王胜国 史建魁 王国军 王 霄 谢志辉 陈光明

(1.中国科学院空间科学与应用研究中心空间天气学国家重点实验室,北京 100190;2.北京应用气象研究所,北京 100029)

1.引 言

电离层经验(NeQuick)模型是由意大利萨拉姆国际理论物理中心的高空物理和电波传播实验室(ARPL-ICTP,Trieste)与奥地利格拉茨大学的地球物理、气象和天体物理研究所(IGAM,university of Graz)联合研究开发的电离层模型。该模型已被欧洲Galileo系统的单频用户采用修正电离层延迟,被国际电信联盟的无线电部门(ITU-R)采用作为计算电子总含量(TEC)的可选方法。该模式还被澳大利亚用来定性评估未来的全球导航卫星系统(GNSS);被英国的卢瑟福-阿普尔顿实验室用来通过 f oF2和 M(3000)F2预报值预报垂直TEC.NeQuick模式不断获得改进[1-5],最新版本为NeQuick 2[6]。

NeQuick模式是一个经验模式,利用各种资料源验证模式在不同地区的有效性是十分必要的。一些研究[7-8]发现该模式在低纬地区太阳活动高年低估了顶部区域电子密度和TEC。P.Coïsson等[9]利用赤道地区资料研究发现NeQuick模式在太阳活动高年日间低估F2层底部厚度参数大约20 km.S.G.Wang[12]等利用海南高年资料研究发现早上NeQuick模式一般低估F2层底部厚度参数大约25 km.B2bot是NeQuick模式的电离层F2层底部厚度参数,此参数同时包含在NeQuick模式的顶部剖面公式中。因此,电离层剖面的模拟效果直接影响电离层TEC的计算,所以对NeQuick模式而言,验证模式底部厚度参数B2bot计算模型的有效性,研究不同地区B2bot的日变化、季节变化及其随太阳活动性的变化具有重要意义。

我国低(磁)纬度地区,尤其是海南地区,其位置位于磁赤道附近的北半球赤道异常峰区南侧。海南电离层探测站(109.1°E,19.5°N;磁坐标:178.95°E,8.1°N)建立于2002年,取得了大量的电离层探测数据。利用这些资料王霄[13]等研究了海南地区的电离层漂移特性。王国军[14]等研究了海南地区的扩展F季节变化特性。

本文利用海南电离层探测数据,详细分析了中国低纬地区 F2层底部厚度参数 B2bot最佳值(B2best)和NeQuick模式计算值(B2NeQuick2)之间的差异(ΔB2),B2best季中值和相对值(R=B2best/B2NeQuick2)季中值的日变化、季节变化和年际变化规律;并在此基础上对NeQuick 2模式的B2bot计算公式进行了修正。

2.资料和分析方法

研究数据来源于中国海南电离层观测站经过SAO-Explorer(SAO Explorer,Interactive Ionogram Scaling Technologies,http://ulcar.uml.edu/SAO-X/SAO-X.html)[10]软件订正的15分钟分辨率DPS-4电离层剖面资料。数据覆盖范围为太阳活动中年2003年1月-2004年12月(年平均太阳黑子数(Rz)分别为63.7和40.4)。各月资料按季节分为三组,分别为 1、2 、11、12 代表冬季;3、4 、9、10代表春秋季;5、6、7、8代表夏季。

以实测的 foF2、M(3000)F2作为输入参数,由NeQuick的B2bot计算公式获得F2层底部厚度参数模式值B2NeQuick2。通过利用最小二乘法计算实测电子密度剖面与以实测NmF2和hmF2作为输入参数的semi-Epstein层函数最接近的方法求得B2bot的最佳值B2best。

3.NeQuick模式F2层底部厚度参数研究

3.1 NeQuick模式F2层底部剖面介绍

NeQuick模型的F2层底部剖面采用semi-Epstein层(Rawer,1982)公式,表达式为

式中:NmF2是F2层的峰值电子密度;hmF2是F2层的峰值高度;B是 F2层底部厚度参数。t的计算公式为

式中:NmF2的单位是1011m-3;(d N/d h)max的单位是109m-3;foF2单位是MHz;M(3000)F2是标准最高可用频率因子。

3.2 ΔB2的日变化和季节变化

图1 ΔB2的日变化和季节变化

由图1可以看出,所有季节B2bot的最佳值和模式值之间都有不同程度的差异,这种差异具有以下特点:NeQuick的模式值一般都低估了F2层底部厚度,在大多数时间,这种差异小于20 km;春秋季和冬季,ΔB2的日变化峰值出现在0500 LT左右,夏季日变化峰值出现在0800 LT左右,差异平均为25 km左右。

3.3 B2best季中值的变化特征

取B2best季中值,研究其在各季节的日变化、季节变化及其随太阳活动性的平均变化特性。图2是B2best季中值在各季节的日变化图,横坐标为地方时。

由图2可知,春秋季,在太阳活动中年B2best的年际变化小于10 km.B2best有两个极大值(0530 LT和1300 LT),日间极大值要大于早上极大值。其日变化都是从前一天的午后日间最大值开始B2best逐渐减小,在0200 LT左右达到极小值,随后逐渐增加,在0530 LT左右达到早上极大值,然后有一个短时(大约1小时)骤减,随后又增加,在中午左右达到日间最大值,大约为60 km.从数值大小上看,随太阳活动性的降低,B2best的值是减小的。

夏季,中等太阳活动性条件下B2best的年际变化也小于 10 km.B2best有两个极大值(0600 LT和0900 LT),早上极大值变得不太明显。其日变化是从午夜开始B2best逐渐增加,在日出前有一个短时急剧下降,大约在0900 LT左右达到日间最大值,约为60 km.随后逐渐减小,在 1900 LT左右达到B2bot夜间值,大约为 35 km.

冬季,中等太阳活动性条件下B2best年际变化较大,在1200 LT～1600 LT年际变化大于10 km,最大差异达15 km左右。冬季的日变化比较复杂,有两个极大值(0600 LT和1400 LT)和两个极小值(0300 LT和0800 LT),而且与春秋季和夏季不同的是早上极大值甚至大于日间极大值。B2best的日变化为:从0000 LT开始逐渐减小,在0300 LT左右达到极小值;随后逐渐增加,在0600 LT达到最大值;随后迅速减小,大约在0800 LT左右达到第二个极小值,约为30 km,大约持续1 h;然后再逐渐增加,在1400 LT左右达到日间最大值;随后逐渐减小,2100 LT左右达到夜间值。

由图2可见,其季节变化主要体现在:1)早上极大值的时间从春秋季到冬季逐渐延迟,而且冬季早上极大值甚至大于日间极大值;2)达到日间极大值的时间上有差异,春秋季:1300 LT,夏季:0900 LT,冬季:1400 LT;3)早上极大值后的下降幅度,春秋季和冬季明显大于夏季。

图2 B2best季中值的日变化和季节变化

3.4 相对值R的季中值随太阳活动性变化

厚度参数相对值R反映了F2层底部厚度参数的实测最佳值与NeQuick模式计算值之间的相对大小。通过研究R在不同季节的日变化和年际变化,研究其变化规律,可以对NeQuick模式的B2bot参数计算模型进行修正。为此,利用海南站点的电离层垂测仪数据和NeQuick模式计算了不同季节的R(图3),横坐标是地方时。

图3 R季中值的日变化和季节变化

由图3可见,在所有季节R的年际变化要远小于B2best的年际变化,春秋季和夏季夜间1800 LT～2400 LT最佳值与模式值一致性最好,相对值R大约为1。春秋季R的日变化峰值在0600 LT,其峰值为大约2.1;夏季 R日变化峰值出现在 0600～0900 LT,其峰值大约为1.7;冬季R有两个日变化峰值分别在0000 LT和0600 LT,其峰值分别大约为1.4和2.1。在中等太阳活动性情况下,不同年份厚度参数相对值R变化规律一样,相对差异较小。这表明不需要对模式的F2层底部厚度参数计算模型作大的改动,而只是利用一个与地方时有关的函数修正模式F2层底部厚度参数计算模型的系数,就可以取得较好的效果。

4.NeQuick模式的底部厚度参数计算模型修正研究

通过以上太阳活动中年R在不同季度的日变化统计分析可知,相同季节不同年份R变化规律一样,相对差异较小。考虑到这一特点,在不同季节可以用一个时变函数ƒ(t)拟合R值的日变化,拟和函

式中:a0为平均值;ai1为周期变化的系数;ai2为相位;ai3为周期。利用最小二乘法可得拟合函数(5)的各项系数(表 1)。数可以写为

表1 各季节拟合系数表

NeQuick模式的F2层底部厚度修正计算模型为

式中:B2NeQuick2和B2modN为NeQuick模式修正前后的计算值;ƒ(t)为修正系数。

图4是拟合函数与各年季中值的拟合效果图,横坐标是地方时。由图4可知,利用拟合模型(5)可以很好地拟合所有季节R值的日变化特征。这表明利用时变函数ƒ(t)修正NeQuick模式的B2bot计算模型是切实可行的。

图5是参数最佳值和修正后模式值的偏差散点图,横坐标是地方时。由图5可见,修正后的偏差分布更合理,消除了修正前的明显日变化,具有良好的修正效果。

5.结 论

本文详细分析了太阳中等活动性条件下海南电离层垂测仪实测数据所得的F2层底部厚度参数最佳值(B2best)和NeQuick模式计算值的差异、B2best季中值和相对值R季中值的日变化、季节变化和年际变化特征,主要结论如下:

1)所有季节B2bot的最佳值和模式值之间都有不同程度的差异;

2)NeQuick的模式值一般都低估了F2层底部厚度,在大多数时间,这种差异小于20 km;春秋季和冬季,ΔB2的日变化峰值出现在0500 LT左右,夏季日变化峰值出现在0800 LT左右,差异平均为25 km左右;

3)在中等太阳活动性情况下,不同年份厚度参数相对值R变化规律一样,相对差异较小。

在以上统计分析的基础上,根据R具有明显的日变化,而R的年际变化不大这一特征。我们用时变函数ƒ(t)拟合R值在不同季节的日变化,并利用函数ƒ(t)对NeQuick模式的B2bot计算模型进行修正,主要结论如下:

1)利用函数ƒ(t)可以很好的修正NeQuick模式的B2bot计算误差,修正后的B2bot没有了明显的日变化。

2)修正后的偏差分布更合理,更集中,消除了修正前的明显日变化。

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