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刘立波/杨雨嫣等-RS:电离层空间结构新特征
2022-06-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  如今我们日益依赖导航定位、无线通信等技术,对这些技术应用的稳定性、精确性的需求越来越高。因此,亟需进一步认识电离层的空间结构特征。地球电离层具有随纬度和经度变化的复杂空间结构。这些空间结构极大地挑战着如何精确描述电离层的状态,也对导航定位、电波通信、卫星遥感等技术具有重要影响。电离层总电子含量(TEC)和电子密度剖面等观测资料在反演过程中都假设局域水平均匀,在存在空间结构时无疑会严重影响从探测资料提取电离层信息的准确性。 

  以往的研究聚焦于垂直结构和纬度结构,对经度结构的认识主要关注大尺度结构。多种等离子体参量在赤道及低纬地区表现出波状结构,在中纬地区也展现出显著的扇区内东西差异。但是,我们不了解更小尺度的电离层空间结构特征。

  中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室刘立波研究员团队基于我所架设的GNSS接收机探测网络的TEC数据,研究了电离层夜间增强事件和强梯度事件。他们发现了更为精细的电离层空间结构特征,在与GIM等全球电离层产品的比对验证中,提出了提升这些数据产品描述能力的建议。

  研究利用了北斗导航系统特有的同步轨道卫星(GEO)信号所反演的TEC数据。相较于传统的 GPS TEC将时间信息与空间信息交织在一起,GEO卫星相对于地面静止,可以提供纯粹的时间与空间信息。分析结果显示电离层夜间增强事件发生在非常有限的经度纬度范围内,最大扩展范围约为17°× 25° (经度×纬度),表现出了非常显著的沿经度和纬度的演变特征(图1)。

  对GDGZ台站二年TEC数据分析,发现有四种类型经度梯度,伴随着显著的逐日变化。对显著的强梯度事件分析,发现这些强梯度结构主要出现在北半球低纬狭窄的纬度范围内,存在着强烈的半球不对称特征(图2)。

1 夜间增强事件期间沿110°E (a)和21°N(b)的绝对TEC变化图和相对TEC变化图

2 两次事件中的TEC梯度值分布图。三角形的大小表示经度梯度的大小,颜色表示经度梯度的方向,位置表示每个接收机所接收到的信号范围的中心点

  对比分析各机构发布的TEC产品,发现各机构的数据产品均无法呈现夜间增强的结构。多数机构的数据产品难以呈现这些显著的经度梯度结构(图3)。因此,需要提高时空分辨率来提升对电离层水平结构及其时间演变的描绘能力。 

3 TEC观测值(黑色圆点)、CODE发布的GIM TEC(橙色虚线)和MIT TEC(绿色加号)的经度变化对比图

  研究成果发表于国际学术期刊Remote Sensing上。该研究得到中国国家自然科学基金(42030202)、国家重点研发计划(2017YFE0131400)、国家自然科学基金(42174204)以及子午工程项目的共同资助。 

  1.Yang Y, Liu L, Zhao X, Xie H, Chen Y, Le H, Zhang R, Tariq M A, Li W. Ionospheric Nighttime Enhancements at Low Latitudes Challenge Performance of the Global Ionospheric Maps[J]. Remote Sensing, 2022, 14(5): 1088. DOI: 10.3390/rs14051088. 

  2.Liu L, Yang Y, Le H, Chen Y, Zhang R, Zhang H, Sun W, Li G. Unexpected Regional Zonal Structures in Low Latitude Ionosphere Call for a High Longitudinal Resolution of the Global Ionospheric Maps[J]. Remote Sensing, 2022, 14(10): 2315. DOI: 10.3390/rs14102315. 

 
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