地球物理学报  2016, Vol. 59 Issue (2): 419-425   PDF    
基于COSMIC资料分析电离层F层不规则体结构
王栖溪, 方涵先, 牛俊    
解放军理工大学气象海洋学院, 南京 211101
摘要: 根据电离层不规则体的产生会导致周围电子浓度发生起伏变化的原理,利用2007年COSMIC掩星系统的TEC数据,通过平滑滤波得到TEC的扰动值ΔTEC的变化,利用其研究F层不规则体的时空变化特征.统计结果表明:扰动较大的掩星事件主要发生在磁纬±20°之间和高纬地区,春季和秋季带状分布较为明显,不同经度地区较强扰动的掩星事件的分布也有不同特征;较强ΔTEC的掩星事件主要发生在地方时午夜前和午夜后两个时段,发生的高度主要在250~400 km范围内.这些结果与已知的F层不规则体的时空分布特征较为一致,说明利用TEC的扰动量来分析电离层F层不规则体结构是可行的.
关键词: 电离层不规则体     COSMIC掩星     ΔTEC    
Analysis of ionospheric irregularities in F layer based on COSMIC data
WANG Xi-Xi, FANG Han-Xian, NIU Jun    
Institution of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China
Abstract: According to the fact that the occurrence of ionospheric irregularities can lead to the fluctuation of the ambient electron density, we collected the TEC data from COSMIC observation in 2007 to analyze the temporal and spatial variations of ionospheric irregularities in F layer using the smoothness filter technique. The results shows that the occultation events with large TEC fluctuations distribute mainly among the region of ±20° geomagnetic latitude and in high latitude. They also have significant longitudinal variations and the spring and autumn have prominent band structures. The large TEC fluctuations occurred mainly at pre- and post-midnight and are primarily in the altitude range from 250 to 400 km. These results are in consistent with the previous knownledge of the temporal and spatial variations of ionospheric irregularities in F layer, indicating that it is feasible to analyse ionospheric irregularities phenomenon with the TEC fluctuations.
Key words: Ionospheric irregularities     COSMIC occultation     ΔTEC    
1 引言

受太阳活动、地磁场、行星际电场等因素影响,电离层中的电子密度经常会有一些不规则的变化出现,不规则体处的电子浓度可能会比其周围高或低上几个量级,其会引起穿过电离层的无线电波的相位、振幅等短时间内产生剧烈波动,也就是电离层闪烁,可导致信号畸变和通信误码,会严重影响到卫星通信的质量和导航定位系统的精度和稳定性,因此对电离层不规则体的研究有很重要的意义.这其中发生在F层的不规则体主要以扩展F现象为主.

长期的观测数据表明电离层闪烁主要发生在低纬和高纬地区,中纬地区较少且主要集中在夜间(Woodman and La,1976),扩展F层的出现率在地理分布上同样存在两个极大区域,一个是赤道地区,主要发生在磁纬±20°内,仅会在夜间20时至凌晨4时出现,这与电离层闪烁在赤道地区也主要发生在夜间相吻合,其发生机制是日落后受Rayleigh-Taylor不稳定机制以及重力波的影响,赤道F层底部等离子体不稳定,生成密度耗尽的等离子体泡,其上升到F层顶部并同时以羽状烟云的形态在不同高度上沿磁力线向南北扩散到低纬地区(Aarons,1977Straus et al.,2003);另一个扩展F高发区域是极区磁极附近,在冬季几乎昼夜全天都会出现,除与赤道地区相同的原因外,研究表明在高纬度地区电离层闪烁的出现还与极光活动有正相关,且高纬地区沉降电子的直接离化也是产生极区不规则结构的原因之一(熊年禄等,1999).F层不规则体发生的频率受太阳活动、地磁活动、重力波等因素的影响,具有季节差异、经度差异、纬度差异等特征(Tsunoda,1985Aarons,1993Li et al.,2011Abdu,2012Joshi et al.,2012).

过去对电离层不规则体的研究主要基于垂测仪、非相干散射雷达等地基设备,这使结果难免会受到地理位置和垂直高度上的局限.其中,测高仪的长期资料是其重要优势,但观测结果只是小时值使其无法研究电离层的持续变化;而多普勒雷达虽然弥补了这一缺陷,但它的垂直分辨率较差,只能测得几个特定高度上的特征而无法反映随高度的变化(Abdu et al.,2009肖赛冠等,2012).无线电掩星技术为研究电离层闪烁提供了新的思路,相比地基设备,其具有探测高度范围广、空间分布广、垂直分辨率高、全天候等优点,尤其是这一技术能有力地弥补特殊地区(海洋、沙漠、极地等)电离层观测资料的缺乏,因而被越来越广泛地应用于电离层研究(曾桢等,2004王虎等,2014Niu et al.,2014).不过在研究电离层不规则体方面掩星技术的应用还不够广泛,Straus等(2003)曾利用掩星技术研究了全球电离层闪烁的形态学特征,但限于当时的条件他们只是选择了单颗低轨卫星的观测数据,每天的掩星事件数较少;巫子好等(2011)则用GPS卫星的信噪比数据对扩展F进行分析并得到较好的结果.当电离层中有不规则体产生时,通常会导致该处的电子浓度发生波动,进而使总电子含量发生起伏,正是基于该理论,本文利用电子密度总含量的扰动来分析电离层不规则体结构.

2 数据介绍及处理方法

文中数据来源于COSMIC数据分析与存储中心(COSMIC data analysis and archive center,CDAAC).COSMIC是台湾与美国合作研发的掩星系统,其观测资料被广泛应用,是目前观测资料最多的掩星星座,它的空间部分由6颗小卫星组成,理论上在卫星稳定运行、系统正常工作后,每天可提供3000个掩星点的电离层和大气的观测资料,事实上,现在COSMIC每天可提供全球1000~2000个观测点的大气和电离层资料,每三小时更新一次(Rocken et al.,2000).本文使用的是COSMIC2007年和2008年前两个月的掩星二级数据(ionprf文件),其中包含GPS和LEO卫星轨道数据、TEC以及电子密度等信息,本文主要利用TEC数据进行计算来分析F层不规则体结构.

无线电掩星技术是指GPS卫星发射出的无线电信号被装载在低地球轨道卫星(LEO)上的接收机接收,在这个过程中信号通过中性大气、电离层时由于传播介质的垂直折射指数变化,电波路径会发生弯曲,根据电波的相位延迟,可以得到电离层的折射率,进而推出电子密度剖面.实际观测资料和模拟试验均表明,F层不规则体结构往往伴随着电子密度总含量(Total Electron Content,TEC)的耗尽或快速起伏(罗伟华,2009),当电波信号自上而下扫过F层不规则体结构时,由于等离子体泡内电子浓度比背景场小了两到三个量级,会产生明显的波动,我们认为此处可能就是F层不规则体的顶部位置.本文利用掩星资料分析电离层扩展F的主要方法是假设F层不规则体结构会引起TEC的微小扰动,通过对TEC剖面数据进行差分、平滑滤波得到电离层不均匀体引起的小尺度TEC扰动,进而分析电离层不规则体.要指出的是,文中的TEC是指LEO卫星与GPS卫星连线上的斜TEC,而不是通常所说的垂直TEC.

在使用TEC数据前,首先要进行质量控制,一方面,由于测量误差、轨道误差以及掩星处理误差,所选用的数据资料不可避免地存在一些错误数据,因此在使用前要进行一定的预处理,以剔除不合理的数据(F2层峰值高度小于200 km,峰值密度大于107 el·cm-3);另一方面,在选择掩星事件时,中低纬F层不规则体结构的发生时间主要集中在夜间,同时日间中低纬度TEC受到赤道异常的影响会出现较大波动,因此对于中低纬(±60°之间)的掩星数据需要进行时间上的控制,这里选择中低纬掩星事件的时间段是从18时(LT)至第二天的7时(LT).而对于高纬地区,F层不规则体结构在白天夜间均有发生(熊年禄等,1999),同时掩星事件在磁极地区发生数量较少,所以就不加以时间上的约束.

掩星数据分析流程如下:(1)考虑到各个掩星数据中TEC数据高度分布不固定,在数据处理时首先对150~800 km高度上的TEC每隔2 km进行插值,以得到固定高度上的TEC值的变化;(2)对插值过后的每个掩星事件的TEC数据做N点滑动平均(这里我们选择九点平滑),得到其背景趋势序列Ltec,再滤除背景电子密度的影响,即用原始数据减去背景数据,从而得到所需要的TEC扰动数据,对于每个掩星事件得到的一组小尺度TEC扰动Htec,取其最大值,记为ΔTEC.

3 结果分析

F层不规则结构的空间尺度从10-1 m到106 m约有八个量级的变化,其中能在F层底部形成等离子体泡,并能引起本文研究的较大ΔTEC值的大尺 度不规则体的尺度一般在104 m到106 m左右(罗伟华等,2013),F层高度上电子浓度一般在1011 el·m-3到 1012 el·m-3,等离子体泡内电子浓度比背景密度可衰减1~3个量级,这样最终可得到区域内电子密度总含量的变化在1012 el·m-3到1017 el·m-3,根据1TECU=1016 el·m-2,可得变化范围在10-4~ 10TECU,这与本文研究得到的ΔTEC的范围(10-3~10TECU)相符.F层中引起TEC微小扰动的因素很多,对于较小的ΔTEC无法判断其是否是因为扩展F产生的,因此要将约束条件适当取大,通过分析比较,本研究中选择以ΔTEC=0.6TECU作为判断阈值,当ΔTEC大于阈值时认为存在F层不规则体.

图 1就是用以上方法得到的一个掩星事件的滤波结果,其发生在2007年3月6日3时12分左右,地点位于2.3°S,43.3°E附近.其中左图是COSMIC原始TEC数据随高度变化曲线,中间的是平滑后得到的背景TEC变化趋势图(称为低频分量Ltec),右图则是TEC扰动量随高度的变化(称为高频分量Htec).如图所示,低频变量与TEC随高度变化的特征 十分相似,而对于高频分量Htec,450 km高度以上接近于0,450 km高度以下,有不同程度的正负扰动,最大值出现在大约260 km高度上,其值超过 0.6TECU,这表示该高度上有F层不规则体结构的发生.

图 1 2007年3月6日发生在南纬2.3°,东经43.3°附近的掩星事件 Fig. 1 The occultation occurred near -2.3°S,43.3°E on 6 March 2007

图 2分别是2007年春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)和冬季(2007年12月和2008年1、2月)ΔTEC即TEC扰动较大的掩星事件的全球分布图,其中三条粗黑线表示磁赤道和±20°磁纬线.

图 2 2007年四季ΔTEC>0.6TECU的掩星事件的全球分布 Fig. 2 The global distribution of the occultation events with ΔTEC>0.6TECU during each of the four seasons in 2007

从图中可以看出掩星事件发生最多的区域集中在±20°磁纬线内,其中春秋季尤为明显,这符合Aarons(1993)指出的在所有经度区,闪烁活动在两分点期间最为频繁;夏季和冬季虽然不如分季明显,但也有类似的带状分布存在;中纬度地区的掩星事件相对较少,这些与已知的F层不规则体结构的形态学特征相一致(Zou,2011).在高纬地区,虽然可以看出南半球高纬地区的掩星事件要多于北半球的,但除春季外并没有明显的掩星事件密集区域,这主要是因为电离层中的不均匀体通常是沿磁力线场向排列的,ΔTEC同卫星间连线在掩星点附近与磁力线的夹角关系密切,在极区发生电离层不均匀体的情况非常频繁,但由于卫星连线与磁力线的夹角很大,在掩星TEC上的扰动不明显,同时2007年的COSMIC数据在后半年相对较少,只有正常数据量的一半甚至三分之一,这也是秋季掩星事件不如春季密集的一个原因.

除季节差异和纬度差异外,图 2还能反映出ΔTEC在经度分布上的差异:南美地区及东太平洋地区ΔTEC较大的掩星事件在除夏季以外的三个季节都很密集;非洲地区及中西太平洋地区则正相反,在夏季相对集中,其他季节相对较少;亚洲地区则是在春秋两季有较为集中的事件,夏冬两季扰动较弱.结合图 3来看,掩星事件在-10°~120°经度范围内相对较少,该现象同样出现在Zhao等(2011)利用COSMIC数据对F3层的研究中,其原因主要是低轨卫星的轨道倾角过高,具体可见文献(Mousa et al.,2006).

图 3 掩星事件的经度分布 Fig. 3 The longitude distribution of the occultation events

选择分布特征更为明显的春季和秋季,对存在较强ΔTEC的掩星事件的地方时进行统计,其分布如图 4所示.可以看到ΔTEC较大的掩星事件主要发生在夜间,白天出现的事件主要发生在高纬地区,尤其是极区磁极附近,扩展F在冬季和分季的白天 也可被观测到,主要是频率扩展型(Frequency Spread-F,FSF)(陶伟等,2013),如上文所解释,白天发生在极区地区ΔTEC较大的掩星事件相对较少并非因为掩星事件少,而是由于卫星连线与磁力线的夹角很大,在掩星TEC上的扰动不明显,因此本文的方法对研究极区电离层不均匀体的分布效果不如中低纬度好.

图 4 2007年春、秋季ΔTEC>0.6TECU的掩星事件的地方时分布 Fig. 4 Distribution in local time of the occultation events with ΔTEC>0.6TECU during spring and autumn in 2007

图 4还可以看出,ΔTEC较大的掩星事件主要还是集中在18 : 00—06 : 00LT,对于2007年春秋两季,都是在地方时午夜前(19 : 00—23 : 00)和午夜后(00 : 00—04 : 00)各有一个ΔTEC较大掩星事件发生的小高峰,不同之处在于春季两个时间段的小高峰相差不大,而在秋季午夜前的时间段掩星事件的发生频率相对来说要更大一些.这些结果与已知的不同地区的闪烁发生的地方时分布较为一致(徐继生等,2007胡连欢等,2007Adewale et al.,2012).值得一提的是,无论春季还是秋季,20 : 00—21 : 00LT均是存在较强ΔTEC的掩星事件发生的极大值时段,这与Adewale等(2012)发现的现象十分相符.

对掩星事件发生高度进行统计,由于COSMIC数据到250 km以下其反演误差较大(Liu et al.,2010),无法判断TEC扰动值较大时是由F层不规则体结构引起的还是由数据误差导致的,因此选择250 km以上的数据.结果如图 5所示,ΔTEC>0.6TECU的掩星事件主要发生在距地面250~400 km高度范围内,占总的掩星事件数量的80%左右,其中又以250~300 km高度范围内最多,这同样与过往观测数据表明的F层不规则体结构出现的高度分布较为一致.

图 5 2007年ΔTEC>0.6TECU的掩星事件发生的高度分布 Fig. 5 Distribution in altitude of the occultation events with ΔTEC>0.6TECU in 2007
4 结论

本文根据电离层不规则体的产生会导致周围电子浓度发生起伏变化的原理,利用COSMIC掩星系统的TEC数据,通过平滑滤波得到TEC的扰动值的变化,利用该扰动值研究了2007年F层不规则体结构的全球分布以及相应地方时、高度分布等特征,并得到以下结论.

(1)TEC扰动量较大(ΔTEC>0.6TECU)的掩星事件主要集中在±20°磁纬线内,以两个分季最为明显,中纬较少,高纬地区春季有明显集中区域,其他季节不明显,总体上南半球要多于北半球.

(2)在经度分布上,南美地区及东太平洋地区ΔTEC较大的掩星事件在除夏季以外的三个季节都很密集;非洲地区及中西太平洋地区则正好相反,在夏季相对集中,其他季节相对较少;亚洲地区则是在春秋两季有较为集中的事件,夏季和冬季扰动较弱,掩星事件在-10°~120°经度范围内相对较少.

(3)ΔTEC较大的掩星事件主要发生在夜间,集中在18 : 00—06 : 00LT,对于2007年春秋两季,都是在地方时午夜前和午夜后各有一个ΔTEC较大掩星事件发生的小高峰时段,无论春季还是秋季,20 : 00—21 : 00LT均是存在较强ΔTEC的掩星事件发生的极大值时段.

(4)ΔTEC>0.6TECU的掩星事件主要发生在距地面250~400 km高度范围内,占总的掩星事件数量的80%左右,其中又以250~300 km高度范围内最多.可见利用ΔTEC来分析F层不规则体结构是可行的,这为电离层F层不规则体的观测研究提供了一种新的思路.

致谢    感谢UCAR(University Corporation for Atmospheric Research)的CDAAC提供COSMIC掩星观测数据.

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