華南地區TEC耗盡及增強與電離層閃爍的相關性*

全宏俊 林果果 鄧柏昌? 黃江

(1.華南理工大學 理學院，廣東 廣州 510640;2.廣州氣象衛星地面站，廣東 廣州 510640)

電離層是空間環境的重要組成部分，其除了本身背景變化外，還會受到各種不穩定過程的作用，進而產生各種尺度的電離層等離子體密度不規則體.赤道擴展F 層(ESF)就是這樣一種尺度從幾十厘米到數十千米的等離子體密度不規則體結構，而等離子體泡(Plasma Bubble)是與ESF 密切相關的最大尺度不規則體.

1976年Woodman 等［1］利用雷達回波對ESF 不規則體結構進行了分析，指出等離子體泡是等離子體密度與背景電離層等離子體密度相比低到3 個數量級的低電子密度區域.在日落后，由于電場、中性風和地球磁場等一系列復雜因素作用，赤道低緯地區電離層F 層常常變得不穩定，電離層底部會形成等離子體泡，在重力引起的電流和東向電場與磁場的作用下，等離子體泡向上運動并向兩極擴展沿磁力線排列，直至磁緯正負15°［1-3］.Weber 等［4］證明，總電子含量(TEC)耗盡是赤道區等離子體耗盡的表現，因此可以通過TEC 耗盡來研究ESF 不規則體.除了等離子體泡這一不規則體外，另外一種不規則體——等離子體團(Plasma Blob)作為局部等離子體密度增強的現象也首次在1986年被觀測到［5］.Le等［6］指出，與等離子體泡密切相關的極化電場的映射是引起赤道地區局部等離子體密度增強的原因.由于TEC 是衡量電離層等離子體密度的一個主要參數，所以可以通過TEC 增強來研究等離子體密度增強［7］.

無線電波穿過不規則體傳播時，其振幅、相位和偏振方向均可能發生快速隨機起伏，這種現象稱為電離層閃爍.大量研究表明，由于ESF 的存在，從C波段到L 波段的無線電波信號都受其影響而產生擾動，引起的閃爍信號頻率甚至高達7 GHz［8-9］.L 波段信號受電離層閃爍影響最甚，導致信號的衰落最大可達20 dB.

近年來，全球定位系統(GPS)以其多星和全天候的觀測特點，成為監測TEC 和L 波段電離層閃爍的有效手段.利用GPS 衛星數據，國內外相繼開展了對電離層閃爍和TEC 耗盡之間關系的研究.Dashora 等［10］利用2004年10月至2005年2月赤道異常峰區印度Udaipur 地區(24.6°N，73.7°E)GPS振幅閃爍和TEC 起伏測量，進行了TEC 起伏和電離層閃爍的比較研究，發現晚間TEC 耗盡和振幅閃爍指數S4指數增大有著很好的對應關系，而TEC 增強與S4指數變化無明顯對應關系.Olwendo 等［11］對肯尼亞Nairobi 大學赤道異常峰區(1.27°S，36.8°E)2011年3月份TEC 進行了分析，表明TEC 耗盡和電離層閃爍的發生有著很好的對應關系，TEC 增強則沒有.徐繼生等［12］通過對2004年11月武漢地區一次強磁暴間TEC 響應以及電離層閃爍的特征分析，指出伴隨電離層閃爍活動的增強，多次觀測到TEC 的深度耗盡和ROTI 指數增強.Deng 等［13］利用廣州和深圳GPS 衛星數據分析了華南地區TEC 耗盡和電離層閃爍之間的關系，指出在春秋分期間強閃爍總是伴隨著TEC 耗盡發生.

華南地區處于赤道異常北駝峰區附近，是TEC擾動和電離層閃爍高發區域，該區域是研究TEC 耗盡和電離層閃爍之間關系的最佳區域.文中利用華南地區深圳GPS 觀測站(22.59°N，113.97°E)2011年1月至2012年10月TEC 和電離層閃爍數據，對TEC 耗盡與電離層閃爍的關系進行了研究，同時對華南地區TEC 增強的GPS 觀測結果進行了介紹.

1 數據觀測和處理

在深圳站布設GSV 4004A GPS 電離層閃爍和TEC 監測設備(GISTM)，該設備可同時對11 顆GPS衛星L1 波段(1.575GHz)和L2 波段(1.227GHz)信號進行觀測，提供電離層閃爍和TEC 數據.電離層閃爍和TEC 監測設備自2010年12月2日開始產出數據，數據采樣周期為1min.電離層閃爍和TEC 數據文件變量信息包括方位角、仰角、S4、相位閃爍指數以及垂直總電子含量(VTEC)，其中S4由L1 波段信號計算所得，定義為歸一化的信號強度標準差，每分鐘計算1 次:

式中，I 表示信號強度，〈〉表示算術平均運算.文中認為S4＞0.2，且持續時間大于或者等于10 min 為1 次電離層閃爍事件.

衛星電離層穿刺點(IPP)地理經緯度由深圳站觀測到的衛星實時路徑的仰角和方位角計算所得.在計算IPP 地理經緯度過程中，假定在F 層的某一高度處，所有的自由電子大部分都集中在一個無限薄的球殼上，距離地面約400 km.

TEC 是指衛星到接收機間整個路徑每平方米上的總電子含量，單位為TECU(1TECU=1016個電子/m2).TEC 耗盡指TEC 值在某一時刻快速衰減，經過一段時間后恢復到衰減前的水平［10］，整個過程花費的時間記為TEC 耗盡持續時間.文中認為TEC 衰減值大于或等于5 TECU 為1 次TEC 耗盡事件.考慮到本地噪聲及多路徑效應的影響，文中分析時僅取仰角高于25°的觀測數據.

將ROTI 定義為TEC 變化率指數，文中按5min間隔計算.ROTI 由下式計算得到:

式中，ROT 為某一時刻TEC 減去前1 min 的TEC，表示某一時刻的TEC 變化率，單位為TECU/min.ROTI和S4代表不同尺度的不規則體，當衛星星下點軌跡的運動速度和不規則體結構正交于傳播路徑的漂移速度的矢量和在100 m/s 這個量級，奈奎斯特周期為60 s 時，ROTI 對應的不規則體空間尺度大約為6 km;而S4對應的不規則體結構由菲涅爾尺度決定，主要由無線電波的波長和不規則體所在高度決定，即

式中:DF為S4對應的菲涅爾尺度;為無線電波波長(L1波段);z 為不規則體所在的高度，取為400 km，由此推算出L1波段閃爍對應的不規則體空間尺度約為390 m［3］.

2 基于GPS 觀測結果的分析

2.1 TEC 耗盡與電離層閃爍的關系

圖1 給出了2012年7月13日對PRN 28 號衛星觀測的TEC 和S4隨國際協調時(UTC)的變化.大約在13:08 UTC，TEC 值有一個突然的下降，其減少值約為7 TECU，15 min 后TEC 值恢復至下降之前的水平，這個過程我們認為是1 次TEC 耗盡.S4在TEC 耗盡之前小于噪聲量0.2，伴隨著TEC 耗盡的發生，S4突然增長到約0.9.隨著TEC 值恢復到耗盡前的水平，S4也下降到噪聲水平以下，TEC 耗盡和電離層閃爍有很好的對應關系.

圖1 2012年7月13日觀測到的PRN 28 號衛星TEC 和S4隨國際協調時(UTC)的變化Fig.1 Variation of TEC and S4 with UTC on 13 July，2012 for PRN 28

圖2 是2011年3月29日對PRN 13 號衛星的觀測結果.第1 次TEC 耗盡約從13:40 UTC 到14:15 UTC 發生，TEC 值減少達22 TECU，整個過程持續約35 min.在此次TEC 耗盡發生前，S4均在0.2 以下，當耗盡發生時，S4值瞬間增長到0.6.第2 次TEC 耗盡發生在15:30 UTC 到16:00 UTC 間，TEC 變化值約為20 TECU，持續時間30 min，伴隨此次TEC 耗盡的發生，S4達到0.7.在整個衛星運行軌跡中，衛星IPP 地理緯度隨時間減小，變化范圍約從28.5°N 至19.5°N，而經度基本保持在109.5°E，說明TEC 耗盡代表的等離子體泡沿地磁場線排列.

由圖2 還可以看出:在兩次TEC 耗盡發生之間，TEC 值有一個緩慢減小再增大的過程，該過程對應著衛星仰角增大再減小的變化過程(如圖2(a)所示)，是由于衛星到接收機間斜向距離隨著衛星仰角變化所引起，由圖2(c)可知在此期間并未觀測到電離層閃爍事件發生.對比圖1 和2，發現圖2 中兩次TEC耗盡持續的時間和耗盡程度以及閃爍強度總體均比圖1 中大，由此推測，電離層閃爍持續時間及強度和TEC 耗盡程度及持續時間存在某種關系.

圖2 2011年3月29日觀測到的PRN 13 號衛星TEC 和S4隨國際協調時(UTC)的變化Fig.2 Variation of TEC and S4 with UTC on 29 March，2011 for PRN 13

為了驗證上述推測，對2011年3月和2012年3月間的85 次TEC 耗盡事件進行了統計分析.圖3分別給出了電離層閃爍持續時間和對應的TEC 耗盡持續時間關系圖(圖3(a))、電離層閃爍持續時間與S4最大值乘積值和對應TEC 耗盡最大值的關系圖(圖3(b)).從圖3 中可以看到，TEC 耗盡和電離層閃爍在持續時間上呈現良好的線性關系，線性回歸分析發現二者呈顯著正相關，線性回歸方程為y=1.007 2x +1.071 8(圖3(a)實線)，相關系數為0.97;而TEC 耗盡最大值和S4最大值之間卻無明顯的線性關系.通過對數據進一步處理，將電離層閃爍持續時間與S4最大值的乘積值和TEC 耗盡最大值進行對比分析，發現二者正相關性增大，線性回歸方程為y=0.581x+5.7558(圖3(b)實線)，相關系數達0.67，表明TEC 耗盡程度和電離層閃爍持續時間及強度都有關系.

表1 給出了2011 和2012年每月強閃爍、弱閃爍分別發生的平均次數和對應TEC 耗盡發生的平均次數，以及二者同時發生的比例.表1 中c1和c2分別為強弱閃爍發生次數，d1和d2分別為對應強弱閃爍下TEC 耗盡的發生次數，d1/c1和d2/c2分別為強弱閃爍下二者同時出現的比例.可以看到，大多數月份強閃爍和TEC 耗盡同時出現的比例高于弱閃爍和TEC 耗盡同時出現的比例，閃爍發生時并不總是有TEC 耗盡發生.TEC 耗盡主要發生在春秋分季節，這與電離層閃爍出現的季節分布特征一致.

圖3 TEC 耗盡和閃爍持續時間及強度關系圖Fig.3 Distribution map of duration and degree of TEC depletions and scintillations

表1 2011 和2012年每月強、弱閃爍分別發生的平均次數以及對應TEC 耗盡同時發生的平均次數Table 1 Average occurrence number of strong and weak scintillations，and their corresponding TEC depletions for each month of 2011 and 2012

2.2 ROTI 和S4對比

為了更清楚地了解TEC 耗盡和電離層閃爍的關聯，圖4 給出了觀測到TEC 耗盡的幾個特定日子對應的特定衛星ROTI 和S4的對比.由于ROTI 是按5 min 間隔計算，而S4為每分鐘一個數據，所以對S4求5 min 的平均值.圖4 給出的觀測實例都顯示ROTI 和S4二者隨時間變化的形態結構十分相似，表明反映較大尺度不規則體的ROTI 和反映小尺度不規則體的S4密切關聯.ROTI 在數值上數倍于S4，兩者比值在1 到10 之間變化.但兩者在結構上也有不完全相同的情況，如圖4(e)中，在14:50 UTC 左右ROTI 出現一個極大值，但此時S4較小，這可能是由于小尺度不規則體衰減較快所引起的［14］.從圖4中還可以看到，S4和ROTI 的變化在時間上基本是同步的.

圖4 TEC 耗盡的ROTI 和S4關系圖Fig.4 Distribution map of S4 and ROTI of TEC depletions

大量研究結果表明，伴隨閃爍的出現，TEC 耗盡和ROTI 明顯增大，證明TEC 耗盡和電離層閃爍的發生以及ROTI 的增大伴隨出現是一種具有統計意義的普遍現象.圖5 是對深圳統計的ROTI 和S4對應關系分布圖.線性回歸分析算得二者呈正相關，相關系數達0.68.

圖5 ROTI 和S4對應關系分布圖Fig.5 Distribution map of S4 and ROTI

2.3 TEC 耗盡反演的等離子體泡的特性

圖6 顯示的是2011年3月25日對PRN 6 號衛星觀測的結果，在14:00 UTC 前有兩次TEC 耗盡發生，針對每一次TEC 耗盡，都對應有電離層閃爍發生，說明TEC 耗盡代表的不規則體可能為小尺度不規則體.在整個衛星運行軌跡中，衛星IPP 地理緯度隨時間增大，變化范圍約從20.5°N 至28°N，而地理經度在14:00 UTC 前基本保持在一個常值，表明TEC 耗盡代表的不規則體(等離子體泡)可能沿經線排列.分析PRN 6 號衛星觀測到兩次TEC 耗盡間的傳播路徑在電離層F 層投影軌跡表明，對兩次TEC 耗盡發生的區域，PRN 6 號衛星在電離層F 層投影軌跡相距遠大于400 m，這意味著兩次TEC 耗盡代表的等離子體泡不是同一個，這一分析對圖2中PRN 13 號衛星觀測到的結果同樣適用.

對比圖2 和6，圖2 中第1 次TEC 耗盡發生在14:00 UTC(22:00 LT)左右，第2 次發生在14:00 UTC后，第2 次TEC 耗盡代表的等離子體泡所處區域緯度比第1 次低;而圖6 中兩次TEC 耗盡都發生在14:00 UTC 前，后一次TEC 耗盡代表的等離子體泡所處區域緯度比前一次高.筆者對2011 和2012年一天內觀測到兩次或以上的TEC 耗盡并有電離層閃爍與之一一對應的衛星數進行了統計，結果如表2.結果表明在14:00 UTC 前觀測到的等離子體泡的緯度大部分具有升高的趨勢，而14:00 UTC 后其緯度有降低的趨勢.

圖6 2011年3月25日觀測到的PRN 6 號衛星TEC 和S4隨國際協調時(UTC)變化Fig.6 Variation of TEC and S4 with UTC on 25 March 2011 for PRN 6

表2 2011 和2012年每月觀測到兩次或以上TEC 耗盡并有閃爍與之一一對應的平均衛星數Table 2 Average number of PRNs that having observed two or more depletions，and one to one correspondence between the TEC depletions and scintillations for each month of 2011 and 2012

2.4 TEC 增強

在對2012年5月20日PRN 17 號衛星觀測結果圖的分析過程中，發現了晚間連續的TEC 增強現象.如圖7 所示，隨著衛星仰角的增大，斜向距離減小，TEC值總體上有一個下降的趨勢，但從13:20 UTC 左右起，TEC 值有兩次明顯突然增大的過程，持續時間都在15 min 以上，兩次TEC 增強值分別為5 和7 TECU.將圖7(d)與圖7(c)結合來看，發現S4在整個TEC增強過程中始終處于噪聲水平值以下，而不像TEC耗盡發生時的情形(S4增大).在對2012年5月20日其他衛星觀測結果的分析過程中，并未發現TEC 增強現象，TEC 增強可能是一個局部、獨立的事件.TEC 增強與電離層閃爍的發生沒有明顯的對應關系，也就意味著產生TEC 耗盡和增強的物理機制有所區別.

圖7 2012年5月20日觀測到的PRN 17 號衛星TEC 和S4隨國際協調時(UTC)變化Fig.7 Variation of TEC and S4 with UTC on 20 May，2012 for PRN 17

3 結果分析

利用華南地區深圳站觀測到GPS 電離層閃爍和TEC 數據，對觀測到的電離層閃爍與TEC 耗盡及增強之間的關系進行了分析，結論如下:

(1)TEC 耗盡與電離層閃爍事件的發生有著很好的對應關系.伴隨閃爍活動增強，都出現明顯的TEC 耗盡和ROTI 增大.

(2)電離層閃爍持續的時間及強度和TEC 耗盡持續時間及程度密切相關，在持續時間上呈顯著正相關，電離層閃爍持續時間與S4最大值乘積值和TEC 耗盡最大值呈線性關系.強閃爍和TEC 耗盡同時發生的比例大于弱閃爍和TEC 耗盡同時發生的比例.

(3)TEC 耗盡代表的等離子體泡基本沿經線排列，且在14:00 UTC 前觀測到的等離子體泡的緯度具有升高的趨勢，而14:00 UTC 后其緯度有降低的趨勢.

(4)華南地區晚間觀測到的TEC 增強現象和電離層閃爍無明顯對應關系.

由于F 層等離子體密度的任何擾動都能在TEC變化中體現出來，且低緯和赤道電離層閃爍是衛星發射信號穿透ESF 小尺度不規則體(即F 層等離子體密度耗盡)產生的，因而結論(1)說明TEC 耗盡的出現可能代表了晚間低緯F 層等離子體密度耗盡的出現，即代表了誘發電離層閃爍發生的ESF 小尺度不規則體的出現.這和文獻［10-11，13］所得的結論是一致的.所有這些分析結果表明:TEC 耗盡和電離層閃爍的發生有著很好的對應關系，而ESF 小尺度不規則體是誘發電離層閃爍的原因，說明TEC 耗盡可以作為赤道ESF 出現的前兆而預測ESF 的出現.

由圖2 和6 還發現，TEC 耗盡代表的等離子體泡基本沿經線排列.另外，根據表2 的統計結果，發現華南地區晚間等離子體泡在14:00 UTC(22:00 LT)前有向高緯漂移的趨勢，而14:00 UTC 后有向低緯漂移的趨勢.這里除有日落后由于R-T 不穩定性以及東向電場的反向增強，赤道低緯地區電離層底部形成的等離子體泡在重力引起的電流和東向電場與磁場的作用下向上運動并向兩極擴展沿磁力線排列產生的影響外，還有經向風的作用和影響.經向風在日落前由赤道方向反轉吹向兩極方向，日落后2 h 又重新吹向赤道方向并在22:00 LT 達到最大，所以筆者觀測到了華南地區等離子體泡在22:00 LT 前絕大部分有向高緯漂移趨勢，在22:00 LT 后也觀測到了華南地區等離子體泡絕大部分有向低緯漂移的趨勢.除此以外，還可能意味著除了赤道漂移過來的等離子體泡外，在赤道異常北駝峰區也產生了一些引起電離層閃爍的ESF 小尺度不規則體，這些不規則體在22:00 LT 后有從北駝峰向赤道漂移的趨勢.

文中還有一個值得注意的現象就是TEC 增強.研究中發現了多次晚間TEC 增強現象，但其幅度大多增長較小(在5 TECU 以內).圖7 指出這些TEC增強顯然不是由于斜向距離變化或者等離子體密度隨緯度正常變化所引起［10］，圖7 同時指出晚間TEC增強發生在赤道異常北駝峰區，這和Chen 等［7-11］的觀測結果一致.Le 等［6］提出，赤道區和等離子泡密切相關的極化電場的映射是引起局部等離子體密度增強的主因，當赤道區等離子泡上升到F 層頂部時，東向極化電場可以沿著電場線映射到較高緯度，能夠達到赤道異常駝峰區.映射極化電場使得高密度等離子體上升，進而導致赤道異常區等離子體密度增強(TEC 增強).有研究指出TEC 增強和等離子體泡發生的季節變化特性相似［15］，通常發生在春秋分季節，而很少在夏季發生.

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