基于GNSS的川藏高原电离层活动特性分析

姬姗姗

(山东建材勘察测绘研究院有限公司, 山东 济南 250199)

0 引言

电离层作为地球大气层的一部分,是一个部分电离的区域,其位置距离地面60～1 000 km。电离层的活动强烈影响着卫星导航、授时等通信服务。电离层总电子含量是表述电离层状态的重要参数,可以反映电离层时空变化。川藏高原位于中国的西南部,是世界最高的高原,其经济发展同样需要高精度的导航和授时服务等。因此，研究川藏高原的电离层时空特性对本地区建立相应的电离层模型具有重要的意义。

目前,国内外研究学者对区域电离层的变化做了广泛分析。高敬帆[1]利用拉萨电波环境观测站30余年的总电子含量(total electronic content,TEC)数据,研究了拉萨地区电离层的变化特性。他发现拉萨地区电离层日变化显著,季节变化明显,随太阳活动变化幅度较大。靳婷婷[2]利用2000—2018年的全球电离层格网(global ionosphere map,GIM)TEC数据,分析京津冀地区电离层时空分布特性及太阳活动与电离层的相关性,发现电离层TEC与F10.7指数据具有极强的相关性,且京津冀地区TEC每日最大值出现在协调世界时(coordinated universal time,UTC)4:00左右。朱军桃[3]利用欧洲定轨中心提供的2000—2019年的电离层TEC数据对四川及周边地区进行电离层时空特性分析,发现该地区2000—2019年TEC与F10.7日均值、月均值、年均值相关性分别为0.879、0.923和0.998。刘钝[4]更对中国区域电离层特性进行了分析,发现中国区域电离层将影响电离层延迟误差的空间相关性。孙文杰[5]也对2013和2015年磁暴期间中国地区电离层特性进行了探究,发现2013年3月磁暴期间中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。李筱[6]和张盼盼[7]分别对重庆地区和冲绳地区的电离层突发E层进行了分析,发现重庆地区Es主要发生在夏季白天,峰值强度出现在6月份的上午,而冲绳地区Es整体强度较强,峰值强度出现在6月份中午11—12时。许多国外学者研究了区域上的异常现象,比如中纬度夏季夜间异常(midlatitude summer nighttime anomaly,MSNA),冬季异常现象[8-9],例如,Yasyukevich等[8]利用GIM TEC绘制了冬季异常的区域分布图。

以上研究从局域角度对不同区域电离层进行了探究,但并未对高海拔区域进行分析。本文基于欧洲轨道确定中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)分析中心2014—2019年的GIM TEC数据和太阳参数F10.7的修正指数F10.7p,利用时间序列分析、相关性分析以及快速傅里叶分析的方法,对川藏高原地区的电离层时空特性进行联合分析。

1 数据来源

1.1 TEC数据

本文研究区域为川藏高原地区,选取范围为90°E—105°E,27.5°N—32.5°N。数据来源于欧洲定轨中心,欧洲定轨中心选取全球约300个全球导航卫星系统(global navigation satellite systems,GNSS)地面跟踪站,利用球谐函数建立了全球电离层模型[10]。本文选择CODE分析中心2014—2019年的GIM TEC数据,对川藏高原地区的电离层活动特性展开分析。

1.2 太阳活动参数F10.7p地磁参数

F10.7是指太阳的10.7 cm波段辐射通量,单位是sfu,1sfu=10-22m-2Hz-1,是目前使用最广泛的太阳活动指数之一。本文使用的太阳活动指数是F10.7的修正指数F10.7p,F10.7p与TEC有着更好的相关性,并且在统计意义上F10.7p相当好地反映了太阳极紫外(extreme ultraviolet,EUV)辐射通量的强度。F10.7p通过式(1)计算而来。式中,F10.7A是F10.7的81 d滑动平均值。

F10.7p=(F10.7+F10.7A)/2

(1)

2 分析

2.1 时变特性

图1描述了该地区2014与2019年各季节的日变化。从图1可以看出,2014年各季节的TEC均值大于2019年各季节的TEC均值,这主要是因为2014年属于太阳活动高年,TEC受太阳辐射强度增加,电离程度加强。对于2014年,春季的TEC值最大,秋季次之,接着是冬季,最后是夏季,这体现了TEC的年度异常、半年度异常和冬季异常。其中,年度异常是指冬至日的TEC值大于夏至日的TEC值[11],半年度异常是指二分点的TEC值大于二至点的TEC值[12],冬季异常指冬季日间TEC值大于夏季日间TEC值。对于2019年,由于太阳活动较弱,各季节的TEC含量基本一致。与2014不同的是,2019年冬季的TEC值最小,说明太阳活动低年没有冬季异常。此外,TEC在08:00:00—20:00:00更大,这主要是因为日间太阳辐射剧烈,电离程度加大导致。图2对该地区2014—2019年的TEC进行了傅里叶分析,X轴是频率(Hz),周期是频率的倒数,单位为天。经统计,TEC周期为26.4、121.7、182.6、219.1、365.0 d,基本体现了TEC的27 d周期变化、半年变化、年变化。

图1 2014与2019年各季节的日间变化

图2 2014—2019年TEC的傅里叶分析

2.2 空间特性

为探究川藏地区TEC的空间分布特征。图3描述了川藏地区TEC的空间分布,从图3可以看出,无论是2014年还是2019年,低纬度地区(30°N以下)的TEC较大,本文认为这可能与赤道异常有关。其中,赤道异常是指电离层F层的最大电子密度出现于磁赤道两边±10°～20°磁纬区的现象[13-15];此外,2014年为太阳活动高年,该区域TEC整体介于30～40 TECU。2019年为太阳活动低年,2019年为太阳活动低年,该区域TEC整体在10 TECU附近。

(a)2014年

2.3 时空联合分析

为探究川藏地区TEC随经度和地方时间的变化。图4给出了在2014和2019年TEC随经度和地方时间的变化。从图4可以看出,该地区各经度的TEC变化特征相似,体现了时空相关性。另外,TEC在08:00:00—20:00:00相对较大,在20:00:00—08:00:00较小,且2014年白天和夜间的TEC相差变大,这与图3所展示的现象一致。此外,太阳活动高年(2014年)比太阳活动低年(2019年)的TEC更大,这一特征在各经度处相同。

(a)2014年

3 结束语

本文基于CODE分析中心2014—2019年的GIM TEC数据和太阳参数F10.7的修正指数F10.7p,利用时间序列分析、相关性分析以及快速傅里叶分析的方法,对川藏高原地区的电离层时空特性进行分析。(1)在太阳活动高年时,TEC具有年度异常、半年度异常和冬季异常。在太阳活动低年时,这些异常减弱或消失。(2)本文通过傅里叶分析验证了TEC的27 d周期变化、半年变化、年变化。(3)无论是2014年还是2019年,低纬度地区(30°N以下)的TEC较大,本文认为这可能与赤道异常有关。(4)该地区各经度的TEC变化特征相似,体现了时空相关性。