2016, Vol. 31
2. 信息工程大学地理空间信息学院, 郑州 450001
3. 地理信息工程国家重点实验室, 西安 710054
4. 东华理工大学江西省数字国土重点实验室, 南昌 330013
5. 河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室, 焦作 454003
2. Institute of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China
3. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi an 710054, China
4. Jiangxi Province Key Lab for Digital Land, East China Institute of Technology, Nanchang 330013, China
5. Henan Polytechnic University's Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies of National Administration of Surveying, Mapping & Geoinformation, Jiaozuo 454003, China
电离层中大量的自由电子和离子会影响无线电波的传播，特别是当太阳活动特别剧烈或地面发生地震等灾害时，电离层中各种尺度不规则性会对星载SAR测绘精度造成严重影响(Knepp and Hausman, 2003).电离层总电子含量TEC是描述电离层的重要参数，通过探测、分析TEC的时空分布变化可以为星载SAR的电离层延迟修正提供依据(Cander，2008).
国内外诸多学者利用电离层经验模式和GPS实测数据，对电离层进行了广泛研究(Ma and Maruyama, 2006；熊波等，2014).在电离层的时空变化方面，包括纬度变化，周日变化、季节变化、年变化以及长期变化等(Yu et al., 2004；Yue et al., 2007；李建胜，2011；方涵先等，2012；蔡超军等，2013).其中余涛等人利用IGS提供的TEC数据分析了太阳活动高年全球范围内TEC的周年和半年变化特性，发现在中高纬度TEC的周年变化幅度很大，并出现冬季异常(余涛等, 2004, 2006)；刘志平等利用IRI2007统计分析了全球VTEC时空分布特性，并顾及该特征提出了有效的IRI2007背景场分区建模策略(刘志平等，2012).
在电离层扰动方面，很多学者利用相关的数据分析法对GPS-TEC数据和其他参量进行处理，分析了电离层暴与太阳风暴、地磁扰动和地震等因素的相关性(张东和和萧佐，2000；熊波等，2007；Zhang et al., 2011；Xiong et al., 2014；时爽爽等，2015).邓忠新等对青岛等六个台站观测并利用Kinging方法拟合出VTEC数据，分析得出大部分电离层TEC暴都伴随着地磁扰动，同时指出电离层TEC暴扰动也可能由强烈气象活动引起(邓忠新等，2012)；马新欣等人利用调和分析、相关分析以及Welch功率谱密度分析法处理GPS和COSMIC实测的电离层TEC数据，分析了汶川地震前后时域和频域变化(马新欣等，2014).
前人利用电离层模式和实测数据对全球范围的电离层时空特性和扰动进行了分析，但是针对某一特定区域、某一特定时段的电离层特性研究比较少.但是，由于SAR影像覆盖的范围比较小，作为SAR影像定位分析的数据基础，研究小区域电离层模式是十分有必要的.因此，本文针对中国不同地区，利用IRI2012模式结合GIM模式，详细地分析了TEC时空特性，并就太阳耀斑和地磁暴两个因素研究了中国地区电离层扰动和两者的相关性.
1 电离层模型介绍 1.1 GIM模型IGS组织利用全球大约200个GPS/GLONASS跟踪站的观测资料计算得到经差5°，纬差2.5°，时间间隔2 h的全球电离层产品，每天发布一次电离层网格图，从西经180°到东经180°共73个节点，从南纬87.5°到北纬87.5°共71个节点，从0时到24时共13个时间点，其中每天的0时和前一天的24时数据差异在0.1TECU左右.由于观测站点多、数据覆盖范围大，利用这些数据来处理单频观测数据的电离层时延改正具有较强的优势.GIM模式是根据某一时段中在某一个区域内实际测定的电离层延迟采用数学方法拟合得到的，故可以较好地反映出电离层的不规则变化.
1.2 IRI2012模型国际参考电离层(IRI，International Reference Ionosphere)是标准经验预报模型，它是IRI工作组从1960年开始，在空间研究委员会(Committee On Space Research，COSPAR)和国际无线电科学联合会(International Union of Radio Science，URSI)的资助下，利用全球180多个地面观察站的观测数据建立起来的，目前公布最新的模型是IRI2012.IRI模型成型于1975年，其数据主要来源于地面、卫星和火箭探测，反映了一种宁静状态下的电离层各特征参量(电子密度、离子温度、电子温度、TEC最大值等)的平均值，给出较好的全球电离层形态. IRI模型相对复杂，但电离层改正精度较高，在无线电通信等领域得到广泛应用(章红平，2006).
2 平静电离层TEC时空变化特性分析平静电离层特性是指电离层在正常太阳活动控制下的时间(周日变化、季节变化、年变化)和空间(经度、纬度、高度)变化统计特征.利用IRI2012和GIM模式分析中国区域电离层TEC时空尺度的分布和变化规律，验证两种模式在中国区域的适用性.
2.1 空间变化选取2014年电离层状态比较平静的一天--7月20日，分别利用GIM提供的TEC观测值和IRI2012计算的TEC预测值，每间隔2小时生成一幅全球电离层TEC分布图，图中标注的范围就是中国区域(73°33′-135°05′E，3°51′-53°33′).
由图 1和图 2可以看出，随着纬度增加，两种模式下的TEC值逐渐变小，中国北方地区即使在白天TEC达到峰值的时刻也不会超过15TECU；中国南方地区电离层比较活跃，TEC变化范围明显大于北方，GIM-TEC平均值在30TECU左右，IRI2012-TEC平均值在20TECU左右.此外，从经度变化来看，随着时间推移，TEC峰值在从东向西移动，这与太阳辐射也是对应的.
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图 1 2014年7月20日GIM实测的全球TEC分布图 Figure 1 GIM-TEC global distribution in the July 20, 2014 |
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图 2 2014年7月20日IRI2012生成的全球TEC分布图 Figure 2 IRI2012-TEC global distribution in the July 20, 2014 |
分别选取中国两个代表性地区：低纬度电离层扰动频繁地带云南省某地区(100°E，25°N)、中高纬度电离层平静地带黑龙江省某地区(125°E，50°N)，利用GIM模式和IRI2012模式对这两个地区2014年春分(0321)、夏至(0622)、秋分(0922)、冬至(1222)的电离层TEC进行比较，分析得到中国不同纬度地区的电离层周日变化和季节变化规律.
比较图 3、图 4可以看出，在中国不同纬度地区，虽然TEC峰值不同，但是周日变化规律基本一样.一天中TEC在8:00(UTC)，即当地时间16:00达到最大值，在22:00(UTC)，即当地时间6:00最小；IRI2012计算出的TEC值比GIM给出的整体都偏小；两种模式在白天TEC差别较大，其他时段差别很小；在黑龙江地区夏季曲线均出现异常，说明两种模式在中国南方地区准确度相对较高；IRI2012-TEC变化比较缓和，而GIM-TEC在白天变化比较尖锐，这体现了GIM模式可以反映一些不规则的变化.此外，一天中TEC的变化规律体现在四季中相差不大，但是TEC峰值在春分和秋分期间明显比较大，而且春秋昼夜变化比夏冬大，中国地区电离层周日变化具有季节依赖性.
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图 3 云南地区2014年中国区域电离层TEC周日变化 Figure 3 Ionospheric TEC diurnal variation in Yunnan, China in 2014 |
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图 4 黑龙江地区2014年中国区域电离层TEC周日变化 Figure 4 Ionospheric TEC diurnal variation in Heilongjiang, China in 2014 |
通过GIM模型和IRI2012模型获取2014年一整年的GIM-TEC观测数据和IRI2012-TEC预测值，分别提取云南某地区和黑龙江某地区，每天8:00(UTC)的数据，进行统计后结果如图 5所示.
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图 5 中国不同纬度地区2014年TEC年变化图 Figure 5 TEC annual variation in different latitudes of China in 2014 |
云南省地区和黑龙江省地区上空2014年电离层TEC的年变化均表现出了明显的“双峰”特点：春秋增强、冬夏减弱，而且云南省地区在一年中的TEC变化明显比黑龙江地区剧烈.GIM-TEC观测值和IRI2012-TEC预测值年变化具有较好的一致性，在一年中均出现两次循环，即春、秋季节出现峰值，主峰出现在3、4月份，次峰出现在9、10月份，夏、冬两季出现低谷，表现出明显的电离层半年变化特性.
3 TEC异常特性分析太阳活动的爆发(如太阳耀斑、日冕物质抛射CME)，以及地磁场的异常(如磁暴)，都会导致电离层的剧烈变化，典型的效应包括电离层突发骚扰(SID)、电离层暴和极盖吸收事件等.通过对大量观测结果的分析，可以发现并非所有的电离层扰动行为都会使空间发生灾害性事故，因此，需要针对严重影响SAR卫星定位的电离层扰动事件进行关注和研究.
3.1 电离层TEC扰动指数阈值确定利用电离层TEC扰动指数DI (t)来描述电离层TEC的扰动(邓忠新等，2012)，公式为
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(1) |
其中，TECo(t)表示IGS中心给出的观测值，TECb(t)是通过IRI2012模式计算得出的背景值.
选取全年三个电离层平静日(前后5天均无X射线耀斑、地磁暴、质子事件和高能电子暴)：5月25日、7月20日、8月10日，将8：00UTC的中国区域(经度70°~150°，纬度0°~60°) DI值绘成图 6，可以发现，在电离层平静状态下TEC扰动指数呈现正态分布.进一步对间隔2 h的DI (t)值进行统计分析，如表 1所示，可以计算出平静期电离层TEC扰动阈值，确定强度标准为：正相暴扰动DI (t)>0.5(负相暴扰动DI (t) < -0.5).同时，连续5小时的电离层扰动判定电离层扰动事件.
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表 1 中国区域电离层平静期一整天的TEC扰动中误差 Table 1 TEC disturbance index error with the ionosphere calm in China |
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图 6 中国区域电离层平静日TEC扰动指数直方图 Figure 6 TEC disturbance index histogram with the ionosphere calm in China |
太阳耀斑会产生各种地球物理效应，对电离层的影响主要表现在太阳X射线耀斑会电离化电离层D层，增加局部电离层电子浓度，发生电离层暴等现象，特别是在在日下点区域，电离化效应明显.太阳活动情况可以通过太阳黑子数和太阳射电流量表示，如图 7所示.
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图 7 2014全年太阳黑子数和F10.7指数变化图 Figure 7 Sunspot Number and F10.7 index change map of 2014 full-year |
2014年共发生187次M级(黄色警报)耀斑、15次X级(橙色警报)耀斑，选取两次级别较大的太阳耀斑：1月7日18:00UTC的X1.2级耀斑、12月20日0:00UTC的X1.8级耀斑，以IRI2012模式为背景电离层，利用这两个时刻的GIM-TEC观测值分析电离层在中国地区的扰动程度，讨论分析太阳活动对中国地区电离层的影响情况.
从表 2可以看出，1月7日在16:00~20:00、12月20日在前一天22:00到当天2:00，连续5个小时内TEC扰动中误差均超过阈值，由于这两个时间段内并没有地磁等其他因素的影响，因此可以在这两次太阳耀斑过程中排除地磁等因素对中国地区上空的电离层扰动影响.
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表 2 中国区域太阳耀斑发生期TEC扰动指数中误差 Table 2 TEC disturbance index error in the period of solar flares in China |
为了更直观说明地分析这两次太阳耀斑对电离层TEC的影响，将1月7日和12月20日的全球TEC扰动指数绘成三维图形，如图 8所示.从图 8中可以发现，两次太阳耀斑对电离层的影响主要集中在中国及其周围地区，这是因为当两次太阳耀斑发生时，中国地区恰好处于向阳面位置.
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图 8 太阳耀斑时期电离层TEC扰动指数全球分布图 Figure 8 TEC disturbance index global distribution in the period of solar flares |
严重的地磁异常对电离层的影响极为严重，会使电离层中的电子数剧增，发生电离层暴，进而影响电波的传播.强地磁扰动主要是冕洞高速流和日冕物质抛射到达地球引起的.
磁暴可以通过地磁活动指数如Ap (每日间隔三小时八次测量的平均值)、Kp (每日八次测量的总和)、Dst来描述.获取2014全年的Ap和Kp数据，生成图 9，从图 9中可以看出，2014年有三次较强的地磁扰动，选取其中的两次：2月19日为中等磁暴水平，Ap值在6:00到9:00达到全年最高值47；9月12日21:00-24:00达到全年唯一一次大磁暴水平，并且这两天太阳活动比较平静，可以排除太阳耀斑因素的影响.
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图 9 2014全年Ap和Kp指数变化图 Figure 9 Ap and Kp index change map of 2014 full-year |
利用这两天的GIM-TEC观测值和IRI2012-TEC预测值计算地磁暴发生时刻中国地区前后5小时的电离层TEC扰动指数，如表 3所示.表 3中，2月19日在6:00-10:00连续5个小时内TEC扰动中误差均超过阈值，说明本次地磁暴使中国地区发生了电离层扰动事件.而9月12日在20:00到24:00连续5小时内没有发生电离层扰动事件，这可能与日冕物质抛射到地面的位置离中国较远有关.为了更明了地反映出这两次地磁暴的影响范围，将两次地磁暴发生时刻全球范围的电离层TEC扰动指数绘制成三维图形，如图 10所示.由图 10可以看出，9月12日的地磁暴发生在南半球，因此并会对中国地区上空的电离层产生影响.
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表 3 地磁暴期间中国区域TEC扰动指数中误差 Table 3 TEC disturbance index error in the period of geomagnetic storm in China |
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图 10 地磁暴期间电离层TEC扰动指数全球分布图 Figure 10 TEC disturbance index global distribution in the period of geomagnetic storm |
本文利用GIM-TEC实测数据和IRI2012-TEC预测值，分析了中国地区在2014太阳活动低年平静状态和扰动期电离层的时空分布特性，得到中国地区的空间变化、日变化、年变化等规律，进而验证了GIM模式和IRI2012模式在中国地区的适用性--两种模式在南方地区准确度更高，而且对于扰动区域GIM实测模式更能准确反映电离层形态.此外，基于电离层扰动的强度标准--电离层TEC扰动指数阈值，讨论了中国地区电离层TEC暴与太阳耀斑、地磁扰动等因素的相关性.当太阳耀斑发生时，中国处于向阳面、以及引起地磁暴的日冕物质抛射到中国地区时，都会导致中国上空的电离层TEC发生扰动事件，这种影响程度会与两种因素发生的强度、时间密切相关.如何利用这两个模型计算的结果改进受电离层扰动影响严重的星载SAR定位精度将会成为今后研究的重点.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Cai C J, Huang J, Deng B C, et al .2013. Applicability analysis of IRI-2007 in predicting TEC over Guangzhou region[J]. Chinese Journal of Space Science, 33 (3) : 277–285. |
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