國(guó)際參考電離層在電離層電子密度特征分析中的應(yīng)用*

王 成 王解先

(同濟(jì)大學(xué)測(cè)量與國(guó)土信息工程系，上海 200092)

國(guó)際參考電離層在電離層電子密度特征分析中的應(yīng)用*

王 成 王解先

(同濟(jì)大學(xué)測(cè)量與國(guó)土信息工程系，上海 200092)

對(duì)國(guó)際參考電離層源程序的構(gòu)成及功能進(jìn)行了闡述，并基于源程序編寫(xiě)接口程序?qū)崿F(xiàn)了電離層電子密度等參數(shù)的批量計(jì)算。將國(guó)際參考電離層用于電離層電子密度特征分析，能夠較好地反映電離層電子密度隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)于赤道異常和冬季異常能夠明晰地表達(dá)，用于計(jì)算中緯地區(qū)TEC的可靠性較高。同時(shí)，分析了在不同緯度、不同地磁條件下國(guó)際參考電離層模型值與數(shù)字測(cè)高儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異，為國(guó)際參考電離層在中國(guó)區(qū)域電離層的應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)。

電離層;國(guó)際參考電離層;電子密度;TEC;測(cè)高儀

1 引言

國(guó)際參考電離層是由太空委員會(huì)(COSPAR)和國(guó)際電波科學(xué)聯(lián)盟(URSI)在20世紀(jì)60年代末共同發(fā)起建立的電離層模型。它是利用全球范圍內(nèi)可用的地基和衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，避免了電離層變化過(guò)程與上下耦合機(jī)制不斷發(fā)展的理論分析所帶來(lái)的不確定性［1］。由于不斷引入新的數(shù)據(jù)和模式，國(guó)際參考電離層模型一直在持續(xù)升級(jí)。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者利用國(guó)際參考電離層的早期版本與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比分析得到了一些結(jié)論［2-4］。目前，國(guó)際參考電離層的最新版本為IRI2007。本文將詳細(xì)介紹最新版本國(guó)際參考電離層及其數(shù)據(jù)來(lái)源，描述國(guó)際參考電離層源程序的構(gòu)成及功能，編寫(xiě)接口程序?qū)崿F(xiàn)了電子密度等參數(shù)的批量計(jì)算，并將國(guó)際參考電離層用于電離層電子密度特征分析，如電子密度隨時(shí)間的變化規(guī)律、赤道異常、冬季異常等。在地磁平靜和擾動(dòng)下分別將國(guó)際參考電離層模型值與電離層數(shù)字測(cè)高儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 國(guó)際參考電離層

國(guó)際參考電離層(International Reference Ionosphere，IRI)是根據(jù)大量電離層探測(cè)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢杂?jì)算海拔50到1 500千米范圍內(nèi)電子密度月平均值、電子溫度、離子成分、離子溫度等參數(shù)［1，5］。太空委員會(huì)主要是對(duì)作為地球環(huán)境的一個(gè)組成部分-電離層做全面的描述，以用來(lái)評(píng)估空間環(huán)境對(duì)航天器和太空實(shí)驗(yàn)的影響。而國(guó)際電波科學(xué)聯(lián)盟主要是將國(guó)際參考電離層的電子密度用來(lái)作為電波傳播科研與應(yīng)用的背景電離層。國(guó)際參考電離層模型的最新版本為IRI2007，該版本的更新有:1)新增兩個(gè)針對(duì)頂部電子密度的選項(xiàng);2)新增頂部離子成分模型;3)首次加入擴(kuò)展F層發(fā)生幾率模型; 4)加入E層極光區(qū)域電子密度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;5)新增等離子體電子溫度模型;6)更新了國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型［1］。

國(guó)際參考電離層的數(shù)據(jù)源除了采用電離層探測(cè)儀網(wǎng)絡(luò)外，還包含了非相干散射雷達(dá)、火箭探空數(shù)據(jù)、地面接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和上層探測(cè)器(電離層探測(cè)衛(wèi)星)。其中非相干散射雷達(dá)測(cè)量的IRI模型參數(shù)可覆蓋所有高度范圍，但全球范圍內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)雷達(dá)在運(yùn)行中。這些雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)于描述電離層隨時(shí)間、季節(jié)的變化以及太陽(yáng)活動(dòng)狀況是必需的，然而衛(wèi)星數(shù)據(jù)則是描述全球電離層形態(tài)參數(shù)的主要來(lái)源。在電離層底部存在大量中性氣體，雷達(dá)和衛(wèi)星測(cè)量均難以探測(cè)電離層參數(shù)，火箭探空成為IRI模型的主要數(shù)據(jù)來(lái)源［1］。美國(guó)宇航局空間物理數(shù)據(jù)設(shè)備與國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供了國(guó)際參考電離層的Fortran源程序(http://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/ models/ionospheric/iri/)。

IRI源程序包含F(xiàn)ortran程序、模型系數(shù)文件和IRI2007模型的索引文件。其中主要文件及其作用見(jiàn)表1。

用戶(hù)可以根據(jù)IRI源程序編譯成可執(zhí)行程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子密度等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，具體編譯指令為gfortran-o iri*.for。

編譯之后的可執(zhí)行程序和國(guó)際參考電離層的在線計(jì)算類(lèi)似，它是一個(gè)交互式的計(jì)算過(guò)程，即需要用戶(hù)手動(dòng)輸入經(jīng)緯度、時(shí)間、高度范圍、模型選擇等等諸多參數(shù)之后才通過(guò)調(diào)用相關(guān)子程序計(jì)算得出結(jié)果?？紤]到實(shí)際需要，可以修改IRI源程序，對(duì)IRI核心計(jì)算子程序以及輸入?yún)?shù)抽象為一個(gè)接口子程序進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子密度等參數(shù)的批量計(jì)算。同時(shí)，可將修改后的IRI程序編譯成共享對(duì)象(Windows平臺(tái)稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))以方便其他語(yǔ)言調(diào)用。

由IRI程序可獲得許多有用的信息，比如區(qū)域電離層(Total Electron Content，TEC)分布。

表1 IRI源程序說(shuō)明Tab.1 Description of IRI source program

3 電離層電子密度特征分析

3.1 不同時(shí)刻電子密度的高度剖面

根據(jù)國(guó)際參考電離層計(jì)算地點(diǎn)位于緯度為31°、經(jīng)度為121°在2011年8月9日這一天當(dāng)?shù)貢r(shí)間為02:00、08:00、14:00、20:00四個(gè)時(shí)刻分別代表夜、晨、午、昏的電子密度高度剖面如圖1所示。

由圖1可知同一位置不同時(shí)段電離層電子密度隨時(shí)間變化劇烈，逐日變化大。早晨電子密度峰值高度較低，隨著太陽(yáng)照射的角度增大和時(shí)間的增加，電子密度和峰值高度不斷增大，最大值出現(xiàn)在午后，隨后電子密度不斷下降，至夜晚時(shí)D層電子密度大大降低，而E層開(kāi)始消失，其高度開(kāi)始上升。隨著夜間E層的升高，電波可以被反射到更加遙遠(yuǎn)的地方［6］。

3.2 赤道異常

在地球磁赤道左右約20°之間的F2層形成一個(gè)電離度高的溝，這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為赤道異常。由于在赤道附近，地球磁場(chǎng)幾乎水平，陽(yáng)光的加熱和潮汐作用電離層下層的等離子上移，穿越地球磁場(chǎng)線，在E層形成電流并與水平的磁場(chǎng)線的相互作用導(dǎo)致磁場(chǎng)赤道附近20°之間F層的電離度加強(qiáng)［6］。根據(jù)國(guó)際參考電離層計(jì)算2011年8月9日世界時(shí)為7時(shí)全球電離層的電子含量如圖2所示;2011年8月9日當(dāng)?shù)貢r(shí)間為14時(shí)，經(jīng)度為120°，緯度覆蓋從南緯90°至北緯90°的經(jīng)度鏈上的F2層電子密度峰值分布如圖3所示。

由圖2和圖3可知，F(xiàn)2層電子密度并不在磁赤道上空最大，它受到地球磁場(chǎng)的控制而呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，分別在地磁北緯和南緯20度附近達(dá)到最大值。地磁北緯電子密度峰值比南緯電子密度峰值大，且北緯電子密度分布差異較大，而南緯電子密度分布則比較均勻。

3.3 冬季異常

夏季由于陽(yáng)光直射中緯地區(qū)，白天F2層的電離度加強(qiáng)，但由于季節(jié)性氣流的影響分子對(duì)單原子的比例增高，造成離子的捕獲率增高。這個(gè)捕獲率的增高甚至強(qiáng)于電離度的增高，從而造成夏季F2層電子密度峰值在白天比冬季低，這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為冬季異常［6，7］。在北半球冬季異常每年都出現(xiàn)，而太陽(yáng)活動(dòng)低年里南半球沒(méi)有冬季異常。根據(jù)國(guó)際參考電離層分別計(jì)算地點(diǎn)位于緯度為31°、經(jīng)度為121°，在2010年6月21日(夏至)和2010年12月22日(冬至)這兩天F2層電子密度峰值與峰值高度如圖4、5所示。

由圖4可知，冬季異常僅發(fā)生在日出與日落之時(shí)，白天冬季F2層電子密度明顯高于夏季，而日落后F2層峰值密度迅速降低且明顯小于夏季。同時(shí)，冬季F2層峰值密度的變化比夏季劇烈，造成這種現(xiàn)象可能是由于電離層的電離度在冬季起主導(dǎo)作用，而較少受到其他因素的影響。由圖5可知，夏季與冬季F2層峰值高度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，白天夏季峰值高度大于冬季峰值高度，但冬季白天的峰值高度小于夜晚的峰值高度。

3.4 IRI與電離層測(cè)高儀數(shù)據(jù)對(duì)比

為了檢驗(yàn)國(guó)際參考電離層，將IRI模型值分別與位于黑龍江漠河、北京昌平、武漢左嶺鎮(zhèn)、海南富克這四個(gè)臺(tái)站的數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)作對(duì)比分析。4個(gè)臺(tái)站具體信息如表2。

表2 臺(tái)站信息Tab.2 Information of stations

采用2011年1月21日、2011年2月18日這兩天四個(gè)臺(tái)站的數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)，采樣間隔為0.5小時(shí)。其中1月21日的地磁活動(dòng)較為平靜，而2月18日發(fā)生了R2-中等太陽(yáng)X射線耀斑事件以及G1-小的地磁暴事件。這兩天地磁Ap指數(shù)、Dst指數(shù)如圖6、7。通過(guò)國(guó)際參考電離層模型計(jì)算TEC與測(cè)高儀實(shí)測(cè)TEC結(jié)果如圖8。

圖6 地磁場(chǎng)Ap指數(shù)Fig.6 Ap index of geomagnetic field

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境研究預(yù)報(bào)中心的空間環(huán)境警報(bào)可知，在2011年2月18日06:00(UTC)至09:00(UTC)發(fā)生G1-小級(jí)別的地磁暴事件，在10:07(UTC)至10:15(UTC)發(fā)生M6.6級(jí)別的太陽(yáng)X射線耀斑事件。由圖6和圖7可知，2011年1月21日地磁活動(dòng)比較平靜，而2011年2月18日的Ap指數(shù)在UTC6～9時(shí)急劇上升，隨后緩慢下降，但仍高于地磁平靜時(shí)狀態(tài)。2011年1月21日Dst指數(shù)變化趨勢(shì)比較平緩，而2011年2月18日的Dst指數(shù)變化比較劇烈，在UTC10時(shí)X射線耀斑事件后逐漸下降，幾個(gè)小時(shí)后逐漸恢復(fù)。

由圖8可知，從黑龍江漠河站至海南富克站(即高緯至低緯)電子含量呈逐漸增大的趨勢(shì)。通過(guò)IRI模型計(jì)算的TEC與測(cè)高儀實(shí)測(cè)值整體趨勢(shì)較為符合，但存在一定的偏差。模型值與地處中緯的武漢左嶺鎮(zhèn)臺(tái)站數(shù)據(jù)符合程度比其他臺(tái)站好，而與低緯的海南富克臺(tái)站數(shù)據(jù)存在較大的偏差。這是由于低緯地區(qū)電離層逐日變化起伏較大，造成低緯實(shí)測(cè)TEC與IRI模型值相差較大。對(duì)于2011年2月18日地磁活動(dòng)較為劇烈狀態(tài)下，漠河站、昌平站和富克站實(shí)測(cè)TEC沒(méi)有發(fā)生明顯的劇烈變化，武漢左嶺鎮(zhèn)站測(cè)高儀實(shí)測(cè)TEC在UTC9時(shí)急劇增大，而IRI模型不能夠較好地響應(yīng)這一突發(fā)磁暴事件。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，國(guó)際參考電離層能夠較好地反映電離層電子密度隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)于赤道異常和冬季異常能夠明晰地表達(dá)，用于計(jì)算中緯地區(qū)TEC的可靠性相對(duì)較高。高緯地區(qū)的模型值與數(shù)字測(cè)高儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有一定的偏差，而低緯地區(qū)模型值與實(shí)測(cè)值存在較大的偏差，其原因在于低緯地區(qū)電離層逐日變化較大。中緯地區(qū)電離層受磁暴等事件能夠快速響應(yīng)而發(fā)生劇烈變化，而低緯和高緯無(wú)明顯的TEC變化，且國(guó)際參考電離層亦無(wú)法響應(yīng)此類(lèi)地磁擾動(dòng)事件。如果要進(jìn)一步精化國(guó)際參考電離層，需要更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)際參考電離層做統(tǒng)計(jì)分析，將中國(guó)區(qū)域電離層變化的特殊規(guī)律融入模型，才能較好地反映中國(guó)區(qū)域電離層變化特性。

致謝 感謝國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程科學(xué)數(shù)據(jù)和中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境研究預(yù)報(bào)中心提供數(shù)據(jù)和資料!

1 Bilitza D and Reinisch B W.International reference ionosphere 2007:Improvements and new parameters［J］.Advances in Space Research，2008，42:599-609.

2 蔡紅濤，馬淑英，Schlegel K.高緯電離層氣候?qū)W特征研究——EISCAT雷達(dá)觀測(cè)及與IRI模式的比較［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2005，48(3):471-479.(Cai HongTao，Ma Shuying and Schlegel K.Climatologic characteristics of high -latitude ionosphere---EISCAT observations and comparison with the IRI model［J］.Chinese Journal of Geophysics，2005，48(3):471-479)

3 沈長(zhǎng)壽，肖佐.IRI-90及其與中國(guó)電離層資料f0F2的比較［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，1993，13(4):316-321.(Shen Changshou and Xiao zuo.A comparison of f0F2 observed at 8 stations of China with that predicted from the IRI-90 model［J］.Chinese Journal of Space Science，1993，13 (4):316-321)

4 羅發(fā)根，戴開(kāi)良，權(quán)坤海.國(guó)際參考電離層IRI-90與中國(guó)實(shí)測(cè)電離層月平均電子密度剖面形狀的比較［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，1994，14(4):305-311.(Luo Fageng，Dai Kailiang and Quan Kunhai.A comparison of the international reference ionosphere(IRI-90)with the electron density profile of the ionosphere observed in China［J］.Chinese Journal of Space Science，1994，14(4):305-311)

5 程建全，楊育紅，辛剛.國(guó)際參考電離層關(guān)鍵輸入?yún)?shù)計(jì)算及應(yīng)用［J］.信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，12(1):55-59.(Cheng Jianquan，Yang Yuhong and Xing Gang.Computation and application of key input parameters of international reference ionosphere［J］.Journal of Information Engineering University，2011，12(1):55-59)

6 Wiki Pedia.Ionosphere［EB/OL］.http://en.wikipedia.org/wiki/Ionosphere，2011.

7 霍星亮，袁運(yùn)斌，歐吉坤.基于GPS資料研究中國(guó)區(qū)域電離層TEC的周日變化、半年度及冬季異?，F(xiàn)象［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2005，15(5):626-630.(Huo Xingliang，Yuan Yunbin and Ou Jikun.The diurnal variation，semiannual period and winter anomaly of ionosphere TEC in China area based on GPS observations［J］.Progress in Natural Science，2005，15(5):626-630)

INTERNATIONAL REFERENCE IONOSPHERE AND ITS APPLICATION IN FEATURES ANALYSIS OF IONOSPHERE ELECTRON DENSITY

Wang Cheng and Wang Jiexian
(Department of Surveying and Geo-informatics，Tongji University，Shanghai 200092)

The latest version of international reference ionosphere，updating contents and data sources are introduced.The construction and functions of international reference ionosphere source program is elaborated.Interface routine based on source program is achieved for computing ionosphere electron density and other parameters.By use of international reference ionosphere for the features of ionosphere electron density.It is able to express electron density’s variation with time，equatorial anomaly and winter anomaly.It’s highly reliable for computing TEC of middle latitude area.Also，discrepancies between international reference ionosphere model value and data of digital ionosondes are analyzed on different latitude and different geomagnetic conditions which can provide reference for application of international reference ionosphere in China regional ionosphere.

ionosphere;international reference ionosphere;electron density;TEC;ionosonde

1671-5942(2012)02-0055-05

2011-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(40974018，41174023)

王成，男，1985年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星大地測(cè)量與應(yīng)用.E-mail:acex@foxmail.com

P352

A