Athens地区电离层TEC,NmF2以及板厚研究2.doc
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1、Athens地区电离层TEC、NmF2以及板厚研究翁利斌1, 方涵先1, 张阳2, 杨升高1, 汪四成11解放军理工大学气象学院,南京 2111012解放军61741部队,北京 100094摘 要 本文使用Athens站20012005年间电离层TEC和foF2数据,分析了TEC、NmF2和电离层板厚日变化、季节变化特征以及与太阳活动的统计关系,得到以下结论:电离层TEC和NmF2具有相似的日变化特征,最大值出现在午后;TEC在2001和2002年白天出现“冬季异常”现象,NmF2在20012005年白天均出现该现象;电离层板厚主要分布在200600km,一天内出现黎明峰和日落峰双峰结构,黎明
2、峰一般出现在5:006:00LT,日落峰结构一般从日落后开始出现,在午夜前达到极大值;14:00LT和2:00LT时刻TEC、NmF2同太阳活动活动的关系呈现“线性”、“饱和”以及“放大”趋势,而则出现正的和负的线性关系以及存在不明显的线性关系;经分析,我们认为黎明峰可以归因于电离层TEC增加以及NmF2的减少,而日落峰主要是由TEC减少速度低于NmF2造成的。关键词 电子总含量,F2层电子密度,电离层板厚,太阳活动中图分类号 P352Ionospheric TEC, NmF2 and slab thickness Over Athens regionWENG Li-bin1, FANG Ha
3、n-xian1, ZHANG Yang2, YANG Sheng-gao1, WANG Si-cheng11 Institute of Meteorology, PLA Univ.of Sci.&Tech., Nanjing 21101,China2 Unit 75810 of PLA, Beijing 100094, ChinaAbstract:The data of TEC, foF2 obtained at Athens region from 2001 to 2005 are used to analyze the diurnal, seasonal, solar activity v
4、ariations of TEC, NmF2 and slab thickness. The results reveal that TEC and NmF2 have similar diurnal variation, and maximize after noon. The “winter anomaly” of TEC has been observed during daytime in year 2001 and 2002, but occurred between 2001 and 2005 for NmF2. The value is about 200600km, and s
5、hows double-peak structures including pre-dawn and sunset peaks. The pre-dawn peak appears generally in 5:00 6:00 LT, and the sunset peak begins to appear after sun-down, reaching the maximum value before midnight. The relationship between ionospheric TEC, NmF2 and solar activity show linear, satura
6、tion and amplification features, but appear positive and negative linear variations or existence of non-obvious linear relationship for . Finally, we suggest that the pre-dawn peak is caused by the increased TEC and the decreased NmF2, and the sunset peak can be attributed to the slower decrease for
7、 TEC than NmF2.Key words: Total Electron Content, NmF2, Ionospheric Slab thickness, Solar activity基金项目:国家自然科学基金资助项目(40505005),解放军理工大学气象学院预研基金资助项目.作者简介:翁利斌(1986 ),男,硕士研究生.联 系 人:方涵先(1974 ),男,副教授,硕士生导师;研究方向:电离层物理与电波传播; E-mail:.1 引言电离层TEC是电离层领域重要参量之一,它能够显著地影响星地链路无线电波的正常传播,特别是对卫星导航系统(如GPS,GLONASS,GALILEO
8、和COMPASS等)产生干扰,影响其导航、定位的精度。目前已有多种手段可以获取电离层TEC,其中应用最为广泛的是使用GPS解算观测站的电离层TEC信息,然后使用不同的方法利用GPS观测网获取电离层TEC地图1,电子密度积分高度达到GPS卫星所在的位置。电离层NmF2为F2层对应的电子密度,对应于最高可使用频率foF2,在远距离通信领域有着极其重要的应用。目前主要通过电离层垂测仪探测该参数,此外掩星、非相干散射雷达等也能够获取电离层NmF2信息。这两个电离层参量之间存在一定的关联性2,3,而电离层板厚能够将两者紧密地联系起来,对其进行研究具有重要的意义:一方面,电离层板厚与电离层标高具有很好的关
9、联性,同时板厚与电离层标高及中性大气温度等参量密切相关,能够基本反映电离层以及热层的一些信息37;另一方面,电离层板厚在工程技术与空间物理研究方面也存在较高的应用价值8。电离层板厚包含了电离层以及等离子体层的众多信息,与电离层电子密度剖面分布有关,人们很早就开始对其进行了研究。早在20世纪60年代,Wright9、Mahajan10和Bhonsle11就已经开展了这方面的研究工作;此后研究人员利用各种观测资料研究了低纬赤道、中纬以及高纬地区电离层板厚的变化特征1117;近年来,Jayachandran18、Jin19以及Stankov20对电离层板厚的气候学特征以及监测和建模进行了较为细致的研
10、究,得出了一些有益的结论。国内方面,刘选谋21利用新乡以及重庆接收的EST-II信标资料,研究了我国中纬地区上空19811985年电离层板厚的变化特征,分析了日变化与太阳黑子数的线性关系;吴健22利用EST-II卫星136MHz信标探测的TEC月中值以及foF2数据,建立了新乡电离层板厚模式,并同国际参考电离层模式(IRI)以及中国参考电离层(CRI)进行了比较研究;熊波等8利用武汉站19801990年EST-II卫星信标的法拉第旋转测量的电离层TEC数据以及测高仪探测的foF2数据,分析了电离层板厚的季节变化特征,认为板厚主要分布在200800km之间,07:0018:00(LT)变化幅度较
11、小,而其它时段的变化幅度较大,并且具有不同的季节分布特性。以往使用的电离层TEC大多为卫星信标探测结果,数据质量和数量受到许多限制。本文使用GPS探测的电离层TEC以及垂测仪观测的foF2数据进行研究,GPS/TEC的误差一般为02个TECU23,时间跨度为5年,重点研究电离层板厚的日变化和季节变化特征以及与太阳活动的关系。2 数据介绍本文使用的电离层数据均由ISARS(Institute for Space Applications and Rmote Sensing,National Observatory of ATHENS)提供,数据时间间隔为2001年1月1日至2005年12月31日
12、,时间分辨率均为30分钟。其中,电离层TEC数据由地基GNSS接收设备观测得到,NmF2是雅典(ATHENS)站地基垂测仪观测结果。文中电离层板厚定义为TEC与NmF2的比值,即 (1)式中,单位为m,TEC单位为m-2,NmF2单位为m-3。NmF2为电离层最大电子密度,可以用转换得到,即 (2)式中,的单位为MHz。3 结果与分析图1 19972007年太阳活动F10.7指数天值Figure 1 Diurnal F10.7 index during 19972007图1给出了19972007年间太阳活动F10.7指数分布情况,该数据来源于NGDC(National Geophysical
13、Data Center,http:/www.ndc.noaa.gov)由图中可以看出20012005年处于第23太阳活动周高年及下降阶段,2001年间达到了一个极小值,但随后2002年太阳活动水平再次升高,成为该太阳活动周高年,在此期间的F10.7指数范围大部分处于70250之间,利于研究电离层板厚与太阳活动的关系。图2 Athens台站20012005年电离层TEC在各个季节月中值随地方时变化Figure 2 The seasonal median of ionospheric TEC at Athens during 20012005 VS Local Time图2给出了20012005年
14、电离层TEC在不同季节随时间变化情况,从图中可以看出电离层TEC具有显著的日变化特征,在世界时2:003:00(即4:005:00 LT)左右达到最小,20012005年季节平均最小值分别为9.6、9.8、6.4、5.7、5.6个TECU;随着太阳天顶角的减少,TEC呈现快速的增长,太阳活动高年期间(2001和2002年)12:00UT(即14:00 LT)左右达到最大,而太阳活动下降期间(20032005年)最大值一般出现在11:00UT(即13:00 LT),20012005年季节平均最大值分别为59.4、68.8、32.3、27.4、19.1个TECU;午后电离层TEC开始逐渐减少,随着
15、太阳活动水平的下降,午后TEC较少速度逐渐放缓,例如2001年春季18:00LT电离层TEC已经减少到最大值的60%左右,而2005年春季和夏季20:00LT电离层TEC仍然维持在较高的水平,仅比最大值减少约9%;除了夏季以外,其它季节的电离层TEC以13:0014:00LT为中心呈现近似的日对称分布特征。从图2还可以看出电离层TEC具有一些季节分布特性,其中在2001年春秋季节TEC达到极大值,夏季夜间的数值高于冬季,但是白天出现“冬季异常”现象,即冬季的数值高于夏季,这个现象在2002年表现更加明显,白天的电离层TEC在冬季甚至比夏季高出约100%,而其它年份电离层TEC的季节形态变化较为
16、复杂,并没有呈现较为一致的分布规律;夏季白天电离层TEC变化趋势较为平缓,午后至日落前变化不大,几乎维持在同一水平。图3 Athens台站20012005年电离层NmF2在各个季节月中值随地方时变化Figure3 Same as figure 2, but for ionospheric NmF2图3为20012005年电离层NmF2不同季节随时间变化情况,日变化和季节变化特征同电离层TEC基本一致,但又具有一些其它的分布特性:冬季电离层NmF2最大值出现的时间早于其它三个季节,一般出现在世界时10:0011:00(地方时12:0013:00);夏季夜间NmF2在所有年份均最大,且昼夜变化最小
17、,20012005年白天和夜间的比值约为3/2,并且在20:00LT附近出现一天中的另一个极大值,2004和2005年表现的最为明显,该极大值甚至成为一天中的最大值;所有年份白天均出现“冬季异常”现象,并且太阳活动水平越高,异常程度越明显,例如活动最高年(2002年)冬季白天最大值高出夏季白天最大值约130%。利用公式(1)计算电离层板厚,20012005年各个季节随时间的分布如图4所示。从图中可以看出,主要分布在200600km之间,平均值大约为350km,日间数值在200350km之间变化,夜间在300600km范围变化;8:0018:00LT板厚变化幅度较小,其它时段变化幅度相对较大;从
18、图中可以看到明显的双峰结构,即黎明峰和日落峰,黎明峰一般出现在5:006:00LT,所有年份中冬季出现的时间最晚,滞后其它三个季节大约1个小时,而日落峰一般从日落后开始出现增长,在午夜前达到另一个极大值,并且冬季的峰值大小高于其它三个季节;与其它季节不同的是夏季白天的板厚要高于夜间,春季和夏季在正午前(10:0011:00LT)出现另一个极大值,而秋、冬季节电离层板厚在8:009:00LT出现一天内的最小值;从图24可以看出电离层TEC和NmF2的日变化特征较为相似,在4:005:00LT附近都出现减小的趋势,而电离层板厚却表现为增大的趋势,日落前也出现类似的情况。图4 Athens台站200
19、12005年电离层板厚在各个季节月中值随地方时变化Figure4 Same as figure 2, but for ionospheric slab thickness夜间和白天板厚比率统计结果如表1所示。从表中可以看出所有年份冬季的比率最大,2005年达到了3.07,即夜间电离层板厚是白天的3.07倍,秋季次之,2001和2002年春季昼夜变化最小,20032005年昼夜变化最小。表1 20012005年各个季节Athens站夜间/白天电离层板厚比率统计表Table 1 Night/Day ratio of slab thickness for Athens during the four
20、 sasons of 2001200520012002200320042005冬季2.472.452.552.323.07春季1.231.271.531.571.95夏季1.411.331.381.471.39秋季1.981.832.142.262.43图5给出了电离层TEC、NmF2和在14:00LT时同太阳活动F10.7指数的统计结果。从图中可以看出电离层TEC在冬季与太阳活动呈现较强的线性关系,而其它三个季节均表现出“饱和”现象;电离层NmF2与太阳活动的关系在四个季节均呈现出明显的“饱和”特征;电离层TEC随太阳活动的变化范围超过NmF2的变化幅度,例如冬季TEC由10个TECU(F1
21、0.780)上升到大约80个TECU(F10.7260),增加幅度达到700%,相应条件下NmF2则由5105m-2增加到2.2105m-2,增加幅度为340%,相当于TEC增幅的一半,电离层TEC包含了电离层以及等离子体层的全部电子浓度,上述结果似乎可以说明等离子层电子浓度随太阳活动水平变化的幅度要高于电离层。电离层与太阳活动的关系表现出不同的季节分布特征,其中夏季期间电离层板厚随太阳活动水平没有发生明显的改变,而其它三个季节则表现为正的线性变化趋势,即随着太阳活动水平的增强电离层板厚也随之增加。一个有趣的现象是夏季电离层TEC以及NmF2随太阳活动变化的范围明显小于其它季节,并且TEC“饱
22、和”特征非常明显,而NmF2“饱和”特征不太明显,最终导致电离层板厚随太阳活动未像其它季节一样呈现“线性”增长的特征。图5 当地时间14:00时电离层TEC、foF2和电离层板厚随太阳活动变化情况Figure 5 Solar activity variation of Ionospheric TEC, foF2 and Slab thickness for Athens station at local time 14:00图6给出了电离层TEC、NmF2和在2:00LT时同太阳活动F10.7指数的统计结果。秋季电离层TEC与太阳活动关系呈现“放大”的趋势,其它季节均表现为“饱和”现象;电离层
23、NmF2在秋季基本为“线性”变化关系,其它季节均表现出“饱和”趋势,其中冬季最为突出,随着太阳活动的增强电离层NmF2的增长幅度明显低于其它季节,由1105m-2(F10.780)上升到大约2.6105m-2(F10.7260),增加幅度仅为160%,远低于14:00LT的340%,说明夜间太阳活动对电离层的影响力低于白天,而其它因素将起到重要的作用;电离层板厚随太阳活动的变化表现出不同的季节特征,秋、冬两个季节表现为正的线性变化趋势,而春、夏两个季节表现出负的线性变化,即电离层板厚随着太阳活动水平的增加反而减少,这在以往的研究中很少被发现。图6当地时间2:00时电离层TEC、foF2和电离层
24、板厚随太阳活动变化情况Figure 6 Same as fiure 5, but for local time 2:004 讨论利用Athens站20012005年电离层TEC和NmF2数据,分析研究了TEC、NmF2和的日变化、季节变化以及同太阳活动的关系,得到以下一些结论:(1) 电离层TEC和NmF2具有相似的日变化特征,大约以正午为中心呈现近似的对称分布,随着太阳活动水平的下降,午后TEC较少速度逐渐放缓;(2) 夏季白天电离层TEC变化趋势较为平缓,午后至日落前变化不大,几乎维持在同一水平;2001和2002年电离层TEC在白天出现“冬季异常”现象;而电离层NmF2在20012005
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