基于GNSS 数据的第24 太阳活动周中国电离层变化特性分析

白 斌，李 新，刘峰华

（1.甘肃省地质矿产勘察开发局测绘勘察院，甘肃 兰州 730064；2.山东正维勘察测绘有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

地球上层大气中的分子和原子受到太阳辐射的影响，产生大量的自由电子和离子，由此形成电离层［1］。按照地球大气的电离程度可自上而下将其分成磁层、电离层和中性层。电离层位于距离地面60 ～1000 km 高度范围，是地球高层大气中一个部分电离的区域（完全电离的区域称为磁层）。电离层内部的变化受到海拔、经度、纬度、时间、季节、太阳活动和地磁活动的影响［2］。电离层的活动水平用总电子含量（total electron content，TEC）来进行描述，TEC 是指底面积为1 m2的传播路径中所含的电子总量，TEC 以TECU 为单位，1 TECU=1×1016el/m2［1］。TEC 一直被认为是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位的重要影响因素，对无线电的传播、卫星通信和导航应用也存在影响［3］。因此，通过分析电离层TEC 的时空变化特性，对电离层进行预测和建模，提高区域电离层延迟改正的精度尤为重要。中国地域广阔，气候多样，电离层变化复杂。因此，研究中国区域的电离层时空特性变化，对中国区域电离层的建模和预测具有重要意义。

近年来，许多学者对不同区域的电离层时空变化进行了大量的研究。孟泱等利用南极中山站的GNSS 观测数据对南极地区电离层TEC 变化特征进行了研究［4］。吴云等基于IGS 提供的TEC 数据和GNSS 解算的TEC 数据，分析了缅甸地区震前电离层的时空变化特征［5］。李旺等将全球分为四大区域，对全球电离层TEC 的空间分布规律以及各个区域电离层的周期变化进行了分析［6］。黄林峰等利用IGS 提供的TEC 数据，分析了太阳活动上升期华南地区上空电离层赤道异常（EIA）北驼峰的变化特征［7］。李涌涛等基于CODE-TEC 数据，分析了相邻格网点TEC 的变化范围以及不同时间间隔同一格网点TEC 的变化范围［8］。

前人对全球和不同区域电离层的时空变化特征进行了诸多研究。但在中国仅有少数学者利用单站数据对小范围电离层变化进行探索，中国地区大范围的电离层时空变化特征仍有待进一步研究。鉴于此，本文基于太阳活动数据和TEC 数据，对中国地区电离层的时空变化特征进行了研究，为中国区域电离层的建模和预测提供参考。

1 数据来源

本文TEC 数据来源于欧洲定轨中心（Center for Orbit Determination in Europe，CODE）。欧洲定轨中心属于IGS 组织，自1998 年IGS 成立电离层工作组以来，为全球电离层研究与应用提供了有力的数据支持。该组织由IGS 数据分析中心、电离层信息验证协调中心、电离层研究工作者、IGS 数据分析中心协调员及IGS 中心局的有关代表组成。其中，欧洲伯尔尼大学的欧洲定轨中心提供的GIM 产品（CODE-TEC）应用广泛，该产品由15 度15 阶的球谐函数计算得到，沿经纬度取5°×2.5°，共5184 个格网点。

本文使用的10.7 cm 太阳辐射通量（F10.7）的修正指数F10.7p，时间序列如图1 所示。F10.7 数据来源于比利时世界太阳黑子索引资料中心（Solar Influences Data Analysis Center SIDC）。F10.7p 是F10.7 的修正指数，F10.7p 的计算公式如式（1）所示：

图1 第24 太阳活动周F10.7p 的时间序列

F10.7p=（F10.7+F10.7A）/2 （1）

其中，F10.7A 是F10.7 的81 天滑动平均值，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EUV 辐射通量的强度。本文重点以2009 年和2014 年研究对象，因2009 年F10.7p 的数值大多介于60～80sfu，属于太阳活动低年，2014 年F10.7p 的数值大多介于160～180sfu，属于太阳活动高年。这两个年份在第24 太阳活动周具有相当好的代表意义。

2 区域电离层在第24太阳活动周的变化特性

为了研究中国区域电离层在第24 太阳活动周的变化特性，本文先对第24 太阳活动周的CODETEC 数据进行预处理，将中国范围内的TEC 在110°E 和120°E 下不同纬度的时间序列展示出来，如图2 所示。由图2 可以看出：从纬度上看，TEC变化具有明显的纬度特征，TEC 随纬度的降低而增大，这点在110°E 和120°E 都表现明显，这可能与赤道异常有关。而从不同经度上看，同纬度下的TEC 在不同经度变化相似，值得注意的是，110°E 各纬度TEC 相差较大，120°E 各纬度TEC 相差较小。此外，2009 年和2014 年的TEC 分别处于第24 太阳活动周低值点和高值点，为此本文选取2009 年和2014 年进行特性分析。

图2 第24 太阳活动周中国区域TEC 在110°E 和120°E 下不同纬度的时间序列

本文选取第24 太阳活动周内的2009 年和2014 年的TEC 数据，将整个TEC 数据取平均值后以当地时间（LT）为横坐标，以年积日（Day）为纵坐标绘制TEC 变化图，如图3 所示。由图3 可以看出：2009 年和2014 年中国区域的TEC 变化有很多相同之处。就日变化来看，中国区域TEC 在当地时间11：00-17：00 LT 范围内出现最大值。按照Chapman 模型，NmF2 与太阳活动水平和正午时刻的太阳天顶角有关。当太阳活动水平保持不变时，NmF2 由太阳天顶角决定，理论上夏季的NmF2 最大，二分点次之，冬季最小。但实际上，TEC 在二分点大于二至点，冬至大于夏至，这分别体现了TEC的半年度异常和年度异常。一般认为，12 月的太阳电通量与6 月的相比有6% 的变化，而电离层TEC在12 月比6 月的高出20%，这就是年度异常［9］。另一种表述是将南北半球联合考虑，TEC 在冬至点大于夏至点的现象称为年度异常。半年度异常是指TEC 的量值在二分点大于二至点的现象。年度异常、半年度异常的物理机制仍然具有挑战性，被列为电离层的最高科学目标之一。在12：00 LT 附近，TEC 在夏季低于冬季，体现了冬季异常。冬季异常是指在中纬度地区，TEC 的日间值在冬季大于夏季的现象。值得注意的是，由于夏季半球的强夜间赤道风的影响，冬季异常在夜间消失。目前，普遍认为背景大气中化学成分的变化（例如［O/N2］浓度比的变化）可能导致电离层F2 区产生冬季异常现象。期间大气的非对称半球加热诱导全球尺度的半球间大气环流，能够影响［O/N2］比值，最终改变TEC。这些观点的提出时，并没有合适的观测手段去验证。直到上世纪20 世纪70 年代，更多先进探测仪器的出现，例如，非相干散射雷达探测、火箭探测以及各种卫星探测等，这些观测数据都相继证实背景大气中的原子分子含量比值存在季节异常变化。另外，通过对比2009 年和2014 年中国区域的TEC变化，发现在太阳活动高年（2014 年）的TEC 平均值要高于太阳活动低年（2009 年）。在一天之间，TEC 开始升高的时刻并不相同，这一点在2014 年表现明显。在春季，TEC 开始增大的时刻大约在7：00 LT，在夏季，TEC 开始增大的时刻大约在8：00 LT，秋季情况跟夏季一样。就月变化来看，整个中国区域春秋两季的TEC 平均值要高于夏季和冬季的TEC 平均值。这种现属于电离层半年异常。半年度异常在太阳活动低年也很明显，且在南半球和低纬度地区更显著。

图3 2009 年和2014 年中国区域当地时间TEC 变化图

由于中国地幅辽阔，范围跨越中纬度和低纬度地区。将整个中国区域的TEC 看作一个平均值并不准确，因此本文绘制了2009 年和2014 年春分、夏至、秋分、冬至四个时刻的中国区TEC 分布图，如图4、图5 所示。由图4 可以看出：2009 年在不同时刻TEC 分布具有明显的纬度特征，TEC 自中纬度向低纬度逐渐增加，这主要是赤道异常导致的。这个特征在春分、秋分、冬至时刻表现明显。值得注意的是，在2009 年的夏至，中国区域整体表现较为安静，且不同纬度地区差异不大。就不同纬度的变化特征来看，中国低纬度区域TEC 最大值出现在春分时刻，中国高纬度区域（大于45°N）TEC 最大值出现在夏至时刻。中国版图占据最多的中纬度地区在季节变化中不明显。由图5 可以看出：2014 年在不同时刻TEC 分布同样具有明显的纬度特征。特别的，在夏至时刻整个中国区域的TEC 值都处于较为安静的状态。

图4 2009 年春分、夏至、秋分、冬至中国区域TEC 分布图

图5 2014 年春分、夏至、秋分、冬至中国区域TEC 分布图

为了更好地显示中国不同纬度电离层的变化情况，本文将2009 年和2014 年中国区域不同纬度平均TEC 的季节变化展示出来，如图6 所示。由图6 可以看出：不同年份中国区域纬度变化不同。在中国20°N 区域，半年异常明显，春季和秋季的TEC明显高于冬季和夏季，这体现了半年度异常。在30°N 和40°N 区域，2009 年和2014 年的TEC 变化略有不同。在2009 年中国30°N～40°N 区域，平均TEC 在春季最高，其次是夏季，最低的是冬季。而在2014 年中国30°N～40°N 区域，还是具有半年异常的现象，但这种现象较中国20°N 区域明显减弱。本文认为，高层大气在冬夏季比春秋季被“搅动”得更厉害，因此［O/N2］的值就会出现在春秋季最大的情况，进而导致了TEC 的半年变化。

图6 2009 年和2014 年中国区域当地时间TEC 变化图

3 结语

本文利用第24 太阳活动周的CODE TEC 数据和太阳活动修正参数F10.7p 数据，研究了中国区域的电离层变化特性。研究结果表明：

1）总体上，中国区域TEC 纬度变化特征显著，随纬度降低，TEC 明显升高，低纬度地区主要受到了赤道异常的影响；

2）时间上，电离层半年度异常和冬季异常较为明显；

3）区域上，中国不同纬度区域电离层变化特性并不相同。中国低纬度区域电离层半年异常明显，中高纬度区域的半年异常现象跟太阳活动有关。在太阳活动高年，中国中高纬度区域半年异常显著。太阳活动低年则反之。