地球物理学报  2016, Vol. 59 Issue (1): 1-7   PDF    
利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征
张满莲, 刘立波, 万卫星, 宁百齐    
中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院地球与行星物理重点实验室, 北京 100029
摘要: 本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12-16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4-5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5-8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.
关键词: 等离子体层     电离层     总电子含量(TEC)     等离子体层电子含量    
Variation of the plasmaspheric electron content derived from the podTEC observations of COSMIC LEO satellites to GPS signals
ZHANG Man-Lian, LIU Li-Bo, WAN Wei-Xing, NING Bai-Qi     
Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: We tried to study the variations of the plasmaspheric electron content(PEC) using the PEC data derived from the podTEC observation of the COSMIC low Earth orbit(LEO) satellite to the GPS satellite signals. We first give a brief introduce to the method we used to convert the slant podTEC to the vertical PEC. Then we used the converted PEC data of the year 2008 to study the variations of PEC with the geomagnetic latitude(MLAT), magnetic local time(MLT) and with four different seasons. Besides, we made a study on the longitudinal variation of PEC using the extracted PEC data from two different longitudes(120°E and 300°E). Our study showed that:(1) The distribution of PEC is mainly confined to a region within±45° of the magnetic equator of the Earth;(2) PEC shows a well-defined diurnal variation pattern with higher values during daytime hours than during nighttime hours. PEC reaches its peak value at the hour around 12-16MLT, whereas it reaches its minimum value at around 4-5MLT.(3) PEC has a lowest value in the June solstice season(May-August) compared with other seasons.(4) PEC shows an evident longitudinal variation and it has different seasonal variations for different longitudes.
Key words: Plasmasphere     Ionosphere     Total Electron Content(TEC)     Plasmaspheric electron content    
1 引言

电波信号受到电离成分的作用会发生折射而产生延迟效应,从而对卫星定位、导航授时以及遥感、遥测等产生额外的误差.这种误差与电波传播路径上单位截面柱体里的积分电子含量(通常称为总电子含量TEC)有关(Davíes,1990).全球导航定位系统(GPS)的电波信号穿过地球大气上空的电离层和等离子体层.尽管等离子体层电子密度比电离层电子密度要稀薄很多,但是由于其覆盖的高度范围很大,等离子体层的电子含量仍然占有相当的分量.特别是在夜间和太阳活动平静时期,等离子体层电子含量相对总电子含量TEC而言占有相当大的比例,白天一般约为10%左右,而夜间则可高达60%(Yizengaw et al.,2008).因此,不仅电离层对信号传播有影响,等离子体层对信号传播的影响也不可忽视.在许多实际应用中(例如用GPS单频接收机进行定位时),常常要用到电离层修正模型来消除由电离成分对电波的延迟效应而产生的定位误差.但是目前一般的电离层修正模型,例如国际参考电离层(IRI)模型(Bilitza,2001; Bilitza and Reinisch,2008)、NeQuick模型(Leitinger et al.,2005; Nava et al.,2008),通常只包括电离层的电子含量,而没有将等离子体层的含量考虑在内.近年来国际参考电离层工作组开始倡导与鼓励人们开展等离子体层电子含量模型的研究,以期将IRI模型扩展到等离子体层范围(Bilitza et al.,2011).因此,通过对等离子体层电子含量变化特征的研究,可为建立或完善等离子体层电子含量模型奠定基础,为将国际参考电离层模型扩展到等离子体层做出贡献,为导航定位等实际应用中的误差修正提供一定的参考.另一方面,电离层与等离子体层有很强的耦合关系,通过对等离子体层电子含量变化规律的研究,能够加深理解电离层与等离子体层之间所发生的各种动力学耦合过程的作用机制.

前人对等离子体层电子含量的提取技术,一般可归纳为以下几种方法:(1)由两颗不同高度卫星(如GPS与另一低高度卫星)观测的TEC数据,由两者之差得到等离子体层电子含量(Lunt et al.,1999; Chen and Yao,2015).这种方法的缺点是两颗卫星所在的高度范围不一定刚好合适于等离子体层的高度范围.(2)利用地面垂直测高仪的观测数据来估算电离层电子含量ITEC,结合对GPS观测的TEC,由两者之差得到等离子体层电子含量(Belehaki et al.,2004; Zhang et al.,2006).这种方法中,由于只有F2层峰高以下的底部电离层电子密度数据是真实的观测结果,而F2层峰高以上的顶部电离层电子密度是通过假设F2层峰高以上的电子密度符合Chapman剖面分布而外推估算得到(Reinisch and Huang,2001).因而由垂直测高仪观测资料估算得到的电离层ITEC可能会有较大的误差,从而导致最后求得的等离子体层电子含量误差较大.(3)利用非相干散射雷达(ISR)观测资料与地面GPS接收机观测资料相结合(种小燕等,2013).非相干散射雷达能够探测包括F2层峰高以下底部电离层及峰高以上的顶部电离层高度的电子密度.利用这一设备所观测得到的资料来推算电离层电子含量将比基于电离层垂测仪观测资料进行的推算更具真实性,从而可得到精度较高的等离子体层电子含量.然而,非相干散射雷达全球覆盖率极为有限,且观测时间不连续,这为研究等离子体层电子含量的全球分布特征与建模带来局限.此外,上述这些方法还由于涉及到不同的观测设备或观测手段而带来的观测误差导致所得到的结果有较大的不确定性.COSMIC低轨卫星(LEO)的精确定轨(POD)接收机对GPS信号的顶部测量为我们提供了大量的等离子体层电子含量信息的数据.COSMIC低轨卫星对GPS信号的这种顶部TEC观测资料具有良好的全球覆盖性与观测时间的连续性,因此特别适合用于研究等离子体层电子含量的全球分布特征与不同时间尺度的变化性,从而为等离子体层电子含量的全球建模提供数据基础.本文将利用COSMIC低轨卫星对GPS卫星信号的顶部TEC观测资料来提取等离子体层电子含量,主要技术涉及由LEO-GPS卫星连线传播路径上的总电子含量演算得到等离子体层垂直电子含量(PEC,Plasmaspheric Electron Content).这种方法的优点在于涉及的观测资料单一一致,所带来的观测及反演所积累的误差小,因而能够得到精度较高的等离子体层电子含量.然后将利用提取的等离子体层电子含量数据研究等离子体层电子含量随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)、季节的变化规律,同时也抽取两个经度链上(120°E和300°E)的数据对比研究PEC的经度变化性.本文第2节将简要介绍原始数据来源及提取PEC数据采用的方法,第3节给出研究结果及对结果的解释,第4节为结论.

2 原始数据来源及提取PEC数据的方法简介

本文所用原始数据来源于COSMIC/FORMSAT-3(The Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate/Formosa Satellite 3)星座的低轨卫星(LEO)上的精确定轨(POD)接收机对GPS信号的顶部TEC测量数据.COSMIC/FORMOSAT-3是中国台湾和美国于2006年4月15日联合发射的由6颗低轨(LEO)微卫星组成的一个星座.每颗微卫星携带一个GPS掩星实验(GOX)载荷,主要设计用于对地球大气和电离层进行无线电掩星测量.卫星轨道周期约100 min,倾角72°.COSMIC 观测数据由以下网址提供:(1)FS-3/COSMIC台湾分析中心(TACC,http://tacc.cwb.gov.tw/en/);(2)COSMIC 数据分析和存档中心(CDAAC,http://www.cosmic.ucar.edu/cdaac/).本文用到的数据主要是COSMIC星座LEO卫星上用于精确定轨(POD)的卫星天线对GPS卫星接收信号而计算得到的LEO-GPS沿线的TEC数据,即COSMIC产品数据目录\level1b\下的podTEC数据.该数据产品已经是LEO-GPS沿线的绝对TEC值,已经去除了接收机本身的硬件误差(Yue et al.,2011).本文用到的是2008年的全年数据.

COSMIC星座LEO卫星飞行的高度大约在800 km高度左右,在太阳活动低年,这一高度可近似看成是电离层与等离子体层的过渡高度,因此LEO卫星高度到GPS卫星高度之间的垂直高度积分电子含量可近似看成等离子体层电子含量PEC.由于podTEC数据给出的是LEO-GPS沿线路径上的斜路径积分电子含量,为了求取垂直方向(即天顶方向)的PEC,必须选取适当的转换因子f(ε)把斜路径方向的podTEC转换成垂直方向的PEC:

本文采用Foelsche和Kirchengast(2002)以及Yue等(2011)所介绍和引用的转换因子f(ε),其表达式为:

其中ε为LEO-GPS卫星连线方向的抬升角,Re为地球半径,Hppt是LEO-GPS卫星之间电波射线在等离子体层中的穿刺点高度,Horb是低轨卫星所在的高度.Hppt可选为几百到几千公里.Yue等(2011)选取Hppt值为3000 km.我们试过不同的Hppt值,虽然用不同的Hppt值计算得到的PEC值会有些微差别,但并不影响本文研究所得到的主要结论.因此,本文按Yue等(2011)选取3000 km 为Hppt值.图 1是2008年1月27日全天当中LEO-GPS卫星连线电波信号在Hppt=3000 km处的穿刺点坐标分布.从图中可见卫星信号穿刺点非常密集地覆盖了全球所有空间,因而这一数据源很适宜于研究等离子体层电子含量的全球分布特征.
图 1 2008年1月27日一天内COSMIC低轨卫星与GPS卫星之间连线在3000 km高度处穿刺点的地理分布情况 Fig. 1 The geographic distributions of COSMIC LEO-GPS links′ pierce point at 3000 km altitude during the one day period of January 27, 2008
3 等离子体层电子含量(PEC)变化特征3.1 等离子体层电子含量(PEC)随地磁纬度的变化和磁地方时的昼夜变化

为了研究PEC随地磁纬度(MLAT)和磁地方时(MLT)的变化规律,我们选取太阳活动低年2008年的全年数据,采用前述转换方法演算出天顶方向的PEC,然后对全年数据求取平均,得到如图 2所示的2008年PEC随MLAT和MLT的平均分布状况.从图 2中可看出,PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中.这与通常的理论预期和前人利用其他手段的观测结果是一致的,由此表明我们采用的提取等离子体层电子含量的方法是可靠的.在昼夜变化规律方面,从图 2中可看出PEC呈现出以下的变化特征:白天时段之值高于夜间时段,PEC约在12—16MLT之间的某个时刻达到最高峰值(7~8 TECu左右),而最小PEC值大约出现在日出前(约4—5MLT左右)的时段.等离子体层电子含量的这一昼夜变化特征与等离子体层和电离层之间存在强烈的电动力学耦合作用有关.我们知道,等离子体层的离子来源与白天电离层离子沿磁力线的上行流动有关.等离子体层是电离层离子的一个“蓄水池”(Singh et al.,2011).白天电离层离子会沿着磁力线向上漂移与扩散填充到等离子体层中,而晚上等离子体层中的离子会返回到低高度范围维持夜间的F区电离层.这一耦合作用过程产生的效果便导致了我们所观测到的等离子体层电子含量PEC的上述昼夜变化特征.

图 2 2008年等离子体层电子含量PEC随磁地方时和地磁纬度的平均分布状况 Fig. 2 Variation of the mean plasmaspheric electron content (PEC) with magnetic latitude (MLAT) and local time (MLT) for the year 2008
3.2 等离子体层电子含量(PEC)的季节变化

为研究PEC随不同季节的变化规律,我们将2008年的PEC数据按不同季节划分,求取了四个不同季节的PEC的平均变化情形,所得结果如图 3所示.图中左上、右上、左下及右下分别对应的是2008年北半球春(3、4月份)、夏(5、6、7、8月份)、秋(9、10月份)、冬(1、2、11、12月份)四个季节的PEC的季节平均.从图 3中可看出,四个不同的季节PEC随MLT及MLAT的变化形态与3.1节中的结果完全一致:等离子体层电子含量主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;PEC白天之值高于夜间,在约12—16MLT之间达到最高峰值,而在日出前的时段(约4—5MLT左右)PEC达到最小值.然而,PEC也表现出以下的季节变化特征:北半球夏季PEC白天的峰值低于其他所有季节的白天峰值,而在北半球春季PEC白天的峰值在四个季节中则是最高的,秋、冬季之值则介于这二者之间,且冬季之值又高于秋季.Chen和Yao(2015)利用GPS-TEC和COSMIC LEO卫星掩星观测资料研究2011年3、6、9、12月份PEC的季节变化.他们所研究的2011年处于太阳活动的上升年,本文所用数据采用的是处在太阳活动低年的2008年,因此很显然其得到的PEC数值要明显高于本文得到的值(请参见Chen and Yao(2015)中的图 3).但其显示的季节变化特征与我们上述描述的季节变化特征基本一致.这些变化特征基本上与电离层的总电子含量ITEC的变化特征表现是一致的.考虑前面3.1节中所述的原因(电离层与等离子体层之间存在很强的耦合关系),PEC的这些季节变化特征都能得到合理的解释.

图 3 2008年等离子体层电子含量PEC的季节变化,其中左上、右上、左下、右下图分别对应的是北半球春(3—4月份)、夏(5—8月份)、秋(9—10月份)、冬(1—2、11—12月份)四个季节的PEC变化情形 Fig. 3 The seasonal variations of PEC for the March Equinoctial (March—April), June Solsticial (May—August), September Equinoctial (September—October) and December Solsticial (January—February, November—February) months of 2008
3.3 等离子体层电子含量(PEC)的经度变化

为研究PEC是否存在经度变化,我们特别提取120°E和300°E经度链上的数据,分别计算了2008年北半球春、夏、秋、冬四个季节中这两个经度链上的PEC的变化情形,结果如图 45中所示.其中图 4显示的是120°E经度链上的PEC变化情形,图 5显示的是300°E经度链上的PEC变化情形.从图 45中可看出,不同经度链上的PEC具有明显的不同的变化规律.对于北半球春、夏、秋这三个季节120°E经度链上的PEC的白天峰值明显高于300°E经度链上的峰值.而对于北半球冬季则是300°E经度链上的值大于120°E经度链上的值.此外,这两个经度链上的PEC还表现出不同的季节变化规律:120°E经度链上的PEC,白天峰值在春秋季稍高于冬夏季,亦即表现为以半年变化为主的特征;而300°E经度链上的PEC则表现出非常明显的以年变化为主的季节变化特征:其PEC白天峰值在北半球冬季最大、夏季最小,而春、秋季之值介于前两者之间.特别是比较北半球冬季和夏季的情形时,会发现300°E经度链上的PEC值差别非常大,形成很鲜明的对比.而120°E经度链上的PEC值在这两个季节的差别不是那么明显.对于PEC在这两个经度链上表现出的不同季节变化特征,我们给出如下的解释:电离层与等离子体层之间存在强烈耦合,等离子体层的离子来源与白天电离层离子沿磁力线的上行流动有关.因此PEC这种不同经度上的不同季节变化特征应该与等离子体层下面的电离层有关.电离层中最关键的参量之一是F2层峰值电子浓度NmF2(或临界频率foF2).我们知道,NmF2(电离层的总电子含量ITEC也是)在全球不同区域会表现出各种不同的季节变化上的异常现象,包括(1)半年异常(semiannual anomaly):NmF2在春秋季月份达到最大值;(2)冬季异常(又叫季节异常,seasonal anomaly):NmF2在冬季月份达到最大值;(3)年度异常(也叫非季节异常,non-seasonal anomaly):全球平均而言NmF2在12月份之值高于6月份之值.其中年度异常(3)可理解为北半球的冬季异常强于南半球的结果.Rishbeth(1998)对电离层这些季节变化异常现象给出非常详尽的解释(有兴趣的读者可仔细参阅该文章),其主要原因可归纳为:(1)太阳天顶角随季节的变化导致太阳辐射对中性大气的电离产生率的变化;(2)热层大气环流引起的背景中性大气层氧氮浓度比[O/N2]的季节变化导致离子电离率和复合率的变化;(3)热层大气环流引起的风场对电离层的抬升与降低作用导致离子电离率和复合率的变化,该作用的大小与地磁场位形在全球的分布有关.这三个因素在不同的经度、纬度其影响程度不同,就导致全球不同区域的电离层表现出不同的季节变化特征.Torr M R和Torr D G(1973)以及Rishbeth(1998)给出了不同太阳活动水平下全球不同区域foF2的主导季节变化特征.从Rishbeth(1998)文章中的图 5可以看出,在太阳活动低年,120°E经度链附近的中、低纬度上电离层是以半年变化为主导的;

图 4 120°E经度链上等离子体层电子含量PEC在2008年北半球春(3 —4月份)、夏(5 —8月份)、秋(9 —10月份)、冬(1—2、11—12月份)四个季节里的变化情形 Fig. 4 The seasonal variations of PEC at 120°E for the March Equinoctial (March—April), June Solsticial (May—August), September Equinoctial (September—October) and December Solsticial (January—February,November—February) months of 2008

图 5 300°E经度链上等离子体层电子含量PEC在2008年北半球春(3—4月份)、夏(5—8月份)、秋(9—10月份)、冬(1—2、11—12月份)四个季节里的变化情形Fig. 5 The seasonal variations of PEC at 300°E for the March Equinoctial (March—April), June Solsticial (May—August), September Equinoctial (September—October) and December Solsticial (January—February,November—February) months of 2008

而300°E经度链附近的中低纬度,北半球以冬季异常(12月份至点季最大,6月份至点季最小)为主导特征,南半球则以正常的夏季(12月份至点季)最大、冬季(6月份至点季)最小为主导特征.电离层在这两个经度链扇区的季节变化特征,通过与等离子体层的动力学/电动力学耦合反映到等离子体层中,从而使PEC表现出相似的季节变化特征:120°E经度链上的PEC表现为在两分点达最大值的半年变化特征,而300°E经度链上的PEC表现为在12月份至点季达最大值、在6月份至点季达最小值的年变化特征.

4 结论

本文初步尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料产品数据podTEC提取等离子体层电子含量PEC.并利用所提取的PEC数据研究了2008年太阳活动低年PEC随磁地方时(MLT)、地磁纬度(MLAT)和不同季节的变化规律.同时对比研究了120°E和300°E经度链上PEC的不同变化特征.总结本文前面的结果,可以得出以下结论:(1)等离子体层电子含量主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现的昼夜变化规律为白天之值高于夜间,约在12—16MLT之间达到最高峰值(量级大约为7~8TECu左右),而最小PEC值大约出现在日出前(约4—5MLT)的时段;(3)相比其他季节月份而言,等离子体层电子含量PEC在北半球夏季月份(即5—8月)具有最小值;(4)等离子体层电子含量PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征:120°E经度链上的PEC表现为在两分点达最大值的半年变化特征,而300°E经度链上的PEC表现为在12月份至点季达最大值、在6月份至点季达最小值的年变化特征.

致谢 本文研究中所用到的COSMIC低轨卫星对GPS的观测数据来源于COSMIC数据分析和存档中心(CDAAC,http://www.cosmic.ucar.edu/cdaac/).
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