汪文君,邹玉华,2,李 娇

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林 541004; 2.桂林电子科技大学广西信息科学实验中心,广西桂林 541004)

赤道异常特征对桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的影响

汪文君1,邹玉华1,2,李 娇1

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林 541004; 2.桂林电子科技大学广西信息科学实验中心,广西桂林 541004)

为了研究桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的原因,利用桂林地区(地理坐标:25.29°N,110.33°E;地磁坐标: 15.04°N,181.98°E)的L波段电离层闪烁监测仪GSV4004的观测数据和国际GNSS服务中心(IGS)提供的全球VTEC数据,在磁平静条件下研究东经110°地区的赤道异常特征对桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的影响。结果表明,与非闪烁日相比,东经110°地区的赤道异常特征在闪烁日内有明显区别。闪烁日日落后的赤道异常复苏现象更为明显,主要表现为:赤道异常峰区的VTEC数值更大,峰区与谷区的VTEC比值更大,峰区与谷区之间的VTEC梯度更大,日落后的赤道异常复苏现象持续时间更长,且日落后复苏的赤道异常结构的北峰所处的纬度更高。

L波段电离层闪烁;闪烁逐日变化;赤道异常

电离层闪烁是指无线电信号穿越电离层传播时由电子密度不规则体引起的电波幅度、相位、极化等的快速随机起伏现象。随着GPS、GLONASS、北斗卫星导航系统等的广泛应用,L波段电离层闪烁特征成为研究热点。桂林(地理坐标:25.29°N,110.33° E;地磁坐标:15.04°N,181.98°E)处在电离层赤道异常区的北峰附近,属于电离层闪烁出现最频繁、影响最严重的地区之一。2006年至今,利用安装在桂林的L波段电离层闪烁监测仪GSV4004的观测数据,分析发现,桂林地区L波段电离层闪烁具有十分显著的逐日变化特征,即使在磁平静条件下,其逐日变化依然非常显著[1]。

在未发生太阳活动剧烈变化的条件下,可认为连续2天的太阳辐射通量基本保持不变,即太阳辐射对电离层逐日变化的影响较小。在未发生太阳活动、地磁活动和地震活动等突发事件的情况下,电离层电动力学过程很可能是控制低纬地区L波段电离层闪烁逐日变化的主要因素[2]。

赤道异常和强电子密度不规则体是低纬地区电离层F层的2个主要特征,赤道异常主要发生在白天,强电子密度不规则体主要出现在夜间[3]。磁赤道电离层F层电场对白天赤道异常和夜间电子密度不规则体的发展起主要作用。这个电场的方向白天向东,在地方时(local time,简称LT)LT21左右向西,其方向由东转西之前,在日落期间东向电场有明显增强,即反向前增强[4]。白天磁赤道F层中的东向电场使带电粒子产生向上的E×B漂移,电子、离子共同的向上漂移运动与沿地磁场线方向的扩散结合,使等离子体运动到高处后沿地磁场线倾斜地向下扩散,因此,磁赤道上空的电子密度/垂直总电子量(vertical total electron content,简称VTEC)较两侧小,电子密度/VTEC沿纬度分布的峰值分别发生在磁赤道向北和向南15°～20°的地方,这就是赤道异常现象。赤道异常现象通常在LT9-LT11开始产生,至下午得到充分发展,在夜间逐渐减弱,清晨时趋于消失。

在磁赤道地区,日落以后,东向电场反向前增强引起的等离子体垂直漂移速度增大与复合损失共同作用,导致F层快速抬升,并在底部形成陡峭向上的电子密度梯度,电子的分布呈不稳定状态。在Rayleigh-Taylor不稳定性作用下,磁赤道F层底部生成的等离子体泡上升到达一定高度后,分裂为较小尺度的电子密度不规则体,并沿地磁场线向南北方向扩散。与背景电子密度相比,这些不规则体的电子密度较小,到达高背景电子密度的赤道异常峰区附近,导致穿越该区域的卫星信号产生强闪烁。

低纬地区L波段电离层闪烁逐日变化的原因是近年国际上的研究热点。为了研究桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的原因,根据2011年9月至2012年5月的桂林L波段电离层闪烁观测资料和IGS(international GNSS service)提供的全球VTEC地图,通过分析东经110°地区的VTEC随地理纬度和时间的变化特征,在磁平静条件下研究赤道异常特征对桂林L波段电离层闪烁逐日变化的影响。

1 数据来源

IGS提供的VTEC是目前使用最广泛的VTEC数据源,随着GPS的广泛应用,IGS已在全球布设了400多个双频地基GPS台站。IGS向公众提供时间分辨率分别为0.25、1、2 h的全球VTEC地图(数据下载网址为http://cdaweb.gsfc.nasa.gov),其纬度和经度的分辨率分别为2.5°和5°。利用IGS提供的0.25 h时间分辨率的全球VTEC地图,分析东经110°地区的赤道异常特征对桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的影响。

地磁活动的强弱常用Kp指数和Dst指数表示。Kp指数是全球3 h磁情指数,Dst指数表征赤道环电流强度(Kp指数和Dst指数的下载网址为http:// wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/)。若某日的Dst在[-30 n T,30 n T],且Kp≤3,则可认为该日是磁平静日[]。

2 逐日变化特征分析

2011-11-20-21二天Dst指数的取值范围为[-21 n T,8 n T],Kp≤3,因此,这2天是磁平静日。图1为2011-11-20-21期间GSV4004电离层闪烁监测仪观测到的所有GPS卫星信号的最大S4随LT的变化。从图1(a)可看出,2011-11-20LT20-LT22期间S4大于0.2,其他时段的S4均小于0.1,说明在午夜前发生了L波段电离层闪烁。从图1(b)可看出, 2011-11-21的S4均小于0.1,说明当天没有发生闪烁现象。

图2为2011-11-20-21UT7:30、UT12:30和UT16:30(LT15:30、LT20:30和LT00:30)东经110°地区的VTEC随地理纬度的变化曲线。由于仅分析低纬地区的VTEC随地理纬度的变化,只需绘出±50°N地理纬度范围内的VTEC变化曲线。

图1 2011-11-20-21的S4随LT的变化曲线Fig.1 The variations of S4as LT on 2011-11-20 and 2011-11-21

分析东经110°地区的VTEC随地理纬度和时间的变化特征发现,2011-11-20-21都从UT3:00开始出现赤道异常,在UT7:30左右赤道异常得到充分发展,如图2(a)所示。日落期间的东向电场反向前增强,使得赤道异常现象在日落后复苏。20日和21日赤道异常现象都从UT11:00开始复苏,在UT12:30左右赤道异常复苏现象得到充分发展,如图2(b)所示。20日(闪烁日)在UT12-UT13期间,北峰最大VTEC为72.7TECU(1 TECU=1016e/m2),且位于北纬20°,VTEC最大峰谷比(即峰区VTEC与谷区VTEC比值)为3.88,VTEC纬度梯度为3.6 TECU/(°)。21日(非闪烁日)在UT12-UT13期间,北峰最大VTEC为64.6 TECU,且位于北纬17.5°,VTEC最大峰谷比为2.38,VTEC纬度梯度为3.51 TECU/(°)。在UT16-UT17期间,20日的日落后复苏的赤道异常现象依然比较明显,然而21日的日落后复苏的赤道异常现象基本消失,如图2 (c)所示。

2012-05-01-02二天Dst指数的取值范围为[-16 n T,-2 n T],Kp≤3,因此,这2天都是磁平静日。图3为2012-05-01-02期间GSV4004观测到的所有GPS卫星信号的最大S4随LT的变化。从图3可看出,2012-05-01的S4都小于0.1,说明当天没有发生闪烁现象,2012-05-02LT22-LT24期间S4大于0.2,其他时段S4都小于0.1,说明2012-05-02地方时午夜前发生了L波段电离层闪烁。

图2 2011-11-20和2011-11-21UT7:30、UT12:30、UT16:30东经110°地区的VTEC随纬度的变化曲线Fig2 The variations of VTEC as latitude for the region of 110°E on UT7:30,UT12:30 and UT16:30 2011-11-20 and 2011-11-21

图4为2012-05-01和2012-05-02UT6:30、UT12:30、UT15:30(LT14:30、LT20:30、LT23:30)东经110°地区的VTEC随地理纬度的变化。

图3 2012-05-01-02的S4随LT的变化曲线Fig.3 The variations of S4as LT on 2012-05-01 and 2012-05-02

分析东经110°地区的VTEC随地理纬度和时间的变化特征发现,2012-05-01从UT4开始出现赤道异常,2012-05-02从UT3开始出现赤道异常,且2012-05-01和2012-05-02都在UT6:30左右赤道异常得到充分发展,如图4(a)所示。日落期间,2012-05-01和2012-05-02赤道异常现象都从UT11开始复苏,在UT12:30左右赤道异常复苏现象得到充分发展,如图4(b)所示。2012-05-01(非闪烁日)在UT12-UT13期间北峰最大VTEC为46.2 TECU,且位于北纬15°,VTEC最大峰谷比为1.48,VTEC纬度梯度为1.5 TECU/(°)。2012-05-02(闪烁日)在UT12-UT13期间北峰最大VTEC为65.4 TECU,且位于北纬22.5°,VTEC最大峰谷比为2.53, VTEC纬度梯度为2.63 TECU/(°)。在UT15-UT16期间,2012-05-02日落后复苏的赤道异常现象依然比较明显,然而2012-05-01日落后复苏的赤道异常现象基本消失,如图4(c)所示。

以上2个事例表明,与非闪烁日相比,闪烁日的日落后复苏的赤道异常结构的强度更强,且持续时间更长,闪烁日的日落后复苏的赤道异常结构的北峰所在的纬度更高。

图4 2012-05-01和2012-05-02UT6:30、UT12:30、UT15:30东经110°地区的VTEC随纬度变化曲线Fig.4 The variations of VTEC as latitude for the region of 110°E on UT6:30,UT12:30 and UT15:30 2012-05-01 and 2012-05-02

3 结束语

利用2011年9月至2012年5月桂林的L波段电离层闪烁观测数据和IGS提供的全球VTEC数据,分析了磁平静条件下东经110°地区的赤道异常特征对桂林L波段电离层闪烁逐日变化的影响。结果表明,与非闪烁日相比,闪烁日日落后的赤道异常复苏现象更为明显,主要表现为:日落后峰区的VTEC数值更大,峰区与谷区的VTEC比值更大,峰区与谷区之间的VTEC梯度更大,日落后的赤道异常复苏现象持续时间更长,且闪烁日日落后复苏的赤道异常结构的北峰所处的纬度更高。这些特征主要是由日落期间磁赤道电离层F层东向电场的反向前增强引起。

仅分析了东经110°地区的赤道异常特征对桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的影响。近年的研究表明,控制低纬地区电离层闪烁逐日变化的因素还包括日落期间磁赤道上空的F层等离子体垂直漂移、热层中性风、白天赤道电激流特征、大尺度波结构等[7-11]。上述因素对桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的影响有待深入研究。

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编辑:翁史振

The influence of EIA features on the day-to-day variability of L-band ionospheric scintillations at Guilin

Wang Wenjun1,Zou Yuhua1,2,Li Jiao1
(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Guangxi Experiment Center of Information Science,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to study the reason of the day-to-day variability of L-band ionospheric scintillations at Guilin,the influences of equatorial ionization anomaly(EIA)features along 110°E longitude on the day-to-day variability of L-band ionospheric scintillations at Guilin(geographic coordinates:25.29°N,110.33°E;geomagnetic coordinates:15.04°N,181.98°E) have been investigated under quiet geomagnetic conditions on the basis of L-band ionospheric scintillations data obtained by an ionospheric scintillation monitor GSV4004 installed at Guilin and the global vertical total electron content(VTEC)data provided by the international GNSSservice(IGS).The results show that the EIA features along 110°E longitude in scintillation days are very different from those in non-scintillation days.The resurgence-like features of EIA during the post-sunset period are much more pronounced in scintillation days.Namely,VTEC at the crest of EIA is larger in scintillation days,the ratio of VTEC crest to VTEC trough is larger in scintillation days,the VTEC gradient in the regions between VTEC crest and trough is larger in scintillation days,the duration of the resurgence-like features of EIA lasts longer in scintillation days, and the latitude of the north crest of the resurgent EIA is higher in scintillation days.

L-band ionospheric scintillations;day-to-day variability of scintillations;equatorial ionization anomaly(EIA)

P352.7

A

1673-808X(2015)02-0127-05

2014-11-03

国家自然科学基金(41464005);广西自然科学基金(2014GXNSFAA118374)

邹玉华(1976—),女,广西桂林人,教授,博士,研究方向为电波传播与电离层物理。E-mail:yhzou@guet.edu.cn

汪文君,邹玉华,李娇.赤道异常特征对桂林地区L波段电离层闪烁逐日变化的影响[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(2):127-131.