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1電離層隨太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律

太陽(yáng)是電離層形成的主要因素之一，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層的變化起到?jīng)Q定性的作用。太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)弱一般用太陽(yáng)黑子數(shù)（SSN,SunspotNumber）或者F10.7指數(shù)表示。太陽(yáng)黑子（SunspotNumber）是在太陽(yáng)的光球?qū)由习l(fā)生的一種太陽(yáng)活動(dòng)，是太陽(yáng)活動(dòng)中最基本、最明顯的活動(dòng)現(xiàn)象。太陽(yáng)黑子最多的年份稱(chēng)為“太陽(yáng)活動(dòng)高峰年”，太陽(yáng)黑子最少的年份稱(chēng)為“太陽(yáng)活動(dòng)低峰年”。F10.7是指太陽(yáng)的10.7cm波段輻射通量，單位是sfu(solarfluxunit)，2221110sfumHz，是目前使用最廣泛的太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)。根據(jù)F10.7的大小將太陽(yáng)活動(dòng)分為3個(gè)等級(jí)，即F10.7150sfu，100sfuF10.7150sfu，F(xiàn)10.7100sfu。這3個(gè)等級(jí)分別代表強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)，中等太陽(yáng)活動(dòng)和弱太陽(yáng)活動(dòng)。本文通過(guò)分析SSN、F10.7和TEC三者之間的關(guān)系，揭示電離層隨太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。選取由比利時(shí)世界太陽(yáng)黑子索引資料中心(SIDC)提供的1998年~2012年的SSN和F10.7數(shù)據(jù)序列，采樣間隔為1天。選取IGS提供的1998年~2012年的全球電離層TEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)的采樣間隔為2小時(shí)，為了與SSN和F10.7數(shù)據(jù)的采樣間隔保持一致，本文求得每天的全球電離層平均值組成一個(gè)新的時(shí)間序列，采樣間隔也為1天。3種數(shù)據(jù)的時(shí)間序列如圖1所示。從圖1可以看出，TEC、SSN和F10.7三者的變化趨勢(shì)大致相同。結(jié)合SSN和F10.7的數(shù)據(jù)可知，2000年~2002年為太陽(yáng)活動(dòng)高峰年，2006年~2009年為太陽(yáng)活動(dòng)低峰年。由表1可以得出以下結(jié)論：1）F10.7、SSN和TEC之間的相關(guān)系數(shù)在0.785~0.9422之間，所以三者屬于高度線性相關(guān)。2）F10.7指數(shù)和SSN之間的相關(guān)系數(shù)為0.9422，接近與1。這說(shuō)明，作為影響電離層變化的因素，F(xiàn)10.7和SSN可以相互替代。3）電離層TEC與F10.7之間的相關(guān)系數(shù)大于電離層TEC與SSN之間的相關(guān)系數(shù)。因此，在電離層模型中引入?yún)?shù)F10.7更為合理。

2電離層日變化規(guī)律研究

以2011年3月21日，本初子午線（0°經(jīng)線）上，緯度分別是80°N、60°N、40°N、20°N、0°、20°S、40°N、60°S和80°S的9個(gè)電離層TEC格網(wǎng)點(diǎn)為例，分析了不同緯度上TEC隨當(dāng)?shù)貢r(shí)間的變化規(guī)律，如圖2所示。從圖2中可以看出，白天TEC從當(dāng)?shù)貢r(shí)間6時(shí)左右開(kāi)始增大，到12時(shí)~16時(shí)之間達(dá)到最大值。下午至黃昏，隨太陽(yáng)輻射的減弱，TEC急速下降，大約20時(shí)左右曲線的下降斜率出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這說(shuō)明日落以后TEC值減少速率明顯變得平緩。夜間TEC值達(dá)到最小值，且變化較為平緩。圖2只反映了電離層的日變化規(guī)律的總體趨勢(shì)。接著，本文從電離層TEC極大值出現(xiàn)的時(shí)刻和夜間電離層TEC兩個(gè)方面，進(jìn)一步分析了電離層的日變化規(guī)律。

2.1TEC極大值出現(xiàn)時(shí)刻的研究根據(jù)IGS提供的TEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，每一條經(jīng)線上，從87.5°N到87.5°S，每隔2.5°分布著一個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)，共有71個(gè)TEC格網(wǎng)點(diǎn)。以2011年本初子午線上71個(gè)TEC格網(wǎng)點(diǎn)的全年365天的數(shù)據(jù)為例，提取了365×71，共25915個(gè)TEC最大值出現(xiàn)的時(shí)刻。對(duì)這些時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3和表2所示。從圖3和表2可以看出，一天中TEC最大值出現(xiàn)的時(shí)刻主要集中在當(dāng)?shù)貢r(shí)間10時(shí)~16時(shí)，其中，當(dāng)?shù)貢r(shí)間14時(shí)出現(xiàn)7678次，占到38.47%，所占比重最大；當(dāng)?shù)貢r(shí)間12時(shí)和16時(shí)分別占26.58%和19.05%，也占有一定的比重。因此，在建立電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，將一天中TEC最大值出現(xiàn)的時(shí)刻固定為當(dāng)?shù)貢r(shí)間14時(shí)是不準(zhǔn)確的。

2.2夜間TEC值的時(shí)變研究在顧及晝夜時(shí)間隨季節(jié)變化的前提下，取當(dāng)?shù)貢r(shí)間22時(shí)至次日5時(shí)為夜間時(shí)段。利用IGS提供的TEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)2000年~2012年的四季點(diǎn)（春分、夏至、秋分和冬至）的夜間全球電離層TEC平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。圖4中，每年春分、夏至、秋分和冬至的夜間全球電離層TEC平均值分別由4種顏色表示。分析發(fā)現(xiàn)：每年中不同季節(jié)夜間電離層TEC平均值不同，冬季的夜間電離層TEC一般大于夏季的，夜間電離層TEC在夏季達(dá)到最小值。另外，夜間電離層TEC值在太陽(yáng)活動(dòng)高峰年和太陽(yáng)活動(dòng)低峰年之間相差很大，在2000年~2002年太陽(yáng)活動(dòng)高峰年，夜間電離層TEC平均值在17個(gè)TECU左右，最大值可達(dá)24TECU，并且在不同季節(jié)之間，夜間電離層TEC平均值相差很大；在2006年~2009年太陽(yáng)活動(dòng)低峰年，夜間電離層TEC平均值僅在5TECU左右，不同季節(jié)之間差距很小。由此可見(jiàn)，夜間全球電離層TEC的變化與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)。在Klobuchar模型中，將夜間電離層延遲視為常數(shù)（5TECU）是不準(zhǔn)確的。

3電離層季節(jié)變化規(guī)律研究

利用IGS提供的2000年、2004年、2008年和2012年的電離層TEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)，分析了電離層的季節(jié)性變化規(guī)律。從圖1中可以看出，2000年屬于太陽(yáng)活動(dòng)高峰年，2008年是太陽(yáng)活動(dòng)低峰年，2004年為太陽(yáng)活動(dòng)平緩年份，2012年接近太陽(yáng)活動(dòng)高峰年。選取這4種太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度年份，可在分析電離層季節(jié)變化的過(guò)程中顧忌到太陽(yáng)活動(dòng)的影響，使結(jié)論更具代表性。將每隔2小時(shí)的全球電離層TEC分別求平均值，即可得到每天13組TEC平均值，取全年365天的數(shù)據(jù)，繪制全球電離層TEC的季節(jié)變化圖，共4幅，如圖5所示。本文取12月、1月、2月作為冬季，取3月、4月、5月作為春季；取6月、7月、8月作為夏季；取9月、10月、11月作為秋季。從圖4中可以看到全球TEC平均值在春季（4月份）和秋季（10~11月份）出現(xiàn)了2個(gè)明顯的峰值，遠(yuǎn)大于冬季（2月份）和夏季（7~8月份）的全球TEC平均值。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“半年度異常”[14]。半年度異常現(xiàn)象即使是在太陽(yáng)活動(dòng)低峰年（2008年）也很明顯。電離層半年度異常的成因非常復(fù)雜，無(wú)論從觀測(cè)上還是機(jī)制上，都需要進(jìn)一步的研究。將春季（4月份）和秋季（10~11月份）的兩個(gè)峰值比較后發(fā)現(xiàn)：在2000年、2004年和2012年，秋季的全球TEC平均值高于春季，這種差異在太陽(yáng)活動(dòng)高峰年（2000年）達(dá)到最大。在太陽(yáng)活動(dòng)低峰年（2008年），秋季的全球TEC平均值卻低于春季的。這說(shuō)明，全球TEC平均值秋季高于春季的現(xiàn)象在太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)變得明顯，在太陽(yáng)活動(dòng)低峰年消失，甚至出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。此外，無(wú)論是在太陽(yáng)活動(dòng)高峰年還是低峰年，夏季（7~8月份）的全球TEC平均值都是最低的。這一現(xiàn)象主要是由日地距離的變化引起的，每年7月初，地球位于繞日公轉(zhuǎn)軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)，日地距離達(dá)到最大值，約為1.521×108km。但是4月份和10月份出現(xiàn)的TEC峰值，與1月份的近日點(diǎn)不相符合。由此可見(jiàn)，除了日地距離和太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度之外，還存在其他的因素影響著電離層的季節(jié)變化。

4結(jié)束語(yǔ)

IGS提供的電離層TEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)具有時(shí)間連續(xù)性好，空間分辨高的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)IGS電離層TEC數(shù)據(jù)的發(fā)掘，可有效地揭示全球電離層的變化特性。本文以TEC數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合SIDC提供的SSN和F10.7數(shù)據(jù)，詳盡地分析了全球電離層的時(shí)變特性，得出了初步性結(jié)論。分析發(fā)現(xiàn)，電離層TEC與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)，電離層TEC與F10.7和SSN的相關(guān)性均在0.7以上，且F10.7與TEC的相關(guān)性最高，因此在建立電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)引入F10.7參數(shù)較為合理；在對(duì)電離層日變化規(guī)律研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)貢r(shí)間14h并非是TEC日極大值出現(xiàn)的惟一時(shí)刻，另外，夜間全球電離層平均值隨太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度的變化而變化，且存在季節(jié)性變化，因此Klobuchar模型中將當(dāng)?shù)貢r(shí)間14h作為T(mén)EC日極大值出現(xiàn)的時(shí)刻和夜間電離層TEC固定為5TECU的做法是不準(zhǔn)確的。最后討論了電離層TEC的季節(jié)變化，發(fā)現(xiàn)影響TEC季節(jié)變化的主要因素包括日地距離和太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度兩個(gè)方面。本文采用了1998年~2012年的全球電離層TEC數(shù)據(jù)以及相應(yīng)年份的SSN和F10.7數(shù)據(jù)，時(shí)段跨越一個(gè)11年的太陽(yáng)活動(dòng)周期，在顧及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層大尺度影響的前提下，分析了電離層的日變化和季節(jié)變化等小尺度變化，使得結(jié)論更具合理性和代表性。本文只是對(duì)電離層中的規(guī)則的變化規(guī)律做了分析，實(shí)際上電離層中還存在一些不規(guī)則的變化規(guī)律，如電離層閃爍，電離層行擾以及電離層的不規(guī)則體和電離層突然騷擾（SID）。對(duì)于電離層中的不規(guī)則變化，筆者將做進(jìn)一步研究，此處不再詳述。

作者：馮建迪王正濤趙珍珍單位：武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院