了电子密度（100～1 000 km）、ITEC和PEC含量，进而研究了多个参数的变化特征。ITEC和PEC均与TEC表现出一致的时间变化特征，ITEC与TEC相关程度很高，而PEC具有明显的周日特征；PEC值和所占GPS TEC比例具有双峰特征，其中PEC值与GPS TEC变化一致，低谷和峰值点分别出现在早晨（LT 5:00）和傍晚（LT 17:00），但PEC所占比例的变化趋势则相反，这是由于等离子体层和电离层不同的变化率和电子输运速度所致[22]；季节变化呈现半年异常现象，PEC含量峰值出现在秋季（12 TECU），且春秋分季节PEC与GPS TEC的相关性达到了70%，表明等离子体层和电离层出现较同步的变化；受O+和NO+离子比例变化和中性风影响，F1/F2层昼夜变化较大，电离层分层结构也出现季节性差异。