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利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

罗佳 徐晓华

罗佳, 徐晓华. 利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486
引用本文: 罗佳, 徐晓华. 利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486
LUO Jia, XU Xiaohua. Comparison of the Morphologies of Sporadic E Layers Derived Using GPS Radio Occultation Data from FY3C and FY3D Satellites[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486
Citation: LUO Jia, XU Xiaohua. Comparison of the Morphologies of Sporadic E Layers Derived Using GPS Radio Occultation Data from FY3C and FY3D Satellites[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486

利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

doi: 10.13203/j.whugis20220486
基金项目: 

国家自然科学基金 42074027

国家自然科学基金 42174017

详细信息
    作者简介:

    罗佳,博士,教授,博士生导师,主要从事地球重力场与GNSS掩星技术及应用研究。jluo@sgg.whu.edu.cn

    通讯作者: 徐晓华,博士,教授。xhxu@sgg.whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228

Comparison of the Morphologies of Sporadic E Layers Derived Using GPS Radio Occultation Data from FY3C and FY3D Satellites

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 42074027

The National Natural Science Foundation of China 42174017

More Information
    Author Bio:

    LUO Jia, PhD, professor, majors in Earth gravity field and the application of GNSS radio occultation technology. E-mail: jluo@sgg.whu.edu.cn

    Corresponding author: XU Xiaohua, PhD, professor. E-mail: xhxu@sgg.whu.edu.cn
  • 摘要: 偶发E层(sporadic E, Es)是主要发生在90~120 km高度的电子密度显著增强的电离层薄层,Es层的存在会导致掩星观测中全球导航卫星系统信号强度和相位的强烈波动。利用2019-01—2021-12风云三号C(Fengyun-3C,FY3C)和风云三号D(Fengyun-3D,FY3D)卫星GPS(global positioning system)掩星观测的50 Hz信噪比数据提取Es层信息,进而对两颗卫星数据分别反演得到的60°S~60°N中低纬地区Es层发生率的时空分布及季节变化进行比较。结果发现,虽然两颗卫星掩星资料得到的Es层发生率分布形态基本一致,均反映了Es层的发生率与地磁场和中性大气背景风场的相关性,但在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es层发生率低于由FY3C得到的结果,北半球夏季中纬地区尤为明显,而FY3C反演结果与基于电离层与气候星座观测系统掩星数据的反演结果更为接近。导致差异的可能原因包括两颗卫星信噪比廓线的上边界高度分布和地方时覆盖上的差异、两颗卫星掩星接收机噪声水平的差异等。上述结果表明,后续融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究时,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在Es层发生的判定策略上进行针对性调整。
  • 图  1  2019—2021年FY3C与FY3D的GPS掩星L1 SNR原始廓线及上边界分别达到90 km、100 km、110 km及115 km的廓线数量的纬度变化

    Figure  1.  Latitudinal Variations of the Numbers of the Original GPS RO L1 SNR Profiles and Those Reaching the Heights of 90 km, 100 km, 110 km and 115 km from FY3C and FY3D During 2019 to 2021

    图  2  2019—2021年60°S~60°N FY3C与FY3D掩星SNR廓线及上边界高度分别达到90 km、100 km、110 km、115 km的廓线数量以及比率的月变化

    Figure  2.  Monthly Variations of the Numbers and the Percentages of the SNR Profiles and Those Reaching the Heights of 90 km, 100 km, 110 km and 115 km at the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021, Provided by FY3C and FY3D

    图  3  FY3C与FY3D掩星SNR廓线探测Es实例

    Figure  3.  Examples for Es-Layer Detection Using the FY3C and FY3D RO SNR Profiles

    图  4  FY3C和FY3D反演的2019—2021年60°S~60°N Es发生率水平分布的季节变化

    Figure  4.  Seasonal Variations of the Horizontal Distributions of Es Occurrence Rates in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D, Respectively

    图  5  FY3C和FY3D反演的2019-2021年60°S~60°N Es层发生率高度-纬度分布的季节变化

    Figure  5.  Seasonal Variations of the Altitude-Latitude Distributions of Es Occurrence Rates in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D

    图  6  2019—2021年60°S~60°N分别由FY3C与FY3D反演得到的Es发生率纬度-时间分布

    Figure  6.  Latitude-Time Distributions of the Es Occurrence Rates in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D, Respectively

    图  7  2019—2021年南北半球不同地磁纬度带内分别由FY3C和FY3D反演得到的Es发生率的时间变化

    Figure  7.  Time Variations of the Es Occurrence Rates at Different Geomagnetic Latitude Bands During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D, Respectively

    图  8  2019—2021年60°S~60°N FY3C与FY3D卫星达到110 km以上高度的GPS L1 SNR廓线的地方时分布

    Figure  8.  Local Time Distribution of the Numbers of GPS L1 SNR Profiles Reaching the Height of 110 km from FY3C and FY3D in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-12
  • 刊出日期:  2022-10-05

利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

doi: 10.13203/j.whugis20220486
    基金项目:

    国家自然科学基金 42074027

    国家自然科学基金 42174017

    作者简介:

    罗佳,博士,教授,博士生导师,主要从事地球重力场与GNSS掩星技术及应用研究。jluo@sgg.whu.edu.cn

    通讯作者: 徐晓华,博士,教授。xhxu@sgg.whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228

摘要: 偶发E层(sporadic E, Es)是主要发生在90~120 km高度的电子密度显著增强的电离层薄层,Es层的存在会导致掩星观测中全球导航卫星系统信号强度和相位的强烈波动。利用2019-01—2021-12风云三号C(Fengyun-3C,FY3C)和风云三号D(Fengyun-3D,FY3D)卫星GPS(global positioning system)掩星观测的50 Hz信噪比数据提取Es层信息,进而对两颗卫星数据分别反演得到的60°S~60°N中低纬地区Es层发生率的时空分布及季节变化进行比较。结果发现,虽然两颗卫星掩星资料得到的Es层发生率分布形态基本一致,均反映了Es层的发生率与地磁场和中性大气背景风场的相关性,但在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es层发生率低于由FY3C得到的结果,北半球夏季中纬地区尤为明显,而FY3C反演结果与基于电离层与气候星座观测系统掩星数据的反演结果更为接近。导致差异的可能原因包括两颗卫星信噪比廓线的上边界高度分布和地方时覆盖上的差异、两颗卫星掩星接收机噪声水平的差异等。上述结果表明,后续融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究时,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在Es层发生的判定策略上进行针对性调整。

English Abstract

罗佳, 徐晓华. 利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486
引用本文: 罗佳, 徐晓华. 利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486
LUO Jia, XU Xiaohua. Comparison of the Morphologies of Sporadic E Layers Derived Using GPS Radio Occultation Data from FY3C and FY3D Satellites[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486
Citation: LUO Jia, XU Xiaohua. Comparison of the Morphologies of Sporadic E Layers Derived Using GPS Radio Occultation Data from FY3C and FY3D Satellites[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1775-1784. doi: 10.13203/j.whugis20220486
  • 偶发E层(sporadic E,Es)是主要发生于电离层E层低层90~120 km高度区间、电子密度突然增强的电离层薄层[1],其水平尺度可达几十到几百千米,垂直厚度主要为1~2 km[2],其发生率在中纬地区比其他纬度带更高[3]。Es层的高电离程度及电离的高垂直梯度会导致穿过其中的无线电波信号发生扰动[4]。Es的发生和时空变化与中间层/低热层风场、太阳活动和地磁场变化密切相关,同时也是人类活动对高层大气作用的指示器。利用各类观测资料提取全球Es信息并对其进行时空形态分析,对相关机制进行讨论,对于电离层建模中精化Es参数、保障通讯导航服务质量、提高空间天气和气候数值预报的精度具有重要价值。早期对于Es的研究主要使用地基垂测仪和各种地基雷达的观测资料[5]。但地基资料空间分布存在局限性,且使用不同频段信号、不同探测技术的地基雷达所获取的Es特征可能存在差异[6]。近十几年来,随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)无线电掩星(radio occultation,RO)技术的发展,GNSS掩星资料在Es研究领域受到的关注度越来越高。该技术的基本原理是利用低轨道卫星上的接收机对GNSS卫星进行掩星观测,基于卫星的精密轨道信息与掩星信号相位和强度数据,反演电离层与中性大气参数,其观测资料在Es层的高垂直分辨率可达约50 m [7]。Es发生时,垂直方向上剧烈变化的电子密度使得穿过其中的GNSS信号的相位和强度发生小尺度扰动,进而影响所反演的电子密度廓线和总电子含量(total electron content,TEC)廓线。从各级掩星观测资料和数据产品中均可提取Es相关信息。由于GNSS掩星资料具有高精度、高垂直分辨率、全球分布、长期稳定的特点,利用其进行全球Es形态研究有独特优势[28]。自20世纪90年代末以来,世界各国和地区多项GNSS掩星任务的实施为Es研究积累了丰富的数据资料,基于Microlab-1[9]、CHAMP(challenging mini-satellite payload)和电离层与气候星座观测系统(the constellation observing system for meteorology,lonosphere,and climate,COSMIC)[210-11]以及COSMIC-2[12]等任务数据所进行的Es层相关研究已展示了掩星资料对于Es层探测的巨大潜力。

    中国在第二代太阳同步轨道极轨气象卫星系列风云三号(Fengyun-3,FY3)卫星上开始搭载掩星观测荷载。风云三号C(FY3C)与风云三号D(FY3D)分别于2013年9月和2017年11月顺利入轨[13]。两颗卫星上均搭载了由中国科学院国家空间科学中心研制的全球掩星探测仪(global navigation occultation sounder,GNOS),对GPS和北斗卫星进行掩星观测。目前国家卫星气象中心(National Satellite Meteorological Centre,NSMC)已公开发布两颗卫星的GPS掩星观测数据及相关大气和电离层产品。虽然对FY3C和FY3D掩星产品的评估工作已表明两颗卫星的掩星产品在大气和电离层气候应用方面的潜力[14-19],但迄今为止,基于FY3系列卫星的掩星资料进行的Es相关研究非常有限。文献[20]首次尝试利用FY3C的GPS掩星数据提取Es信息,主要使用了2014—2015年不同季节各一个月的数据,所提取的Es形态细节上有待精化。文献[21]基于FY3C卫星2015—2019年共5 a的GPS掩星信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)数据进行Es层形态研究,所提取的Es时空分布形态与同时期由COSMIC任务所得结果进行了比较,发现FY3C掩星观测能较好地揭示Es层空间分布的季节变化特征,但由于其太阳同步轨道特性,Es层日变化信息反映不足。而目前尚未见到利用FY3D掩星资料研究Es层形态的相关成果。本文基于NSMC公开发布的FY3系列卫星掩星数据,首次尝试利用FY3D的GPS掩星资料进行Es发生率的形态分布提取和季节变化分析,并与基于同时期FY3C的GPS掩星数据得到的结果进行对比,分析差异存在的可能原因,为后续联合使用两颗卫星的掩星数据进行Es层探测,以及为中国自主掩星任务数据的电离层相关科学应用提供参考。

    • 虽然在掩星数据产品中,S4指数廓线[11]、电离层相位与信噪比数据[6]、电子密度及TEC廓线[22-23]均被用以进行Es信息的提取,但目前NSMC尚未发布FY3C与FY3D的S4指数廓线;电离层相位与信噪比数据采样率仅1 Hz,无法探测厚度较小的Es层[7];2020年以后NSMC不再提供FY3C的电子密度及TEC廓线产品。相比之下,50 Hz的大气层相位与信噪比数据对应的垂直分辨率最高,是进行Es研究的主要掩星数据源之一[2712],且NSMC所提供的两个任务的该类型产品相对完整。由于FY3D掩星产品自2019年1月开始发布,本文使用了2019-01—2021-12共2 a的FY3C与FY3D GPS掩星数据,来自Level 1的AE类型大气产品。该数据产品与COSMIC数据处理中心提供的atmPhs产品[7]类似,每个掩星事件对应一个AE文件,其中包含发生掩星的GPS卫星与低轨卫星在地心惯性系下的坐标、双频相位及SNR数据,采样率均为50 Hz。Es信息的提取使用了50 Hz的卫星位置与L1 SNR数据。对某个AE文件进行处理时,需根据卫星坐标信息确定该文件所给出的L1 SNR廓线的高度范围。具体方法是对每次采样,根据卫星位置确定掩星切点的三维坐标,并将之转换到地心地固系下,进而求得该掩星切点的经纬度及高度[21]。AE文件所对应的掩星切点高度范围各有不同,下边界均达到了50 km以下,但上边界变化范围较大。在文献[21]中,为了保证参与分析的掩星观测数据量,将所有上边界高度达到80 km的FY3C 50 Hz L1 SNR廓线均纳入Es层的探测和发生率的计算;而由于FY3C的50 Hz掩星数据上边界高度普遍低于COSMIC,故由FY3C反演的各纬度带105 km高度以上的Es发生率略小于同期COSMIC的结果,二者差异在极区较为显著。本文为了尽量保证所探测Es层信息在高度分布上的客观性,对FY3C与FY3D两个掩星任务观测数据的上边界高度分布情况进行了分析,据此对所采用的50 Hz数据进行了筛选,并对所研究纬度区域进行了合理限制。

      图 1给出了2019—2022年两个掩星任务分别提供的原始GPS掩星L1 SNR廓线数量,以及上边界高度分别达到90 km、100 km、110 km及115 km的廓线数量随纬度的变化情况。由图 1可以看到,在各纬度带,FY3C的总廓线数比FY3D整体偏少。两个任务原始掩星廓线数量的纬度变化形态相同,中纬地区数量最多,峰值出现在25° S/N和55° S/N附近,极区和赤道地区的数量相对较少,这是由两颗低轨卫星的轨道特性决定的。上边界高度条件设置对廓线数量绝对值影响较大,但对其纬度变化形态影响不大。在南北纬60°以内区域,两个任务的绝大部分廓线上边界均达到100 km,但达到110 km高度的廓线数量比例下降较大,达到115 km高度的廓线数量则更低。COSMIC的atmPhs数据中达到115 km高度的比例高于70%[7],与之相比,FY3C与FY3D的50 Hz SNR廓线的上边界整体上偏低。考虑到Es的发生高度主要集中在10~95 km[2],发生率峰值出现在102 km左右[11],为兼顾Es发生率高度分布的客观性及可使用的廓线数量,本文选取了两个任务上边界达110 km的L1 SNR廓线进行Es形态研究,对应图 1中两条灰色曲线所示的廓线数量分布。在南北纬60°以上,虽然两个任务具有一定数量的原始SNR廓线,但上边界达到110 km的廓线数量非常少,故最终确定60°S~60°N的中低纬地区为本文所研究的纬度范围。

      图  1  2019—2021年FY3C与FY3D的GPS掩星L1 SNR原始廓线及上边界分别达到90 km、100 km、110 km及115 km的廓线数量的纬度变化

      Figure 1.  Latitudinal Variations of the Numbers of the Original GPS RO L1 SNR Profiles and Those Reaching the Heights of 90 km, 100 km, 110 km and 115 km from FY3C and FY3D During 2019 to 2021

      图 2进一步给出了60°S~60°N两个任务的L1 SNR廓线数量及达到不同高度的廓线比率的月变化。由图 2可知,FY3C在2020年上半年数据量相对较少,且2020年05-17—08-06存在数据缺失,而FY3D的月廓线数量分布相对更加均匀。FY3C各月上边界达到90 km、100 km、110 km和115 km的廓线比率分别为97%、88%、51%和33%左右,而FY3D的比率分别为97%、86%、40%和30%左右,FY3C达到110 km以上的廓线比率相对更高。2019—2021年,FY3C和FY3D的L1 SNR原始廓线数量分别为437 736和586 589条,实际使用的上边界达到110 km的廓线数量比率分别为51.16% 与39.84%。

      图  2  2019—2021年60°S~60°N FY3C与FY3D掩星SNR廓线及上边界高度分别达到90 km、100 km、110 km、115 km的廓线数量以及比率的月变化

      Figure 2.  Monthly Variations of the Numbers and the Percentages of the SNR Profiles and Those Reaching the Heights of 90 km, 100 km, 110 km and 115 km at the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021, Provided by FY3C and FY3D

      由50 Hz掩星SNR廓线探测Es的方法在已有基于CHAMP、COSMIC等其他掩星任务的相关研究中均进行了介绍[282124],不同文献的方法基本思路相同,但细节上存在差异。本文沿用文献[21]的方法,即对每条SNR廓线,首先采用101点滑动窗口平均法获取相应背景廓线SNR0,原始SNR与SNR0序列的比值即为标准化后的SNR序列。然后以51点滑动窗口计算该序列对应的标准差(standard deviation,STD)序列,在80 km高度以上,如果该STD值超过了经验阈值0.2,且超过该阈值的STD值对应的高度范围集中在10 km以内,则判定发生了Es,并将STD最大值对应的高度确定为Es发生高度。图 3给出了利用FY3C与FY3D的50 Hz L1 SNR廓线进行Es探测的两个掩星事件实例,分别标识为FY3C_20190104_1514_G25和FY3D_20190104_0744_G12。由图 3(a)可知,FY3C掩星事件的原始SNR廓线在96 km高度左右有明显波动,根据相应STD廓线确定探测到Es层,STD最大值为0.35,对应高度约96.7 km。由图 3(b)可知,FY3D掩星事件的SNR廓线也探测到Es层,STD最大值为0.33,对应高度约93.5 km。

      图  3  FY3C与FY3D掩星SNR廓线探测Es实例

      Figure 3.  Examples for Es-Layer Detection Using the FY3C and FY3D RO SNR Profiles

    • 对两个掩星任务60°S~60°N所有上边界高度高于110 km的L1 SNR廓线按照§2的流程进行处理,对每条廓线判断是否发生了Es,如果发生,则确定相应的Es层高度,进而按照北半球春(3、4、5月)、夏(6、7、8月)、秋(9、10、11月)、冬(12、次年1、2月)4个季节对Es发生率的分布进行统计。对60°S~60°N进行5°×5°的经纬度格网划分,每个格网中的发生率等于该格网中检测出发生Es的廓线数量与上边界高度高于110 km的廓线总数的比值。

      图 4给出了2019—2021年分别由FY3C和FY3D得到的Es层发生率水平分布的季节变化。由图 4可知,2019—2021年,由FY3C和FY3D掩星数据得到的Es发生率经度-纬度分布形态及其季节变化基本一致,与利用COSMIC数据得到的Es形态也基本相同[272125]。总体而言,在各季节,Es主要发生在南北半球25°~55°的中纬地区,其机制主要是风剪切对金属离子垂直压缩的作用带来的离子汇聚[1-2]。在夏、冬两个季节,夏季半球中纬地区的发生率最大,最大值达60%左右,冬季半球Es发生率整体上最低;而在春、秋两个季节,两个半球中纬地区Es发生率相对居中。此外,两颗卫星掩星数据反演的Es发生率的水平分布均呈现了与地磁场分布的显著相关性。在各季节,70°W~120°W的北美地区和40°W~50°E的南大西洋异常地区(south atlantic anomaly,SAA),Es层发生率与同纬度带上的其他区域相比显著下降。这两个Es发生率异常下降的区域与地磁场水平分量在该区域显著减弱有关[2],SSA地区较大的磁偏角则进一步降低了Es层的发生率[6]。各月Es发生率在磁赤道附近减弱,其机制主要是由于磁赤道附近近于水平的磁力线对于离子的垂直运动和汇聚产生的阻滞效应[223]

      图  4  FY3C和FY3D反演的2019—2021年60°S~60°N Es发生率水平分布的季节变化

      Figure 4.  Seasonal Variations of the Horizontal Distributions of Es Occurrence Rates in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D, Respectively

      虽然整体形态较一致,图 4中分别由FY3C和FY3D掩星数据得到的Es发生率水平分布也存在细节上的差异。在大部分季节和地区,由FY3C反演的发生率均大于FY3D的反演结果,在夏季的北半球中纬地区尤其明显,该季节北半球由FY3C反演的发生率大于50%的纬度带范围相对更大;其他季节的局部地区,如冬季在南半球180°W~60°W区域和春秋季节的北半球中纬地区,由FY3C得到的发生率略高于FY3D的反演结果。但另一方面,在夏季的南半球大部分区域和春季南半球60°E~180°E,由FY3C得到的Es发生率则略低于由FY3D的反演结果。

      图 5给出了由两颗卫星的掩星数据分别反演的60°S~60°N各季节Es层发生率的高度-纬度分布,其中每个1 km×5°网格内的发生率等于该网格内的发生次数与该5°纬度带总廓线数的比值。由图 5可知,各季节Es层发生的主要纬度范围为25°~55°的中纬地区,高度区间主要覆盖90~110 km;在春、秋两个季节,Es层发生率的纬度分布在南北半球呈较为对称的形态。各季节由FY3C得到的Es发生的上边界高度均比FY3C略高。在夏、冬两个季节的夏季半球中纬度地区,以及春、秋季节的北半球中纬地区,FY3C比FY3D给出的发生率峰值出现的高度区间更大。以夏季为例,FY3C反演结果显示,在北半球中纬地区90~ 110 km的各高度层均存在近30%的Es发生率,而FY3D反演结果则显示Es发生率的峰值集中在相应纬度带的95~105 km内。由图 2可知,虽然FY3D的SNR廓线总数比FY3C多,但其达到110 km以上的廓线数比例相对较低,这在一定程度上影响了FY3D对于110 km高度以上Es层的探测能力。与已有基于COSMIC的反演结果[2112125]比较,图 5中FY3C反演的发生率各季节高度-纬度分布形态与由COSMIC数据反演结果的一致性更好,更符合中纬地区Es发生高度比低纬地区相对更高的特征[11]

      图  5  FY3C和FY3D反演的2019-2021年60°S~60°N Es层发生率高度-纬度分布的季节变化

      Figure 5.  Seasonal Variations of the Altitude-Latitude Distributions of Es Occurrence Rates in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D

      图 5中FY3C反演的Es发生率峰值高度比文献[21]给出的FY3C的相应结果整体上略偏高,在冬季尤为显著。由于文献[21]中使用了所有上边界高度高于80 km的FY3C的50 Hz SNR廓线,其中仅约78%的廓线高度达到了105 km,约40%高度达到了110 km,这导致对于发生高度高于105 km的Es层信息探测不够完整。而本文仅使用了上边界高度达110 km的掩星廓线,虽然参与统计的廓线数量相对降低,但所反演的Es层发生率的高度分布相对而言更加客观。另一方面,图 5中FY3C的反演结果与文献[2]由2006—2007年COSMIC任务的50 Hz大气层SNR数据和文献[21]利用2015—2019年COSMIC任务50 Hz的大气层SNR数据得到的相应季节分布在形态和Es发生的具体高度区间上一致性均较好。虽然COSMIC的50 Hz数据源上边界大部分达到了120 km,而由于FY3C与FY3D廓线上边界比COSMIC整体上偏低,所采用的110 km上边界条件会导致110~120 km Es层探测的一定缺失,但对于Es发生率分布形态而言,相关影响并不明显。另一方面,与文献[6]利用2006—2010年COSMIC任务1 Hz的电离层SNR数据和文献[25]利用2007—2015年COSMIC任务的S4指数廓线的反演结果比较,本文和文献[221]得到的夏季半球中纬地区Es发生率峰值出现的具体高度区间相对偏低。虽然大气层SNR数据采样率达到50 Hz,但上边界高度整体上相对有限。相比之下,电离层SNR数据和COSMIC的S4指数数据虽然采样率相对较低,为1 Hz,但上边界高度达到了800 km左右,能够探测120 km以上的Es层。

      图 6给出了由两颗卫星的掩星资料分别得到的2019—2021年Es发生率的纬度-时间分布,分辨率为5°×1月。由图 6可知,虽然2020年5月—7月FY3C掩星数据存在缺失,但两颗卫星给出的纬度-时间分布形态基本一致,都体现了Es发生率的南北半球不对称性,即各年12月—次年2月南半球中纬地区Es发生率的峰值均低于6月—8月北半球中纬地区峰值。在各年6月—8月,北半球中纬地区Es发生率达到大小约60%左右的峰值,但FY3C的峰值分布在时间和纬度范围上均比FY3D大,而南半球中纬地区Es发生率整体低于30%,且FY3C的反演结果比FY3D更小。

      图  6  2019—2021年60°S~60°N分别由FY3C与FY3D反演得到的Es发生率纬度-时间分布

      Figure 6.  Latitude-Time Distributions of the Es Occurrence Rates in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D, Respectively

      图 7进一步给出了2019—2021年南北半球不同地磁纬度(magnetic latitude,MLat)带内,由两颗卫星掩星数据分别反演的Es层发生率的时间变化。由图 7可知,两颗卫星掩星数据得到的Es发生率随时间的变化趋势基本一致。在南北半球MLat 0°~10°内,由两颗卫星分别反演的Es发生率均相对较低,且年变化相对于中纬地区不明显。在南北半球MLat 10°~30°和30°~50°内,Es发生率均呈现明显的年变化规律,在各年的半球夏季达到最大值,在半球冬季达到最小值。2019—2021年,北半球MLat 0°~10°、10°~30°和30°~50° 3个不同地磁纬度带中,由FY3C反演的Es发生率相对于FY3D均更大,差异在各年北半球夏季尤其明显;而在南半球相应的3个地磁纬度带内,虽然由FY3C得到的半球夏季Es峰值仍略大于FY3D的结果,但在半球冬季由FY3D得到的Es发生率却与FY3C的结果相当、在中纬地区甚至更高。

      图  7  2019—2021年南北半球不同地磁纬度带内分别由FY3C和FY3D反演得到的Es发生率的时间变化

      Figure 7.  Time Variations of the Es Occurrence Rates at Different Geomagnetic Latitude Bands During 2019 to 2021 Derived from FY3C and FY3D, Respectively

    • 虽然由FY3C和FY3D两颗卫星的GPS掩星数据反演的Es层发生率时空分布及季节变化在整体形态上基本一致,但二者之间存在不可忽略的差异。差异产生的原因一方面是SNR廓线上边界带来的影响。如图 2所示,虽然对两颗卫星都进行了110 km的上边界阈值限制,但FY3D的SNR廓线上边界比FY3C整体上偏低,而图 5表明,这在一定程度上影响了FY3D对110 km以上Es层的探测能力。另一方面是两颗卫星掩星观测地方时分布的不同,图 8给出了本文实际使用的两颗卫星的SNR廓线的地方时分布。由图 8可以看到,FY3C的掩星数据主要分布在当地时间06:00—12:00和18:00—24:00。而FY3D则主要分布在22:00—04:00和10:00—16:00,二者之间的重合时间段较短。由于太阳辐射、背景风场中日潮和半日潮等潮汐效应的影响,Es的发生与地方时存在较强相关性[11-12],故两颗卫星掩星数据地方时分布的差异亦会导致所反演的Es形态存在差异。

      图  8  2019—2021年60°S~60°N FY3C与FY3D卫星达到110 km以上高度的GPS L1 SNR廓线的地方时分布

      Figure 8.  Local Time Distribution of the Numbers of GPS L1 SNR Profiles Reaching the Height of 110 km from FY3C and FY3D in the Latitudes of 60°S-60°N During 2019 to 2021

      本文在根据50 Hz的SNR廓线进行Es层探测的算法中,对两颗卫星的数据统一采用了0.2的STD经验阈值。该阈值的使用借鉴了文献[24]利用COSMIC数据进行Es层探测的相关经验,其有效性在相关研究中已得到了验证。文献[21]在基于FY3C和COSMIC掩星数据的Es层形态分析的比较中,利用该阈值得到的两个任务所反演的Es层发生率在大小和时空分布形态上的一致性均比本文所得到的FY3C和FY3D的结果更为接近。考虑到超过75%的COSMIC廓线上边界在110 km以上,且COSMIC每日掩星数据具有相对均匀的地方时分布,因此FY3C与COSMIC掩星数据也存在上边界高度分布和地方时分布上的差异。而文献[21]的结果表明,对于60°S~60°N区域,上述两项影响因素导致的FY3C和COSMIC反演的Es发生率季节分布差异比本文FY3D和FY3C结果的差异小很多。虽然FY3D上搭载的GNOS主要设计方案与FY3C上的相同,但FY3D GNOS增加了一定的定位和掩星通道数量[18],两台GNOS SNR数据的噪声水平有一定差异,这很可能是影响本文由两颗卫星得到的Es发生率分布形态差异的另外一个因素。综合文献[21]和本文结果,与FY3D相比,FY3C上搭载的GNOS噪声水平与COSMIC上的掩星观测接收机更为接近。因此融合FY3C和FY3D的掩星数据进行Es层形态研究时,可能有必要针对两台接收机的不同噪声水平调整Es发生的判定策略。本文通过对两颗卫星采用不同的STD经验阈值进行了实验,发现该方法并不能从整体上提升两颗卫星结果的一致性。以6、7、8月为例,如图 4所示,该季节由FY3C得到的北半球中纬度地区Es峰值的大小和纬度分布范围比由FY3D得到的大,但由FY3D得到的南北半球Es发生率的差异比由FY3C得到的小。如果适当降低利用FY3D数据进行Es探测时所使用的信噪比STD值经验阈值(由0.2降低到0.13左右),可使得北半球的Es发生率形态与FY3C的结果更为接近,但南半球的Es发生率整体上将被抬升,导致由两颗卫星得到的南半球Es发生率分布形态的差异进一步增大。采用何种方法可有效融合两颗卫星的掩星资料进行Es层研究将是下一步重点关注的问题。

    • 本文首次将FY3D的GPS掩星数据应用于Es层时空分布形态及其季节变化的研究,并与FY3C的反演结果进行比较。使用两颗卫星2019—2021年3 a的GPS掩星观测50 Hz SNR数据,采用相同策略进行Es层信息提取,进而对60°S~60°N的中低纬地区Es发生率的经度-纬度分布和纬度-高度分布及其季节变化以及Es发生率的时间变化进行分析。对比了由两颗卫星数据独立反演的Es形态,对差异存在的原因进行了讨论,得到结论如下:(1)由NSMC提供的FY3C和FY3D的50 Hz L1信噪比廓线上边界高度达到110 km的廓线占比分别为51.16%和39.84%,南北纬60°以上上边界达到110 km的廓线数量有限。(2)利用两颗卫星上边界高度达到110 km的SNR廓线所提取的中低纬地区Es发生率分布形态及季节变化整体形态上基本一致,均反映了Es层的发生与地球磁场分布和中性大气风场之间的相关性。在Es发生率大小和形态细节上,由FY3C数据得到的结果与已有基于COSMIC掩星资料的结果更为接近。(3)在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es发生率整体上低于由FY3C得到的结果,夏季的北半球尤为明显。差异产生的原因包括两颗卫星SNR廓线上边界分布的差异、地方时覆盖上的差异以及所搭载GNOS接收机噪声水平的差异等因素。

      FY3C与FY3D所提供的GPS掩星观测数据在地方时覆盖上有互补特性,如果两颗卫星的掩星数据能够联合使用,将弥补两颗卫星单独提供的掩星资料在地方时覆盖上的局限性,有利于获取更完整的Es形态日变化信息。两颗卫星的掩星观测数据及产品均由NSMC提供,在数据处理策略上相同,这为两颗卫星掩星资料的融合使用提供了一定程度上的可能性。但本文结果表明,如果融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在基于不同卫星的数据进行Es层判定时,在策略上进行针对性调整。而另一方面,当前NSMC只公开发布了两个任务的GPS掩星观测数据,可期待未来BDS掩星数据的发布及FY3系列后续卫星的掩星观测资料将有助于对Es时空分布细节特征的认识。

参考文献 (25)

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