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摘 要：针对电离层对无线电传播带来的影响，该文利用2005—2015年拉萨站GPS双频接收机观测到的电离层垂直总电子含量（vertical total electron content， VTEC）数据，研究了拉萨地区的电离层变化的特性。实验分析结果表明：拉萨地区的电离层VTEC值分别有明显的半年周期和年周期变化。在2011年和2014年出现“冬季异常”现象。此外，拉萨地区垂直电离层VTEC与太阳活动指数F10.7之间的为强相关性，两者之间的相关性系数达到0.99。
关键词：电离层 垂直电离层 时间特性 冬季异常
中图分类号：P352.1 文獻标识码：A文章编号：1672-3791（2021）02（b）-0101-07
Analysis of Ionospheric Variation Characteristics in Lhasa from 2005 to 2015
ZHU Nong
（Fujian Gutian Zhongmei Ecological Environment Development Co.， Ltd.， Ningde， Fujian Province， 352200 China）
Abstract：In view of the influence of ionosphere on radio propagation， the ionospheric vertical total electron content （VTEC） data observed by GPS dual-band receiver at Lhasa Station from 2005 to 2015 are used in this paper， we study the characteristics of the ionospheric variation in Lhasa area. The experimental analysis show that the ionospheric VTEC values in Lhasa region have obvious semi-annual and annual cycle changes respectively. In 2011 and 2014， "Winter Anomaly" phenomenon occurred. In addition， there is a strong correlation between the vertical ionospheric VTEC and the solar activity index F10.7 in Lhasa， and the correlation coefficient between them is 0.99.
Key Words：Ionosphere;Vertical total electron content;Time characteristic;Winter anomaly
在太阳辐射和磁层下沉的高能粒子的影响下，地球大气层中的中性气体就会发生电离，产生大量的离子与自由电子，形成电离层。对于使用无线电卫星导航的客户端而言，电离层是对导航定位的准确度和精度产生影响的重要距离误差源之一，同时也对卫星导航系统产生决定性的影响[1]。这是因为电离层会对GPS信号产生折射现象，导致在时间上有了延迟。电离层延迟是当前GNSS精密定位过程中最重要的误差来源之一[2]。故而这种误差是不可以忽视的。电离层VTEC是一个描述电离层变化特性的关键参数。VTEC的变化会受到季节、经纬度、地方时、太阳活动以及地磁活动的影响，这就使VTEC在时间和空间上表现出丰富的变化特性[3]。为了有效地削弱电离层延迟带来的影响，可以对VTEC进行研究和分析。
对于电离层的时空特性分析，国内外学者都做了许多研究：靳婷婷为了研究北京—天津—河北3个地区的电离层时空变化，采用IGS中心2000—2018年共计19年的全球总电离层TEC格网数据，研究该区域电离层时空分布特征并分析太阳活动指数与电离层TEC之间的相关性[4];李涌涛等研究者通过欧洲定轨中心提供的3年TEC数据，分析相邻格网点电离层的变化和某一格网点不同时期电离层的变化范围，该研究为小范围电离层建模提供理论支撑[5];此外，李涌涛等研究者还基于中国陆态网的连续GNSS观测数据，研究在小尺度空间和高分辨率情况下，中国区域电离层的变化特性和精度评估[6];刘磊等研究者利用2008—2015年武汉站获得的垂直电离层数据，得到了武汉站垂直电离层变化特性以及电离层与太阳活动之间的相关性强度[7];黄良珂根据IGS提供的1999—2015年电离层数据，计算不同纬度情况下的电离层峰值不对称指数，并分析其与太阳活动指数和地磁活动指数之间的关系，为建立高精度电离层模型提高参考依据[8];廖章回等研究者根据IGS中心电离层数据，对北京地区、阿克拉地区以及墨尔本地区进行了年周期变化和半周期变化分析[9];袁菲等研究者针对电离层延迟对GNSS精密定位精度的影响，在广西和周边地区，基于IGS数据中心提供的4年电离层数据，分析太阳活动、地产活动对电离层的影响[10]。
以上大多是关于全球、中国区域或者某区域的短期的电离层变化特性的分析，对于研究中国某局部区
域的年限较长的电离层变化特性则比较少。故该文将分析我国拉萨地区2005—2015年这11年的数据，对拉萨地区的VTEC值从时序变化、地磁活动和太阳活动。 对VTEC产生影响的这些方面进行分析。研究结果将会对改进拉萨地区的电离层模型提供参考价值。
1 研究区域与数据来源
1.1 研究区域
拉萨（东经91°06′北纬29°36′）是我国西藏自治区的省会，海拔3 650 m，是目前世界上平均海拔最高的城市之一。同时也被认为是我国西藏自治区的历史文化、政治、经济和宗教中心。拉萨坐落于辽阔的青藏高原中部、喜马拉雅山脉的北侧。一年中晴朗的天气相对较多，降水稀少，气候宜人。拉萨地区太阳辐射强，全年平均日照3 000 h以上，素来拥有“日光城”的美称。
1.2 数据来源
该文选取的研究对象是拉萨地区上空的电离层，所用的2005—2015年VTEC数据由拉萨站GPS双频接收机观测到的，采样间隔为30 s。可以对拉萨地区的VTEC值进行时序变化分析。
2 拉萨地区电离层特性分析
图1是2005—2015年拉萨地区VTEC日均值时序变化图。将2005—2015年拉萨地区的VTEC值以日为尺度，取2005—2015年VTEC月均值，用MATLAB软件绘出拉萨地区2005—2015年VTEC月均值时序变化图（见图2）。
由图1和图2可知，拉萨地区VTEC值每年在3～5月份会出现全年的第一个峰值，之后又在每年的9～10月份有全年的第二峰值。因此拉萨地区VTEC值具有明显的年周期和半年的周期变化（电离层半年度变化是指在春秋分季节的时候出现极大值）特征，这符合文献[9]全球电离层具有周年变化和半年变化的结果。半年变化成因分析：拉萨属于我国低纬地区，电离层VTEC值在春秋季节比冬夏季节相对较高，这是位于低纬地区电离层VTEC值的一种季节异常现象，这种季节异常现象可以用大气中性成分和经向中性风变化来解释。当北半球到了夏季的时候，经向中性风向地球的赤道这个方向吹，这和地球赤道上方的对应的那部分等离子体顺着磁线分散的方向是正好相反的，故而会削弱等离子体的扩散作用;当北半球到了春季时，经向中性风从地球的赤道向北这个方向吹，这与地球赤道上空的那部分等离子体扩散的方位是相同的并且是相互平行的，这就导致了更多来自地球赤道上空的那部分等离子体与大气中性成分向地球赤道两旁的低纬区域的扩散。
从图2可以看出，每一年拉萨地区的VTEC值都会在3～5月具有峰值，接着VTEC值下降，在9～10月出现当年的第二个峰值;在太阳活动高年即2014年拉萨地区的电离层VTEC值有最大值，在太阳活动低年即2008年则与之相反。这说明了影响拉萨地区VTEC值的重要因素之一是太阳活动。
将每年拉萨地区VTEC的月均值均按春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11月）和冬（12月到次年2月）划分，用MATLAB软件绘出2005—2015年拉萨地区VTEC季节变化图，具体见图3。
图3中横轴显示的时间是世界时，因为拉萨位于东六区，所以转换成当地时间需要加上6 h。在电离层季节变化方面，拉萨地区2005年、2010年、2011年、2012年和2013年均出现秋季VTEC值高于春季，产生此现象的原因可能是地域差异性造成的。冬季的VTEC值在2011年的地方时10～16时和2014年的地方时8～18时的时候明显比夏季的VTEC值大，呈现出了冬季异常的现象（电离层冬季异常也可称为季节异常，是指电离层VTEC值在夏季的时候小于在冬季时的一种现象），和半年度异常不同，在太阳活动低年，地球的赤道地区和南半球不存在冬季异常。一般认为冬季异常是由南北半球热层大气吸收的紫外辐射的能量差异引起的。在电离层日变化方面（按照季节为尺度VTEC时间特性）：从整体上看白天时段VTEC值大于夜晚VTEC值，并且白天变化趋势剧烈，夜晚变化趋势缓慢。在当地时间12～16时具有VTEC峰值，接着VTEC值迅速下降，并在当地时间4～6时具有最低值。
3 太阳活动对电离层的影响
F10.7是太阳10.7cm射电流量的简称，它的单位是sfu（solar flux unit），其中，1sfu=10-22wm-2hz-1。作为一种可在地面观测的太阳辐射参数，与EUV相比，F10.7的观测相对容易和方便。F10.7与太阳活动关系密切，可以描述太阳活动的周期性变化规律。按照F10.7的大小，对太阳活动进行划分。F10.7>150sfu是强太阳活动水平，100sfu<F10.7<150sfu是中等太阳活动水平，F10.7<100sfu是弱太阳活动水平[13-14]。研究2005—2015年拉萨地区的太阳射电流量F10.7年均值和VTEC年均值的时序变化，具体见图4。
从图4（a）可知，在2005—2015年中，2008年F10.7年均值是最小值，2014年F10.7年均值是最大值;2005—2008年F10.7年均值的變化趋势是逐年缓慢下降，2009—2014年F10.7年均值则表现出逐年增加的趋势，并且峰值在太阳活动高年2014年，随后下降。从图4（b）可知，拉萨地区的VTEC年均值的变化趋势和F10.7年均值的变化趋势是一致的。拉萨地区电离层VTEC年均值在太阳活动低年最小，在太阳活动高年最大。
对拉萨地区2005—2015年的VTEC年均值和F10.7年均值进行线性回归分析，具体见图5。在图5中，F10.7年均值是横坐标x轴，VTEC年均值为纵坐标y轴，两者的线性回归方程式是：y=ax+b，相关系数是0.995 6，其中0.7≤‖K‖≤1是高度相关。这说明VTEC年均值和太阳射电流量F10.7指数高度相关，并且影响拉萨地区VTEC值的重要因素之一是太阳活动。
4 结论
拉萨是我国一个典型的高原地区，研究拉萨区域的电离层VTEC的变化特性，将会对拉萨区域的电离层模型改正提供重要的参考价值。该文利用拉萨站（东经北纬）GPS双频接收机观测到的2005—2015年的VTEC数据，以多年限区域性的角度对拉萨地区的电离层变化特性进行分析，得到以下结论。 （1）拉萨地区电离层VTEC值分别有半年周期和年周期;在2011年和2014年具有“冬季异常”现象。
（2）VTEC值日变化：VTEC值在地方时6～12时之间迅速上升，地方时12～16时具有了当日的VTEC峰值，之后迅速下降直至当地时间4～6时到当天最低值。
（3）拉萨地区垂直电离层VTEC与太阳活动指数F10.7之间的为强相关性，两者之间的相关性系数达到0.99。
参考文献
[1] 张东华，李志娟，李文宝.电离层延迟参数随机建模对GPS非组合精密单点定位的影响分析[J].大地测量与地球动力学，2019，39（7）：717-721.
[2] 刘艳春.电离层VTEC与气象要素对GPS定位结果的影响[J].测绘通报，2020（11）：116-119，123.
[3] Zhao Zhenzhen， Feng Jiandi，Han Baimin， et al. A single-station empirical TEC model based on long-time recorded GPS data for estimating ionospheric delay[J]. Journal of Space Weather and Space Climate， 2018，8（59）：1-14.
[4] 靳婷婷，丁克良，王喜江，等.京津冀地区电离层时空特性分析[J].测绘科学，2020，45（8）：57-63.
[5] 李涌涛，李建文，魏绒绒，等.全球电离层TEC格网时空变化特性分析[J].武汉大学学报：信息科学版，2020，45（5）：776-783.
[6] 李涌涛，周巍，李建文，等.基于陆态网的区域电离层TEC空间变化特性分析[J].空间科学学报，2020，40（2）：197-206.
[7] 刘磊，杨梅，姚宜斌，等.第24太阳活动周武汉电离层VTEC变化特性分析[J].全球定位系統，2019，44（1）：23-31.
[8] 黄良珂，陈军，李琛，等.利用IGS电离层格网产品分析电离层峰值变化特性[J].科学技术与工程，2018，18（18）：212-217.
[9] 廖章回，吴北平，申兴林，等.广西及周边地区电离层时空特性分析[J].测绘科学，2018，43（9）：40-45，62.
[10] 袁菲，李英冰，缪格.IGS电离层产品的时空特性研究[J].全球定位系统，2017，42（1）：44-48.
关键词：电离层 垂直电离层 时间特性 冬季异常
中图分类号：P352.1 文獻标识码：A文章编号：1672-3791（2021）02（b）-0101-07
Analysis of Ionospheric Variation Characteristics in Lhasa from 2005 to 2015
ZHU Nong
（Fujian Gutian Zhongmei Ecological Environment Development Co.， Ltd.， Ningde， Fujian Province， 352200 China）
Abstract：In view of the influence of ionosphere on radio propagation， the ionospheric vertical total electron content （VTEC） data observed by GPS dual-band receiver at Lhasa Station from 2005 to 2015 are used in this paper， we study the characteristics of the ionospheric variation in Lhasa area. The experimental analysis show that the ionospheric VTEC values in Lhasa region have obvious semi-annual and annual cycle changes respectively. In 2011 and 2014， "Winter Anomaly" phenomenon occurred. In addition， there is a strong correlation between the vertical ionospheric VTEC and the solar activity index F10.7 in Lhasa， and the correlation coefficient between them is 0.99.
Key Words：Ionosphere;Vertical total electron content;Time characteristic;Winter anomaly
在太阳辐射和磁层下沉的高能粒子的影响下，地球大气层中的中性气体就会发生电离，产生大量的离子与自由电子，形成电离层。对于使用无线电卫星导航的客户端而言，电离层是对导航定位的准确度和精度产生影响的重要距离误差源之一，同时也对卫星导航系统产生决定性的影响[1]。这是因为电离层会对GPS信号产生折射现象，导致在时间上有了延迟。电离层延迟是当前GNSS精密定位过程中最重要的误差来源之一[2]。故而这种误差是不可以忽视的。电离层VTEC是一个描述电离层变化特性的关键参数。VTEC的变化会受到季节、经纬度、地方时、太阳活动以及地磁活动的影响，这就使VTEC在时间和空间上表现出丰富的变化特性[3]。为了有效地削弱电离层延迟带来的影响，可以对VTEC进行研究和分析。
对于电离层的时空特性分析，国内外学者都做了许多研究：靳婷婷为了研究北京—天津—河北3个地区的电离层时空变化，采用IGS中心2000—2018年共计19年的全球总电离层TEC格网数据，研究该区域电离层时空分布特征并分析太阳活动指数与电离层TEC之间的相关性[4];李涌涛等研究者通过欧洲定轨中心提供的3年TEC数据，分析相邻格网点电离层的变化和某一格网点不同时期电离层的变化范围，该研究为小范围电离层建模提供理论支撑[5];此外，李涌涛等研究者还基于中国陆态网的连续GNSS观测数据，研究在小尺度空间和高分辨率情况下，中国区域电离层的变化特性和精度评估[6];刘磊等研究者利用2008—2015年武汉站获得的垂直电离层数据，得到了武汉站垂直电离层变化特性以及电离层与太阳活动之间的相关性强度[7];黄良珂根据IGS提供的1999—2015年电离层数据，计算不同纬度情况下的电离层峰值不对称指数，并分析其与太阳活动指数和地磁活动指数之间的关系，为建立高精度电离层模型提高参考依据[8];廖章回等研究者根据IGS中心电离层数据，对北京地区、阿克拉地区以及墨尔本地区进行了年周期变化和半周期变化分析[9];袁菲等研究者针对电离层延迟对GNSS精密定位精度的影响，在广西和周边地区，基于IGS数据中心提供的4年电离层数据，分析太阳活动、地产活动对电离层的影响[10]。
以上大多是关于全球、中国区域或者某区域的短期的电离层变化特性的分析，对于研究中国某局部区
域的年限较长的电离层变化特性则比较少。故该文将分析我国拉萨地区2005—2015年这11年的数据，对拉萨地区的VTEC值从时序变化、地磁活动和太阳活动。 对VTEC产生影响的这些方面进行分析。研究结果将会对改进拉萨地区的电离层模型提供参考价值。
1 研究区域与数据来源
1.1 研究区域
拉萨（东经91°06′北纬29°36′）是我国西藏自治区的省会，海拔3 650 m，是目前世界上平均海拔最高的城市之一。同时也被认为是我国西藏自治区的历史文化、政治、经济和宗教中心。拉萨坐落于辽阔的青藏高原中部、喜马拉雅山脉的北侧。一年中晴朗的天气相对较多，降水稀少，气候宜人。拉萨地区太阳辐射强，全年平均日照3 000 h以上，素来拥有“日光城”的美称。
1.2 数据来源
该文选取的研究对象是拉萨地区上空的电离层，所用的2005—2015年VTEC数据由拉萨站GPS双频接收机观测到的，采样间隔为30 s。可以对拉萨地区的VTEC值进行时序变化分析。
2 拉萨地区电离层特性分析
图1是2005—2015年拉萨地区VTEC日均值时序变化图。将2005—2015年拉萨地区的VTEC值以日为尺度，取2005—2015年VTEC月均值，用MATLAB软件绘出拉萨地区2005—2015年VTEC月均值时序变化图（见图2）。
由图1和图2可知，拉萨地区VTEC值每年在3～5月份会出现全年的第一个峰值，之后又在每年的9～10月份有全年的第二峰值。因此拉萨地区VTEC值具有明显的年周期和半年的周期变化（电离层半年度变化是指在春秋分季节的时候出现极大值）特征，这符合文献[9]全球电离层具有周年变化和半年变化的结果。半年变化成因分析：拉萨属于我国低纬地区，电离层VTEC值在春秋季节比冬夏季节相对较高，这是位于低纬地区电离层VTEC值的一种季节异常现象，这种季节异常现象可以用大气中性成分和经向中性风变化来解释。当北半球到了夏季的时候，经向中性风向地球的赤道这个方向吹，这和地球赤道上方的对应的那部分等离子体顺着磁线分散的方向是正好相反的，故而会削弱等离子体的扩散作用;当北半球到了春季时，经向中性风从地球的赤道向北这个方向吹，这与地球赤道上空的那部分等离子体扩散的方位是相同的并且是相互平行的，这就导致了更多来自地球赤道上空的那部分等离子体与大气中性成分向地球赤道两旁的低纬区域的扩散。
从图2可以看出，每一年拉萨地区的VTEC值都会在3～5月具有峰值，接着VTEC值下降，在9～10月出现当年的第二个峰值;在太阳活动高年即2014年拉萨地区的电离层VTEC值有最大值，在太阳活动低年即2008年则与之相反。这说明了影响拉萨地区VTEC值的重要因素之一是太阳活动。
将每年拉萨地区VTEC的月均值均按春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11月）和冬（12月到次年2月）划分，用MATLAB软件绘出2005—2015年拉萨地区VTEC季节变化图，具体见图3。
图3中横轴显示的时间是世界时，因为拉萨位于东六区，所以转换成当地时间需要加上6 h。在电离层季节变化方面，拉萨地区2005年、2010年、2011年、2012年和2013年均出现秋季VTEC值高于春季，产生此现象的原因可能是地域差异性造成的。冬季的VTEC值在2011年的地方时10～16时和2014年的地方时8～18时的时候明显比夏季的VTEC值大，呈现出了冬季异常的现象（电离层冬季异常也可称为季节异常，是指电离层VTEC值在夏季的时候小于在冬季时的一种现象），和半年度异常不同，在太阳活动低年，地球的赤道地区和南半球不存在冬季异常。一般认为冬季异常是由南北半球热层大气吸收的紫外辐射的能量差异引起的。在电离层日变化方面（按照季节为尺度VTEC时间特性）：从整体上看白天时段VTEC值大于夜晚VTEC值，并且白天变化趋势剧烈，夜晚变化趋势缓慢。在当地时间12～16时具有VTEC峰值，接着VTEC值迅速下降，并在当地时间4～6时具有最低值。
3 太阳活动对电离层的影响
F10.7是太阳10.7cm射电流量的简称，它的单位是sfu（solar flux unit），其中，1sfu=10-22wm-2hz-1。作为一种可在地面观测的太阳辐射参数，与EUV相比，F10.7的观测相对容易和方便。F10.7与太阳活动关系密切，可以描述太阳活动的周期性变化规律。按照F10.7的大小，对太阳活动进行划分。F10.7>150sfu是强太阳活动水平，100sfu<F10.7<150sfu是中等太阳活动水平，F10.7<100sfu是弱太阳活动水平[13-14]。研究2005—2015年拉萨地区的太阳射电流量F10.7年均值和VTEC年均值的时序变化，具体见图4。
从图4（a）可知，在2005—2015年中，2008年F10.7年均值是最小值，2014年F10.7年均值是最大值;2005—2008年F10.7年均值的變化趋势是逐年缓慢下降，2009—2014年F10.7年均值则表现出逐年增加的趋势，并且峰值在太阳活动高年2014年，随后下降。从图4（b）可知，拉萨地区的VTEC年均值的变化趋势和F10.7年均值的变化趋势是一致的。拉萨地区电离层VTEC年均值在太阳活动低年最小，在太阳活动高年最大。
对拉萨地区2005—2015年的VTEC年均值和F10.7年均值进行线性回归分析，具体见图5。在图5中，F10.7年均值是横坐标x轴，VTEC年均值为纵坐标y轴，两者的线性回归方程式是：y=ax+b，相关系数是0.995 6，其中0.7≤‖K‖≤1是高度相关。这说明VTEC年均值和太阳射电流量F10.7指数高度相关，并且影响拉萨地区VTEC值的重要因素之一是太阳活动。
4 结论
拉萨是我国一个典型的高原地区，研究拉萨区域的电离层VTEC的变化特性，将会对拉萨区域的电离层模型改正提供重要的参考价值。该文利用拉萨站（东经北纬）GPS双频接收机观测到的2005—2015年的VTEC数据，以多年限区域性的角度对拉萨地区的电离层变化特性进行分析，得到以下结论。 （1）拉萨地区电离层VTEC值分别有半年周期和年周期;在2011年和2014年具有“冬季异常”现象。
（2）VTEC值日变化：VTEC值在地方时6～12时之间迅速上升，地方时12～16时具有了当日的VTEC峰值，之后迅速下降直至当地时间4～6时到当天最低值。
（3）拉萨地区垂直电离层VTEC与太阳活动指数F10.7之间的为强相关性，两者之间的相关性系数达到0.99。
参考文献
[1] 张东华，李志娟，李文宝.电离层延迟参数随机建模对GPS非组合精密单点定位的影响分析[J].大地测量与地球动力学，2019，39（7）：717-721.
[2] 刘艳春.电离层VTEC与气象要素对GPS定位结果的影响[J].测绘通报，2020（11）：116-119，123.
[3] Zhao Zhenzhen， Feng Jiandi，Han Baimin， et al. A single-station empirical TEC model based on long-time recorded GPS data for estimating ionospheric delay[J]. Journal of Space Weather and Space Climate， 2018，8（59）：1-14.
[4] 靳婷婷，丁克良，王喜江，等.京津冀地区电离层时空特性分析[J].测绘科学，2020，45（8）：57-63.
[5] 李涌涛，李建文，魏绒绒，等.全球电离层TEC格网时空变化特性分析[J].武汉大学学报：信息科学版，2020，45（5）：776-783.
[6] 李涌涛，周巍，李建文，等.基于陆态网的区域电离层TEC空间变化特性分析[J].空间科学学报，2020，40（2）：197-206.
[7] 刘磊，杨梅，姚宜斌，等.第24太阳活动周武汉电离层VTEC变化特性分析[J].全球定位系統，2019，44（1）：23-31.
[8] 黄良珂，陈军，李琛，等.利用IGS电离层格网产品分析电离层峰值变化特性[J].科学技术与工程，2018，18（18）：212-217.
[9] 廖章回，吴北平，申兴林，等.广西及周边地区电离层时空特性分析[J].测绘科学，2018，43（9）：40-45，62.
[10] 袁菲，李英冰，缪格.IGS电离层产品的时空特性研究[J].全球定位系统，2017，42（1）：44-48.