随着科学技术的迅速发展，人们利用电磁波在电离层中的传播特性可以进行远距离通信、超视距探测等活动，电离层对人类生产、生活的影响日益突出.在太阳活动、中性大气过程、地球磁场等其他诸多因素的影响下，电离层结构特性与状态发生着复杂的变化.反映到观测数据上，就是电离层电子密度、各层临界频率、总电子含量 (TEC)、高度 (虚高、峰高)、标高、厚度、成分等观测要素具有复杂的多尺度时空变化特征.

从时间域来看，既存在规则的日变化、季节变化、太阳周期变化，也存在随机出现的逐日变化、暴时变化.从地域分布来看，除了依赖太阳天顶角的纬度变化，也存在低纬电离层驼峰结构、中纬凹槽等 (Davies, 1965; Jarvis, 2009; Dudeney, 1983).由于观测数据的局限，在以往的工作中，学者们大多侧重于对电离层临界频率 (f₀E、f₀F₂等)、总电子含量 (TEC) 等观测数据的统计分析.电离层高度和厚度是反映电离层结构与变化的重要要素，是电离层电子密度剖面模型研究和短波无线电定位等工程应用所需的重要参数，例如，峰高会影响电子密度剖面进而影响电波折射修正的精度，而虚高则会影响HF通信时的定位和测距误差.因此开展电离层高度和厚度等参数的统计特性分析无疑具有重要的科学意义和应用价值.

20世纪80年代，Miller等 (1986)开展了子午中性风对F₂层高度的影响研究，随后Buonsanto (1986)进行了电离通量的季节变化对F₂层最大电子密度的影响分析.在此研究的基础上，Buonsanto和Titheridge (1987)分析了南北半球的相同纬度处，由于电离通量变化而引起F₂层峰高变化趋势的不同，并且发现在21°附近南北半球差异最为显著.国内的研究以Wan (2012)、Lei (2004)、刘立波 (2003)、Shi (2014)、Wang等 (2012)为代表，主要开展了利用非相干散射雷达观测h_mF₂的变化 (Ding, 2010; Yi, 2014; Ding, 2012)、海口站Es的统计特性 (Wang, 2012) 等工作.前人的研究为本论文工作的开展提供了很好的研究基础和思路.由于观测数据的不足，有关利用电离层垂测数据进行中低纬F层峰高和厚度统计特性的研究工作报道较少.

中国电波传播研究所建设了覆盖我国大陆全境、分布合理的电离层观测网，有北京、青岛等十几个电波观测站，长期以来积累了大量的探测资料，为开展多站电离层参数对比分析工作提供了有利的条件和研究基础.F层是电离层的主要部分，是影响电磁波传播的主要区域，本文主要利用中低纬地区的兰州、昆明、海口站三个观测站的电离层垂直探测数据，分析电离层F层的峰高和厚度变化的统计特征，对以往的工作具有重要补充作用，对提高我国的区域电离层特性的认知水平具有重要意义.

尽管目前有众多新的电离层探测技术，但垂直探测仪依然是最常规最重要的电离层探测手段.电离层垂直探测仪实质上是一种高频雷达，其工作原理是：当垂直入射到电离层的无线电脉冲频率满足其反射条件时，脉冲信号将被电离层折回地面，探测仪通过记录发射和接受脉冲之间的时间延迟，获取电离层的信息.中国电波传播研究所使用的电离层垂测仪均为其自研的设备，可提供的参数有14个，分别为f_min、f₀E、h′E、f₀Es、f_bEs、h′Es、f₀F₁、h′F、M3000F₁、h′F₂、f₀F₂、M3000F₂、fxI、Es type.每隔1小时记录一次数据，并提供了上四分值、下四分值、月中值等参数.

本文选择北半球中低纬的兰州、昆明和海口站的数据进行电离层高度和厚度变化特征的统计分析，并与前人研究结果进行对比.其中兰州站位于中纬地区.海口站位于低纬的电离层赤道异常峰区南侧，由于喷泉效应及赤道电极流的作用，电离层物理过程非常复杂.昆明站属于中低纬过渡区域，同时该地区地处云贵高原靠近青藏高原这一特殊地形，受到来自中性大气的调制作用，具有复杂的变化特征.各站的经纬度信息及数据源如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 站点经纬度信息及数据源 Table 1 Latitude, longitude and data used in this study 站点 经度 (°E) 纬度 (°N) 数据源 兰州 103.87 36.06 2007，2010—2011 昆明 103.8 25.5 2007，2010—2011 海口 110.33 20 2005—2007, 2010—2011

表 1 站点经纬度信息及数据源 Table 1 Latitude, longitude and data used in this study

太阳黑子数是反映太阳活动性的重要参数之一，依据SIDC的国际太阳黑子数的13月滑动平均值可划分太阳活动周 (Yu, 2014; Li, 2011).2005—2007年属于太阳活动第23周，处于低太阳活动水平.2010—2011年属于第24太阳活动周，该周是有太阳活动记录以来最弱的太阳活动周，其太阳活动性比以往偏低50%左右.在活动周的时间演化特点上，第24周与23周相似，都呈现出双峰的结构.第一个峰出现在2011年底附近，第二个峰从2013年下半年开始，因此2010—2011年相对于2005—2007年仍属于高太阳活动水平.兰州和昆明站均缺少2005—2006的数据.以3—5月表示春季，以6—8月表示夏季，9—11月表示秋季，12月、1和2月为冬季，使用每个季度三个月的平均月中值数据进行分析.h_mF₂表示电离层F层最大电子密度对应的高度，它是电离层电子密度剖面建模的关键参数之一.另外，厚度和形状因子也是电离层电子密度建模的重要参数，国际参考电离层模型中采用B₀表示底部电子密度剖面厚度因子.本文中用到的参数是F层虚高 (h′F)、F层寻常波临界频率 (h₀F₂)、F₂层电波传播因子 (M3000F₂)、E层寻常波临界频率 (h₀E) 的月中值数据.由于缺乏电子密度剖面数据，我们采用h_mF₂-h′F来定性表示电离层F层厚度，采用如下经验公式 (Jarvis, 2009; Dudeney, 1983; Richards, 1986) 计算F2层峰值高度：

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图 1给出了兰州和海口站在太阳活动高低年h_mF₂的周日及季节变化.从图可见，在太阳活动高年，h_mF₂的周日和季节变化趋势与低年基本相同，并且数值相近.从地方时变化来看，无论太阳高年或低年，兰州站h_mF₂在07—09LT和18—19LT都出现极小值，其中07—09LT为周日h_mF₂极小值约240 km，而极大值约320 km一般出现在夜间，其中夏季午后的最大值与夜间最大值相当，白天和夜间的h_mF₂相差约100 km.其中一个有新意的现象值得注意：在春秋季的05—06LT期间，h_mF₂出现突然上升现象，这可能与日出时电离层剧烈变化有关.从季节变化来看，夏季白天的数值最大，冬季的数值最小，春秋季h_mF₂的变化趋势一致，数值接近；在太阳活动低年差别更大.除了日出日落时段外，夏季一般相对冬季h_mF₂值要高40~50 km，夏季h_mF₂与其他季节相比在日出时段下降尤为显著.由于中纬电离层F层高度主要受热层风和中性大气成分的变化控制.根据Buonsanto (1987)的研究结果，在37°纬度附近中性风风速在不同季节的变化导致了这一结果，后续会针对这一现象进行更详细的分析.

图 1

Fig. 1

图 1 太阳活动低年 (下) 和高年 (上) 峰高的周日及季节变化，图中高年峰高的值已增加了100 km Fig. 1 Diurnal, seasonal variation of hmF2 in solar minimum (down) and maximum (up), the value have added 100 km in max

对于海口站来说，相同之处是：在太阳活动高年h_mF₂的周日和季节变化特征与低年基本相同.不同的是：(1) 从地方时分布来看，除了太阳活动低年的冬季外，白天的h_mF₂一般都明显大于夜间，其中夏季的极大值出现在12LT，其他三个季节的极大值延迟了2~3个小时.需要注意的是与中纬兰州不同，海口的h_mF₂白天值大于夜间；(2) 从季节分布来看，其变化特征与兰州站基本类似，不过春季与秋季差别很小.另外在太阳活动高年，春秋季与夏季的差别变小; (3) 除夏季外，海口站h_mF₂在01—02LT期间出现很强的“午夜衰落”现象，至03—04LT达到极小值，此后迅速增大.这一现象最早由Grary和Forbes (1986)在1986年发现，认为主要是中性风的影响.后续有学者研究发现，除此之外，在北半球低纬地区发生的午夜温度抬升也对h_mF₂有一定影响，但其影响远小于中性风.

由于缺乏昆明站2007年之前的数据，本文仅给出了太阳活动高年的统计结果，见图 3.总的来看，昆明站h_mF₂的变化与海口相似，并且更剧烈.其中冬季的夜间h_mF₂值大于白天，夏季正午附近h_mF₂值大于夜间.四个季节均在04—05、08—09LT和18—20 LT h_mF₂出现极小值，最小值约240 km，然后迅速上升.

图 3

Fig. 3

图 3 太阳活动高年昆明峰高的周日及季节变化 (左)、方差图 (右) Fig. 3 Diurnal, seasonal variation (left) and rms (right) of hmF2 in solar maximum in Kunming

Lei等 (2004)利用北美地区Millstone Hill站 (42.6°N，71.5°W) 非相干散射雷达数据分析了电离层h_mF₂变化，发现在太阳活动高年h_mF₂的周日和季节变化趋势与低年基本相同，但太阳活动高年的峰高要高50~70 km；冬季h_mF₂分别在08和16LT出现两个低值；春秋季与冬季的变化趋势一致，但在秋季除了日出时段一般相对冬季要高10~20 km.夏季h_mF₂的日变化近乎抛物线形状，且在14—04LT时段比冬季高10 km.

一般认为，影响电离层F层高度的主要因素有热层风、热层大气温度、中性大气成分、地磁场等，其中中纬电离层F层高度主要受热层风和中性大气成分的变化而控制，中低纬地区的子午中性风和东向磁场的偏差是造成中纬和低纬h_mF₂变化不一致的主要原因.从太阳活动性影响角度看，太阳活动高低年对热层大气温度、热层大气环流以及大气成分产生影响的不同，进而导致电离层电子的产生率、化学损失过程、扩散平衡高度的不同，从而导致h_mF₂变化特征的不同.

图 2

Fig. 2

图 2 太阳活动低年 (下) 和高年 (上) 峰高的周日及季节变化的方差图，图中高年峰高的方差已增加了0.3 Fig. 2 Diurnal, seasonal variation of hmF2′s rms in solar minimum (down) and maximum (up), the value have added 0.3 in max

上面介绍到Lei等 (2004)发现太阳活动高年Millstone Hill的h_mF₂比低年高50~70 km，而本文分析发现中纬兰州在太阳活动高低年的h_mF₂数值接近，而低纬海口在太阳活动高年白天的h_mF₂比低年白天高20~30 km.Millstone Hill属于西半球中纬度地区，地磁纬度为53.1°N，地磁倾角72°，靠近亚极光带，会受到高纬极区太阳风粒子等更多影响；而兰州站位于中纬地区，位于青藏高原东北部；海口站为东亚电离层赤道异常驼峰区.地理位置、地磁条件以及中性大气环流等不同可能是上述各地区h_mF₂变化特征差异的一个原因.另外本文利用经验公式估算h_mF₂本身存在误差也可能是另一原因.

从h_mF₂变化特征的地方时依赖关系上看，h_mF₂最大值出现在午夜的原因是由于赤道向子午风产生向上漂移作用引起电离层F层抬升引起，白天极向子午风引起电离层F层降低.至于日出时段h_mF₂快速下降可能由于此时光化学过程的影响使得在F层低高度上电离层迅速光电离所致.这些结果与Buonsanto和Titheridge (1987)的研究结果一致：在太阳活动高年，由于夏季午后中性大气的温度会高到1500 K而引起N₂的光化学、复合效应等大大增强，导致电子密度的剧烈变化，表现出当地时间13—18LT期间峰高的剧烈下降.根据全球热层大气环流模型 (TGCM, Dickinson et al., 1981)，在纬度14°—45°范围内，子午中性风引起h_mF₂变化的计算公式如下：

(5)

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其中U为子午中性风的风速，单位为m·s^-1.在20°纬度附近正午前后中性风速最大达到35~40 m·s^-1，根据公式 (6)，会引起h_mF₂ 25~29 km的变化.同样由于风速变化会导致冬季和夏季的最大值相差50~60 km，夏季由于高层大气吸收更多太阳辐射从而有利于产生更强的热层风.在37°纬度附近07—17LT时间段夏季中性风的平均风速为40 m·s^-1，而冬季为25 m·s^-1.根据公式 (5) 和 (6) 这些都会影响h_mF₂的季节差异.

图 4给出了太阳活动高年的h′F周日及季节变化.从季节分布来看，除了早晨到午后时段外，冬季的h′F一般都小于其他季节.从地方时分布来看，h′F在夜间数值远大于白天 (夜间最大值约280 km，白天最低约190 km)，这是因为h′F反映了电离层从分子离子 (NO⁺, O₂⁺) 层到原子氧离子 (O⁺) 稠密层的过渡，在夜间随着太阳电离辐射作用降低，分子离子层逐渐减弱甚至消失，过渡区域逐渐抬高，因此h′F逐渐上升.从地理纬度分布来看，中纬兰州的h′F变化特征相对简单，而中低纬地区变化更复杂，特别是在日出日落时段 (分别为05LT和16LT).昆明和海口地区的h′F均出现了显著的先上升后下降现象，这可能是因为此时电离层F层底部面临的太阳电磁辐射剧烈变化，从而引起电子产生率和分子离子-原子离子过渡高度的变化所致.

图 4

Fig. 4

图 4 太阳活动高年虚高的周日及季节变化 (a, b, c)、方差图 (d) Fig. 4 Diurnal, seasonal variation (a, b, c) and rms (d) of h′F in solar maximum

作为表征电离层形态的重要参数，电离层厚度在电离层物理机理和模型研究中具有重要意义.国际参考电离层模式中以B₀表示底部电子密度剖面厚度因子，也有些学者利用板厚来表征电离层的厚度，研究发现基于单个台站或有限数据研究板厚的日变化和太阳活动依赖性时，不同台站会给出不一致甚至相反的结果.本文中我们采用h_mF₂-h′F来定性表征电离层的厚度，分析其统计变化规律.

图 5为太阳活动高低年海口站的电离层厚度周日及季节变化.从太阳活动性的影响来看，太阳活动高年电离层厚度的变化趋势与低年基本一致，但是太阳活动高年正午前后大于低年约20~30 km.从季节分布来看，冬季白天的电离层厚度最小，夏季白天的电离层厚度最大，春秋季的厚度相近并且介于两者之间，在夜间的季节变化不显著，另外夏季的昼夜差较大而在冬季的昼夜差最小.从地方时分布来看，电离层厚度从07—08LT附近逐渐升高，在12—14LT附近达到极大值，到17LT前一直在下降.白天电离层厚度最大可达100~150 km，具体与季节有关，夜间值较小约30~50 km.另外，除了夏季外，电离层厚度在日出前数小时和日出后数小时出现先上升后下降的现象.这些与其他学者的结论基本一致 (Miller et al., 1986; Buonsanto, 1986; Buonsanto and Titheridge, 1987; Lei et al., 2004; Dickinson et al., 1981; 刘立波等, 2003; Huang et al., 2016; Li, 2012; Zhao, 2014; Zhang, 2015).

图 5

Fig. 5

图 5 太阳活动低年 (下) 和高年 (上) 电离层厚度的周日及季节变化，图中高年电离层厚度的值已增加了100 km Fig. 5 Diurnal, seasonal variation of thickness in solar minimum (down) and maximum (up), the value have added 100 km in max

在太阳活动高年，兰州和昆明站厚度的周日和季节变化如图 6所示.厚度变化基本满足白天大，夜间值较小、夏季的昼夜差较大而冬季的昼夜差最小的趋势 (Buonsanto and Titheridge, 1987; Lei et al., 2004).其中昆明站因有些数据缺测导致曲线有断点.

图 6

Fig. 6

图 6 太阳活动高年兰州、昆明电离层厚度的周日及季节变化 Fig. 6 Diurnal, seasonal variation of thickness in solar maximum in Kunming

Lei等 (2004)分析了Millstone Hill站电离层B₀变化，其季节和周日变化特征与h_mF₂-h′F有相似之处.最明显的不同是B₀在春秋季和冬季的清晨与午后出现凹陷现象 (morning and afternoon collapses).另外他们发现低纬Arecibo站清晨凹陷现象比较明显，午后没有出现凹陷现象.Huang等 (2016)利用COSMIC数据分析了电离层电子密度等效板厚τ的变化，发现板厚具有显著的日变化特征，最大值一般出现在04LT，在所有季节都出现了日出前增加现象，在分季有较明显的日落后增强现象，其原因是夜间最大电子密度的衰减比总电子含量 (TEC) 显著，另外板厚对太阳活动依赖性与季节、地方时、经纬度等有关.

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本文采用峰高与F层虚高之差来代表电离层厚度，发现具有一些与B₀相似的特征，但未发现B₀的清晨与午后出现凹陷现象、以及等效板厚的日出前日落后增强现象，这可能是由于数据来源不同，比如B₀参数是从非相干散射雷达的电子密度剖面观测数据拟合得到的，另一方面也说明采用不同的数据可能发现电离层变化的新特征，增强人们对电离层厚度这一形态的新认识.

本文利用兰州、昆明、海口站的电离层垂直探测仪数据，分析电离层峰高、F层虚高、厚度的周日、季节和太阳活动变化特征，发现了一些有新意的特征：(1) 兰州在太阳活动高低年的h_mF₂数值接近，海口在太阳活动高年白天的h_mF₂比低年白天高20~30 km; (2) 在海口和昆明，h_mF₂极大值多出现在中午时段，兰州站的极大值多出现在夜间; (3) 海口的h_mF₂在01—03LT期间出现很强的“午夜衰落”现象，此后迅速增大; (4) 利用h_mF₂-h′F来表征电离层的厚度时，其季节和周日变化特征与常用的B₀存在相似之处，但未出现清晨与午后凹陷现象.研究认为，热层风、中性成分、地磁场等是造成以上变化的可能原因.

本文结果丰富了对我国电离层气候学变化的认识，可为电离层机理研究和模式化研究提供重要参考.由于数据有限、分析不深入等原因，后续还有非常多的工作要做.

本文中使用的电离层垂测仪数据由中国电波传播研究所信息中心提供，在此表示衷心的感谢.感谢两位审稿专家提出的详细的修改建议.