引言

电离层电子总含量TEC(Total Electron Content)不但是研究电离层形态学的重要资料,而且也是导航、精密定位和电波科学中有关电离层修正的重要参数。其垂直分量VTEC(Vertical Total Electron Content)的变化与很多因素有关,如地方时、季节、太阳活动、地磁活动以及突发空间事件(如磁暴)等。在赤道及低纬度地区,由于电离层异常现象的存在,VTEC表现得非常复杂,所以研究VTEC的形态及其变化特征,对于空间天气学的研究和总电子含量模式的完善有着非常重要的意义和指导作用。在电离层研究中,低纬电离层占有非常重要的地位,同样也是研究电离层空间天气不可缺少的部分,因而研究低纬电离层对于通讯和航天活动具有重要作用(Torr等,1973)。

低纬地区的VTEC变化频繁,这是由于电离层异常区赤道电场变化、地球南北向中性风场的转变以及大气中性成分的增减等因素的影响(Kumar等,2009)。VTEC由于受到太阳活动和地磁活动影响,其峰值位置会发生相应的移动,除此之外,VTEC赤道异常的峰区位置也会随着时间的变化发生南北移动(Huang等,1989)。比如,强烈的太阳活动会使得VTEC赤道异常区的峰值位置向北移动至北回归线附近,因而VTEC值会显示出高值;相反,在弱太阳活动期间,VTEC赤道异常区的峰值位置会靠近磁赤道,相应北回归线的位置则会处于VTEC赤道异常区的峰值以外的边缘区,因而VTEC值可能会显示出低值。VTEC赤道异常区的北峰峰区覆盖了近半个中国的版图,因此着重研究VTEC赤道异常峰区电离层的特点,就可以在一定程度上掌握中国电离层的某些重要特性。由于昆明地区处于VTEC赤道异常区的北峰峰区中,所以VTEC峰值位置的变化可以通过以昆明为代表的北回归线附近地区的VTEC日变化波动表现出来。这对于研究VTEC赤道异常北峰区的变化特征和低纬地区电离层对太阳活动与地磁活动响应的物理过程具有重要的科学意义(Rishbet,1998)。

在国际上,对于VTEC的研究主要是在国际全球导航卫星系统服务中心(IGS)的主持下,由美国加利福尼亚喷气动力实验室(JPL)等机构进行(毛田等,2005)。本文就是基于JPL-GIM(Jet Propulsion Laboratory-Global Ionosphere Map,美国加利福尼亚喷气动力实验室全球电离层地图)的数据,对昆明地区2001—2012年的VTEC进行时间变化规律的分析。为了研究VTEC与太阳活动和地磁活动的相互关系,本文选取了F10.7和Dst指数分别与VTEC进行相关性分析。研究结果在一定程度上可以反映昆明地区VTEC伴随太阳活动周期的变化规律,并且可以代表低纬地区电离层中VTEC的部分性质,对于进一步理解VTEC的变化特征以及改善电离层模型的模拟、预测精度,都具有重要的参考和应用价值。

1 数据获取和处理方法

JPL的Mannucci和Wilson采用8阶球谐函数的方法,率先绘制出了全球电离层地图(GIM)。JPL不仅最先研制出了GIM,而且还率先研制了全球电离层同化模型GAIM(Global Assimilative Ionospheric Model)。GAIM采用实时的测量数据,如:GPS测量数据、非相干散射雷达、电离层测高仪和GPS掩星等数据作为输入,并实时调整模式参数,从而使得JPL-GIM在电离层地图方面的研究地位一直世界领先(Ma等,2003)。JPL-GIM采用全球100多个GPS台站的观测数据,基于卡尔曼滤波的电离层数据同化系统的初步构建和实验结果(乐新安等,2011),在对斜向TEC进行投影时,采用卡尔曼滤波算法和四维变分方法(熊波等,2010)可以把部分VTEC同化到背景模式中,实现对模型的优化。得到时间范围为世界时0—22时,时间间隔为2小时,经度范围为180°—180°,经度间隔5°,纬度范围87.5°—87.5°,纬度间隔2.5°的全球电离层地图。

图 1 昆明地区VTEC数据处理方法 Fig. 1Data processing method of VTEC in Kunming area

本文使用的数据均为从JPL网站上获取的。数据的格式为世界时0—22时,时间间隔为2小时,即1天12个数据。数据处理方法是选取昆明台站(25.25°N,102.64°E)周围的4个数据点,得到一个四边形网格,对网格的四个端点计算平均值,其结果即为昆明地区的VTEC值。这虽然不是通常的计算方法,但笔者进行这样处理的理由是:VTEC是一个空间大尺度特征量,因而没有某一个点处的值。例如:本文所下载的数据是经度每5°有值,纬度每2.5°有值,而昆明的经度是102°E,在这个经度没有值,因此可以用它东西方向临近的100°E和105°E格点上面的VTEC值;而昆明的纬度是25°N,在这个纬度没有值,因此取南北方向临近的22.5°N和25°N格点上面的VTEC值,这样采用东西南北4个格点的VTEC值做一个平均,就可以视为昆明地区的VTEC值,具体方法如图1所示。图中黑点即为昆明地区,A、B、C、D四点的VTEC值取平均,就可以视为昆明地区的VTEC值。

2 统计结果对比分析
2.1 VTEC的变化规律

为了获得昆明地区VTEC的一般变化规律,笔者选取世界时(UT)和整点时刻的VTEC数据,并将每年12个月的数据划分为春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12、1、2月)四个部分。这里需要说明的是,由于本文没有获取2013年的VTEC数据,所以2012年冬季的VTEC数据仅有2012年12月这1个月的数据作为的代表。图2和图3分别给出了2001—2006年和2007—2012年春、夏、秋、冬各季节VTEC的变化形态,图中纵坐标TECU表示VTEC的单位。

图 2 2001—2006年VTEC的季节变化
(当地时=世界时+6.8小时)
Fig. 2Seasonal variation of VTEC during 2001—2006(LT=UT+6.8(h))
图 32007—2012年VTEC的季节变化
(当地时=世界时+6.8小时)
Fig. 3Seasonal variation of VTEC during 2007—2012(LT=UT+6.8(h))

(1)VTEC日变化。将VTEC数据分为春、夏、秋、冬4个季节,并分析每个季节VTEC的日变化趋势。例如:将2012年春季(3—5月)每日的第一个数据加起来除以92,作为2012年春季平均日变化的第一个值;将2011年秋季(9—11月)每日第二个数据加起来除以91,作为2011年秋季平均日变化的第二个值。从图2和图3中可以看出,每个季节VTEC的平均日变化趋势几乎相同,在时间分布上呈现明显的高值和低值时间段,即“02:00UT—16:00UT”为相对高值时间段;“16:00UT—02:00UT”为相对低值时间段。VTEC从“00:00UT”开始逐渐上升,在“08:00UT”达到1天中的最大值(夏季为10:00UT),之后逐渐减小,到“16:00UT”开始进入低值水平,并且在“22:00UT”达到最小值;而随着太阳的升起,VTEC又开始逐渐增大,进入下一天的高值分布,如此循环。类似的日变化在12年的数据中也均有所体现,因此可以认为,这种变化特征是昆明地区VTEC日变化的基本特征。这与Azpilicueta等(2008)和Galav等(2010)的研究结果类似,只是由于测站所处经纬度的差异,最大值出现的时刻有所不同。

(2)VTEC季节变化。从图2和图3中还可以看出VTEC季节异常变化的特征。比如以2006年为例:春季VTEC表现为明显的高值分布,且高于其他季节,日最大值出现在“08:00UT—10:00UT”;而冬季是VTEC最低值的季节,平均最大值低于25TECU,且出现在“08:00UT”;秋、冬两季VTEC的变化趋势较为接近,总体上秋季的VTEC平均最大值比冬季大;夏季VTEC的平均最大值出现在“10:00UT”。同时2002—2010年以及2012年的VTEC变化与2006年类似,而2001年和2011年的VTEC变化稍有不同,但是VTEC季节变化的差异仍然较为明显。另外还可以看出,VTEC的峰值和谷值绝大部分出现在春、秋季和夏、冬季,并且不同季节的峰值时间是不一样的。为了使昆明地区VTEC的变化特征更加突显,笔者还给出了昆明地区当地时(LT)与世界时(UT)之间的关系:LT=UT+6.8(h)。

(3)VTEC年际变化。笔者将2001—2012年VTEC峰值(VTEC Peak)进行了月均值处理,即1个月中每日的VTEC最大值相加再除以该月的天数,进而可计算出不同季节VTEC Peak的平均值。表1给出了2001—2012年各个季节VTEC Peak的平均值变化情况。从表1可以看出,昆明地区VTEC Peak的平均值在太阳活动低年期间(2005—2010年)处于低值的分布状态,其平均最大值低于60 TECU;在2001—2010年VTEC Peak的平均值表现为逐年下降的年际变化趋势;相较于前9年,VTEC Peak的平均值从2010年开始逐年上升。上述VTEC Peak的变化特征,反映出了VTEC Peak的量值受到了太阳活动的重要影响。例如:在太阳活动高年,VTEC Peak的平均值表现为高值,但在低年则恰恰相反。

表1 2001—2012年各个季节VTEC Peak的平均值(单位:TECU) Table 1 Seasonal average value of VTEC Peak during 2001—2012(unit:TECU)

(4)VTEC年变化对比分析。为分析VTEC年变化和半年变化特征(余涛等,2006),笔者选取每日VTEC的12个数据的平均值作为当日的VTEC数据值,如图4所示,图中纵坐标TECU代表VTEC的单位。从图中VTEC变化的趋势可以看出“双峰”的特点,即在1年中的春、秋季出现“峰值”,而夏、冬季出现“低值”的现象;并表现出很强的半年变化特征(Shweta等,2010),即VTEC在1年中由低值逐渐上涨,当达到最大值后又逐渐降低至最低值,仿佛出现2次循环。这或许是由于1年之中太阳直射点在南北回归线之间运动,在春、秋季时太阳的辐射会产生光化电离作用,这时太阳直射点在赤道附近,同时光化电离作用也达到最强,白天赤道上空“E层”极化电场产生的赤道电急流也比较强烈,“E×B漂移”引起的“喷泉效应”会变得最强;但是在夏至和冬至时,太阳直射点移动到南北回归线附近,所以“喷泉效应”相对减弱。另外在春分和秋分时,光化电离层的离子会沿着磁力线向两极的方向扩散,引起VTEC赤道异常区峰值的电子浓度变大(赵必强,2006)。

图 4 VTEC年变化对比曲线(2001—2012年) Fig. 4Plots of Annual Variation of VTEC values(2001—2012)
2.2 太阳活动和地磁活动对VTEC的影响

电离层中的电离源主要来自于太阳的(极)紫外辐射和高能粒子辐射,电离层的长期变化主要受太阳活动11年左右的周期变化影响。伴随太阳活动所引起的闪焰、爆发日珥或日冕物质喷发等爆发事件也比较频繁,其对航空、发电、通讯等都有明显影响(MaoTian等,2009)。

为进一步研究昆明地区VTEC的变化,笔者对VTEC峰值(VTEC Peak)进行了月平均计算。同时,还对昆明地区2001—2012年VTEC与太阳活动和地磁活动之间的相关性进行了研究,笔者选取了太阳活动指数F10.7和地磁活动指数Dst两个参量作为研究对象。其中:太阳活动指数F10.7是太阳10.7cm射电辐射的通量,单位为10x22W/m2•Hz,常用来描述太阳活动的强度;而Dst指数是反映赤道环电流强度的地磁指数,常用来监测全球磁暴活动水平,它以1个格林威治小时为时间间隔,在经度分布较均匀的地磁台上记录地磁水平分量小时均值,并取这个水平分量小时均值与磁静日对应的小时均值之差,以nT为单位作为Dst的取值,负指数表示磁暴,负值越大磁暴的强度也就越强。

笔者对昆明地区2001—2012年的Dst和F10.7日均值求月均值,其方法为取1个月中每日的平均值相加再除以该月的天数;而对VTEC Peak求月均值的方法为,取1个月中每日VTEC的最大值相加再除以该月的天数。图5给出了Dst月均值、F10.7月均值和VTEC Peak月均值,其中,Dst月均值的单位是nT,VTEC Peak月均值的单位是TECU。

从图5可以得出昆明地区2001—2012年期间Dst、F10.7、VTEC Peak的变化特征。其中:Dst月均值从2003年开始呈现出逐渐减弱的趋势,在2009年达到最弱水平;而表征太阳活动强弱的F10.7月均值在2001年和2002年相对较强,之后逐年下降,如在2007年、2008年、2009年都显示出了非常低的活动状态。在2010年,Dst、F10.7这两个指数都开始增大,表明太阳活动出现明显的上升趋势。而图5中VTEC Peak月均值的变化也很好地响应了整个年际变化的规律。另外,在2001—2012年的VTEC Peak月均值的变化中,一个相同的规律是昆明地区VTEC Peak月均值的年变化以半年周期为主。VTEC Peak月均值的逐年变化表现为,从太阳活动峰年向太阳活动低年(2001—2009年)过渡,VTEC Peak月均值逐年下降,而在2010年又开始逐渐增大。从图5可以清楚地看出,2001—2012年VTEC Peak月均值的变化趋势与F10.7月均值的变化趋势相近。而从2001—2012年Dst月均值变化趋势来看,同样是在2001—2009年逐年减弱,从2010年开始显示出逐年增强的趋势,尽管这种趋势没有F10.7月均值那么明显。

图 5 Dst、F10.7、VTEC Peak的月均值变化曲线 Fig. 5Monthly averaged variations of Dst, F10.7 and VTEC Peak

图6分别给出了Dst月均值、F10.7月均值与VTEC Peak月均值相关性的比较。其中:图6(a)中点的含义是,2001—2012年每个月所对应的VTEC Peak月均值和Dst月均值,共计144个点;图6(b)中点的含义是,2001—2012年每个月所对应的VTEC Peak月均值和F10.7月均值,共计也是144个点;图中的直线为线性拟合,图中的点落在直线附近越密集,表明图中两个参数之间的相关性越好。总体而言,在2001—2012年间,F10.7月均值与VTEC Peak月均值的变化显示出了较好的相关性,其相关系数达到了0.93;而Dst月均值与VTEC Peak月均值的变化显示出了相对较弱的负相关性,其相关系数为0.52。

鉴于F10.7月均值与VTEC Peak月均值的变化有较好的相关性,为了进一步分析昆明地区VTEC Peak月均值与F10.7月均值的关系,笔者对昆明地区VTEC Peak与F10.7在不同季节的月均值进行了相关性比较。

图 6 VTEC Peak月均值与Dst、F10.7月均值之间的相关性比较(C表示2个变量的线性系数) Fig. 6Correlation coefficients comparison among monthly averaged VTEC Peak with monthly averaged Dst and F10.7(C represents the linear correlation coefficient between two parameters)

图7给出了不同季节VTEC Peak月均值与F10.7月均值相关性的比较。F10.7 作为太阳活动的重要指数,可以从一定程度上反映出太阳活动的强弱。从图7可以看出,不同季节间的相关系数略有不同,冬季相关系数值最大为0.9以上;夏季相关系数值最小为0.845;但四季的相关系数值均超过了0.8。这反映出VTEC Peak月均值与F10.7月均值在四季中均具有很强的相关性。

图 7 不同季节VTEC Peak月均值与F10.7月均值相关系数值的比较(C表示2个变量的线性系数) Fig. 7Comparison correlation of coefficients in different seasons between monthly averaged VTEC Peak and monthly averaged F10.7(C represents the linear correlation coefficient between two parameters)

有关VTEC Peak月均值与F10.7月均值的相关系数值,在其他一些研究中会得到不同的结果。例如:Chauhan等(2011)、Prasad等(2012)、刘国其等(2013)在分析太阳活动低年的观测数据时,分别得到的相关系数是近似的,相关系数值均在0.5左右;而Dabas等(1993)认为,在太阳活动的高年电离层电子含量与太阳活动指数将有更好的相关性,最大线性系数可以达到0.9,这与本文的分析结果类似。这说明,VTEC Peak月均值与F10.7月均值相关性的差异可能与太阳活跃水平有关,因为除了“喷泉”效应的直接影响外,电离层自由电子密度还会受到太阳作用的光电离和大气成分再复合过程的控制。

太阳(极)紫外线辐射通过光化电离作用将会产生更多的自由电子,因此越强的太阳活动,电离层中就会形成越高的自由电子背景密度,电子密度的垂直值VTEC就会越大,相关系数值的统计结果也就会相应的增大。

3 结论

由于昆明地区处在VTEC赤道异常区峰值的北驼峰纬度相对较高的位置上,其上空的VTEC变化比较复杂,通过对较长时间尺度的VTEC数据进行统计分析,可以获取该地区电离层变化的一些典型特征。笔者通过研究昆明地区2001—2012年VTEC的变化规律以及VTEC与太阳活动和地磁活动指数的相关性分析,得到了昆明地区春、秋、冬三季的VTEC平均最高值均出现在“08:00UT”;而夏季的VTEC平均最高值则出现在“10:00UT”, 夏季的“22:00UT”是1天中VTEC平均最小值出现的时刻。VTEC月均值存在季节异常的特征,其年际变化和太阳活动和地磁活动指数的变化特征相符,2001—2009年呈现出明显下降的趋势,2010年则显示出上升的趋势。相关性分析表明,VTEC月均值与F10.7月均值显示出较好的相关性,相关系数值超过了0.9;而VTEC月均值与Dst月均值则表现出相对较弱的负相关性,相关系数值为0.52。

应该指出,低纬地区以正相暴扰动为主,分析表明约有70%的电离层VTEC暴扰动伴随着有地磁扰动(陈艳红等,2010)。但是电离层VTEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层VTEC暴扰动有着重要影响。低纬地区电离层暴扰动以正相暴为主,这与电离层foF2暴扰动特性分析结果相吻合(邓忠新等,2012)。空间天气事件,如磁暴、电离层暴对VTEC的变化具有复杂而显著的影响。在本文所选取的VTEC数据时段中,处于太阳活动低年时,强磁暴相对较少,不能很好地分析VTEC对磁暴的响应和变化等问题。但随着太阳活动逐渐进入高年时期,各种强度的空间天气事件将增多,通过电离层低纬观测链不间断的监测以及数据分析研究,将会更深入地理解低纬地区VTEC在不同太阳活动条件下的长期变化规律和特性。

参考文献
[1]陈艳红,龚建村,马冠一等,2010.利用卫星和GPS观测研究低纬局部等离子体浓度增强现象. 地球物理学报 ,53(12):2787—2795.[本文引用:1次]
[2]邓忠新,刘瑞源,甄卫民等,2012.中国地区电离层TEC暴扰动研究. 地球物理学报 ,55(7):2177—2184.[本文引用:1次]
[3]刘国其,龚建村,黄文耿,沈华,2013.太阳活动低年低纬地区VTEC变化特性分析. 空间科学学报 ,33(3):270—276.[本文引用:1次]
[4]乐新安,万卫星,刘立波,宁百齐,赵必强,李国主,熊波,2011.基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数值同化现报预报系统的构建——以中国及周边地区为例的观测系统模拟试验.见:中国科学院地质与地球物理研究所第十届(2010年度)学术年会论文集(下). [本文引用:1次]
[5]毛田,万卫星,刘立波,2005.用经验正交函数构造武汉地区电子浓度总含量的经验模式. 地球物理学报 ,48(4):751—758.[本文引用:1次]
[6]熊波,顾洁,毛田,单东明,孙中伟,2010.地基GPS-TEC反演与中国地区TEC监测系统.见:第29届中国控制会议,5048—5059. [本文引用:1次]
[7]余涛,万卫星,刘立波等,2006.利用IGS数据分析全球TEC的周年和半年变化特性. 地球物理学报 ,49(4):943—949.[本文引用:1次]
[8]赵必强,2006.中低纬电离层年度异常与暴时特性研究. 武汉:中国科学院武汉物理与数学研究所. [本文引用:1次]
[9]Azpilicueta F.,Brunini C.,2008.Vertical TEC in the equatorial anomaly region from satellite altimetry data.Adv.Space Res.,42:745—752. [本文引用:1次]
[10]Chauhan V.,Singh O.P.,Singh B.,2011.Diurnal and seasonal variations of GPS-TEC during a low solar activity period as observed at a low latitude station Agra.Ind.J.Rad.Space Phys.40:26—36.[本文引用:1次]
[11]Dabas R.S.,Lakshmi D.R.,Reddy B.M.,1993.Solar activity dependence of ionospheric electron content and slab thickness using different solar indices.Pure Appl.Geophys.140:721—728.[本文引用:1次]
[12]Galav Praveen,Dashora N.,Sharma S.,Pandy R.,2010.Characterization of low latitude GPS-TEC during very low solar activity phase.J.Atmos.Solar Terr.Phys.72:1309—1317.[本文引用:1次]
[13]Huang Y.N.,Cheng K.,Chen S.W.,1989.On the equatorial anomaly of the ionospheric total electron content near the northern anomaly crest region.J.Geophys.Res.94:13515.[本文引用:1次]
[14]Kumar S.,Singh A.K.,2009.Variation of ionospheric total electron content in Indian low latitude region of the equatorial anomaly during May 2007—April 2008.Adv.Space Res.43:1555—1562.[本文引用:1次]
[15]Ma G.Y.,Maruyama T.,2003.Derivation of TEC and estimation of instrumental biases from GEONET in Japan.Ann.Geophys.21:2083—2093.[本文引用:1次]
[16]Mao Tian,Wan Weixing,Yue X.A.et a1.,2008.An empirical orthogonal function model of total electron content over China.Radio Sci.43:RS2009,doi:10.1029/2007RS003629.[本文引用:1次]
[17]Prasad S.N.V.S.,Rama Rao P.V.S.,Prasad D.S.V.V.D.,Venkatesh K.,Niranjan K.,2012.On the variabilities of Total Electron Content(TEC)over the Indian low latitude sector.Adv.Space Res.49:898—913.[本文引用:1次]
[18]Rishbet H.H.,1998.How the thermosphere circulation affects the ionosphere F2-layer.J.Atmos.Terr.Phys.60:1385.[本文引用:1次]
[19]Shweta,Mukherjee,Shivalika,Sarkar P.K.,Purohit et al.,2010.Seasonal variation of total electron content at crest of equatorial anomaly station during low solar activity condition.Ady.Space Res.46:291—295.[本文引用:1次]
[20]Torr M.R.,et al.,1973.The seasonal behavior of the F2-layer of the ionosphere.Atmos.Terr.Phsy.35(12):2237.[本文引用:1次]