基于IGS的TEC赤道异常南-北不对称性分析

黄 江，邓柏昌，黄林峰，林果果，蔡超军

(1. 广州气象卫星地面站，广东 广州 510640;2.华南理工大学 理学院，广东 广州 510640;3.南京信息工程大学 数学与统计学院，江苏 南京 210044)

电离层是近地空间环境的一个重要组成部分，处于地面以上约 60～1 000 km范围。这一区域内的地球大气层部分电离，形成由中性大气、自由电子和离子共同组成的层次。由于太阳辐射强度随着地磁纬度的增高而减小，仅考虑电子生成率和复合率的作用时，电离层电子密度也必然随纬度的增高而减小，在磁赤道地区最大。而大量的电离层观测结果表明，F 区峰值电子密度在磁赤道南北两侧10°～15°的附近出现极大值，这种现象称作电离层赤道异常(EIA)[1]。这是赤道电离层中较重要的异常现象，通常也称为Appleton异常，可由Martyn[2]提出的“喷泉效应”来解释这种异常现象：白天发电机层产生的东向极化场传到F层，在磁赤道F层中与水平磁场相结合使等离子体向上漂移，然后沿着磁力线向下扩散而形成双峰。在电离层中以 F 层的电子密度最高，并且在电离层电子浓度总含量(TEC)中占有极大的比重，所以赤道异常现象的形成和变化同样在磁赤道两侧的TEC形态反映出来。

自从发现了赤道异常现象以后，许多研究工作者通过大量的数值模拟和统计分析等对EIA现象进行了广泛研究[3-12]。大量研究表明EIA各参数(包括双峰的纬度位置与幅度、F2层峰值电子浓度NmF2和电子浓度总含量TEC等)不仅存在每日变化，还随着季节和太阳活动水平的不同有着的显著的变化。此外，赤道异常还存在南-北不对称性和显著的经度效应。Mendillo等[13]利用NASA-JPL提供的电离层GPS TEC地图数据分析了2002年6月和12月的年不对称特征。Bhuyan等[14]利用印度SROSS C2卫星数据研究了在第22周1995-1999年太阳活动上升期间经度75°E区域电离层F区赤道异常双峰的纬度位置和电子密度峰值变化特征，以及双峰位置和电子密度随太阳活动表现出在磁赤道两侧的不对称性特征。陈培仁[15]利用中国东部和日本垂测链的foF2数据，研究了东亚地区赤道异常随经度的变化效应。余涛等[16]利用太阳活动高年(2000)IGS提供的全球电离层TEC数据，通过傅立叶展开的方法，分析了白天电离层TEC周年和半年变化的全球特征。赵必强等[17]利用在亚洲-澳大利亚区域的GPS监测网得到的1996-2004年TEC数据，分析了电离层赤道异常双峰的强度、纬度位置、出现时间以及中午与日落后的峰槽比(CTR)等随太阳活动周的变化特征。张满莲[18]等利用在经度120°E附近的GPS监测网得到的TEC数据，分析了1998-2004年赤道异常峰槽比的日变化、季节变化特征以及和太阳活动的关系。

本文利用IGS(International GNSS Service)提供的TEC数据，研究东南亚地区经度在110°E区域白天电离层赤道异常双峰南北不对称性，包括双峰及双峰差异的季节变化、年变化等变化的不对称性特征，并对可能产生双峰南-北不对称性的机制进行了探讨。

1 数据来源

自GPS建成运行以来，许多电离层工作者投入到GPS-TEC的探测原理与数据处理方法的研究中,取得了大量的成果。其中,美国喷气动力实验室(JPL),欧洲定轨中心(CODE)，加拿大能源、矿山与资源中心(EMR) ,欧洲空间局( ESA)及西班牙卡塔卢尼亚理工大学(UPC)等机构分别完成了全球电离层地图GIM(global ionospheric map)算法,并事后提供基于国际GPS 服务中心(IGS)的全球GPS观测站数据的GIM产品。国际GPS服务中心IGS能提供全球范围内600多台站的GPS观测数据，其数据覆盖范围大、时间分辨率适中。利用GPS的双频观测量可以确定两个频率(1 575.42和1 227.60 MHz)的GPS信号在电离层介质中传播的总时延量之差。在一级近似条件下，由这一时延差可以得到整个射线路径上电离层的总电子含STEC(又称斜向TEC)。

图1给出了电离层简单薄层模型示意图，利用该模型可以近似计算出卫星信号穿刺点(IPP)上的VTEC：

(1)

其中，θ是接收机接受卫星信号的仰角，RE为地球半径，hm为电离层薄层到地面的高度。

图1 电离层薄层模型示意图Fig.1 Ionospheric single layer model

为了研究和分析电离层赤道异常现象的南北不对称性，本文选取的是IGS提供的全球电离层地图数据，GIM-TEC数据其时间分辨率为2 h，空间分辨率沿经纬度取5°×2.5°的格点。在2002年11月3日之前，每天TEC数据包括12张全球VTEC 地图，时间从01:00 UT 到 23:00 UT，为了便于数据插值计算，此后新数据每日包括13张全球VTEC 地图，时间从00:00 UT 到 24:00 UT。

电离层赤道异常的纬向分布有时表现为在磁赤道附近出现最大值，且赤道异常峰也可能在强磁扰期间消失，因此我们手动排除上述情况避免在本文统计分析中引入误差，最终只使用从2000年1月1日到2011年12月31日白天Kp≤3+的在磁赤道两侧出现明显双峰的每日数据。

2 数据分析

2.1 年变化

首先，按北半球季节变化特征将所有时间划分为4个季节：2-4月为春季，5-7月为夏季，8-10月为秋季，11-1月为冬季，在下面没有特别说明时，指的季节都是相对于北半球来说的。图2从上至下依次给出了2000-2011年每日太阳活动指数F10.7，赤道异常北驼峰和南驼峰每日的峰值TEC强度(Inc、Isc)、北-南驼峰强度差异(Icd)、峰值出现的地理纬度(Lnc、Lsc)和时间(Tnc、Tsc)，每小图中实线代表对应的月均值变化情况。由图中各参数的月均值变化曲线可以看出，赤道异常双峰每日峰值强度(Inc和Isc)都呈现明显的半年变化特征：在秋季和春季出现最大值，冬季和夏季出现极小值。并且，这种半年变化的双峰强度VTEC幅度的大小明显受太阳活动强弱的影响。双峰差异Icd的大小同样与太阳活动强弱明显相关，在太阳活动高时双峰差异Icd大，而太阳活动平静时双峰差异Icd较小。异常双峰纬度值在太阳活动高年变化幅度相对较小，而低年变化幅度相对较大，尤其是北驼峰在太阳活动低年峰值纬度呈明显的年变化：冬季远离磁赤道，夏季靠近磁赤道。赤道异常双峰峰值出现的平均时间大致在06：00-08：00UT (LT=UT+8)。

图2 太阳活动和EIA双峰各要素的散点图，实线代表对应参量的月均值变化Fig.2 The scatter diagrams of solar activity and EIA parameters Solid lines show the variation of the corresponding monthly mean values

为了解2000-2011年赤道异常双峰峰值TEC差异变化情况，图3分别给出了每年双峰差异Icd在2.5、5、7.5、10 TECU等情况下的统计分布图，每小图中给出了每年双峰差异Icd在给定的差异值范围内的3种不同情况下的百分比分布，其中Icd大于给定值时表示赤道异常双峰北驼峰强，Icd绝对值小于给定值时表示双峰强度差异不明显，Icd小于给定值的负值时表示南驼峰强。由图3(a)可以看出峰值强度差异在2.5 TECU范围时，每年中北驼峰比南驼峰强的比例随着太阳高年到低年(2001-2009年)呈逐渐减小的趋势，在高年2001年时达到74%，双峰差异不明显以及南驼峰强的比例随着太阳高年到低年呈逐渐增大的趋势。由图3(a-d)，随着Icd统计差异值的不断增大，每年北、南驼峰强的比例逐渐减小，双峰差异不明显的比例逐渐增大，在太阳活动极低年(2008和2009年)峰差异不明显(10 TECU范围内)的比例可达98%，而太阳活动极高年(2001和2002年)北驼峰强的比例仍达30%左右，南驼峰强的情况几乎没有。

图3 2000-2011年赤道异常北驼峰与南驼峰强度差异Icd统计Fig.3 Statistics of the daily strength difference of the northern and southern EIA crest (Icd) from 2000 to 2011

2.2 季节变化

图4给出了在太阳活动高(F10.7>=150)和低(F10.7<100)的情况下EIA双峰强度VTEC值、双峰差异Icd及F10.7对EIA双峰、双峰差异的贡献率的月均值变化图，其中I/F10.7表示单位太阳射电流量对驼峰强度VTEC的贡献。由图4(a)可以得出EIA双峰在太阳活动高和低的情况下都呈明显的半年变化特征：驼峰强度在春秋分期间出现极大值，夏冬至期间出现极小值。太阳活动高时EIA双峰VTEC值明显比太阳活动低时大。在春秋季月份，太阳直射点在赤道附近低纬地区，此时光化学作用最强，E×B漂移引起等离子体从磁赤道向两侧的传输运动达到最强，因此“喷泉效应”也最盛，尤其在太阳活动高年。而在夏冬季月份太阳直射点移至靠近中纬地区 “喷泉效应”减弱，赤道异常也相应减弱。在太阳活动高年，Inc平均最小值出现在夏季7月，冬季的Inc大于夏季的Isc，即北半球存在“冬季异常”的现象，但Isc最小值也出现在7月，由于7月南半球是冬季，12月南半球是夏季，因此南驼峰TEC峰值冬季小于夏季，不存在“冬季异常”，而在太阳活动低年“冬季异常” 也不明显，这一现象与徐振中等[19]在2012年的研究结果基本是一致的。Torr等[20]认为冬季异常现象是由南北半球能量输送的不平衡导致的，从处于夏季的南半球向处于冬季的北半球运送的中性物质，导致冬季北半球O/N2浓度比的增加，电离率升高，最终导致北驼峰值TEC增大，出现“冬季异常”现象，而反过程即从处于夏季的北半球向处于冬季的南半球的输送作用却被抑制。

图4 EIA双峰及F10.7对双峰的贡献率的月均值变化Fig.4 Variations of the monthly mean values over the 12 years of EIA crest and equivalent crest value per solar flux unit (I/F10.7)for conditions of high and low solar activity

在图4(b)中可以得出太阳活动高时北驼峰强度月均值都比南驼峰大，双峰差异Icd在4-7月期间最小(低至约3 TECU)，在10月到1月期间最大(可达约12TECU)；太阳活动低时双峰差异Icd在春分到秋分期间(4-10月)为正值，最大差异约4 TECU，而在11月到2月Icd为负值，最小值约-5 TECU。图4(c)中，在太阳活动高和低的情况下F10.7对EIA双峰的贡献率(Inc/F10.7、Isc/F10.7)变化都呈明显的半年变化特征。在夏季5月至7月期间，太阳活动低时F10.7对北驼峰的贡献率与太阳活动高时F10.7对EIA双峰的贡献率差不多相等，其它月份基本上都是F10.7对EIA双峰的贡献率在太阳活动高时大于太阳活动低时。图4(d)中，在太阳活动高时，F10.7对北驼峰的贡献率Inc/F10.7整体都比对南驼峰贡献率Inc/F10.7要大，双峰贡献率差异Inc/F10.7在4-7月期间最小，在10月-1月期间最大。在太阳活动低时，贡献率差异在4-10月期间为正值，且在春分至秋分月期间比太阳活动高时要大，而在10月到1月期间为负值。

图5给出了在太阳活动高和低的情况下EIA双峰出现的纬度位置、出现时间(UT)，以及双峰之间的纬度间隔和北-南驼峰时间差异Tcd的月均值变化图。由图5(a-b)可知在太阳活动高时，北驼峰位置比较固定，大致在20° -22°N，南驼峰位置夏至期间有向赤道靠近的趋势；在太阳活动低时，北驼峰位置大致在17° -20°N之间变化，冬季时向赤道靠近，南驼峰位置呈明显的年变化特征，在夏至期间驼峰向赤道靠近(约0°)，冬至期间偏向南极(约8°S)。图5(c)表明EIA双峰之间的距离在太阳活动高时明显要比太阳活动低时大，证明太阳活动对“喷泉效应”起增强作用，在太阳活动高年“喷泉效应”明显，双峰强度大且双峰纬度间距远。由图5(d-e)可知，在太阳活动高时，EIA双峰的出现时间相对稳定在07：00 UT左右，但北驼峰在6-8月份期间比其它月份偏晚大致在08UT；在太阳活动低时，北峰值的出现时间夏季明显比冬季要晚(时间差达2 h左右)，夏季大致在07：00-08：00 UT，冬季大致在06：00 UT，南峰值出现的时间与北峰情况相反，南峰冬季明显比夏季要早(时间差达1 h左右)，夏季大致在07：00UT，冬季大致在06：00 UT。图5(f)表明EIA北-南驼峰时间差异Tcd在太阳活动高的情况下除了6-8月份相差约1 h，而在其他月份北驼峰出现时间偏早不明显；在太阳活动低的情况下，冬季北驼峰最大值出现的时间要比南驼峰早约1 h，而在5-9月份期间北驼峰最大值出现的时间要比南驼峰晚约2 h。

图5 EIA双峰纬度位置与时间月均值变化Fig.5 Monthly mean variation of the geographic latitude and the occurrence time of EIA crest for conditions of high and low solar activity

Walker等[21]发现冬季驼峰增强出现在上午，认为出现峰值时间差异与各季节太阳直射点与磁赤道的位置相关，会对电离层等离子体传输速率起到增减作用。这可以解释一般当地球一半球冬季驼峰出现上午增强，另一半球夏季却出现的是傍晚增强现象，因此在北半球冬季驼峰出现的时间相对要早，而夏季期间驼峰出现的时间相对要晚，由于南半球的季节与北半球相反，驼峰出现的时间差异情况相应的也与北半球相反。

2.3 不对称性随太阳活动的变化关系

一般认为由于跨赤道的中性风会使等离子体沿磁子午线从地球的一半球向另一半球运动，从而使赤道异常在南北半球之间出现不对称。为了表示EIA双峰结构的这种不对称性特征，这里我们引入一个量化的参数[22]：不对称性指数Ia=(Inc-Isc)/((Inc-Isc)/2)。

图6给出了EIA不对称性指数Ia以及两分两至期间随太阳活动F10.7的变化关系。由图6(a)可知不对称性指数Ia负值的时间段主要是在太阳活动低(F10.7<100)的时候，最小值约-0.4，随着太阳活动的增强，Ia负值时间点逐渐减小，且Ia月均值逐渐呈线性增大。由图6(b)可知最明显的特征是在冬至期间随着太阳活动的升高，Ia均值增大的趋势非常明显，冬至期间Ia均值的最小值比两分和夏至期间都小(约-0.12)，最大值比两分和夏至期间都大(约0.18)；两分和夏至期间Ia均值基本上都大于零，说明Ia负值主要出现在太阳活动比较低的冬至期间，并且太阳活动越低时出现的概率越大；同样可以看出在夏至期间，随着太阳活动的升高，不对称性指数Ia均值变化趋势与冬至期间明显相反，指数由0.10减小到0.01左右。

图6 EIA不对称性指数Ia随太阳活动F10.7的变化Fig.6 Asymmetry index Ia of EIA changes with solar activity

Tsai等[21]结合跨赤道的中性风、太阳直射点以及在夏至和冬至期间的极区吹向赤道风理论综合分析：认为当北半球是夏季时，跨赤道的中性风会使等离子体沿磁子午线向南半球运动，这样对北驼峰的形成起到的是一个抑制的作用，相反对南驼峰起到增强作用，另一方面在南半球由南极的向赤道风向北运动的作用，使南驼峰出现向赤道偏移现象，这就可以解释南驼峰不论在太阳活动高还是低时南半球的冬季期间驼峰位置靠近赤道，并且这样现象在太阳活动低年时最为明显；当北半球是冬季时，反之亦然，同样可以解释北半球驼峰在太阳低年时冬季驼峰位置靠近赤道的现象，但是在太阳高年由于“喷泉效应”的增强这种驼峰位置漂移现象并没有出现；须要注意的是北半球夏季时的太阳直射点比南半球夏季时更接近磁赤道(约10°N)，这就表明较小的TEC值出现在太阳直射点接近磁赤道期间，这是由于电离层中的离子和电子结合并且太阳直射点附近TEC受到明显抑制，不对称性指数Ia夏至期间的变化说明随太阳活动升高，南驼峰与北驼峰强度差异有增大趋势。而当南半球夏季时太阳直射点相对其他季节离磁赤道最远，因此不能主导赤道电离层等离子体光化学作用和传输过程，因此在北半球冬季期间随着太阳活动的升高，主导作用越不明显，在冬季的双峰强度的不对称性显得更加明显。

3 结 论

利用IGS提供的太阳活动第23-24周期间2000年1月1日至2011年12月31日的GPS TEC数据，分析了东南亚地区经度在110°E区域白天电离层赤道异常双峰南北不对称性，包括驼峰强度、纬度位置、出现时间等不对称性变化特征以及随太阳活动的变化关系，并探讨了可能产生赤道异常南北不对称性的机理，结论如下：

1)EIA双峰强度都呈现明显的半年变化特征，在两分期间出现极大值，两至期间出现极小值。 太阳活动高时 “冬季异常”现象北半球明显，而南半球没有出现。北-南驼峰强度差异的大小与太阳活动强弱的关系比较明显，在太阳活动高年北驼峰比南驼峰要强且强度差异比低年时明显要大。

2)在不同的太阳活动情况下太阳射电流量F10.7对EIA双峰强度的贡献率都呈明显的半年变化特征。在太阳活动高时，每月F10.7对北驼峰的贡献率均值都比对南驼峰贡献率要大，北-南双峰贡献率差异在夏季期间最小，冬季期间最大。在太阳活动低时，在冬季期间每月F10.7对南驼峰的贡献率均值都比对北驼峰贡献率要大，在春分至秋分月期间每月F10.7对北驼峰的贡献率均值都比对南驼峰贡献率要大，并且此期间北-南双峰贡献率差异比在太阳活动高时要大。

3)EIA双峰的纬度位置南北不对称性表现在：在太阳活动高时，北驼峰位置比较固定，而南驼峰位置夏至期间驼峰向赤道靠近；在太阳活动低时，北驼峰位置冬季时向赤道靠近，而南驼峰位置呈明显的年变化，在夏至期间驼峰向赤道靠近，冬至期间偏向南极；EIA双峰之间的距离在太阳活动高时明显要比太阳活动低时大。对于EIA双峰时间差异，在太阳活动高时6-8月份北驼峰比南驼峰晚约1 h，在太阳活动低时，冬季北驼峰最大值出现的时间要比南驼峰早约1 h，而在5-9月份期间北驼峰最大值出现的时间要比南驼峰晚约2 h。

4)不对称性指数Ia长期变化特征表现在随着太阳活动的升高呈线性的增大，尤其是在冬至期间Ia增大的趋势非常明显。南驼峰比北驼峰强的时间主要出现在太阳活动比较低的冬至期间，而北驼峰比南驼峰强的时间主要出现在太阳活动极高的冬至期间。

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