GPS-CHAMP掩星探測的ES層不規則結構經度變化規律(2001—2008)

廖孫旻，徐繼生，程潔

武漢大學電子信息學院，武漢　430072

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GPS-CHAMP掩星探測的ES層不規則結構經度變化規律(2001—2008)

廖孫旻，徐繼生*，程潔

武漢大學電子信息學院，武漢430072

本文利用GPS-CHAMP高分辨率的掩星探測數據，考察了ES層不規則結構隨地理經度和隨季節、傾角磁緯與太陽活動的變化特征.研究發現，ES層不規則結構的經度變化以波數1～5分量為主，呈現出多重波數特征.在低緯度帶存在顯著的波數4分量，其幅度存在季節依賴，在夏季和秋季明顯高于春季和冬季.ES層不規則結構出現率隨傾角磁緯的變化表現為赤道區和中緯度區較低，低緯區和極區較高.ES層不規則結構出現率的季節變化和年均值的逐年變化表現為夏季出現最頻繁，秋季次之，冬春季最弱，隨太陽活動水平的減弱而降低.

ES層；閃爍；不規則結構；經度變化；GPS-CHAMP掩星

For our purpose to get the longitudinal variation of irregularities,the data from GPS-CHAMP radio occultation was binned for every 10° in longitude into 36 geographical longitude bins.The bins are all 30° wide in zonal and 5° wide in meridional.To get the dip latitudinal variation,the data was binned for every 1° in dip latitude into 171 dip latitude bins (85°S to 85°N)which are all 10° wide in meridional.Then we calculated the occurrence rates of ESlayer irregularities in each bin which were defined as the ratio of the number of occultation events occurring scintillation to the total number of all occultation events in the same bin.The method of Fourier analysis was applied to decompose them to extract the different order harmonic waves especially the WN-4.To examine the seasonal dependence of the longitudinal variations,each year was divided into four seasons.The periods during one and half month before and after the vernal equinox,the summer solstice,the autumn equinox and the winter solstice are defined as spring,summer,autumn and winter,respectively.

By using the data from GPS-CHAMP radio occultation and the Fourier series decomposition technology,we quantitatively investigated the feature of the wavelike fluctuation in longitudinal structure of occurrence rates of irregularities in the ESlayer and their dependence on the season,dip latitude and solar activity.The main results can be drawn as follows:(1)Longitudinal structures of irregularities in the ESlayer mainly contain the WN-1 to WN-5 components in addition to the WN-0 component (longitudinal average value),indicating that the longitudinal variations of irregularities in the ESlayer has the feature of multiple wave-numbers.(2)Wave components in different latitude and different season exhibit notable difference,WN-4 components are most obvious in the EIA peak region and occur most frequently in summer and autumn.(3)Occurrence rates of irregularities in the ESlayer vary with the dip latitude.In dip equator region and mid-latitude region,the rates are lower than those in the EIA peak region and the aurora region.(4)Occurrence rates of irregularities in the ESlayer show a strong seasonal dependence.The rates are the highest in summer,then in autumn,and the lowest in winter and spring.(5)Occurrence rates also exhibit inter-annual variation,which reduces with the decrease of solar activity.

Fourier series decomposition analysis was used to investigate the longitudinal structure which provides new understanding of the longitudinal variations of irregularities causing scintillation in the ESlayer.It is found that there exists the structure with seasonal dependent multiple wave numbers in the longitudinal variations of the occurrence rates of the ESlayer irregularities causing scintillation.The amplitude of WN-4 component is most intense in the EIA peak region.The results can provide insights into the understanding of the generation mechanism of longitudinal structure of the ESlayer irregularities and the coupling process between the lower atmosphere and the ionosphere.

1　引言

傳播介質的折射效應使得穿過大氣層和電離層的無線電信號的傳播路徑發生彎曲，從而使低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛星能接收到來自地平線以下的GPS發射的信號，形成掩星探測.與地基雷達探測或衛星探測相比，掩星探測不受地理環境約束，而且能得到高垂直分辨率的圖像，因此，GPS-LEO無線電掩星技術廣泛用于大氣層和電離層探測(Hajj and Romans，1998).

無線電波穿過電離層不規則結構傳播時，由于散射和衍射效應，無線電信號的振幅和相位發生快速隨機起伏，這種現象稱為電離層閃爍.電離層不規則結構引起折射指數強的隨機起伏，導致強閃爍及相對較大的彎曲角，這樣，對于探測這些不規則結構以及它們所在的位置，掩星測量成為十分有效的技術手段，這是傳統的地基探測技術無法實現的(Hajj et al.，2002；Straus et al.,2003).

早期的研究表明，電離層閃爍主要來源于F2層不規則結構，在近赤道區和極區出現最頻繁(Aarons,1982).后來的研究發現，由于ES層中不規則結構的散射，E層高度也頻繁觀測到強烈的閃爍(Rastogi,1983；Yue et al.，2014).ES層不規則結構的成因較為復雜，雙流不穩定性和梯度漂移不穩定性的發展以及平流層的重力波、大氣層的風場和電場等都可能導致ES層不規則結構的形成(Tsuda and Hocke，2004；Hocke and Tsuda,2001；Hocke and Igarashi,2002)，而且，在高緯帶、低緯赤道帶和中緯帶，ES的生成機制也不盡相同.近來的研究發現，ES的出現與當地的鈉元素濃度突然增強存在很強的相關性(Dou et al.，2009，2013).很多研究(Wu，2006；Zeng and Sokolovskiy，2010；Yue et al.，2014)指出，E層高度發生的信號閃爍與ES層不規則結構存在密切的關聯，據此人們通常用無線電掩星探測到的振幅和相位閃爍來判斷電離層ES層不規則結構的存在.

ES層閃爍及引起閃爍的不規則結構的出現與地方時、高度、緯度、季節以及地磁場都有著密切的關系.一般認為，ES層不規則結構大多發生在夏季中緯度地區，ES活動性的峰值高度約在90～120 km(Hocke et al.，2001；Wu,2006；Pavelyev et al.，2007；Arras et al.，2008；Zeng and Sokolovskiy，2010).Wu等(2005)提到ES活動性對磁傾角的依賴性，也有研究給出ES活動性隨地方時的變化(Fytterer et al.，2014).不過，在地理分布特性方面，此前對引起閃爍的ES層不規則結構的經度變化，特別是類波狀結構還缺少充分的研究.

最近人們注意到，非遷移潮汐在電離層E區生成經度調制的東向電場，導致電離層參量在4個彼此相隔約90°的經度上增強，即經度波數4圖樣(Sagawa et al.，2005；Wan et al.，2008).在低緯和赤道區，ES層不規則結構的出現率是否也存在經度波數4變化，值得深入研究.本文利用GPS-CHAMP衛星從2001年5月到2008年10月具有50 Hz高分辨率的掩星觀測數據，統計分析了引起L波段電波閃爍的ES層不規則結構的經度變化及其對季節、傾角磁緯和太陽活動等因素的依賴.研究工作有助于深入認識電離層與中低層大氣的耦合過程.

2　掩星測量與數據處理方法

CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)是由德國波茲坦地球科學研究中心(GFZ)主導研發的小型低地球軌道(LEO)衛星，主要用于地球重力場、地磁場及大氣層和電離層參量的測量.本文所用的數據是CHAMP衛星從2001年5月至2008年10月的GPS掩星觀測數據.由GFZ提供的50 Hz高分辨率掩星數據中包含了軌道坐標、掩星發生時間、雙頻信號的載波相位、L1頻率C/A碼的信噪比(Signal Noise Ratio,簡稱SNR)等信息.由于電離層和中性大氣層對無線電波的折射作用，電波路徑發生彎曲，使得LEO衛星能接收到來自地球“背面”的GPS衛星發出的信號.GPS信號穿過電離層傳播后，信號的相位和信噪比經常出現快速起伏.Hocke等(2001)指出，信號的快速起伏主要由位于GPS掩星射線近地點附近的不規則結構造成.為了研究這種不規則結構及其引起的閃爍出現的位置，本文依據Hocke和Igarashi(2002)給出的方法估算掩星近地點的坐標.

本文用歸一化的SNR及其標準差作為表征ES層不規則結構的特征參量.借鑒Wu等(2005)的方法，計算SNR標準差分兩步進行：(1)用101個點的窗口寬度作滑動平均消除SNR的長趨勢變化并得到歸一化SNR，(2)用51個點的窗口寬度計算歸一化SNR的標準差σ.Arras等(2008)提出，當最大標準差超過以經驗設定的閾值時，將SNR快速起伏定義為ES擾動.本文參考前人的做法(Wu，2006；Arras et al.，2008)，以閾值σ≥0.1作為出現不規則結構和閃爍的判據，采用設定的閾值可以抑制掩星觀測數據中背景噪聲的影響，而絕大部分ES閃爍依然可以識別出來.此外，利用雙頻差分載波相位計算相對總電子含量TEC及TEC的變化率ROT和TEC變化率的標準差ROTI等參量.對相對TEC消趨勢的方法與SNR消趨勢的方法相同，窗口寬度也相同，為101個點.

圖1是在低緯度區觀測到的1個典型的掩星事件，圖1從左到右依次為歸一化的SNR、歸一化SNR的標準差、相對TEC起伏以及TEC的變化率ROT 和TEC變化率的標準差ROTI.從圖1可以看出，信號在約100 km高度上下出現ES層不規則結構引起的電波閃爍.在這一高度區，SNR幅度出現快速漲落，其標準差在相同高度區明顯增大.從圖1還能看出，相對TEC和ROT在同一高度出現與SNR類似的起伏，而且ROTI在相應高度也有明顯增大.這些現象說明依據歸一化的SNR標準差或相對TEC快速起伏能有效地表征ES層不規則結構的特征.

按照Kelley和Heelis(1989)，ES層一般出現在90～125 km的高度范圍內，偶爾可以出現在更高些的高度，在90～110 km出現最為頻繁(Hocke et al.，2001).本文假定ES層出現在90 km到130 km高度帶內，在統計分析中，不計入此高度帶之外的數據.為了考察ES層不規則結構的經度變化特征，我們選用所有經度上傾角磁緯從80°S至80°N的數據.數據用以下方式進行網格化處理以得到每個網格中心的平均ES層不規則結構出現率：網格的中心傾角磁緯和經度間隔分別為1°和10°，南北向網格寬10°，東西向寬30°.計算每個網格內存在ES層不規則結構的掩星事件數與該網格內掩星事件總數之比，代表該網格上ES層不規則結構出現率的均值.

圖1　2002年1月11日11:23:52—11:25:16 UT在低緯度區(156.7°W，20.3°S，傾角磁緯20.9°S)觀測到的掩星事件(a)歸一化SNR；(b)歸一化SNR的標準差；(c)相對TEC起伏；(d)ROT；(e)ROTI.Fig.1　An occultation event observed in the low latitude region(156.7°W，20.3°S，dip latitude 20.9°S)during 11:23:52 UT to 11:25:16 UT on January 11 in 2002(a)Normalized SNR;(b)Standard deviation of normalized SNR;(c)Perturbation of relative TEC;(d)ROT;(e)ROTI.

本文用以下方式考察ES層不規則結構出現率的經度變化對季節的依賴.把1年分成4季.以春分日為中心前后1個半月為春季，夏至日為中心前后1個半月為夏季，秋分日為中心前后1個半月為秋季，冬至日為中心前后1個半月為冬季.

3　結果與分析

3.1ES層不規則結構的經度分布特征

為了考察ES層不規則結構隨經度的分布特征，本文以傾角磁緯15°N帶為例給出圖示.圖2的空心圓給出傾角磁緯15°N帶上實測的ES層不規則結構出現率隨經度的變化.由圖2可見，ES層不規則結構出現率隨經度變化呈現波狀起伏，同時可以注意到，ES層不規則結構的經度變化特征顯著依賴季節，不同季節波狀起伏圖樣差別很大.在春季，呈現起伏幅度較小的5個峰和5個谷；在夏季和冬季，呈現顯著的3峰結構，夏季和冬季3個峰出現的經度不同；秋季，在經度約165°W、60°W、15°E和120°E出現4個峰，呈現準4波結構.如圖2空心圓所示，在所有季節，ES層不規則結構出現率隨經度的變化都不是由單一波數構成，而是多種波數成分的疊加.如陳亞楠和徐繼生(2015)所指出，若經度變化可以分解為具有不同波數的諧波，則對每個固定的傾角磁緯帶，可以用N階傅里葉級數進行重構.傅里葉重構表達式為

(1)

式中Ri(φj,θi)是傾角磁緯為θi、經度為φj處ES層不規則結構的傅里葉重構值，a0是零階傅里葉系數，代表R的經度平均值，re是地球半徑，xj=reφj，an和kn分別是第n階諧波的幅度和波數，Φn是第n階諧波的初相位.ancos(knxj+Φn(Ii))代表第n階諧波分量.本文借助Matlab軟件平臺中的工具箱，通過傅里葉分解的方法計算得到1至8階諧波分量的振幅和相位.

圖2給出了8階傅里葉重構的經度變化(實線)與實測的經度變化(空心圓)的對比.從圖2可以看出，ES層不規則結構出現率經度分布的實測值與傅里葉重構值非常吻合，表明ES層不規則結構出現率的經度變化確實含有多重波數的諧波，可以用波數0至波數8的傅里葉諧波相當精確地重構.通過統計分析，得到春夏秋冬四個季節的重構值的標準差分別為0.40、0.50、0.49和0.25.

為了進一步分析ES層不規則結構經度結構的不同波數分量及其對季節的依賴，圖3a至3f分別給出了傾角磁緯15°N春夏秋冬四季波數1至波數6分量隨經度的變化.圖中實線、短虛線、長虛線和點虛線分別代表春季、夏季、秋季和冬季.由圖可見，波數1分量在夏季最強，幅度約為9.6%，冬季幅度次之，約為4.9%，夏季和冬季的相位接近反相，春季和秋季較弱，幅度分別為2.0%和2.4%.波數2分量的幅度也在夏季最高，秋季和冬季其次，春季最低，分別約為3.9%、3.0%、2.6%和1.3%，波數3相位夏季滯后于春季，秋季滯后于夏季，冬季和春季相位接近正交.在4個季節，波數3分量幅度相差不明顯，與波數1、波數2和波數4分量相比，整體上幅度偏低.波數4分量幅度在夏季和秋季明顯高于冬季和春季，秋季幅度最高，約為3.2%，夏季其次，幅度約為2.8%，冬季和春季的幅度分別是1.3%和0.5%，秋季和夏季相位接近，冬季和春季相位接近，夏季和春季相位接近正交.波數5分量的幅度在夏季最大，達到3.4%，冬季和春季次之，幅度在1%左右，秋季最弱，幅度僅為0.1%.多重波數結構以波數1至波數5為主，波數6分量幅度很小，波數7和波數8分量幅度更小，可以忽略.陳亞楠和徐繼生(2015)曾研究了日落赤道頂部電離層中離子總密度的經度變化，發現在每個季節都存在波數1至波數4分量，離子總密度的經度變化圖像顯著依賴季節.圖3證實了陳亞楠和徐繼生(2015)的結果，并進一步得到ES層不規則結構出現率的經度變化存在波數1至波數5結構，在不同季節，其圖像也存在顯著的差異.

圖2　傾角磁緯15°N四季ES層不規則結構出現率經度變化測量值與傅里葉重構值.圖中實線代表傅里葉重構值，空心圓記號代表測量值Fig.2　A comparison of longitudinal variations of observed and the Fourier reconstructed occurrence rates of irregularities in the ES layer for four seasons at dip latitude 15°N.The solid lines represent Fourier reconstructed values and the circle symbol represent observed ones

圖3　傾角磁緯15°N的ES層不規則結構出現率經傅里葉分解后得到的波數1～6分量，圖中實線、短虛線、長虛線和點虛線分別代表春季、夏季、秋季和冬季Fig.3　The Fourier decomposed WN-1 to WN-6 components of the occurrence rates of irregularities in the ES layer for four seasons at dip latitude 15°N,represented by solid line (spring),short dash line (summer),long dash line(autumn)and dot line(winter)

圖4　ES層不規則結構出現率隨傾角磁緯的變化，實線代表2001—2008年的值，短虛線和長虛線分別代表2001—2004年和2005—2008年的值Fig.4　Variations of the occurrence rates of irregularities in the ES layer with the dip latitude,represented by solid line (value from 2001 to 2008),shot dash line (2001 to 2004),long dash line (2005 to 2008)

3.2ES層不規則結構的緯度分布特征

在分析ES層不規則結構的緯度分布特征時，對同一傾角磁緯帶上的數據取經度平均，得到出現率隨傾角磁緯的分布，如圖4所示.圖4分別給出2001—2008年(實線)年平均ES層不規則結構出現率隨傾角磁緯的變化曲線以及太陽活動水平較高的2001—2004年(短虛線)和太陽活動水平較低的2005—2008年(長虛線)相應的變化曲線比較.由圖4可以看出，ES層不規則結構出現率的緯度分布在傾角赤道附近有極小值，而在磁赤道南北兩側，出現率逐步增大，在南北半球傾角磁緯22°附近達到極大值，北半球的極大值略高于南半球，隨后出現率隨傾角磁緯的增高而減小，南半球在傾角磁緯45°S附近出現極小值，北半球在傾角磁緯60°N附近出現極小值.然后隨傾角磁緯增高而增高，在傾角磁緯75°N和80°S附近出現極大值，南半球的極大值略高于北半球.此前，Arras等(2008)的研究表明，在中緯度40°上下，ES層不規則結構出現率最高，Wu等(2005)的研究則得到，ES變化的全球分布表現出很強的傾角依賴，夏季中緯度的ES大多發生在傾角磁緯16°—40°的區域，冬季極區的ES大多發生在傾角磁緯約70°以上的區域.本文圖4所示的結果與上述研究結果稍有不同，表現為從傾角赤道區到極區，ES層不規則結構出現率在南北半球各有一個主極大和一個次級大，主極大出現在赤道異常峰區附近，次極大出現在極光區.此外，太陽活動水平較高的2001—2004年，ES層不規則結構出現率也明顯高于太陽活動水平較低的2005—2008年，暗示ES層不規則結構出現率對太陽活動水平的依賴.對此下文還將進一步討論.

圖5　經度平均ES層不規則結構出現率的季節變化(a)傾角磁緯10°N—40°N；(b)傾角磁緯10°S—40°S；(c)傾角赤道.Fig.5　Seasonal variations of the longitude-average occurrence rates of the ES layer irregularities(a)Dip latitude 10°N—40°N;(b)Dip latitude 10°S—40°S;(c)Dip equator.

3.3ES層不規則結構的季節變化與逐年變化特征

圖5是不同磁緯帶上經度平均ES層不規則結構出現率隨季節的變化.從圖5中可以看出，無論在南半球還是在北半球，中低緯度區ES層不規則結構出現率都在當地夏季最高，秋季低于夏季，冬季和春季最低.在相同季節，北半球出現率略高于南半球，表現出半球不對稱性.在傾角赤道帶上，季節變化不甚明顯，出現率僅有較小起伏，夏秋季略高于冬春季.此前的研究表明，ES不規則結構在夏季半球出現率最高，且總體而言北半球出現率高于南半球(Wu，2006)，本文的研究結果與前人的結果基本一致.

圖6給出ES層不規則結構出現率年平均值的逐年變化.如圖6所示，ES層不規則結構出現率年平均值的逐年變化顯示出對太陽活動的依賴性.在全球范圍內，從2001至2008年，隨太陽活動水平的逐步降弱，ES層不規則結構出現率基本上呈現遞減趨勢.Wu(2006)指出，ES活動性受太陽活動的調節，表現出劇烈的年度變化和逐年變化，從2001年至2006年逐漸減弱.圖6展示的結果與Wu(2006)的研究結果基本一致.中緯地區的ES應該隨太陽活動變化很小，本節的結果可能主要是高緯和低緯的貢獻.

圖6　ES層不規則結構出現率年均值的逐年變化Fig.6　Inter-annual variation of annual average occurrence rates of irregularities in the ES layer

4　結論

本文基于2001年至2008年GPS-CHAMP衛星的高分辨率掩星觀測數據，利用傅里葉分解與重構技術，分析了引起L波段電波閃爍的ES層不規則結構的經度變化特征，并通過統計分析，獲得了ES層不規則結構出現率隨季節、傾角磁緯和太陽活動的變化.主要結果如下：

(1)發現ES層不規則結構出現率存在經度變化，這種經度變化以波數1至波數5為主，具有多重波數結構，夏季和秋季波數4分量明顯強于冬春兩季.

(2)ES層不規則結構出現率存在顯著的緯度變化.在赤道異常峰區(南北半球傾角磁緯22°附近)以及極光區(傾角磁緯75°N和80°S附近)出現最頻繁.傾角赤道區和中緯度區活動性相對較弱.在赤道異常峰區，ES層不規則結構出現率北半球稍高于南半球，在極區，南半球稍高于北半球.

(3)在中低緯地區，季節變化特征表現為ES層不規則結構出現率夏季最高，冬季最低；在傾角赤道帶上，季節變化不明顯.

(4)ES層不規則結構活動性的年均值的逐年變化特征顯示ES層不規則結構與太陽活動性密切相關，在太陽活動高年活動水平明顯增強.

自Sagawa等(2005)發現電離層F2層參量存在經度波數4變化以來，許多研究者證實，F層峰區和頂部F層多種參量都存在經度波數4變化.不過，ES層不規則結構是否也存在經度波數4變化還鮮有報道.本文的研究結果證實ES層不規則結構出現率存在顯著的經度多重波數結構，這有助于對電離層與中低層大氣耦合過程的深入認識.對ES層不規則結構的經度變化的形成機理，還需要進一步的理論和數值模擬研究.

致謝本文所用掩星數據由德國波茲坦地球科學研究中心(GFZ)H.Lühr教授提供，作者謹致感謝.

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(本文編輯胡素芳)

Longitudinal variations of ESlayers irregularities based on GPS-CHAMP occultation measurements (2001—2008)

LIAO Sun-Min，XU Ji-Sheng*,CHENG Jie

College of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan 430072，China

In order to obtain information about ionospheric scintillation caused by small-scale irregularities in the sporadic E (ES)layer,the data from GPS-CHAMP radio occultation measurements with 50 Hz resolution were treated and analyzed in this paper.The main purpose of this study is to investigate the longitudinal variations which are represented by the occurrence rates of the scintillation caused by irregularities in the ESlayer.Also,the statistical analysis of the relationship between the occurrence rate of irregularities in the ESlayer and season,dip latitude and solar activity is carried out.

ESlayers;Scintillation;Irregularities;Longitudinal variations;GPS-CHAMP occultation

廖孫旻，徐繼生，程潔.2016.GPS-CHAMP掩星探測的ES層不規則結構經度變化規律(2001—2008).地球物理學報，59(8):2739-2746,

10.6038/cjg20160801.

Liao S M，Xu J S,Cheng J.2016.Longitudinal variations of ESlayers irregularities based on GPS-CHAMP occultation measurements (2001—2008).Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(8):2739-2746,doi:10.6038/cjg20160801.

國家自然科學基金(41274160)項目資助．

廖孫旻，女，1991年生，2013年畢業于武漢大學，現為武漢大學碩士研究生，主要從事電離層研究.E-mail:whulsm@163.com

徐繼生，男，武漢大學電子信息學院教授，主要從事電離層和電波傳播研究.E-mail:jsxu@whu.edu.cn

10.6038/cjg20160801

P352

2016-02-11，2016-05-31收修定稿