2015, Vol. 30
2. 广州气象卫星地面站, 广州 510640
2. Guangzhou Meteorological Satellite Ground Station, Guangzhou 510640, China
在过去的几十年中，赤道扩展F(Equatorial spread F，ESF)的研究引起了人们的广泛兴趣(Fejer et al., 1980; Fejer et al., 1999)，因为它能引起卫星与地面之间的通信中断以及航海信号的减弱.ESF不规则体指的是在日落后赤道F层中产生的一种尺度范围从几十厘米到数十千米的等离子体密度不规则结构.当无线电波穿越这些不规则体传播时，其振幅、相位等均可能发生快速随机变化，这种现象称为电离层闪烁.人们广泛接受的一个事实是，与ESF相关的等离子体泡形成于夜间赤道F层底部，并且由于瑞利-泰勒(R-T)不稳定性和等离子体漂移的触发，垂直向上漂移到更高的高度上(Kelley and Heelis， 1989; Sultan，1996).这些等离子体泡上升到电离层顶部形成一个多层次的尺度范围从数十厘米到数十千米之间的不规则体结构，并以羽状烟云的形式离开磁赤道沿磁力线向南北两极扩散，到达高纬度区域(Abdu，2001; Whalen，2002).
人们对ESF所呈现的各种现象进行了大量研究，这些现象包括电离图底部扩展，相干甚高频散射雷达返回的上升拖曳羽状物，热层大气光影像中的急剧电子亮度吞噬效应，卫星和火箭实地测量结果的急剧浓度耗空，及甚高频闪烁等.由于GPS观测的到来，当无线电信号穿过电离层数百米尺度不规则体时，将引起GPS的L波段1.25 GHz和1.5 GHz的闪烁.另外，GPS电子浓度总含量(TEC)可以用来研究ESF的时空变化.这些都促使了人们对TEC和不规则体的研究.Tsunoda和Towle(1979)指出，在磁赤道区域TEC耗空与电离层不规则体有关.Dashora和Pandey(2005)表示，夜间TEC耗空及相关的闪烁与Appleton异常峰附近ESF不规则体有关.Rama等(2006)指出闪烁经常伴随着有TEC耗空出现.Valladares等(2001，2004)利用南美地区的12个GPS接收机监测数据得出了磁赤道及磁纬±30°以内的TEC纬度分布轮廓.Seemala和Valladares(2011)利用2008年南美洲大量GPS监测站的监测数据描绘了区域TEC耗空分布图，得出了南美洲区域TEC耗空的日变化和季节变化规律.Galav等(2012)利用印度地区分布在不同纬度上的3个GPS观测站对印度上空电离层进行了监测，指出由ESF不规则体引起的TEC耗空深度随着观测的时间和地点变化而变化，并且观察到TEC耗空沿磁力线排列.
我国学者也对电离层闪烁、TEC和不规则体进行了大量研究(Li et al., 2007；熊波等， 2007，2014；Deng et al., 2012; 郦洪柯等，2013；罗伟华等，2013；胡连欢等，2014；姚璐等，2014；丁宗华等，2014).Li等(2007)指出赤道等离子体泡的发生和垂直漂移速度反转前增强密切相关.熊波等(2007)对海南三亚地区电离层闪烁进行了统计分析，指出全年闪烁的最大值出现在春秋季.郦洪柯等(2013)对不同尺度电离层不规则体的纬圈漂移速度进行了比较研究.罗伟华等(2013)发现三维广义R-T不稳定性线性增长率表现出显著的随地方时、季节、太阳活动和地理经度以及逐日变化特征.胡连欢等(2014)研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.熊波等(2014)利用具有北斗、GLONASS和GPS三系统信号接收功能的接收机观测的数据，将GNSS三系统获取的TEC应用到电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构和电离层的太阳耀斑响应等方面的研究中.Deng等(2012)利用广州和深圳GPS卫星数据分析了华南地区TEC耗空和电离层闪烁之间的关系，结果指出在春秋分期间强闪烁总是伴随着TEC耗空发生.
华南地区位于东经113°附近、赤道异常北驼峰区域，是监测和研究TEC和闪烁分布特征最理想的区域.已有研究 表明，在春秋分期间，日落后到午夜，该区域有很强的幅度闪烁(Deng et al., 2012).华南地区在广州(Geog. Lat. 23.16°N，Geog. Long. 113.34°E，Geomag. Lat. 13.09°N)和深圳(Geog. Lat. 22.59°N，Geog. Long. 113.97°E，Geomag. Lat. 12.58°N)布设了两个GPS接收站(图 1).本文利用华南地区深圳站2011年1月到2012年12月间GPS卫星L波段闪烁和GPS-TEC的联合观测数据，统计华南地区TEC耗空的发生以及分布特征.
 | 图 1 华南地区GPS-TEC和闪烁监测范围及相应地理坐标，两个圆圈分别表示广州和深圳接收站的位置 Fig. 1 The monitored region of GPS-TEC and scintillation over South China and the relevant geographical coordinates. Two circles indicate the location of Guangzhou and Shenzhen receiver stations |
广州站和深圳站分别布设了GSV 4004A GPS电离层闪烁仪和TEC监测设备(GISTM)，该设备可同时对11颗GPS卫星L1波段(1.575GHz)和L2波段(1.227GHz)信号进行观测，提供电离层闪烁和TEC数据.鉴于广州站和深圳站所处地理位置很近，这两个站监测到的GPS-TEC数据基本一致.本文只分析了深圳站2011年1月到2012年12月对GPS卫星的观测结果.图 1显示华南深圳站监测范围为纬度：17°-28°N，经度：106°-120°E.电离层闪烁和TEC数据包括方位角、仰角、幅度闪烁指数(S4)、相位闪烁指数以及垂直电子浓度总含量(VTEC)，数据采样率为1 min.其中S4指数由L1波段信号计算所得，S4指数定义为归一化的信号强度(SI)标准差，每分钟计算1次，公式为
电离层电子浓度总含量(TEC)是指卫星到接收机间整个路径每平方米上的总电子含量，单位为TECU(1 TECU=1016电子/平方米).TEC耗空定义为：TEC值在某一时刻快速衰减，经过一段时间后恢复到衰减前的水平(Dashora and Pandey， 2005)，整个过程花费的时间记为TEC耗空持续时间，TEC衰减的最大值记为耗空深度.TEC偏差等于TEC观测值减去其90 min滑动平均后得到的值，即：
TECdeviation=TEC-TECsmooth .
卫星电离层穿刺点(IPP)地理经纬度由深圳站观测到的卫星实时路径的仰角和方位角计算所得.在计算IPP地理经纬度过程中，我们假定在F层的某一高度处，所有的自由电子大部分都集中在一个厚度为无限薄的球壳上，距离地面约400 km.
2 结 果
2.1 TEC耗空观测
2.1.1 2011年3月29日观测结果
图 2给出的是2011年3月29日分别对PRN 13、PRN 7和PRN 3号卫星的观测结果.其中图 2a为PRN 13号卫星的观测结果，从上到下依次为S4指数(虚点线)和仰角(虚线)、TEC、TEC偏差及穿刺点地理经纬度随世界时间的变化曲线.从图 2a中可以看出，PRN 13号卫星在13:30-14:30UT和15:30-16:00UT之间观测到两次S4指数大于0.5的强闪烁，对应出现两次TEC耗空，两次TEC耗空深度均为20 TECU左右，持续时间为30 min.和图 2a类似，图 2b给出的是PRN 7号卫星的观测结果.图 2b表明两次深度为4 TECU的耗空出现在17:20-17:50UT(后半夜1:20-1:50LT)之间，穿刺点纬度在20°左右，对应S4指数处于0.2以下.图 2c与图 2b类似，表明PRN 3号卫星观测到两次深度小于5 TECU的耗空，但这两次TEC耗空出现在14:10-15:40UT(22:10-23:40LT)之间，穿刺点纬度位于25°N附近.
 | 图 2 2011年3月29日(a)PRN 13号卫星、(b)PRN7号卫星和(c)PRN 3号卫星观测到的S4指数、 TEC、TEC偏差和穿刺点地理经纬度随世界时间的变化 Fig. 2 The temporal variability of S4 index，TEC，TEC deviation and the geographic latitude and longitude of the ionospheric pierce point(IPP)with respect to Universal Time(UT)on 29 Mar 2011，for satellite PRN(a)13，(b)7， and (c)3 |
图 3给出的是2011年3月29日12:00UT到18:00UT之间对所有GPS卫星的观测结果.图中平滑的细线表示卫星穿刺点轨迹，轨迹端点处的数字表示监测到该卫星的起始时间(世界时间)，轨迹中加粗的部分表示该处出现了TEC耗空.图 3显示的TEC耗空不是在同一时刻观测到的，但他能很好的反映TEC耗空发生的位置.为了讨论问题方便，我们在图 3中对该日观测到的所有TEC耗空进行了数字编号(图 3中各个TEC耗空左边的数字表示编号).表 1给出了所有观测到的TEC耗空(见图 3)其特征，包括卫星号、TEC耗空的发生时间、持续时间、耗空深度、对应S4指数最大值以及耗空发生的经纬度.图 3表明：2011年3月29日日落后我们一共观测到了10次TEC耗空，从表 1中可以看出，在这10次TEC耗空中有6次耗空深度在20TECU左右，对应的S4指数超过了0.5，这6次TEC耗空分别是(1)、(2)、(3)、(6)、(7)和(8)，由PRN 13、PRN 23和PRN 19号卫星观测到.同时，我们发现了4次TEC耗空其深度在10TECU以下，对应S4指数在0.2左右，这4次TEC耗空分别是(4)、(5)、(9)和(10)，由PRN 7和PRN 3号卫星观测到.图 2、图 3和表 1表明，2011年3月29日夜间GPS卫星观测到多个TEC耗空现象，深度在20 TECU左右的耗空明显和强闪烁(S4≥0.5)相关，而深度小于10 TECU的耗空伴对应着无闪烁现象发生，注意深度小于10 TECU的耗空对应着无闪烁的现象发生在后半夜或在赤道异常北驼峰外边缘区域，这说明TEC耗空随时间、地理经纬度位置等变化呈现出不同的特征.
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图 3 2011年3月29日华南地区所有卫星穿刺点轨迹和TEC耗空的空间分布
Fig. 3 Spatial distributions of all sub-ionospheric trajectories of GPS satellites and all TEC
depletions detected over the South China on 29 March 2011 |
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表 1 2011年3月29日观测到的所有TEC耗空的特征 Table 1 Characteristics of all the TEC depletions observed on 29 Mar 2011 |
图 4(a)和图 4(b)类似于图 3，给出了2011年3月20日和2012年10月3日所有GPS卫星的观测结果.同样，我们对这两日观测到的所有TEC耗空进行了描述(表 2和表 3).从图 4和表 2表 3中可以看出，这两日的TEC耗空也存在图 2(b)和图 2(c)的现象，如：表 2中的(2)、(3)、(6)和(7)号TEC耗空深度在10 TECU以下，对应S4指数为0.2左右，其纬度均为25°N左右，处于赤道异常北驼峰外边缘区域；表 3中的(3)、(5)和(7)号TEC耗空深度在10 TECU以下，对应闪烁指数为0.2左右，其中(3)和(5)号TEC耗空处于赤道异常北驼峰外边缘区域，(7)号TEC耗空发生在16:40UT(0:40LT)，处于后半夜.此外，表 3中还给出两个深度为20 TECU的TEC耗空与强闪烁对应.图 4和表 2表 3表明，深度在20 TECU左右的耗空明显和强闪烁(S4≥0.5)相关，而在后半夜期间或在赤道异常北驼峰外边缘区域，一些深度小于10 TECU的耗空对应着无闪烁现象发生.
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图 4 类似于图 3，表示的是2011年3月29日和2012年10月3日的观测结果
Fig. 4 Similar to Fig. 1 but for 29 March 2011 and 3 October 2012 |
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表 2 2011年3月20日观测到的所有TEC耗空的特征 Table 2 Characteristics of all the TEC depletions observed on 20 Mar 2011 |
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表 3 2012年10月3日观测到的所有TEC耗空的特征 Table 3 Characteristics of all the TEC depletions observed on 3 Oct 2012 |
图 5~图 7给出的是2011年和2012年期间我国华南地区不同季节当中TEC耗空次数最多的一天TEC耗空分布情况.图中所选取的日期处于春季、夏季、秋季、冬季期间，这样能很好的反映TEC耗空的季节变化规律.这些图和图 3类似，都是一天当中12:00-18:00UT深圳接收站监测到的所有卫星穿刺点轨迹，加粗的部分表示该处出现了TEC耗空，未加粗部分表示该处TEC变化比较平稳，即卫星路径中没有出现TEC耗空.
图 5a和图 5b分别给出了2011年3月26日和2012年3月26日TEC耗空的空间分布.这两日出现的TEC耗空在两年春季当中次数最多.2011年3月26日观测到24次TEC耗空，分布在17°-27°N和109°-117°E.2012年3月26日观测到17次TEC耗空，分布在18°-28°N和109°-115°E.这些TEC耗空深度、发生时间和持续时间范围分别为5~40TECU、12:00-17:30UT和5~100 min.
 | 图 5 类似于图 3，表示的是2011年3月26日和2012年3月26日的观测结果 Fig. 5 Similar to Fig. 3 but for 26 March 2011 and 26 March 2012 |
 | 图 6 类似于图 3，表示的是2011年10月24日和2012年9月23日的观测结果 Fig. 6 Similar to Fig. 3 but for 24 October 2011 and 23 September 2012 |
 | 图 7 类似于图 3，表示的是2011年6月2日和2012年1月24日的观测结果 Fig. 7 Similar to Fig. 3 but for 2 June 2011 and 24 March 2012 |
图 6a和图 6b分别给出了2011年10月24日和2012年9月23日TEC耗空的空间分布.这两日出现的TEC耗空在两年秋季当中次数最多.2011年10月24日观测到13次TEC耗空，分布在17°-27°N和109°-117°E.2012年9月23日观测到18次TEC耗空，分布在18°-28°N和109°-115°E.这些TEC耗空深度、发生时间和持续时间范围分别为5~40TECU、12:00-17:30UT和5~60 min.
图 7a和图 7b分别给出了2011年6月2日和2012年1月24日TEC耗空的空间分布.这两日出现的TEC耗空分别在两年夏季和冬季中次数最多.从图中可以看出，夏季和冬季出现的TEC耗空很少.有趣的是，我们发现2011年6月2日观测到的5次TEC耗空深度为3~6TECU，并没有发现闪烁与之对应.
由图 5~图 7可以看出，春秋分期间TEC耗空的出现明显高于其他月份.为了进一步验证该结论，我们对2011年和2012年每月所有TEC耗空做了统计分析.图 8为2011年和2012年每月TEC耗空次数占全年TEC耗空总数的百分比.图 8a表明2011年TEC耗空主要发生在3月和10月，1月、7月和12月基本没有出现TEC耗空；图 8b表明2012年TEC耗空的发生与2011年类似，主要集中在3月、4月、9月和10月.从这两年的统计图我们可以看出，TEC耗空主要出现在春秋分期间.
 | 图 8 TEC耗空每月发生数占一年总数的百分比 Fig. 8 The monthly percentage of this year’s total TEC depletion occurrences |
为了深入了解赤道异常北驼峰区域华南地区TEC耗空的特征，我们对2011和2012年观测到的所有TEC耗空深度、发生时间、持续时间和纬度进行了统计.
图 9给出的是TEC耗空深度分布柱状图，我们将TEC耗空深度每隔5TECU划分一个区间(即1~5TECU，6~10TECU，11~15TECU，…)，分别计算出每个区间内的TEC耗空次数占总数的百分比.图 9表明2011和2012年华南地区出现的TEC耗空深度分布在1~20TECU，集中在6~10TECU.电离层TEC每1TECU可造成GPS的L1波段(1.575 Hz)无线电波延迟0.162 m(Warnant，1997)，因此当卫星在接收站的正上方时，深度为10 TECU的TEC耗空可造成约1.62 m的误差.这一误差将会随着仰角的降低而增加.
 | 图 9 TEC耗空深度分布柱状图 Fig. 9 The histogram of the depths of TEC depletion in TECU for the year 2011 and 2012 observed from Shenzhen station |
图 10给出的是TEC耗空持续时间柱状图.值得一提的是，这里所说的持续时间不是指TEC耗空代表的等离子体泡从产生到消失过程所用的时间，而是指卫星穿刺点经过等离子体泡所用的时间，与等离子体泡的空间尺度和卫星相对等离子体泡的运动速度有关.从图 10可以看出，TEC耗空持续时间主要为1~30 min，集中在16~30 min.
 | 图 10 TEC耗空持续时间分布柱状图 Fig. 10 The histogram of the duration of TEC depletion in minutes for the year 2011 and 2012 observed from Shenzhen station |
图 11给出的是TEC耗空的发生时间柱状图.同样，这里的发生时间不是指TEC耗空代表的等离子体泡的生成时间，而是指卫星监测到TEC耗空开始的时间.从图 11可以看出，TEC耗空主要出现在12:30-15:30UT(20:30-23:30LT)，在当地时间午夜之后，TEC耗空活动呈逐渐减弱趋势.
 | 图 11 TEC耗空发生时间分布柱状图 Fig. 11 The histogram of the onset time of TEC depletion in UT for the year 2011 and 2012 observed from Shenzhen station |
图 12给出的是TEC耗空的纬度分布柱状图.从图中可以看出，TEC耗空主要在20°-24°N，这是赤道异常北驼峰区域；在16°N到20°N之间TEC耗空次数呈递增趋势，在24°N到28°N之间TEC耗空次数呈递减趋势.
 | 图 12 TEC耗空纬度分布柱状图 Fig. 12 The histogram of the latitude of TEC depletion in degree for the year 2011 and 2012 observed from Shenzhen station |
基于华南地区赤道异常北驼峰区域2011和2012年间的GPS TEC和闪烁的观测结果，本文统计分析了华南地区TEC耗 空的时间和空间分布特征.观测结果分析表明，深度在20 TECU附近的TE C耗空明显和强闪烁(S4≥0.5)相关，而一些深度小于10 TECU的TEC耗空对应着无闪烁现象发生，这种现象发生在后半夜或在赤道异常北驼峰外边缘区域，这说明TEC耗空随时间、地理经纬度等变化呈现出不同的特征.观测结果还指出：2011和2012年华南地区TEC耗空主要出现在春秋分期间(3月、4月、9月和10月)，TEC耗空深度主要分布在1~20TECU，其持续时间集中在16~30 min，TEC耗空开始出现的时间主要分布在12:30-15:30UT(20:30-23:30LT)，午夜之后TEC耗空活动呈逐渐减弱趋势.
Seemala和Valladares(2011)对2008年南美洲TEC耗空进行了统计分析.结果表明，春秋分期间TEC耗空主要出现在南美洲西海岸地区，冬至期间TEC耗空主要出现在南美洲东部地区.对于这一结果，他们给出的解释是，在春秋分期间南美洲西海岸地磁场线和子午线平行，在冬至期间南美洲东部地区地磁场线向西倾斜.Seemala和Valladares还认为，TEC耗空和ESF的发生有着密切的联系，因为这两种现象均和日落后赤道F层等离子体泡的产生有关.Tsunoda(1985，2010)指出ESF在春秋分期间的发生率大于在夏冬至期间，即ESF活动在春秋分期间增强最好的解释是太阳日落线和地磁场线平行，但对那些地磁场线向东或向西倾斜的区域除外.这一解释同样适用于华南地区.华南地区2011年广州磁偏角为1°38′，春秋分期间太阳直射在赤道地区，太阳日落线和地磁场线平行，夏(冬)至期间太阳直射在北(南)回归线区域，此时太阳日落线和地磁场线夹角最大.因而在华南地区上空从2011到2012年春秋分期间能观察到大量的TEC耗空出现.而夏至冬至期间TEC耗空发生率最小(图 7)除和该时间段内太阳日落线和地磁场线夹角最大有关外，还和夜间东向电场向西反转前增强现象不明显有关.
TEC耗空的统计特征分析表明，2011和2012年华南地区TEC耗空深度主要为1~20TECU，而Seemala和Valladares(2011)统计的2008年南美洲地区TEC耗空深度主要为2~5TECU.2008年为太阳活动低年，太阳活动F10.7指数年均值为69.0，2011和2012年处于太阳活动高年附近，太阳活动F10.7指数年平均值为112.5.Deng等(2012)指出，随着太阳活动的增加，华南地区电离层闪烁发生次数明显增加，太阳活动对强闪烁的影响大于对弱闪烁的影响.本文表 1表明深度TEC耗空与强闪烁有着很好的对应关系，因此在太阳活动较强的2011和2012年，TEC耗空深度显然要比太阳活动低年的2008年大得多.Rama等(2006)发现2004年3月印度地区TEC耗空深度主要为5~15TECU.2004年3月太阳活动F10.7指数月均值为112.16，与2011年太阳活动水平相当，因此本文所得结果与之吻合.图 10表明TEC耗空的持续时间集中在16~30 min，图 11表明TEC耗空出现的时间主要在20:30-23:30LT.Li等(2009)指出东亚赤道地区(观测站纬度为14°N左右)等离子体泡最可能的发生时间为20:00LT持续时间为大于60 min，低纬地区(观测站纬度为32°N左右)则为23:00LT和小于45 min.而本文统计的TEC耗空最可能的发生时间为22:00LT持续时间为小于60 min(图 11和图 10)，发生时间和持续时间均处于文献中的赤道和低纬地区中间值，这是因为本文数据来自深圳站，深圳站纬度为22.6°N，处于文献中赤道和低纬观测站的中间纬度.低纬地区等离子体泡是从赤道地区漂移而来，因此纬度越低观测到TEC耗空最可能的发生时间越早.图 12表明TEC耗空主要位于20°-24°N，在16°N到20°N之间TEC耗空次数呈递增趋势，在24°N到28°N之间TEC耗空次数呈递减趋势.24°-28°N属于赤道异常北驼峰外边缘区域，不规则体飘移到该区域时基本消失.同时，TEC耗空次数随纬度的变化规律还取决于深圳站的监测范围以及卫星轨迹的疏密程度(图 1).深圳站位于22.6°N，卫星轨迹在靠近该纬度的地方较远离该纬度的地方密.因此，华南地区TEC耗空呈现出图 12所示的纬度分布特性.
4 结 论
基于赤道异常北驼峰区域的华南地区在2011和2012年间的GPS观测结果，本文统计分析了华南地区TEC耗空的时间和空间分布特征.主要结论如下：
(1)深度在20 TECU左右的TEC耗空明显和强闪烁(S4≥0.5)相关，而一些深度小于10 TECU的TEC耗空对应着无闪烁现象发生，这种现象发生在后半夜或在赤道异常北驼峰外边缘区域，TEC耗空随时间、地理经纬度位置等变化呈现出不同的特征.
(2)TEC耗空呈现出季节变化规律，2011和2012年TEC耗空主要出现在春秋分期间(3月、4月、9月和10月).
(3)TEC耗空的统计特征表明，2011和2012年华南地区TEC耗空深度主要为1~20TECU，持续时间集中在16~30 min，TEC耗空主要出现在12:30-15:30UT(20:30-23:30LT)，午夜之后TEC耗空活动呈逐渐减弱趋势，深圳站观测到的TEC耗空主要位于20°-24°N.
致 谢 感谢“子午工程”和广州气象卫星地面站为本文提供GPS-TEC数据. | [1] | Abdu M A. 2001. Outstanding problems in the equatorial ionosphere-thermosphere electrodynamics relevant to spread F [J]. J. Atmos. Solar Terr. Phys., 63(9): 869-884. |
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