基于GNSS监测网的电离层扰动研究

2022-03-12

源于微信公众号：子午风云

【子午工程团队成员中国科学院地质与地球物理研究所李国主研究员研究团队，利用子午工程空间环境地基台站的GNSS数据，针对不同高度上不同种类的电离层扰动进行探测研究，揭示了这些不同种类不均匀体的发生规律、运动特性、产生源区、经纬度差异和可能的物理机制。取得系列成果：（1）以“Morphological characteristics of thousand-kilometer-scale Es structures over China”为题发表于空间物理学权威刊物Journal of Geophysical Research: Space Physics（李国主研究员为通讯作者，孙文杰高工为第一作者）；（2）以“Occurrence of regional strong Es irregularities and corresponding scintillations characterized using a high-temporal-resolution GNSS network”为题发表于空间物理学权威刊物Journal of Geophysical Research: Space Physics（李国主研究员为通讯作者，孙文杰高工为第一作者）；（3）以“Latitudinal variations of daytime periodic ionospheric disturbances from Beidou GEO TEC observations over China”为题发表于空间物理学权威刊物Journal of Geophysical Research: Space Physics（李国主研究员为通讯作者，胡连欢高工为第一作者）；（4）以“Climatology of equatorial and low?latitude F region kilometer?scale irregularities over the meridian circle around 120°E/60°W”为题发表于空间物理学权威刊物GPS Solutions（李国主研究员为通讯作者，赵秀宽高工为第一作者）。该成果被评选为子午工程2021年度优秀成果。】

电离层中时时刻刻存在着各种扰动，空间尺度可以从几厘米到几千公里，形态和特性千差万别，时间上可以持续从几分钟到几天不等。各种来自太阳的、低层大气的以及固体地球的激发因素都会导致电离层扰动的产生。这些扰动会干扰无线电通讯，引起信号闪烁，对人们的通信、航空航天等产生严重影响。截至目前，许多扰动的发生规律、经纬度变化、运动特性以及物理机制都不是特别明确。在此背景下，中国科学院地质与地球物理研究所团队基于国内子午工程、中科院日地网、地壳形变网以及南中国不均匀体和闪烁观测网（IONISE）等地基GNSS观测数据，针对电离层E区和F区不同类型的电离层扰动和不均匀体开展了综合观测研究。

图1 中国地区大尺度强Es结构统计结果。(a) 发生季节和地方时统计规律；(b) 延展方向和尺度统计规律；(c) 漂移特性统计规律；(d) 大尺度强Es结构初始产生源区

电离层E区的扰动主要是Es和其伴随的E区不均匀体，传统观测一般是基于地基雷达，比如测高仪等。但地基雷达往往站点较少，很难得到大尺度结构的形态和运动。之前的研究发现，当Es临界频率足够高时，可以在TEC中引起毛刺状的扰动。（1）利用多年GNSS组网观测数据，孙文杰等（2021a）针对大尺度强Es（大于1000 km）结构进行统计观测，如图1所示，结果表明：大尺度强Es结构高发于夏季，多为西北-东南向的带状结构，并以30-180m/s的速度向西南方向漂移；这种大尺度强Es结构主要形成于20-45°N/100-125°E区域上空，结合以往重力波的观测研究推测，其产生可能与青藏高原独特的地势激发的对流产生的重力波源有关。（2）利用高时间分辨率的GNSS数据，孙文杰等（2021b）提出了一种表征强Es不均匀体的指数HR-ROTI，利用该指数和闪烁观测，发现：强Es层内部小尺度不均匀结构的典型空间尺度和空间间隔分别约为7km和7-16km；强Es不均匀体在中纬和低纬引起幅度闪烁的概率分别为37%和12%，如图2所示。

图2 （上）分别由HR-ROTI和ROTI得到的Es不均匀结构的典型时间尺度和不均匀结构之间的典型时间间隔。（下）北京和三亚HR-ROTI分别与foEs和幅度闪烁指数S4的统计关系

在电离层F区，（1）胡连欢等（2021）统计研究了与中尺度行进式电离层扰动（MSTID）相关的周期性TEC扰动的发生特征，如图3所示，结果表明，白天电离层周期性扰动主要出现在冬季，其发生率在高纬度和低纬度出现两个峰值，而在30-33°N左右的区域，发生率很小，是一个谷区；利用北京和三亚两个短基线GNSS接收阵列，得到了周期性电离层扰动的传播特性，结果表明这种扰动在中纬和低纬传播方向均为东南向，方位角为150度左右，周期在30-40分钟，速度分别为97 m/s和62 m/s，体现出典型的MSTID的特性。（2）赵秀宽等（2021）利用多年GNSS数据，对比分析了亚洲和美洲扇区等离子体泡的变化特征，分析了其季节变化、空间分布，以及随太阳活动和地磁活动的响应特征，如图4所示，结果发现：由于地磁场的结构不同，两个扇区的等离子体泡特征表现出明显的差异；亚洲扇区的等离子体泡出现率与太阳活动呈正相关，在美洲扇区，这种关联性在2000-2002年并不明显。

图3 白天周期性TEC扰动发生率的纬度变化

图4 (a-b) 亚洲和美洲扇区1997-2018年期间赤道等离子体泡发生率；(c)等离子体泡发生率平均值与对应时段的F10.7平均值；(d-e) 等离子体泡发生率与F10.7相关关系

以上成果主要利用了子午工程的GNSS数据，部分涉及到子午工程测高仪和流星雷达数据，在美洲扇区的数据也利用到了国际子午圈的观测。成果主要针对不同高度上不同类型的电离层扰动进行了研究，揭示了这些不同种类不均匀体的发生规律、运动特性、产生源区、经纬度差异和可能的物理机制。观测结果暗示低层大气的活动可能对电离层不均匀结构和扰动的产生具有一定的调制作用，揭示了低层大气扰动源和背景电子密度在电离层周期性扰动发生特征中的控制作用。这些工作对研究电离层不同高度之间的耦合、以及电离层与低层大气的耦合，具有一定的启示意义。