电离层是距地球上空60—1000 km的大气区域，在太阳辐射、宇宙射线以及各种微粒辐射的作用下，由大气电离而成。其中分布着大量的自由电子和离子，会对无线电信号产生干扰，电离层参量特别是 ${{\rm{F}}_{\rm{2}}}$ 层临频(f₀F₂)和电子密度峰值高度(h_mF₂)，对HF电波的传播有重要的影响。因此，对于f₀F₂和 ${h_{\rm{m}}}{{\rm{F}}_2}$ 的研究特别是其全球的分布是有意义的。

f₀F₂和h_mF₂的观测和研究表明，f₀F₂和h_mF₂具有明显的日变化、季节变化、太阳活动年变化和空间变化特征(Titheridge和Buonsanto，1983；Yu 等，2004；余涛 等，2008；Maruyama 等，2016)。索玉成(1995)利用1976年—1988年中国8个电离层站的f₀F₂数据研究发现，f₀F₂平均值的最大值出现在春秋季，夏季峰值明显下降。Ezquer等人(2004)分析美洲地区14个电离层站电离层参数f₀F₂和M(3000)F₂太阳活动高年(1957年、1958年和1959年)以及太阳活动低年(1964年、1965年和1966年)数据，发现f₀F₂和M(3000)F₂日变化特性随着太阳活动的变化情况(Kouris和Fotiadis，2002；Zhang 等，2004；Amarante 等，2004)。Rishbeth等人(2000)利用全球16个电离层站h_mF₂数据分析发现，h_mF₂年分布和太阳活动有着密切的关系，在太阳活动高峰期间，h_mF₂年平均高度在北半球中纬度地区增加11 km(Yonezawa，1971；Zou 等，2000)。

f₀F₂和h_mF₂参量获取主要是通过地基探测包括电离层测高仪、地基雷达和火箭实地探测等，以及通过国际电离层参考模式IRI获取(Balan 等，2000；徐盛 等，2014；Azpilicueta 等，2015；Maruyama 等，2017)。然而这些观测方式以及模型具有很大的局限性，无法获得精确的全球f₀F₂和h_mF₂分布，自2001年以来，越来越多的学者通过利用掩星探测手段来对f₀F₂和h_mF₂的全球空间分布特性进行研究(Lei 等，2007；Krankowski 等，2011；孙凌峰 等，2014；刘桢迪 等，2016)。McNamara和Thompson(2015)通过利用COSMIC数据反演得到的f₀F₂和M(3000)F₂与澳大利亚电离层测高仪站数据进行对比，发现两者具有很好的一致性(Chuo 等，2011)。Lei等人(2007)研究了Millstone Hill和Jicamarca区域电离层测高仪电子密度数据和COSMIC得到的电子密度剖面的关系，并且给出了N_mF₂和h_mF₂的全球分布以及和IRI、TIEGCM模型获得的参数进行对比，发现COSMIC数据和地基观测以及模型得到的数据具有较好的一致性。中国地震电磁卫星于2018年发射(申旭辉 等，2008)，地震电磁星的GNSS接收机也可以进行电离层掩星观测，从而为全球电离层特征参数分布提供第一手的观测资料。

目前，通过利用GNSS掩星数据对于f₀F₂和h_mF₂全球分布统计研究主要是通过利用单颗卫星的观测数据进行分析，但是由于不同卫星观测数据量存在差异，使统计结果也存在着明显的差异性。为了提高统计结果的准确性，本文主要结合3颗卫星COSMIC、GRACE和CHAMP在2002年—2016年的所有观测数据，对f₀F₂和h_mF₂全球分布进行研究。同时讨论了在一个完整的太阳活动周年内，太阳活动等因素对f₀F₂和h_mF₂全球分布的影响，并对相应的物理机制进行讨论研究。同时利用2002年—2016年日本地区Wakkanai、Kokubunji、Yamagawa以及Okinawa 4个电离层测高仪站观测数据，分析比较了在相同地区测高仪和掩星探测的f₀F₂的相关性，并对差异进行初步的分析。

文中选取2002年—2016年COSMIC、GRACE和CHAMP电子密度剖面数据和2002年—2016年日本地区Wakkanai、Kokubunji、Yamagawa以及Okinawa测高仪资料。其中，主要选取地理经纬度变化在5°范围内的电子密度剖面。利用电子密度剖面可以获取F₂层最大电子密度N_mF₂和对应的峰值高度h_mF₂，利用式(1)将N_mF₂转化为f₀F₂。在与测高仪f₀F₂数据对比时，选取掩星资料N_mF₂所在的地理经纬度距离4个测高仪站5°范围内，且与测高仪观测时间在15 min范围内。表1为COSMIC、GRACE和CHAMP 3颗卫星的在轨运行时间以及观测数据量信息。表2为4个测高仪站的位置信息。

表 1(Table 1)

表 1 GNSS掩星观测信息 Table 1 Observation information of GNSS 卫星 观测数据量 在轨运行时间 COSMIC 6644159 2006年第112天—至今 GRACE 503225 2007年第59天—至今 CHAMP 468029 2001年第139天—2008年第279天

表 1 GNSS掩星观测信息 Table 1 Observation information of GNSS

表 2(Table 2)

表 2 测高仪站位置信息 Table 2 Locations of ionosondes 位置 地理纬度 地理经度 地磁纬度 地磁经度 Wakkanai 45.16°N 141.75°E 36.4°N 208.9°E Kokubunji 35.71°N 139.49°E 26.8°N 208.2°E Yamagawa 31.20°N 130.62°E 21.7°N 200.5°E Okinawa 26.68°N 128.15°E 17.0°N 198.6°E

表 2 测高仪站位置信息 Table 2 Locations of ionosondes

式中，f₀F₂为电离层F₂层临频，N_mF₂为电离层F₂层最大电子密度。

太阳辐射是电离层主要的电离源，因而电离层参量的变化受到太阳活动的影响，研究电离层参量f₀F₂和h_mF₂全球分布与太阳活动的相关性是非常必要的。由于太阳辐射几乎完全被高空大气吸收，无法被地面观测到，因此利用太阳F_10.7指数和太阳黑子数作为太阳活动参数。此外，地磁活动也是影响f₀F₂和h_mF₂全球分布的重要因素之一，因此将Ap指数也作为地磁活动参数(Forbes 等，2000；徐盛 等，2014)。图1为2002年—2016年Ap指数、F_10.7指数以及太阳黑子数的分布。从图1中可以看出太阳活动存在明显的11年周期性，2002年—2003年、2014年—2015年为太阳活动高年，2007年—2009年为太阳活动低年。此外，地磁活动也存在相似的变化以及周期性。

图 1 Ap、F10.7以及太阳黑子数变化分布 Figure 1 The distribution of Ap index, F10.7 index and sunspot number

利用2002年—2016年COSMIC、GRACE和CHAMP全年所有时刻观测数据统计全球f₀F₂和h_mF₂分布，采取2°×2°×1 h网格大小。图2、图3分别为2002年—2016年全球f₀F₂和h_mF₂周年分布，其中2004年数据缺失。从图2、图3中可以看出f₀F₂和h_mF₂周年分布和太阳活动以及地磁活动有着明显的相关性，在太阳活动高年以及地磁活动高峰期(2002年—2003年和2014年—2015年)，f₀F₂和h_mF₂普遍升高，最大值分别可以达到14 MHz和450 km。而在太阳活动低年和地磁活动平静期(2007年—2009年)，f₀F₂和h_mF₂相对较小，最大值分别为10 MHz和300 km。此外，从图2、图3中还可以看出f₀F₂最大值分布在磁赤道两侧大约15°的纬度区域，而h_mF₂最大值分布在赤道区域，且南北半球的峰高并不是对称的。

图 2 2002年—2016年全球f0F2周年变化 Figure 2 The annual distribution of f0F2 for 2002—2016

图 3 2002年—2016年全球hmF2周年变化 Figure 3 The annual distribution of hmF2 for 2002—2016

图4、图5分别为2002年—2016年全球f₀F₂和h_mF₂地方时分布，其中2004年数据缺失。从图4、图5中可以看出f₀F₂和h_mF₂的地方时分布具有明显的日变化，且周日变化相对于中午并不对称。在太阳活动低年以及地磁活动平静期(2007年—2009年)，f₀F₂和h_mF₂峰值主要分布在LT 12:00—18:00期间，在LT 14:00—16:00期间达到最大值。在太阳活动高年以及地磁活动高峰期(2002年—2003年和2014年—2015年)，f₀F₂和h_mF₂峰值分布可以持续到第2天的LT 02:00，且最大值分别可以达到14 MHz和450 km。此外，还可以看出在太阳活动峰年，出现较为明显的日落后赤道电离异常复苏现象，即在日落后LT 20:00处，h_mF₂出现异常的抬升。

图 4 2002年—2016年全球f0F2地方时变化 Figure 4 The diurnal distribution of f0F2 for 2002—2016

图 5 2002年—2016年全球hmF2地方时变化 Figure 5 The diurnal distribution of hmF2 for 2002—2016

图6、图7分别为2002年—2016年全球f₀F₂和h_mF₂的季节分布。从图6、图7中可以看出f₀F₂存在明显的季节分布特性，f₀F₂最大峰值出现在春秋季的磁赤道两侧15°范围内，在夏冬季峰值较小，且在春秋两季，北半球驼峰处f₀F₂峰值较大于南半球驼峰处f₀F₂峰值。同时，f₀F₂分布存在冬季异常现象，即冬季f₀F₂峰值大于夏季峰值。h_mF₂季节分布相比f₀F₂并不明显，春秋季在磁赤道处较大，夏冬季较小。

图 6 2002年—2016年全球f0F2季节变化 Figure 6 The seasonal distribution of f0F2 for 2002—2016

图 7 2002年—2016年全球hmF2季节变化 Figure 7 The season distribution of hmF2for 2002—2016

图8、图9分别为2002年—2016年全球f₀F₂和h_mF₂季节分布的日变化。从图8、图9中可以看出在北半球f₀F₂白天存在较为明显的冬季异常，而在夜间f₀F₂值并不存在明显冬季异常现象。且在夏季f₀F₂日变化的峰值出现在地方时LT 12:00之后，而在冬季更接近于地方时中午。然而，h_mF₂分布并没有明显的季节分布特性。

图 8 2002年—2016年全球f0F2季节—地方时变化 Figure 8 The seasonal-diurnal distribution of f0F2 for 2002—2016

图 9 2002年—2016年全球hmF2季节—地方时变化 Figure 9 The seasonal-diurnal distribution of hmF2for 2002—2016

选取日本地区4个电离层测高仪站在2002年—2016年f₀F₂数据与对应时间段内COSMIC、GRACE和CHAMP数据进行对比，并对其相关性进行分析。表3为4个站的相关性信息。图10为日本地区Wakkanai、Kokubunji、Yamagawa、Okinawa测高仪站和GNSS掩星数据获取的f₀F₂参量的示意图；黑色斜线代表对应f₀F₂的拟合曲线，x轴和y轴分别代表测高仪和卫星获取的参量值；左上角给出了对应的f₀F₂点数N、相关系数R以及空间分辨率。从图10中可以看出Okinawa站的相关性最好，相关系数达到0.88，而Wakkanai站相关性较差，相关系数为0.75。Yamagawa站和Kokubunji站相关性接近。

表 3(Table 3)

表 3 测高仪站相关性信息 Table 3 Correlation of ionosondes 位置 点数 相关系数 Wakkanai 3893 0.75 Kokubunji 2860 0.85 Yamagawa 2708 0.84 Okinawa 2580 0.88

表 3 测高仪站相关性信息 Table 3 Correlation of ionosondes

图 10 Wakkanai、Kokubunji、Yamagawa、Okinawa测高仪站探测的f0F2与GNSS掩星对应值比较 Figure 10 Comparison of values f0F2 obtained by GNSS occultation and digisondes from all stations in Japan

在电离层D层、E层和F₁层，电子密度分布主要受光化学过程影响，而在F₂层区域，随着高度增高，大气密度降低，控制作用从光化学过程逐渐向输运过程过渡。在中低纬地区，电离源主要为太阳紫外线辐射和X射线辐射，而在高纬和极区，沉降的高能粒子碰撞电离也是主要的电离源之一。因此，电离层参量包括f₀F₂和h_mF₂受到多种控制因素的影响，其中地磁活动和太阳活动是主要因素(Pulinets，1998；Rishbeth和Mendillo，2001；Mendillo 等，2002；Pulinets和Liu，2004)。图1—5可以看出f₀F₂和h_mF₂周年变化和太阳活动以及地磁活动有着明显的正相关性。在太阳活动高年，太阳辐射增强，提高了中性粒子光化学过程的反应速率，生成了大量的电子和离子，同时在地磁活动高峰期，大量的高能粒子沉降与中性粒子碰撞，生成电子和离子。此外离子扩散运动增强，在 $E \times B$ 垂直漂移以及双极扩散等的影响下，提高了F₂层电子密度峰值和峰值高度(Fejer和Scherliess，2001；Zhang 等，2001)。

从图2—10可以看出，f₀F₂和h_mF₂全球分布也具有明显的空间分布特性。在中低纬和赤道区域，白天与赤道电集流关联的电场沿着等势磁力线映射到F层区域，白天为东向电场。由于在磁赤道区域，磁力线方向是水平的，在电场和磁场的共同作用下，可以驱动F层等离子体向上运动，到达一定高度后，在重力的作用下，等离子体沿磁力线双极扩散，下降到磁赤道两侧，导致赤道地区N_mF₂减少，h_mF₂抬升以及磁赤道两侧N_mF₂增加，即造成了图2中的双驼峰现象(余涛 等，2008)。此外，从图3可以看出，南北半球峰高存在不对称性，这主要和半球间中性大气的子午风有关。由于磁赤道和地理赤道不重合，跨赤道子午风效应，导致在磁赤道逆风侧使F₂峰高抬升，在顺风侧使F₂峰高降低，造成南北半球峰高不对称性现象(Hanson和Moffett，1966；Titheridge和Buonsanto，1983)。

在夜间，由于光电离基本上不存在，因此夜间电离层电子密度随着时间逐渐衰减。然而，在F层区域，由于高能粒子沉降、星光以及共振散射的太阳辐射等都会造成中性粒子电离。此外，在子午风等的作用下，使夜间F层抬升，导致夜间f₀F₂和h_mF₂缓慢衰减的结果，造成图4、图5中f₀F₂和h_mF₂分布相对于中午不对称性。同时，在赤道区域，由于日落后会出现电场反转增强，导致F₂层抬升效果增强，进而会导致在图5日落后赤道地区h_mF₂出现异常的升高(Yonezawa，1971)。

其次，f₀F₂具有比较明显的季节变化特性。在夏季高纬区域，由于太阳持续的辐射作用，会导致夏季风盛行，使低纬地区大气上升通过赤道在冬季半球下降，造成夏季电离层区域的分子含量大于春秋季，降低了氧原子/分子比例，而氧原子是F₂层的主要电离成分，因此抑制了光化学反应，导致夏季N_mF₂的减小。同时在赤道地区，由于赤道电场存在半年周期性的变化，在春秋季电离层电场达到最大值，进而造成赤道地区的喷泉效应在春秋季更显著，造成更多的等离子体沿磁力线扩散到驼峰区域，增加了驼峰处的N_mF₂值，同时也提高了磁赤道处的h_mF₂。此外，大气环流将较轻的中性氧原子带入冬季区域，使冬季区域氧原子相对夏季区域较多，进而增大了冬季N_mF₂值，形成图6和图8中的冬季异常现象。(索玉成，1995；Rishbeth 等，2000；Fejer和Scherliess，2001；余涛 等，2008)。

从图10看出测高仪站f₀F₂数据与卫星探测结果具有很好的相关性，然而也存在着一些明显的差异，一般认为可能是由于电子密度的梯度造成的，其次也和卫星反演技术有很大关系(Lei 等，2007；Chuo 等，2011；Ely 等，2012)。

全球f₀F₂和h_mF₂分布对于无线电通信等有巨大影响，对全球f₀F₂和h_mF₂分布的研究有重要的意义。然而，目前对于全球f₀F₂和h_mF₂分布统计分析主要是通过利用单颗卫星的观测数据进行研究，这就造成统计结果的不准确性。因此，本文结合3颗掩星在2008年—2016年的观测数据，对全球f₀F₂和h_mF₂的时空变化进行研究，且与日本地区测高仪站f₀F₂资料进行了相关性分析。主要的结论如下：

(1)通过对一个完整太阳活动周年内f₀F₂和h_mF₂全球分布进行研究，发现f₀F₂和h_mF₂周年变化与太阳活动和地磁活动具有明显的正相关性，其次，f₀F₂最大值分布在磁赤道两侧大约15°的纬度区域，而h_mF₂最大值分布在赤道区域，且南北半球的峰高并不是对称的，表明了喷泉效应对f₀F₂和h_mF₂全球分布的影响以及跨赤道子午风效应对南北半球h_mF₂峰高的影响。

(2)f₀F₂和h_mF₂具有明显的地方时效应，峰值出现在LT 14:00—16:00期间，日变化相对于中午并不对称。表明了夜间F层区域存在着其他电离源包括高能粒子沉降以及星光等，导致夜间f₀F₂和h_mF₂缓慢衰减的结果。其次，在太阳活动峰年，出现较为明显的日落后赤道电离异常复苏现象，即在日落后LT 20:00处，h_mF₂出现异常的抬升，表明了日落后电场反转增强对h_mF₂峰高的影响。

(3)f₀F₂具有比较明显的季节变化特性，f₀F₂最大峰值出现在春秋季中低纬地区，在夏冬季较小，且出现比较明显的冬季异常现象，而h_mF₂季节分布相比f₀F₂并不明显。

(4)通过与日本地区测高仪站f₀F₂数据进行对比，发现两种探测手段获取的f₀F₂具有较好的相关性，其中Okinawa站的相关性最好，相关系数达到0.88，而Wakkanai站相关性较差，相关系数为0.75。Yamagawa站和Kokubunji站相关性接近，分别为0.84和0.85。造成差异性的原因一般主要是认为可能是由于电子密度的梯度造成的，其次也和卫星反演技术有很大关系。

本文主要是通过利用GNSS掩星观测数据对f₀F₂和h_mF₂全球分布进行了研究。在后续的工作中将进一步研究影响f₀F₂和h_mF₂全球分布的因素及其物理机制，并建立理论模型模拟f₀F₂和h_mF₂的全球分布特征，并和观测结果进行对比分析。

志 谢 本文所用掩星数据来自(http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/[2017-06-29])；日本地区测高仪站f₀F₂数据来自(http://wdc.nict.go.jp/IONO/index_E.html[2017-06-29])；F_10.7以及Ap数据来自(ftp://ftp.ngdc.noaa.gov[2017-06-29])；太阳黑子数数据来自(http://sidc.be/silso/dayssnplot[2017-06-29])。在此表示衷心的感谢！