1 引言

基于全球卫星导航信号的无线电掩星探测是获取电离层电子浓度(包括剖面与斜路径积分总电子含量)及电离层闪烁/不均匀体的新兴手段.与其他探测方法相比，掩星探测具有垂直分辨率高、精度高、准剖面探测、全球覆盖、无需额外校正、无平台依赖和长期漂移、不受天气等自然条件限制等优点，可获取大洋、沙漠、雪域高原、极区等人迹罕至地区的电离层电子浓度垂直剖面信息，为开展电离层物理机制研究提供了丰富的数据源(Anthes 2011).自 2006年4月COSMIC星座(Fong et al., 2008，Chen et. al. 2008，Schreiner et. al. 2007)发射成功以来，卫星轨道由512 km高度逐步升高到约700~800 km，以相互之间间隔30°均匀分布在6个轨道平面，轨道倾角72°，运行周期约100 min，每日能够获得1000至2500个中性大气廓线和电离层电子浓度垂直剖面信息，极大丰富了电离层电子浓度日常观测数据源，在电离层理论研究、模式构建以及无线电应用等方面发挥着重要作用(Yue et al., 2013b).

电离层掩星探测中最常用和最重要的参量是反演得到电离层电子密度剖面.目前常用的反演手段是利用斜路径积分总电子含量或者弯曲角，基于局部球对称、直线传播、圆形轨道、顶部梯度一阶近似等(利用弯曲角反演并假设折射率与电子密度线性相关)假设，利用Abel变换得到电子密度的高度分布(Schreiner et al., 1999).这也是目前COSMIC数据分析与存档中心(COSMIC Data Analysis and Archive Center，CDAAC)所采用的反演方法(Yue et al., 2013b).掩星所得电子密度剖面误差主要来源于: 观测误差、数值误差、反演时这些假设所造成的系统偏差.相对于反演误差，观测误差与数值误差都可以忽略(Schreiner et al., 1999)，而反演误差则主要来自于球对称假设.在球对称假设下，反演得到的电子密度剖面实际上是整个掩星区域内的平均值，而我们把剖面分配到射线切点处，当掩星区域电子密度水平梯度很大时，就会造成很大的系统偏差(Yue et al., 2011a).在COSMIC发射以前，由于电离层掩星探测很少，人们对数据质量并没有系统的认识.COSMIC发射后，海量的观测资料被处理和应用，CDAAC通过模拟和独立数据源验证的方式，对数据质量进行了系统评估，并取得了如下共识: 在低纬和赤道地区，由于赤道异常的存在，反演会在驼峰下造成假的等离子体空洞，从纬度方向看过去，会在E层及F1层出现假的三峰结构(Yue et al., 2011)；在高纬，由于极光区离子沉降导致离化增强存在，反演会造成极光离化区被低估而两边被高估的情况，即反演会平滑极光区电子密度(Yue et al., 2013a)；同时，由于反演误差经Abel积分从上到下的传播，会造成低高度与高高度对应的虚假大尺度波动结构(Yue et al., 2012)；在剖面顶部，一阶梯度近似会改变顶部剖面的实际形状(Yue et al., 2011b)，掩星反演的电子密度峰值及高度误差较小.

此外，很多学者利用模式及其他独立数据源对COSMIC资料进行了比较验证工作(Lei et al., 2007，Kelley et al., 2009，Krankowski et al., 2011，Liu et al., 2010，Chuo et al., 2011，Sahai et al., 2012，Ely et al., 2012).Lei等(2007)利用Millstone 非相干散射雷达数据以及SPIDR发布的电离层垂测仪数据，分析对比了太阳活动低年期间COSMIC数据与上述地基探测数据的相关性，证实了两者在电离层特征参量(N_mF₂、h_mF₂)方面有较好的一致性.Krankowski等(2011)比较了欧洲测高仪与COSMIC观测的电子密度剖面，结果显示在中纬及中高纬地区，无论是峰值处还是底部，二者都符合的 较好.Chuo等(2011)研究了太阳活动低年Jicamarca 地区电离层测高仪数据与COSMIC数据获取的电离层参数(B₀、N_mF₂、h_mF₂)的关系，发现这两种方式得到的电离层特征参量相关性较好，并且统计了上述参数相关性的季节变化和日变化，对产生误差的各种原因进行了深入分析.Sahai等(2012)分析了两次磁暴期间巴西地区赤道台站和低纬度台站垂测 仪探测的电离层特征参量(N_mF₂、h_mF₂)与COSMIC 数据的相关性，结果表明在磁暴期间两者的相关性依然较好.Ely等(2012)分析了2006年至2008年期间，巴西3个台站的电离层峰值电子浓度和峰高与COSMIC数据的相关性，发现两者虽然具有较好的相关性，但是也存在一些显著的差异，且认为引起差异的主要原因是电子浓度的梯度.

数字测高仪对电离层特征参量N_mF₂和h_mF₂测量精度通常高于COSMIC掩星反演的测量精度，故可用于标定或检验掩星反演的对应特征参量.本文利用子午工程位于漠河、左岭、富克三个电离层台站在2012年观测的测高仪数据，按照Ely等(2012)选择测高仪和COSMIC数据的标准，分析比较了第24太阳活动周太阳活动高年期间，近似同一经度链、不同纬度上电离层测高仪与COSMIC探测的电离层特征参量(N_mF₂、h_mF₂)在全年以及不同季节的相关性，初步讨论了造成显著差异的原因，以更好的为电离层监测、模式同化及检验评估等提供参考.相比于以前的比较工作，本文有下列必要性：(1)主要利用中国地区手动标定的高质量测高仪资料，以期获得掩星资料的地区差异；(2)以前的研究者主要利用COSMIC星座发射初期的数据与电离层测高仪数据进行比较，未对太阳活动高年的情况进行统计分析，然而进入太阳活动高年以后，电离层状态与低年相比则有显著差异.

文中使用了2012年全年COSMIC数据以及漠 河(52.00°N，122.52°E)、左岭(31.00°N，114.50°E)、 富克(19.40°N，109.00°E)垂测仪资料，它们分别位于中国北部、中部和南部，处于地磁中纬度、中低纬度和低纬度地区(中国区域地理纬度比地磁纬度约高11°).其中COSMIC数据来自于CDAAC(www.cosmic.ucar.edu)，漠河(MHT)、左岭(ZLT)、富克(FKT)测高仪资料来自于子午工程数据中心.在数据选取过程中，采用与Ely等(2012)相同的数据选择标准，选取COSMIC资料峰值电子浓度所在经纬度距离子午工程三个测站2.5°以内，且与地基观测站观测时间相差不超过7.5 min.文中所用垂测仪数据全部手动标定，不考虑有扩展F或Es完全遮蔽的电离层探测资料，同时我们只考虑地磁平静的情况，剔除了观测时段前后3小时内Kp指数大于4的资料.

在这部分内容中，我们分析比较了COSMIC星座与中国区域三个垂测仪台站获取的电离层电子浓度垂直剖面，以及电离层N_mF₂和h_mF₂.图 1至图 3分别给出上述两种探测设备获取的电子浓度剖面以及对应时刻手动标定的频高图.左图中红色实线是COSMIC掩星反演的电子浓度剖面，蓝色实线是垂测仪探测的剖面，标题栏给出观测台站简写、天数、观测时刻.电离层垂测仪探测过程中，垂直向上发射电磁波，并接收反射信号，能精确的测量峰高以下电子浓度信息，而峰高以上的电子浓度则是通过SAO软件中的ARTIST程序外推拟合得到.SAO软件(Grigori et al., 2008)是数字测高仪频高图度量与分析工具(http://umlcar.uml.edu/ SAO-X)，能够读取垂测仪原始探测数据文件，对观测结果进行人 工或自动度量，生成标定后的SAO数据文件.ARTIST(Reinisch et al., 1982，Huang et al., 1982，Reinisch et al., 1983)是SAO软件中自动度量频高图的程序，但是自动度量结果常常有较大误差，依然需要人工手动标定.

从图 1左侧图可以看出，两种探测设备在漠河地区获取的电子浓度垂直剖面非常相似，卫星得到的N_mF₂和h_mF₂分别是9.18193e×10⁵ el·cm^-3和258.567 km，垂测仪探测的N_mF₂和h_mF₂分别是9.20394e×10⁵ el·cm^-3和259.016 km，两者对应的临界频率是8.6027 MHz和8.6130 MHz，相差0.0103 MHz，远远小于垂测仪0.1 MHz的测量精度.就整个垂直剖面而言，在峰值高度以下，两种设备获取的电子浓度剖面完全吻合，而且COSMIC能够较好给出100 km高度附近的E层信息；在峰值高度以上至400 km附近，掩星反演的剖面与拟合外推的结果也非常接近；在400 km高度以上，两者的差异逐步增大.

图 1

Fig. 1

图 1 漠河站垂测仪获取的电离层电子浓度垂直剖面(a)与COSMIC卫星测得的剖面的比较示例(b) (a)中蓝线表示垂测仪获取的数据，红线表示卫星测得的数据，标题给出观测台站的简写、天数、观测时刻; (b)给出对应时刻手动标定的频高图(下同). Fig. 1 Comparison of ionospheric density profiles(left) and the corresponding ionogram(right) The satellite profile(red curve)is for March 27th，2012 at 08 ∶ 00 UT. The ionosonde profile(blue curve) is from Mohe for March 27th，2012 at 08 ∶ 00 UT.

图 2给出武汉左岭站垂测仪探测记录和COSMIC在该区域反演的垂直剖面.对两者进行比较可以看出，整个垂直剖面比较相似，两个剖面在峰 高以上基本吻合，N_mF₂与h_mF₂对应较好，临界频 率分别为10.597 MHz和10.450 MHz，相差0.147 MHz，略大于垂测仪0.1 MHz的测量精度；但峰值高度以下出现了显著差异，相同高度处卫星反演的电子浓度大于垂测仪探测的浓度，且随着高度的降低，这种差异更加明显.在E层高度上，卫星反演的电子浓度突然增加.

图 2

Fig. 2

图 2 左岭站垂测仪获取的电离层电子浓度垂直剖面(a)与COSMIC卫星测得的剖面的比较示例(b) (a)图中蓝线表示垂测仪获取的数据，红线表示卫星测得的数据，标题给出观测台站的 简写、天数、观测时刻;(b)图给出对应时刻手动标定的频高图. Fig. 2 Comparison of ionospheric density profiles(a) and the corresponding ionogram(b) The satellite profile(red curve)is for May15th，2012 at 07 ∶ 42 UT. The ionosonde profile(blue curve) is from Zuoling for May15th，2012 at 07 ∶ 45 UT.

图 3给出第341天00时45分海南富克站垂测仪和COSMIC获取的电子浓度垂直剖面比较结果.可以看到两个剖面比较接近，垂测仪获取的峰值高 度和峰值电子浓度分别为264.991 km和7.67082×10⁵el·cm^-3，卫星反演值为255.439 km和8.58928×10⁵ el·cm^-3，对应的临界频率分别为7.8630 MHz和8.3204 MHz.从图中还可以清晰看到，在100 km以下，掩星反演的电子浓度剖面出现了负值，与真实情况完全不符.这可能与Abel方法反演电子浓度时采用球对称的假设有关(Yue et al., 2011a)

图 3

Fig. 3

图 3 富克站垂测仪获取的电离层电子浓度垂直剖面(a)与COSMIC卫星测得的剖面的比较示例(b) (a)中蓝线表示垂测仪获取的数据，红线表示卫星测得的数据，标题给出观测台站的 简写、天数、观测时刻.(b)给出对应时刻手动标定频高图. Fig. 3 Comparison of ionospheric density profiles(left) and the corresponding ionogram(right) The satellite profile(red curve)is for December 27th，2012 at 03 ∶ 09 UT. The ionosonde profile(blue curve)is from Zuoling for December 27th，2012 at 03 ∶ 15 UT.

为了进一步验证COSMIC掩星探测电离层数据的有效性，我们按照Ely等(2012)数据选择的标准，利用漠河、左岭、富克三站在2012年全年垂测仪数据，分析比较了上述两种手段获取的电离层峰值电子浓度和峰高.图 4—6给出电离层测高仪和COSMIC获取的特征参量的点聚图.图中黑色斜线是描述卫星探测值与垂测仪探测值相等(x=y)的曲线，倾斜实线是对应峰值电子浓度或峰高的拟合曲线.x轴和y轴分别表示数字测高仪和卫星获取的参量.图中右下角给出两种探测设备得到的电离层参量的相关系数.

图 4

Fig. 4

图 4 漠河站垂测仪探测的峰值电子浓度、峰值高度与COSMIC对应值的比较 图中红色星号是两种探测手段获取的要素值.黑色斜实线给出要素值正相关曲线(x=y)，蓝色斜实线是要素值相关性的拟合线. Fig. 4 Comparison of values NmF2(left) and hmF2(right)obtained by F3/C and Digisonde in Mohe station The black line represents the(x=y)function， and the blue line is a linear fit to the data points.

图 5

Fig. 5

图 5 左岭站垂测仪探测的峰值电子浓度、峰值高度与COSMIC对应值的比较 图中红色星号是两种探测手段获取的要素值.黑色斜实线给出要素值正相关曲线(x=y)，蓝红色斜实线是要素值相关性的拟合线. Fig. 5 Comparison of values NmF2(left) and hmF2(right)obtained by F3/C and Digisonde in Zuoling station The black line represents the(x=y)function， and the blue line is a linear fit to the data points.

图 6

Fig. 6

图 6 富克站垂测仪探测的峰值电子浓度、峰值高度与COSMIC对应值得比较 图中红色星号是两种探测手段获取的要素值.黑色斜实线给出要素值正相关曲线(x=y)，蓝色斜实线是要素值相关性的拟合线. Fig. 6 Comparison of values NmF2(left) and hmF2(right)obtained by F3/C and Digisonde in Fukestation The black line represents the(x=y)function， and the blue line is a linear fit to the data points.

图 4是漠河站垂测仪探测参量与COSMIC掩星探测参量的比较.从图中可以看出，两种探测手段获取的峰值电子浓度很接近，峰值电子浓度和峰高相关系数分别达到0.97和0.93，其中峰值电子浓度的相关性比峰高的相关性更好.Ely等(2012)分析了太阳活动低年期间，Paulista(22.7°S，45°W)、 Sao Luｌs(2.5°S，44.2°W)和Fortaleza(3.8°S，38°W)台站数据以及COSMIC数据，其中Fortaleza站垂测仪探测结果与卫星探测结果相关性最好，峰值电子浓度相关系数达0.94，峰高相关系数达0.90.与漠河站电离层特征参量的相关性相比，Fortaleza站比较的相关系数略低于漠河站，这可能与漠河站远 离赤道异常区，而Fortaleza站更靠近赤道异常区有关.

图 5给出武汉左岭站垂测仪探测的峰值电子浓度与峰高和COSMIC探测值的比较结果.峰值电子浓度和峰高的相关系数分别为0.89和0.67.同时还可以看到，卫星测得的峰值电子浓度高值时(白天)高于对应时刻垂测仪获取的值.这是由于武汉左岭站在太阳活动高年位于赤道异常北驼峰下降处，因此白天该站受驼峰影响，掩星反演的平滑作用会高估该站.该结果与Yue等(2011a)模拟结果完全一致.

图 6给出海南富克站垂测仪探测的峰值电子浓度和峰高与COSMIC探测值的比较结果.从图中可以看出，在富克站两种探测方式获取的电离层特征参量依然有较高的相关性，峰值电子浓度和峰高的相关系数分别达到0.93和0.73.在白天时刻，拟合曲线相对于x=y曲线向下倾斜，垂测仪探测的峰值电子浓度值高于卫星反演的峰值电子浓度，这可能与富克站位于北驼峰异常区域有关，也可能是该站垂测仪本身的系统误差所引起.

在分析了漠河站、左岭站、富克站垂测仪数据与COSMIC数据的年相关性后，本文进一步分析了不同季节两种探测手段获得的峰高和峰值电子浓度的相关性，以初步讨论COSMIC掩星反演的峰高和峰值电子浓度随纬度和季节的变化.季节划分中，取1月、11月、12月为冬季，2月至4月、8月至10月为春秋季，5月至7月为夏季.

表 1给出两种探测手段获取的对应电离层特征参量相关系数随季节的变化.在春秋季、夏季和冬 季，漠河地区两种探测手段获取的对应N_mF₂的相关系数分别为0.97、0.91和0.98，h_mF₂的相关系数分别为0.93、0.92和0.94.可以看出，在各季节两种探测手段获得的N_mF₂和h_mF₂的相关性很好，且春秋季、冬季相关性要好于夏季.左岭地区春秋季、夏季和冬季N_mF₂的相关系数分别为0.96、0.96和0.83，h_mF₂的相关系数分别为0.72、0.71和0.51，N_mF₂的相关性比h_mF₂的相关性好，且冬季左岭站垂测仪探测的N_mF₂和h_mF₂与COSMIC反演值的相关性比其他季节差.富克地区春秋季、夏季和冬季N_mF₂的相关系数分别为0.96、0.98和0.84，h_mF₂的相关系数分别为0.72、0.78和0.61.这个结果与左岭站类似，即在春秋季和夏季两种探测手段获取的特征参量相关性较好，冬季较其他季节低.

表 1(Table 1)

表 1 不同季节两种探测方法获取的对应电离层特征参量相关系数 Table 1 The correlation coefficients of the corresponding ionospheric parameters obtained by the two techniques in different seasons 台站 季节 春秋季 夏季 冬季 相关系数 R(NmF2) R(hmF2) R(NmF2) R(hmF2) R(NmF2) R(hmF2) 漠河 0.97 0.93 0.91 0.92 0.98 0.94 左岭 0.96 0.72 0.96 0.71 0.83 0.51 富克 0.96 0.75 0.98 0.78 0.84 0.61

表 1 不同季节两种探测方法获取的对应电离层特征参量相关系数 Table 1 The correlation coefficients of the corresponding ionospheric parameters obtained by the two techniques in different seasons

综合以上分析可以看到，两种探测设备在漠河地区获取的电子浓度剖面非常吻合，对应的N_mF₂和h_mF₂的相关系数分别是0.97和0.93；在左岭站电子浓度剖面比较近似，对应的N_mF₂和h_mF₂的相关系数分别是0.89和0.67；在富克站电子浓度剖面比较相似，对应的N_mF₂和h_mF₂的相关系数份别是0.93和0.73.总体可以概括为，在上述三个台站区域，两种探测方式获取的对应电离层特征参量相关性较好，且N_mF₂的相关性均好于h_mF₂，这与Lei等(2007)和Ely等(2012)在分析太阳活动低年的数据过程中得到的结果相同.同时，随着纬度由北向南递减，测站地区上空的N_mF₂逐渐增大，COSMIC反演得到的电离层垂直剖面与各测站获得的剖面差异逐渐增大，两种探测方式获取的电离层对应特征参量相关性也有所降低.在此基础上，进一步分析了各测站不同季节电离层N_mF₂和h_mF₂与COSMIC对应数据的相关性.分析结果表明，漠河站各季节N_mF₂和h_mF₂与COSMIC对应数据的相关性高，相关系数均大于0.9；左岭站春秋季、夏季期间对应N_mF₂的相关性在0.9以上，h_mF₂的相关性在0.7以上，而进入冬季后相应特征参量的相关性较其他季节小；富克站地区两种探测方式比较结果与左岭站情况相似，即春秋季、夏季好于冬季.这就表明，在远离赤道异常区的地方，对应特征参量在各季节的相关性均较好，而在靠近赤道异常区的地方，进入冬季以后两种探测方式获取的对应特征参量相关性则比其他季节差.

冬季造成相关系数低的主要原因可归结为以下两点，首先是由所选台站与中国区域电离层电子浓度的南北分布有关，也就是与电离层北驼峰的相对位置有关，其次与COSMIC掩星数据在反演过程中采用球对称假设、平滑梯度较大区域有关.漠河站在地磁中纬度地区，远离电离层北驼峰区域，电子浓度低、分布均匀、梯度小，且COSMIC掩星在中纬度地区的反演精度较高，而左岭站和富克站位于地磁低纬度，处于电离层北驼峰控制区域，电子浓度较漠河地区显著增强，电子浓度梯度大.进入冬季后，在跨越赤道中性风场作用下，电离层北驼峰区域电子浓度在水平方向和垂直方向的梯度较其他季节显著增强，致使两种探测手段在左岭和富克区域对应特征参量的相关性降低.同时，COSMIC数据在反演电离层电子浓度时，使用Abel变换，采用了球对称假设(Yue et al., 2011b)，对电子浓度梯度较大的区域本质上做了平滑处理，使得电离层电子浓度梯度越大误差越大，致使冬季在电离层北驼峰区域反演误差增大，掩星反演值与垂测仪探测的相关性减小.

采用与Ely等(2012)相同的数据选择标准，我们分析比较了太阳活动高年(2012年)漠河、左岭、富克站垂测仪探测的电离层特征参量(N_mF₂、h_mF₂)与COSMIC掩星反演的电离层信息的相关性，并对比较结果进行了初步分析.研究结果可归纳为以下几点：

(1)两种探测方式获取的电离层对应特征参量具有较好相关性，且N_mF₂的相关性高于h_mF₂相关 性.漠河站N_mF₂、h_mF₂相关系数分别是0.97、0.93，左岭站N_mF₂、h_mF₂相关系数分别是0.89、0.67，富克站N_mF₂、h_mF₂相关系数分别是0.93、0.73.

(2)两种探测方式获取的电离层对应特征参量相关性与驼峰区的位置有关.在地磁中纬度地区，远离电离层北驼峰的区域，对应参量相关系数较高；在地磁低纬度地区，受电离层北驼峰控制区域，对应参量相关系数低于中纬度地区.

(3)在电离层北驼峰控制区域，两种探测方式获得的电离层对应特征参量相关性与季节有关.春秋季、夏季对应参量相关系数高于冬季相关系数.

致谢 感谢子午工程数据中心、中国科学院电离层空间环境重点实验室和UCAR/COSMIC为本研究提供详实数据资源.