2015, Vol. 40文章信息
- 孙伟, 安家春, 王泽民
- SUN Wei, AN Jiachun, WANG Zemin
- 利用掩星技术研究南极地区顶部电离层特性
- Analysis of Topside Ionosphere in Antarctica Based on Radio Occultation
- 武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(11): 1446-1452
- Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(11): 1446-1452
- http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20150227
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文章历史
- 收稿日期: 2015-04-27
2. 武汉大学中国南极测绘研究中心, 湖北 武汉, 430079;
3. 武汉市测绘研究院, 湖北 武汉, 430022
2. Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. Wuhan Geomatics Institute, Wuhan 430022, China
一般来说，电离层电子密度剖面在F2层峰值高度(hmF2)处达到F2层峰值密度(NmF2)，因此，可以将其分为底部电离层和顶部电离层。广泛应用的电离层垂测仪主要探测底部电离层的变化，研究成果较为丰富，而顶部电离层主要依靠沿轨实地探测、非相干散射雷达等为主，可用资料较少。Xu[1]用南极中山站的电离层垂测仪、北极特罗姆瑟(Tromso)的垂测仪、北极朗依尔城(Longyearbyen)的ESR(EISCAT Svalbard Radar)非相干散射雷达等3个站的数据，对比分析了南北极的NmF2的变化特征。Mosert[2]用南极半岛附近的圣马丁站(San Martin)的垂测仪数据和奥希金斯站(O’Higgins)的GPS(Global Positioning System)数据研究了南极地区的F2层临界频率(foF2)变化。Liu[3]用磨石山(Millstone Hill)的非相干散射雷达数据研究了顶部电离层中的各种标尺高以及NmF2、hmF2等电离层参数。Ogawa[4]用ESR和Reimei卫星研究了极区顶部电离层的离子运动。Yizengaw[5]利用FedSat卫星的GPS信标观测数据，重构了低轨卫星轨道高度之上的顶部电离层和等离子体层电子密度。李柳元[6]用DEMETER(detection of electro\|magnetic emissions transmitted from earthquake regions)卫星探测到710 km高度上的顶部电离层数据，分析了不同地磁环境下顶部电离层电子密度和温度的全球分布。Gulyaeva[7]研究了底部电离层和顶部电离层耦合问题。掩星观测具 有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率等优点，能够获取地面到低轨(low earth orbit,LEO)卫星轨道高度处的整个高度上的电子密度，因此在研究顶部电离层方面有其独特优势。除了hmF2和NmF2，电离层垂直标尺高(vertical scale height,VSH)在顶部电离层的建模中有非常重要的意义，根据简化的定义，VSH为从NmF2向上衰减至NmF2的1/e时的变化。由于底部电离层标尺高利用电离层垂测仪很容易获得，而顶部电离层标尺高很难获得，往往假设顶部电离层标尺高与底部电离层标尺高相同，或者用垂测仪和地基GPS重构顶部电离层[8,9]。很明显，这些假设会引入较大的误差，而掩星观测的顶部电离层实测资料可以解决这一问题。Stan kov[10]用CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)的观测资料统计了全球范围的顶部电离层的标尺高特性。Liu[11]用COSMIC掩星数据研究了顶部电离层的VSH在全球，尤其是赤道地区的变化特征。本文利用掩星数据提取了hmF2、NmF2、VSH等电离层参数，研究了2009年和2012年南极地区的顶部电离层变化，而且，顶部电离层的垂直结构特征，尤其是威德尔海异常[12]在垂直方向上的变化，也是本文的重要研究内容。
1 掩星反演方法及验证首先将GPS信号传播路径简化为直线，因为GPS信号位于L波段，电离层所造成的弯曲角很小。然后引入局部球对称假设，利用非掩星段的观测数据修正掩星段的观测数据，获得改正TEC。最后利用Abel积分反演技术即可提取不同高度上的电子密度[13]，如式(1)。另外，对反演结果使用了三次样条插值的方法，保留了电离层不规则的信息，使最终结果更加接近实际情况。
式中，p为碰撞参数；TEC(p)为随碰撞参数变化的LEO轨道高度以下的TEC。
为了消除式(1)中的奇异性，引入变换 
[14]，将下限奇点转换为积分上限，即得：
式中，
在大量的掩星观测资料里也存在一些粗差，可能是受仪器本身、天气情况等影响，也可能在反演过程中误差修正不完全，因此需要对反演的数据进行质量控制。定义了3个筛选条件，从地磁指数Kp、hmF2、扰动量这些方面来判断[15]。首先判断每日的地磁活动情况，若是Kp指数小于3，则认为可以进行后续分析，否则认为地磁活动强烈。其次对hmF2进行判读，定义其值应在185~400 km之间。最后对扰动量进行计算，即是反演的电子密度剖面的中误差，定义其值应在3以内。
为了验证掩星事件反演结果的精度，将其与电离层垂测仪结果和IRI模型进行比较。垂测仪主要提供F层以下的频率观测值，通过电子密度 和频率的关系式，即可得到电子密度剖面。IRI (International Reference Ionosphere)模型是著名的电离层经验模型，由国际空间研究委员会(Committee on Space Research,COSPAR)和国际无线电委员会(International Union of Radio Science,URSI)联合开发，利用垂测仪、非相干散射雷达、卫星资料、探空火箭资料等数据，引入太阳活动指数、地磁指数、大气参数模型等，提供电子密度、电子温度等电离层参数。IRI2012与IRI2007相比，在F2层以上的定义相同，主要是在F1层和E层引入了新的模型，因此首次表征了极光卵的边界和极光E层亚暴[16]。
顾及电离层垂测仪的空间位置，选择了南极凯西(Casey)站(66.3°S,110.6°E)附近的掩星事件，选择标准是以凯西站为中心，以200 km为半径的圆圈内的所有掩星事件，也就是说，选取的掩星事件最低点平面位置与凯西站的位置均在200 km以内。在时间上，选择了2012年年积日211天和348天代表南半球的冬季和夏季。另外，由于掩星和垂测的观测时间不可能完全同步，只能尽量选择相近的观测时间，图 1中已经将4种方法的时间限定在1 h之内。图 1给出了凯西站附近4种结果的比较。
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| 图 1 凯西站附近4种结果的比较 Fig. 1 Comparison of 4 Kinds of Results Near Casey Station |
从图 1中可以看出，4种手段提供的电子密度剖面较为接近，其中掩星反演结果和垂测仪观测结果在NmF2和hmF2上相对来说吻合的更好，而IRI2007和IRI2012在F2层以上两者完全一致，在F2层以下，IRI2012稍大，这正是因为IRI2012改善了F1层和E层的反演精度。当然，4种手段的结果仍有少许差异，IRI为预报模型，垂测仪是定点上空的实测值，掩星观测获取的是是横跨数10°的倾斜电子密度剖面，因此这一差异在可接受的范围内。综上所述，利用掩星手段反演的电子密度结果是真实可信的。
2 南极地区顶部电离层的变化本文反演了2009和2012年整个南极地区(60°S~90°S，-180°E~180°E)的掩星事件，获取了电子密度剖面、hmF2、NmF2和VSH等电离层信息，并进行统计分析。根据NGDC (National Geophysical Data Center)发布的F10.7指数的每日结果，2006~2013年的年均值依次是80.0、73.1、69.0、70.6、113.5、119.9、122.8，因此，可以定义2009年为太阳活动低年，2012年为太阳活动高年。
2.1 全南极的F2层特征图 2和图 3给出了2009年和2012年每日的hmF2、NmF2和VSH均值。从图 2可以看出，整个南极的hmF2每日均值在250 km左右，NmF2每日均值在(1~4)×1011 el/m3之间，VSH每日均值在100~200 km。从图 3可以看出，整个南极的hmF2每日均值在250~300 km之间，NmF2每日均值在(1~8)×1011 el/m3之间，VSH每日均值在150~250 km，以上参数与中低纬度相比，明显偏低[17]。从2009和2012半个太阳活动周期的时段里来看，随着太阳活动的增强，NmF2明显增加，hmF2有所上升，VSH也有所增大。从年际变化来看，hmF2、NmF2、VSH均是冬季数值较低、夏季数值较高。其中NmF2在春季和秋季的NmF2也较高。
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| 图 2 2009年全南极F2层电离层参数变化 Fig. 2 Variations of Ionospheric Parameters of F2 Layer in Antarctica,in 2009 |
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| 图 3 2012年全南极F2电离层参数变化< Fig. 3 Variations of Ionospheric Parameters of F2 Layer in Antarctica,in 2012 |
图 4给出了按月份和每2 h统计的2012年全年的每日hmF2、NmF2、VSH变化，横坐标表示月份，纵坐标表示地方时的小时，图中的二维图像的单位分别是km、1011el/m3、km。从图 4(b)可以看出，在4~5月份和9~10月份，NmF2的极值出现在地方时10~15时，这一现象与图 2和图 3中的NmF2的变化相对应，在春季和秋季其数值较高。而在1月份和11~12月份，NmF2的极值时刻出现在地方时子夜，这一现象与南极夏季的威德尔海异常密切相关[12, 18]。从图 4(a)可以看出，hmF2的周日变化较为明显，在白天较低，夜间较高，hmF2的年际变化与图 3(a)较为一致，基本是冬季较低，夏季较高。从图 4(c)可以看出，VSH的年际变化与图 3(c)一致，是冬季较低，夏季较高，但VSH的周日变化较为特殊，在冬季时是白天低夜间高，夏季与冬季相反，而VSH在春季和秋季没有明显的周日变化。
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| 图 4 2012年全南极F2电离层参数每日的变化 Fig. 4 Daily Variations of Ionospheric Parameters of F2layer in Antarctica,in 2012 |
§2.1讨论了全南极的F2层电离层参数变化，本节主要研究典型区域顶部电离层中的垂直结构特征的季节变化。通常定义年积日82、173、263、353为两至点和两分点，也通常用这4个日期附近日期来代表4个季节，但是由于现阶段掩星事件的时空分辨率仍然较稀疏，在两至点和两分点的日期时掩星事件过少，所以重点选择了两至点和两分点附近的日期进行分析。顾及威德尔海异常的位置和掩星事件在不同区域的数量，分别选取了(60°S，90°W)和(60°S，90°E)为西南极和东南极的典型区域，并选取掩星事件最低点平面位置与典型区域中心的位置在200 km的所有掩星事件。顾及掩星事件在一天内的数量，选取的西南极和东南极的掩星事件的年积日略有差别，但考虑到没有显著太阳活动和地磁活动时，几天内的电离层的变化不大，这一变化在允许范围内。
图 5给出的是西南极地区(60°S，90°W)在2012年的年积日87天、183天、267天、358天的电子密度剖面，横坐标表示电子密度(1011 el/m3)，纵坐标表示高度(km)。从图 5中的4幅子图可以看出，无论任何季节，西南极地区的hmF2的范围可从白天的200 km变化到夜间的350 km。在年积日183天，此时南半球处于冬季，电子密度数值整体较低，而夜间的NmF2进一步降低。在年积日87天和267天，分别对应于秋季和春季，NmF2虽然在正午时刻达到极值，但在黄昏前后也有显著增大，同时由于hmF2抬升的缘故，这种电子密度的增加更多的出现在顶部电离层当中。在年积日358天，进入盛夏时节，也是威德尔海异常在一年内的最活跃的时刻，变化幅度明显增强，一方面是夜晚刻电子密度的增大，另一方面是白天时刻电子密度的减小。这一异常与中性风和地磁场密切相关，夜晚朝向赤道的中性风驱动等离子体沿着磁力线向高处抬升，F层的电子密度增大，高度抬升；白天，朝向极区的中性风驱动等离子体沿着磁力线向低处运动，因此电子消失的更快[18, 19]。
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| 图 5 西南极地区(60°S，90°W)在2012年的掩星电子密度剖面 Fig. 5 Electron Density Profiles Derived by Occultation in West Antarctica (60°S,90°W),in 2012 |
为了与西南极进行比较，图 6分别给出了东南极地区(60°S，90°E)在2012年的年积日87天、173天、271天、358天的电子密度剖面，横坐标表示电子密度(1011 el/m3)，纵坐标表示高度(km)。与西南极不同，无论任何季节，东南极的hmF2没有明显的周日变化，其数值维持在250~300 km。在年积日173天，南半球处于冬季期间，电子密度数值整体较低。在年积日87天、271天、358天，电子密度在垂直方向上的变化情况彼此类似，无论在顶部电离层还是底部电离层，与冬季相比均出现了明显的增加。比较年积日271天与358天，NmF2在271天LT14:00时明显增大，甚至超过了358天LT14:00时的结果，这一特征与图 4(b)相吻合，说明东南极在南极春季时的NmF2增强中起着主要的贡献。
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| 图 6 东南极地区(60°S，90°E)在2012年的掩星电子密度剖面 Fig. 6 Electron Density Profiles Derived by Occultation in East Antarctica (60°S,90°E),in 2012 |
进一步研究顶部电离层中的威德尔海异常特征。重点选择了年积日60天和302天，也就是南极夏至前后两个月的时间点。图 7分别给出的是西南极地区(60°S，90°W)和东南极地区(60°S，90°E)的掩星电子密度剖面(年积日分别是2012年60天、302天)，横坐标表示电子密度(1011el/m3)，纵坐标表示高度(km)。
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| 图 7 西南极地区(60°S，90°W)和东南极地区(60°S，90°E)在2012年的掩星电子密度剖面 Fig. 7 Electron Density Profiles Derived by Occultation in West Antarctica (60°S,90°W), and in East Antarctica (60°S,90°E),in the Summer of 2012 |
在西南极地区(60°S，90°W)，在年积日302天，南半球处于春末夏初，电子密度明显增强，虽然由于掩星事件相对较少，无法提供正午时刻的电子密度剖面，但从图 7(b)可以看出，在黄昏时刻和子夜时刻NmF2明显增强，hmF2明显抬升。相比之下，从图 7(a)中可以看出，在年积日60天，NmF2和hmF2在黄昏时刻的增加已不明显，到了子夜时刻NmF2已显著降低。图 7(a)、7(b)与图 5(d)相比，从周日变化来看，威德尔海异常主要表现在白天时NmF2的减小和hmF2的下降，夜晚时NmF2的增大和hmF2的抬升；从高度上来看，威德尔海异常主要表现在顶部电子密度的增强和底部电子密度的减少；从持续时间来看，威德尔海异常的持续时间可达近4个月。在东南极地区(60°S，90°E)，在年积日60天和302天，hmF2没有明显的周日变化，NmF2白天较高，夜间较低，而且电子密度的增强是在顶部电离层和底部电离层同步出现，结合图 7(c)、7(d)与图 6(d)可以看出，东南极地区电子密度垂直结构的周日变化正常，不存在威德尔海异常特征。
3 结 语在电离层研究中，顶部电离层受限于观测手段，主要通过基于底部的观测数据重构顶部，或是卫星沿轨实测及少量非相干散射雷达的实测值，而掩星观测能够提供地面到LEO轨道高度处的整个电离层电子密度剖面，对于顶部电离层的研究有重要的作用。本文利用COSMIC掩星数据反演了电离层电子密度剖面，进而提取了hmF2、NmF2、VSH等电离层参数，研究了太阳活动低年(2009年)和太阳活动高年(2012年)期间整个南极地区的顶部电离层变化，讨论了F2层在太阳活动周期内的变化、年际变化、周日变化等，并且分析了南极地区顶部电离层的垂直结构特征，尤其是威德尔海异常在垂直方向上的变化。当然，由于现阶段掩星事件的时空分辨率仍然较稀疏，本文主要是选取了典型区域进行了初步分析，后续工作将加强广度和深度，充分利用掩星观测的优势，揭示南极地区电离层的变化规律。
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