电离层全球电子总含量的气候学特性分析与经验模式构建

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1、万方数据讲学盈极第52卷第24期2007年12月论文电离层全球电子总含量的气候学特性分析与经验模式构建佘承莉①②万卫星①4徐桂荣①②③(①中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029；②中国科学院研究生院，北京100049；③中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉430071．4联系人，E—mail：wanw@mail．iggcas．ac．on)摘要利用120。E子午线上的GPSTEC数据，计算了1996～2004年间的等效电离层全球电子总含量(GEC)．应用偏相关方法分析了GEC与太阳活动指数F10．7'以年为基频的季节因子之间的相关性，发现GEC与F。

2、。^年变化和半年变化因子之间均存在较强的相关性．据此，构建了一个由太阳活动指数和季节因子共同驱动的GEC经验模式，并考察了太阳活动指数的修正对建模效果的影响．结果表明GEC的变化主要由太阳活动周变化，年变化和半年变化3种分量构成，其中太阳活动周变化由太阳活动指数控制，其变化幅度最大；年变化与半年变化的幅度也受太阳活动指数调制，半年变化的幅度略大于年变化幅度．此外，经过对比分析，文中构建的GEC经验模型优于Afraimovich等人提出的GEC经验模型．关键词电离层全球电子总含量电离层气候学经验模式电离层是近地空间的一个重要组成部分，其形态与太阳活动密切相关．

3、太阳活动引起的11a周期变化以及地球绕太阳公转形成的季节变化是导致地球电离层气候学尺度变化的最重要原因．电离层电子浓度总含量(TEC)作为一个描述电离层形态和结构的重要参量，早在20世纪60年代就已被提出来，并在电离层气候学特性研究中发挥了十分重要的作用【lq】．特别是在全球卫星定位系统(GPS)问世以后，由于GPS台站数量多，分布广，可以全天候不间断观测，这为研究大范围和全球TEC变化提供了极大的便利，出现了大量的相关研究报道【4⋯7】．这些研究报道指出，TEC不仅在时间上存在日变化，半年变化和年变化等季节变化特征；还在空间上存在地区差异，比如赤道异常，海

4、洋与陆地的分布不均导致的地区差异．如何利用GPSTEC的数据优势来考察全球电离层电子浓度总含量的气候学特性，是一个有意义的课题．最近，Afraimovich等人181利用JPL，UPC，CODE，ESA和EMR等给出的1998～2005年问的全球TECMAP数据，对全球电离层地图绘制模型(GIM)的网格单元上的TEC按面积加权积分，构造了一个新的参量——电离层全球电子总含量GEC．文献【8]指出，这个新的参量可以抑制TEC的局地特征，从而突出全球电离层的整体特性，因此它比TEC更适于研究全球电离层形态变化和动力学过程等．Afrai—movich等人【81在研

5、究中发现，经过年度平滑后GEC与太阳活动有很密切的联系．据此，他们建立了一个反映GEC与太阳10．7cm射电流量no，，关系的简单的线性回归模型．然而，电离层GEC的季节变化振幅在不同太阳活动水平年并不一样，Afraimovich等人[8】在他们的GEC模型中并没有考虑到这一点，因此本文的主要目的是对该模型加以改进．此外，考察不同局。．，替代指数对建模的影响并选取相对较佳的指数来构建GEC的经验模式也是本文的研究目的之一．本文依据Afraimovich等人【81的方法，利用120。E子午线上的GPSTEC数据求取了等效GEC，并对其气候学特性进行了分析．在利

6、用所得GEC数据梅建经验模式时，本文对Afraimovich等人【81的GEC建模方法进行了改进，并用偏相关方法【9】评估了Fm，和各阶季节因子在GEC建模中的重要性．此外，本文还考察了不同太阳活动指数对建立GEC经验模式建模效果的影响，从而得到了一个相对较佳的GEC经验模式．最后，本文对Afraimovich模型和本文的改进模型的建模效果进行了对比分析．2007—07—26收稿，2007．09—05接受中国科学院创新方向性项目(批准号：KZCX3一SW-144)、国家自然科学基金项目(批准号：40636032)和国家重点基础研究发展计划项目(批准号2006

7、cB806306)资助2876wWw．scichina。com万方数据论文第52卷第24期2007年12月讲学屯扭1电离层GEC及其估算文献[8]中，Afraimovich计算GEC的算法如下：GEC=∑TEC“S扩(1)●■_’⋯其中，TEC“为GIM网格上结点(f，J)处垂直TEC的数值(1TECU=1．0x1016e1．1TI-2)，Sid是以结点(f，J)为中心的GIM网格单元的面积，这个网格是由经线和纬线构成的二维曲面网，网格的分辨率沿纬向为2．50，沿经向为50．为了更一般地表达(1)式的物理意义，我们采用微积分的思想，并根据球面几何学，在电离层

8、薄层模型球面上，将GEC表示成地磁坐标系中关于地磁纬