曲靖地区电离层多参数变化特征*

代连东 丁宗华 杨嵩 苗建苏 许正文 吴健

(中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室 青岛 266107)

(昆明电磁波环境国家野外科学观测研究站 曲靖 655500)

0 引言

电离层是距地球表面60 km 至上千km 的部分电离的高空大气，电离层中存在大量的自由电子，对电离层电波传播以及有关的无线电信息系统具有重要影响。研究电离层各参数的变化特征，对于提升电离层环境认知、建模与预报水平具有重要意义。

中国在电离层参数的变化特征分析方面开展了大量工作。例如，Xiong等[1]分析了武汉地区电离层总电子含量（TEC）、NmF2与板厚的季节变化特征；Zuo等[2]分析了武汉地区偶发E 层（Es 层）与太阳活动的相关性；Zhao等[3]利用中国与日本共20 站的数据分析了东亚地区的Es 层临界频率（f0Es）的统计特征；Zhao等[4]分析了乌鲁木齐（43.75°N，87.64°E）地区电离层F2层临界频率（f0F2）、F 层虚高（h'F）与Es 层临界频率（f0Es）的长期变化特征；Gao等[5]分析了拉萨地区（29.63°N，91.28°E）电离层f0F2，h'F与f0Es的长期变化特征；Wang等[6]分析了中国兰州、曲靖与海口地区电离层F 层峰值高度（hmF2）与厚度的变化特征，这些工作增强了对中国电离层变化特征的认识，但是都局限于少部分参数。

曲靖地区位于中国中低纬过渡区，同时毗邻青藏高原，电离层具有复杂的变化特征。本文利用曲靖站（25.50°N，103.80°E）一个太阳活动周（2008-2018年）的电离层垂直探测数据（月中值），分析了该地区电离层垂直探测最低频率（fmin）、Es 层临界频率（f0Es）、Es 层虚高（h'Es）、E 层临界频率（f0E）、F1层临界频率（f0F1）、F2层临界频率（f0F2）、F 层虚高（h'F）和F2层3000 km 传播的最大可用频率MUF(3000)F2日变化、季节变化和太阳活动变化等，得出了一些有意义的结论。

1 曲靖地区电离层多参数统计特征

图1 为曲靖地区2008-2018 年太阳10.7 cm 射电流量指（F10.7）的月中值，横坐标为2008-2018 年的各月份，纵坐标为F10.7。从图1 可见，2008-2009年、2018 年太阳活动处于低水平，F10.7数值范围为66～73 sfu（太阳流量单位1 sfu=10-22W·m-2·Hz-1）。在2012-2015 年处于高活动水平，F10.7数值范围为101～167 sfu，其他年份处于中等活动水平，具有较显著的11 年周期变化。

图1 2008-2018 年太阳活动指数F10.7 月中值Fig.1 Monthly median of solar activity index F10.7 from 2008 to 2018

1.1 参数fmin

图2 为曲靖地区2008-2018年fmin的月中值，横坐标为2008-2018 年的各月份，纵坐标为地方时。从图2 可知，fmin数值范围为1～4 MHz。经计算，fmin与F10.7相关系数约为-0.04，表明fmin不随太阳活动周期变化。fmin在05:00-20:00 LT 之间具有有效观测值，在正午附近具有最大值，这是由于05:00 LT 以前与20: 00 LT 之后的低电离层电子密度太低，以至于fmin无有效数据，这反映出电离层D 区的太阳电磁辐射控制效应。此外，fmin随季节变化显著，春秋分季较大，冬季最小，5 月份具有最大值，在6 月份出现极小值。

图2 曲靖地区2008-2018年fmin 月中值Fig.2 Monthly median of Qujing fmin from 2008 to 2018

1.2 参数f0Es

图3 为曲靖地区2008-2018年f0Es月中值。从图3 可知，f0Es数值范围为1.2～9.5 MHz。经计算，f0Es与F10.7相关系数约为-0.05，表明f0Es不随太阳活动周期变化。f0Es全天都有有效观测数据，最大值出现在13:00 LT，最小值出现在03:00 LT，呈单峰结构，白天大于夜间。f0Es随季节变化显著，冬季最小，6 月最大，春秋分季次之。

图3 曲靖地区2008-2018年f0Es 月中值Fig.3 Monthly median of Qujing f0Es in 2008-2018

1.3 参数h'Es

图4 为曲靖地区2008-2018年h'Es的月中值。从图4 可知，h'Es数值范围为95～155 km，经计算h'Es与F10.7相关系数约为-0.26，表明h'Es不随太阳活动周期变化。h'Es全天都有有效观测数据，白天大于夜晚，在09:00 LT 取得极大值，在17:00 LT 取得最大值。从季节变化来看，h'Es在春分季（3 至4 月）的数值大，在夏季最小，冬季和春分季次之。

图4 曲靖地区2008-2018年h’Es 月中值Fig.4 Monthly median of Qujing h’Es from 2008 to 2018

1.4 参数f0E

图5 为曲靖地区2008-2018年f0E的月中值。从图5 可知，f0E数值范围为1.4～3.9 MHz。经计算，f0E与F10.7相关系数约为0.75，表明f0E与太阳活动周期变化相关性较高，太阳活动高年大，太阳活动低年小。在07:00-19:00 LT，f0E具有有效观测值；在07:00 LT 以前与19:00 LT 之后，由于电离层E 区电子密度低f0E无有效数据，最大值出现在13:00 LT，最小值出现在07:00 LT，呈单峰结构，白天大于夜晚。f0E随季节变化显著，呈单峰结构，夏季最大（最大值出现在5 至7 月份），冬季最小，春秋分季次之。

图5 曲靖地区2008-2018年f0E 月中值Fig.5 Monthly median of Qujing f0E from 2008 to 2018

1.5 参数f0F1

图6 为2008-2018年f0F1的月中值。从图6 可知，曲靖f0F1数值范围为2.9～5.8 MHz。经计算，f0F1与F10.7相关系数约为0.88，表明f0F1与太阳活动周期变化相关性较高，太阳活动高年大，太阳活动低年小。太阳活动高年（2012-2015 年）f0F1在09:00-18:00 LT 具有有效观测值，其他年份在08:00-19:00 LT 之间f0F1具有有效观测值，太阳活动高年有效观测时间更短；在08:00 LT 以前与19:00 LT 之后，由于F1区电子密度低，f0F1无有效数据，最大值出现在13:00 LT，最小值出现在19:00 LT，呈单峰结构，整体上白天大于夜晚。f0F1随季节变化较显著，冬季最小，春秋分季最大，夏季次之，在9 月出现最大值，4 月次之。需要注意的是，9 月明显大于8 月与10 月，而4 月略大于5 月与6 月。

图6 曲靖地区2008-2018年f0F1 月中值Fig.6 Monthly median of Qujing f0F1 from 2008 to 2018

1.6 参数f0F2

图7 为曲靖地区2008-2018年f0F2的月中值。从图7 可知，曲靖f0F2数值范围为1.8～19.3 MHz。经计算，f0F2与F10.7相关系数约为0.87，表明f0F2与太阳活动周期变化相关性较高，太阳活动高年大，太阳活动低年小。f0F2日变化显著，最大值出现在14:00-19:00 LT，显示了日落电子密度增强现象，最小值出现在06:00 LT，白天数值远大于夜晚。f0F2随季节变化显著，春秋分季较大，冬季最小，夏季次之。

图7 曲靖地区2008-2018年f0F2 月中值Fig.7 Monthly median of Qujing f0F2 from 2008 to 2018

1.7 参数h'F

图8 为曲靖地区2008-2018年h'F的月中值。从图8 可知，曲靖h'F数值范围为175～285 km。经计算，h'F与F10.7相关系数约0.50，表明h'F与太阳活动周期变化具有一定的相关性，太阳活动高年大，太阳活动低年小。h'F在全天时段内变化，整体呈现夜间高、白天低的趋势，最大值出现在01:00 LT，最小值出现在12:00 LT，在日出06:00 LT 附近有一个突然上升现象，在日落20:00 LT 附近有一个突然下降现象。h'F随季节变化显著，最大值出现在5 月份，最小值出现在2 月份，整体呈现出夏季最高、春秋分季次之、冬季最低的趋势。

图8 曲靖地区2008-2018年h'F 月中值Fig.8 Monthly median of Qujing h'F from 2008 to 2018

1.8 参数MUF(3000)F2

图9 为曲靖地区2008-2018 年MUF(3000)F2的月中值。从图9 可知，曲靖MUF(3000)F2数值范围为5～57 MHz。经计算，MUF(3000)F2与F10.7相关系数为0.8574，表明MUF(3000)F2与太阳活动周期变化相关性较高，太阳活动高年大，太阳活动低年小。MUF(3000)F2在全天时段内变化，最大值出现在16:00 LT，最小值出现在06:00 LT，白天数值远大于夜晚，数值范围在7～36 MHz 之间。MUF(3000)F2随季节变化显著，春秋分季较大，冬季最小，夏季次之。

图9 曲靖地区2008-2018 年MUF（3000）F2 月中值Fig.9 Monthly median of Qujing MUF(3000)F2 from 2008 to 2018

2 结果对比与机理分析

从上文可知，fmin，f0Es，h’Es与太阳活动变化趋势相关性不一致，f0E，f0F1，f0F2，h'F，MUF(3000)F2与太阳活动变化具有一致性。fmin为电离层垂直探测最小频率（也称起始观测频率），与电离层D 区电子密度、垂直探测仪技术性能（例如灵敏度）、短波背景电磁环境等有关。因此，fmin可一定程度上反映D 区电子密度的强弱，由于电离层D 区电子密度主要受太阳X 射线辐射影响，而F10.7指数为太阳10.7 cm 电磁辐射流量，因此fmin未显示与太阳10.7 cm 变化的相关性。f0Es一般认为由风剪切形成[7]，并受金属离子密度、潮汐、行星波和重力波等因素影响[8,9]。因此，f0Es不随太阳活动周期性变化。电离层E 层与F 层主要受太阳活动影响，包括太阳电磁辐射引起的光化学过程与光致电离等，因此f0E，f0F1，f0F2，h'F，MUF(3000)F2与太阳活动周期变化特征一致。

与乌鲁木齐地区[4]对比分析发现，曲靖地区f0F2日中值变化趋势与乌鲁木齐地区相似，不同之处在于曲靖地区最大值出现在14:00-19:00 LT，最小值出现在06:00 LT，而乌鲁木齐地区最大值出现在12:00 LT，最小值出现在日出前04:00 LT，f0F2随月份变化与乌鲁木齐地区相似均呈现双峰结构，不过曲靖地区主峰在3 月份，乌鲁木齐地区主峰在4 月份。曲靖地区h'F日中值变化趋势与乌鲁木齐地区相似，但曲靖地区h'F在06:00 LT 有一个突然上升，在20:00 LT 有一个突然下降，h'F随月份变化趋势与乌鲁木齐地区相似，但曲靖地区h'F在2 月份取得最小值，5 月份取得最大值，乌鲁木齐地区h'F在3 月份取得最小值，6 月份取得最大值。曲靖地区f0Es日中值变化与乌鲁木齐相似均呈单峰结构，不同在于曲靖地区最小值出现在03:00 LT 最大值出现在13:00 LT，乌鲁木齐地区最小值出现在04:00 LT，最大值出现在11:00 LT。f0Es随月份变化趋势与乌鲁木齐地区相似，但曲靖地区在7 月份和11 月份都有一个突然上升现象。电离层参数f0F2，h'F，f0Es在曲靖地区与乌鲁木齐地区随地方时和月份变化趋势相同，只是极值出现的地方时和月份有所不同，这可能与乌鲁木齐位于中纬，曲靖地区位于中低纬云贵高原同时受青藏高原地形影响等因素有关，该方面研究需要更多的数据以及机理分析。

与拉萨地区[5]研究结果的对比分析可以看出，曲靖地区f0F2日中值变化趋势与拉萨地区相似，不同之处在于曲靖地区最大值出现在14:00-19:00 LT，最小值出现在06:00 LT，而拉萨地区最大值出现在14:00 LT，最小值出现在日出前05:00 LT。f0F2随月份变化与拉萨地区相似，均呈现双峰结构，不过曲靖地区主峰在3 月份次峰在9 月份，拉萨地区主峰在4 月份次峰在10 月份。曲靖地区h'F日中值变化趋势与拉萨地区相似，不同之处在于曲靖地区在06:00 LT 有一个突然上升，而拉萨地区在04:00 LT有一个突然上升，h'F随月份变化趋势与拉萨地区相似，但曲靖地区h'F在2 月份取得最小值，5 月份取得最大值，拉萨地区h'F在11 月份取得最小值，6 月份取得最大值。曲靖地区f0Es日中值变化与拉萨相似，均呈单峰结构，与曲靖地区最小值出现在03:00 LT 而最大值出现在13:00 LT 不同，拉萨地区最小值出现在04:00 LT，最大值出现在11:00 LT。f0Es随月份变化趋势与拉萨地区相似，但曲靖地区在7 月份和11 月份都有一个突然上升现象。同时，曲靖地区f0Es在1 月份取得最小值，拉萨地区f0Es在12 月份取得最小值。电离层参数f0F2，h'F，f0Es在曲靖地区与拉萨地区随地方时和月份变化趋势相同，只是极值出现的地方时和月份有所不同，这可能与两地的经纬度和地形等因素有关，该方面的研究需要更多的数据以及机理分析。

曲靖地区h'F夜间大于白天，并且在日出日落时段h'F有突然上升现象，冬季的h'F一般都小于其他季节，以上结论与Wang等[6]的研究结果一致。h'F夜间大于白天是因为h'F反映了电离层从分子离子（NO+，O2+）层到原子氧离子（O+）稠密层的过渡，在夜间随着太阳电离辐射作用降低，分子离子层逐渐减弱甚至消失，过渡区域抬高。因此，h'F上升。日出日落时段h'F先上升后下降现象可能是因为此时电离层F 层底部面临的太阳电磁辐射剧烈变化，从而引起电子产生率和分子离子-原子离子过渡高度的变化所致。

曲靖地区f0F2与MUF(3000)F2中值变化特征相似，MUF(3000)F2白天值高于夜晚值，MUF(3000)F2春秋分季高于夏冬季，太阳活动高年日落后MUF(3000)F2一直维持较高值并持续到03:00-04:00 LT，以上结论与Chen[10]的研究结果一致。MUF(3000)F2由F2层临界频率f0F2与传播因子MUF(3000)F2相乘得到，f0F2与MUF(3000)F2中值变化特征相似，说明MUF(3000)F2主要由f0F2确定。MUF(3000)F2白天值高于夜晚值是由于地球相对于太阳自转进而会对电离层产生显著影响，电离成分在白天增加而在夜间减少。MUF(3000)F2春秋分季高于夏冬季，可能是因为白天等离子体漂移在春秋分季高于夏冬季，强的漂移使更多的电子被输运到台站上空所致。

Ding等[11,12]和Liu等[13]利用曲靖地区非相干散射雷达数据分析发现曲靖地区电离层电子密度存在日落增强现象，认为与日落时电离层西向电场反转增强等有关。图7 表明，曲靖地区经常性出现日落电子密度增强现象，这与此结论基本一致。电离层日落增强现象主要与地磁场、中性风、等离子体扩散以及青藏高原大气环流和底层大气动力学等因素相关，对于该现象的具体成因需要开展进一步机理分析。

3 结语

利用电波环境观测网曲靖地区垂测仪数据，统计分析了2008-2018 年的电离层参数变化特征，得出各个参数随年份、月份、地方时的变化规律，并对结果进行了分析讨论，主要结果如下。

（1）fmin主要受太阳X 射线影响，所以与太阳10.7 cm 电磁辐射流量变化不一致；f0Es主要受风剪切、金属离子密度、潮汐、行星波和重力波等因素影响，所以不随太阳活动周期性变化。

（2）从季节分布看，fmin，f0Es，f0E，f0F1，f0F2，h'F，MUF(3000)F2均在冬季最小；fmin，f0Es，f0E，h'F在夏季最大，春秋分季次之；f0F1，f0F2，MUF(3000)F2在春秋分季最大，夏季次之。其中，f0F1秋分季高于春分季，而f0F2和MUF(3000)F2春分季高于秋分季，f0F2经常出现日落增强现象。

（3）f0F2，h'F，f0Es参数在曲靖地区与乌鲁木齐[4]、拉萨地区[5]变化趋势大致相同，但在个别极值出现的位置与时间点有所不同，这可能与两个地区的地理位置不同有关。

（4）h'F夜间大于白天，在日出有突然上升现象，日落有突然下降现象，冬季的h'F一般都小于其他季节，与Wang等[6]结论一致，但本文补充了在夏季最高的结论。

（5）MUF(3000)F2与f0F2的变化特征相似，白天值高于夜晚值，春秋分季高于夏冬季，太阳活动高年日落后MUF(3000)F2一致维持较高值并持续到03:00-04:00 LT，这与文献[10]结论一致，本文对其中的机理特征进行了分析。

下一步将结合电离层模型深入分析曲靖地区电离层变化特征的物理机理，以提升对中国中低纬过渡区电离层变化特征的认知水平。

致谢本文所用电离层数据来自中国电波传播研究所信息中心。