2012, Vol. 55
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
, NING Bai-Qi2
, ZHAO Bi-Qiang2, DING Feng2, ZHANG Rui1, SHI Hong-Bo1, YUE Hui-Jun2, LI Guo-Zhu2, LI Jian-Yong1, HAN Yu-Fei1
2. Institite of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
在近地空间中，电离层作为电波传播介质对人类活动具有重要影响.电离层时空剧烈变化能严重降低全球短波通信质量和卫星导航定位精度.因此，电离层探测研究作为近地空间环境研究的重要组成部分，历来受到空间物理学界的重视.卫星信标观测是电离层探测的重要手段之一.早在人造卫星发射之初，人们在接收卫星无线电波遥测信号时，发现了由电离层引起的法拉第衰落现象和色散多谱勒频移，并从这些记录的分析中得到卫星高度下的电离层总电子含量(TEC)[1-2].TEC 是描述电离层结构、 状态和变化的几个最重要参量之一.通过探测与分析电离层TEC 参量，可以研究电离层不同时空尺度的分布与变化特性[3].就电波传播应用而言，电离层TEC 与穿透电离层传播的无线电波时间延迟与相位延迟密切相关，可用于在卫星定位、导航等空间应用工程中的电波传播修正.
20世纪70-90年代，美国、俄罗斯先后建立起各自全球卫星导航定位系统，分别简称GPS (Navigation Timing and Ranging Global Positioning System)和GLONASS (Global Navigation Satellite System).目前欧盟和中国的全球卫星导航定位系统“伽利略(GALILEO)"和“北斗(COMPASS)"也正在建设中.这些系统构成了全球卫星导航定位系统(简称GNSS).GNSS 具有全球覆盖、定位精度高、观测方便、全天候作业、三维坐标与三维速度、实时定位等诸多优点.因此，从军事领域的应用迅速扩展到大地测量、地质、大气、空间和海洋等各个领域. 特别是近十余年随着全球GPS永久监测网的布设，各国区域GPS综合应用网的建成，利用稠密的、连续运行的多功能监测网的观测数据进行高时空分辨率电离层动态监测己成为可能[4].也为观测研究区域或全球电离层TEC 的周日、季节性变化以及半年度、年度变化提供了一种有效手段.
随着中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)的建成，利用陆态网络基准站提供的观测数据，监测分析我国上空电离层TEC 的时空变化特性，开展电离层空间天气观测研究，发展我国电离层空间天气现报和预报模型，对于推动我国电离层科学研究和应用，均具有重要意义.论文首先介绍陆态网络的构成和技术特点，然后分别针对电离层暴扰动形态，电离层行进式扰动，太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等电离层空间天气重点研究内容，利用陆态网络基准站的GPS观测数据开展分析研究，最后对本文工作进行总结和讨论.
2 陆态网络陆态网络是国家十二个重大科学基础设施之一.它以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主，辅以甚长基线干涉测量(VLBI)、人卫激光测距(SLR)等空间技术，结合精密重力和精密水准观测技术，对地球岩石圈、水圈和大气圈变化进行实时监测的国家级地球科学综合观测网络.陆态网络的科学目标是建成覆盖中国大陆及近海，以及部分周边国家的高精度、高时空分辨率和实时动态的四维观测体系，以监测中国大陆构造环境变化，认知现今地壳运动和动力学的总体态势，揭示其驱动机制，探求对人类资源、环境和灾害的影响.
陆态网络由基准网、区域网和数据系统三部分组成(图 1).基准网由分布在中国大陆及周边的260 个连续观测的基准站(简称基准站)组成，其中，新建233个站，改建中国地壳运动观测网络(简称网络工程)的27个站，产出30s、1s和50Hz的观测数据，通过有线(2M)或卫星方式实时传输到北京数据中心.基准站的观测设备具备兼容GPS、GLONASS 和GALILEO 接收能力的接收机和三要素气象仪，并有30个基准站安装了相对重力仪.辅助设备有交直流供电系统、数据存储系统、通信系统和远程监控系统等.区域网由分布在中国大陆的2000个不定期观测的区域站组成.数据系统包括1 个国家数据中心和5个共享子系统.
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图 1 基准站和区域站分布图 Fig. 1 Distribution of reference and regional stations |
目前，陆态网络基准站建设已经完成，基准站的接收机可以接收到GPS、GLONASS 的数据，其中近200个基准站已产出一年以上的观测数据，本文采用这些数据中的GPS观测数据.
3 陆态网络在电离层空间天气监测与研究中的应用本节将对电离层空间天气的4 个重要研究内容:电离层暴扰动形态、电离层行进式扰动(TID)、 太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等方面，应用陆态网络的GPS观测数据进行分析，分别给出有关观测分析结果.
3.1 电离层暴扰动形态根据局域或全球GPS跟踪站，测定各站上空电离层垂直电离层电子浓度总含量(VTEC)，按一定的模型如球谐函数模型、球冠谐函数模型、三角级数模型、多项式模型等，可拟合获得局域或全球电离层模型[5-7].在国际全球导航卫星系统服务中心(IGS) 主持下，美国加利福尼亚喷气动力实验室(JPL)，瑞士伯尔尼的欧洲定轨中心(CODE)等机构利用IGS 在全球的GPS观测站的观测数据，各自利用不同算法，建立了准实时电离层电子浓度总含量(TEC)现报系统，监测全球范围电离层TEC 变化.如CODE 数据分析中心每隔两个小时发布一次全球的电离层VTEC 地图GIM(Global Ionosphere Map)，也提供15阶球谐逼近函数的模型系数，供用户使用.目前，也有越来越多的区域性连续运行跟踪网络可提供电离层产品和服务，构建适合自己国家或地区的局域电离层地图RIM(Regional Ionosphere Map)[8-9].近年来，中国科学院地质与地球物理研究所(IGGCAS) 地磁与空间物理实验室发展了一种以三角网格插值为主要算法的TEC 现报系统，该方法着重于精确、 快速地分析局部地区TEC 的分布特性[10]，特别是在研究电离层暴等对时空分辨率要求较高的电离层扰动时具有重要作用.本文采用这一分析方法结合陆态网络200个基准站对2011年5月27-29日的一次中等磁暴事件期间中国地区的电离层TEC 特征扰动进行了初步研究.
图 2给出2011年5 月27-29 日由ACE 卫星测得的太阳风参数包括南北向行星际磁场，太阳风速度，太阳风动压以及环电流指数Dst.图 2显示太阳风速度由27日约400km/s上升到29日700km/s. 结合太阳观测推测此次磁暴源于冕洞编号CH450 喷出的太阳风高速流(High Speed Stream)压缩低速流形成共转相互作用区(Corotating Interaction Region).此次磁暴事件中，Dst从27日16∶00 UT 开始缓慢下降，到28日出现大幅下降，按照Kamide 等[11]对磁暴的分类标准可认为该磁暴是“two-step" 型磁暴.行星际磁场Bz分量于27-28日期间出现两次长时间翻转，形成Dst主相.29日Bz出现多次南北向反转，地磁活动仍较为活跃.
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图 2 2011年5月27-29日期间ACE 卫星测得的行星际磁场Bz分量、 太阳风速度V、动压Pdyn、环电流指数Dst Fig. 2 Interplanetary magnetcc field (IMF) Bz component, solar wind speed V，dynamic pressure Pdyn derived from the ACE satellite，and ring current index Dst during May 27-29th 2011 |
此次磁暴事件给中国地区上空电离层造成了较大扰动.与以往观测结果不同的是该事件电离层正暴最强扰动发生时间段并不在磁暴主相期间，而是出现在29日磁暴恢复相期间.图 3给出了29日电离层最强扰动发生时段当地时间15∶00-23∶00 LT 中国上空GIM TEC 二维时空演化图.该图的空间分辨率为经度2.5°，纬度1°，时间分辨率为2h.图 3 左、中依次为29 日绝对TEC，相对值DTEC(减去27日磁暴发生前静日值)的分布.为了和JPL提供的GIM 比较，图 3 右给出了JPL 的相对GIM DTEC 的变化情况.图中显示TEC 增加的区域效应显著，中纬地区为弱正暴效应，TEC 增加在8~ 15TECU(1TECU=1016el/m2).而低纬地区位于云南、广东、广西和海南地区上空的TEC 显著增加，在19∶00LT 最大达到约30TECU.特别是显示此次扰动最大地区在108°E 的南宁以西的地区.JPL 提供的GIM DTEC 大致形态与IGGCAS分析的结果相似，但空间分辨率远不及IGGCAS给出的电离层TEC 精细.不能够反映磁暴期间电离层低纬电子浓度梯度变化的真实情况，这与JPL 成图仅采用中国地区5-6个站的稀疏数据有关.
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图 3 2011年5月29日15∶00-23∶00LT 中国及其周边地区上空TECIGGCAS、DTECIGGCAS和DTECJPL的演化过程 Fig. 3 Evolution of the TECIGGCAS、DTECIGGCAS and DTECJPL during interval 15∶00-23∶00 LT on 29th Mayover China |
国内外许多学者在利用GPS 探测电离层行进式扰动的研究中做了大量工作.Afraimovich 等[12] 使用GPSTEC 数据，分析了与地磁活动相关的电离层扰动，发现在中纬地区，磁暴急始之后2h观测到赤道向传播的极区大尺度电离层扰动，扰动的相速度为300~400 m/s；Tsugawa 和Shiokawa 等[13-14]使用分布在日本列岛上的约1000个GPS台站提供的TEC 数据并结合气辉观测，研究了磁暴期间大尺度TID的衰减情况，结果表明其衰减机制是背景电离层的电子拖曳效应作用；并用二维TEC 地图统计研究日本本土大中尺度电离层扰动，发现其南向传播及季节变化等规律.丁锋等[15]等通过北美的GPS密集布阵，观测到了大尺度电离层扰动在极区激发并向中高纬地区传播及衰减的二维连续过程，并发现了由极光电集流增强区移动引起的电离层扰动等相面偏移等细节特征；进一步研究通过对暴时扰动事件的长期统计，得出电离层扰动尺度的纬度依赖以及孤波传播特性[16].在中国区域，目前有一些中尺度扰动的GPS 二维观测[17]，但是缺乏对中低纬地区，特别是赤道异常区的大尺度电离层扰动的GPS密集布阵观测.这里，我们利用陆态网络基准站对上节中磁暴事件在中国境内触发的电离层大尺度行进式扰动进行分析.研究方法对单站TEC 进行纬度二阶展开和地方时一阶展开，通过滤波得到的扰动TEC 和较为精确的扰动图像.
在2011年5月28日磁暴主相期间，发生了一次中等强度的亚暴，其膨胀相开始于08∶49UT，并在1h后达到峰值.6h后在15∶10 -15∶50UT 前后，在中国地区观测到一次大尺度TID 过程.图 4 中给出从TEC 中提取的中国地区大尺度电离层扰动的二维图像.等值线的值为TEC 振幅(单位TECU).黑线和灰线为等相面.图中显示，5 月28 日15∶10 -15∶50 UT 期间，在华北地区出现电离层扰动等相面并以约1600km 的宽度向西南方向移动，到华中地区逐渐耗散掉.分析表明，电离层扰动在华中地区的耗散与低纬地区电子浓度增加引起的离子拖曳有关.扰动在中国的西南部变得不明显，其原因可能是西南地区的磁纬较低，TEC 受到低纬赤道区电离层不规则体、电场扰动等影响，从而使得等相面发生混淆.该次扰动发生在中国扇区的午夜，通常夜晚比白天更容易观测到大尺度扰动，原因在于，暴时夜侧极光卵向较低纬度延伸得多一些，并且，夜侧西向电集流的突然增强是大尺度电离层扰动最可能的源.分析表明，目前陆态网络基准站的分布密度可用于做电离层大尺度扰动观测研究，扰动的信息可通过一些不连续的散点反映出来.将来260个基准站全部运行或有更多站加入陆态网络，对于观测各种尺度的电离层TID 的传播过程，以及获取TID 水平传播的TID 相速度精度会有较大提高.
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图 4 2011年5月28日15∶40-16∶00UT 提取的到中国地区大尺度电离层TEC TID 的二维图像 Fig. 4 Two-dimensional maps of the total electron content (TEC) variations obtained by more than 200 GPS receivers in China during the passage of the large-scale traveling ionospheric disturbance (LSTID) during 15 : 40-16 : 00 UT on May 28, 2011 |
太阳活动有着不同时间尺度的变化，其中太阳耀斑是一种时间尺度约为十分钟量级的短时变化. 耀斑期间产生的X射线及极紫外辐射等不同波段辐射会出现不同程度的增强，因此会对电离层各高度的电子密度造成程度不同的增加，从而产生各种电离层突然骚扰现象，是电离层空间天气监测的重要内容之一.
太阳活动第23周延续时间较长，其下降相的太阳低年从2006一直持续到2010年，且其太阳EUV 辐射也较上几个太阳活动周弱.自2011年太阳黑子数才逐渐增加，太阳活动性逐渐增强，并于2011年2月15日发生了一次X2.2级的较强耀斑.图 5a显示了此次耀斑期间GOES卫星观测的0.1~0.8nm X射线变化情况，耀斑开始于01∶44UT，在01∶56 UT 达到峰值，结束于02∶06UT.
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图 5 2011年2月15日X2.2级耀斑期间GOES卫星观测的0.1~0.8nmX射线变化情况(a)及陆态网络基准站观测的TEC 变化情况(b) 每一个台站监测的最大TEC增加用来代表该站的耀斑响应. Fig. 5 Temporal variation of the X-ray flux in the 0.1 ~0. 8 nm wavelength range measured by GOES satellite on February 15th, 2011(a); Maximum of TEC enhancement recorded at all the CMONOC station during the flare time with respect to the pre-solar condition(b). |
我们利用陆态网络基准站对此次耀斑期间电离层总电子含量TEC 变化进行了监测.为便于分析比较，将每一个陆态网络基准站测量的斜TEC 在薄层电离层假设下转化成垂直TEC.同时为减小斜TEC 到垂直TEC 的转换误差，选取在耀斑期间平均仰角最大的那颗GPS 卫星观测的数据，在此次事件中，我国境内绝大部分基准站10号星的仰角最大，部分基准站2号星及5号星的仰角最大.耀斑期间TEC 增强定义为ΔTEC=TECf- TEC0.式中TECf 为2 月15 日耀斑当天的TEC 值，而TEC0 为没有耀斑时TEC 的背景值，它是通过拟合耀斑前后的TEC 结果而得到.图 5b显示了各个台站在耀斑峰值时刻观测的ΔTEC 值.结果显示，ΔTEC 的最大值约为1.5TECU，最小值约为0.2TECU.近期的一些研究表明:电离层耀斑效应有显著的太阳天顶角依赖[18-20].Wan等[21]根据电离层的Chapman 电离理论，分析得出耀斑爆发引起的TEC 时间变化率与依赖太阳天顶角(Solar Zenith Angle,简写为SZA) 的Chapman 函数成反比的结论，并且得到2000 年7月14 日耀斑期间来自GPS 网的TEC 数据的验证.Zhang和Xiao[22]通过对2001年4月15日耀斑期间向日面53个GPS台站的电离层总电子含量数据的统计分析，发现总电子含量突然增加SITEC 与太阳天顶角SZA 有明显的负相关性.Le等[23]利用电离层理论模式进行耀斑电离层效应模拟研究，模拟结果也显示出相同的天顶角依赖.利用陆态网络基准站的观测数据进行分析，结果显示在图 6中，从图中可以看到，ΔTEC 与天顶角SZA 密切相关，其相关系数达到0.8.图 6 显示天顶角SZA 越大，ΔTEC 越小，这一结果与以往的研究结果完全一致.
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图 6 ΔTEC 与太阳天顶角SZA 的关系 Fig. 6 Relationship between solar zenith and ΔTEC |
ΔTEC 与天顶角SZA 之间的关系表达式如下:
ΔTEC = -0.01257*SZA +1.4971.
3.4 低纬电离层不规则体结构我国南部处于电离层低纬地区，是电离层不规则结构和闪烁的高发区域.由电离层不规则结构引起的电离层闪烁常会导致地面接收机接收到的电波信号深度衰落与畸变.如振幅闪烁导致信号衰落最大可达20dB以上，当衰落幅度超过接收系统的冗余度和动态范围时，将造成通讯障碍和误码率的增加.由于电离层不规则结构的影响，电波折射指数也产生随机起伏，使信号路径发生改变，引起多径效应以及降低卫星导航精度.随着全球范围导航和通信系统对空间平台的依赖日益增长，监测并研究电离层不规则结构的产生和发展过程成为人们关注的重要问题.通过监测电离层不规则结构，可为电离层闪烁频发地区通信系统的设计提供参考参数，并对研究电离层不规则结构的形成和演变提供实验数据.
基于TEC 观测，Aarons等[24]提出了ROT 指数，定义为TEC的时间变化率，即ROT=ΔTEC/ Δt.Pi等[25]利用ROT 的标准差定义了一个TEC 变化率指数ROTI= 
通过分析陆态网络GPS TEC 观测数据，图 7 给出了2011年3月8 日电离层不规则结构的发生情况.图中灰色点线表示卫星轨迹在350km 高度的投影.红、黄、紫色轨迹分别表示ROTI大于0.1、 0.3和0.5(电离层不规则结构发生).绿点表示观测站点的位置.左右子图分别表示网络工程的27个基准站和陆态网络近200 个基准站对比同时观测结果.从图中可以看出，网络工程和陆态网络均观测到电离层不规则结构起始发生于日落并持续到午夜后，且主要发生在南部低纬地区(低于25°).然而，相比网络工程，陆态网络更密集的观测能很好的反映不规则结构的区域变化特征，这对于研究不规则结构的经度差异，特别是磁暴期间邻近经度区不规则结构的产生机制有着重要的意义[28].同时，利用不同纬度GPS观测的ROTI扰动时间，可以估算赤道等离子体泡不规则结构的上升速度.此外，由于ROTI对应的不规则结构空间尺度通常在10km 以上，因而ROTI指数和幅度闪烁指数S4 常被同时用来研究大小尺度的不规则结构发生特征.利用中国地区的GPS TEC 观测网数据，结合低纬GPS闪烁、测高仪和相干散射雷达观测，可以细致研究我国南部地区电离层不规则结构发生的范围与持续时间及其对应的产生机制.需要指出的是，受太阳活动低年背景电离层以及午夜后不规则结构发生高度与强度等因素影响，GPS TEC 并不适合于研究太阳活动低年午夜后的电离层不规则结构，没有TEC 扰动并不意味着没有电离层不规则结构产生[29].
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图 7 应用网络工程27个基准站(A)和陆态网络200个基准站(B)观测中国地区电离层ROTI指数的对比分析 Fig. 7 Comparison of ROTI index distribution based on the 27 reference station (A) and 200 reference stations (B) |
本文利用中国陆态网络200 个基准站的GPS 观测数据，对我国上空电离层空间天气进行观测分析，其主要研究结果如下:
(1) 利用陆态网络GPS观测数据，结合IGGCAS 模型获取的电离层暴时中国上空电离层TEC 二维图像，能很好的给出我国电离层暴的时空演变特性，特别是磁暴期间我国电离层低纬电子浓度梯度变化的情况，其精度远高于目前全球电离层TEC 模型给出的结果.
(2) 通过现有陆态网络GPS 观测数据分析，可获得我国上空电离层大尺度扰动形态，包括扰动传播方向和波长等信息.但对于电离层大尺度扰动细致分析和电离层中尺度扰动等进行观测，需要更为密集的GPS观测站点.随着260个基准站全部运行以及更多站加入陆态网络，对于观测各种尺度的电离层TID 的传播过程，以及获取TID 水平传播相速度精度等会有较大提高.
(3) 给出了太阳耀斑期间我国电离层TEC 的响应特性，结果表明，ΔTEC 与天顶角密切相关，其相关系数达到0.8，天顶角越大，ΔTEC 越小.
(4) 采用电离层扰动指数ROTI分析方法，基于网络工程的27个基准站和陆态网络基准站GPS观测数据一次事例分析，给出了我国电离层不规则结构分布图.结果表明，网络工程和陆态网络均观测到电离层不规则结构起始发生于日落并持续到午夜后，且主要发生在南部低纬地区(低于25°).然而，相比网络工程，陆态网络更密集的观测能更好的反映不规则结构的区域变化特征，这对于研究不规则结构的经度差异，特别是磁暴期间邻近经度区不规则结构的产生机制有着重要意义.
上述分析研究表明:在表征电离层天气区域特征、提取电离层不规则体精细结构和电离层行进式各尺度扰动传播过程中，原始数据台站的分布密度无疑是至关重要的因素.目前，除美国、欧洲和日本等发达国家已经建立起高密度GPS 网络，实现了TEC 海量数据实时处理和电离层空间天气实时监测，并应用于电离层物理基础研究外，其它国家如巴西、印度、韩国等也正在积极部署和发展本国的GPS空间天气监测网.如南美各国联合建立了低纬电离层遥测网Low-Latitude Ionospheric Sensor Network (http://lisn.igp.gob.pe/)，其中包含有50个GPS站.
我国幅员辽阔，南北跨度约40°，东西跨度约60°，电离层地域特征明显.并且我国南部广大地区处于电离层低纬，在电离层北赤道峰控制区，电离层电子浓度高，纬度梯度变化大，电离层受各种因素影响，特别是不规则结构东西向运动范围受背景因素影响，在小区域范围，其经度分布复杂多变.此外，电离层天气过程中影响电离层变化的因素如风场、电场、温度和密度以及化学过程会发生剧烈改变，造成电子浓度的快速时空变化，各种参量的空间相关性显著降低.相比之下，整个美国都处于中高纬地区，电离层电子浓度较低且纬度梯度变化不大.也就是说，为了有效地进行电离层空间天气监测与研究，我国需要布设更密的GNSS基准站，并要开发合适的数据提取分析方法和模型.
陆态网络的建立为我国电离层天气监测与研究提供了良好的发展机遇.同时，随着陆态网络260个基准站的运行，将为我们进一步开展研究我国电离层区域特性，固体地球、大气层与电离层耦合、暴时等离子体运动传播特性，以及小尺度不规则体触发机制及演化过程等科学问题发挥重要作用.此外，结合其他地基电离层观测手段，如电离层测高仪观测网络数据，还可获得我国上空高分辨率的电离层三维结构的时空演变图像，为发展我国高精度电离层三维区域模型奠定基础.
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