低纬地区电离层变化特征以及与IRI2012预测的对比分析

摘 要：为归纳低纬地区电离层变化特征规律，对比分析国际电离层参考模型（IRI）预报模式。采用三亚地区（109.6°E，18.4°N）测高仪观测数据和IRI2012模型预测数据，对比分析了电离层在2012年中 foF2和hmF2 参数昼夜、季节变化。结果表明，三亚地区电离层foF2在8：00～14：00 LT时间段内逐渐增大，在16：00～6：00 LT时间段内逐渐减小，最大峰值16 MHz发生在12：00～16：00 LT时间段内，最小峰值2 MHz发生在4：00～6：00 LT时间段；预测值相比观测值在8：00～18：00 LT大部分时间段内偏大且误差最大值为3 MHz，在18：00～6：00 LT大部分时间段内偏小且误差最大值为5 MHz。电离层hmF2在春秋分和夏季出现2个极大值，最大峰值450 km发生在12：00～14：00 LT时间段内，最小峰值200 km发生在4：00～6：00 LT时间段内；预测值相比观测值在春秋分的2：00～4：00 LT时间段内偏大且相对误差最大为0.16，在夏季的19：00～22：00 LT时间段内偏小并且相对误差最大为0.08，在冬季的2：00～4：00 LT时间段内偏大且相对误差最大为0.12。

关键词：IRI2012模型；电离层；foF2；hmF2；URSI；CCIR

国际电离层参考模型（IRI）是空间研究委员会（COSPAR）和国际无线电科学联合会（URSI）共同发起用来研究电离层参数的项目[1-3]，它被广泛的应用于电离层经验预测[4，5]，其模型软件版本一直在升级迭代中，其中IRI2012是当前最通用版本。IRI2012模型可以直接计算出F2层两个关键参数foF2和hmF2[6]，其中foF2不仅可以阐述电离层F2层相关特征参数，也可以为无线电波通信频率分配提供依据[7]，hmF2是确定电离层电子浓度高度剖面分布的关键参量之一。另外，这两个参数对研究电离层其它模式预测也有着重要的借鉴作用[8]，预测电离层参数尤其是低纬度地区存在系统误差[11-12]。因此比较分析IRI模型预测数据和测高仪观测数据的变化特征，修正IRI模型在预测电离层参数时的偏差，完善IRI模型以及建立新的预报模型提供依据[13]。

文中总结了2012年中三亚地区电离层参数foF2和hmF2昼夜、季节变化规律，以及与IRI2012预测值对比分析，给出三亚地区IRI2012模型在不同季节下系数（URSI或CCIR）选用方式，以及三亚地区IRI模型预测电离层时参数的偏差，为建立中国地区以及低纬度地区新的预报模式提供了相关的参考信息。

1 数据处理

文中观测数据采用隶属于中国科学院地质与地球物理研究所的三亚台站（109.6°E，18.4°N）的实时数据，该台站使用数字测高仪DPS4D，探测时间间隔为15min。仪器通过主控器l射扫频（1～30 MHz）信号，经过功率放大以及天线将电磁波辐射到电离层，同时接收经电离层反射的回波信号，进而在电脑终端上绘制出频高图，通过后台软件将频高图标定出foF2和hmF2值[14]。定义3月、4月、9月、10月为春秋分季（Equinox），5月、6月、7月、8月为夏季（Summer），11月、12月、1月、2月为冬季（Winter）。

2 结果对比分析

2.1 F2层临界频率foF2

图1给出了2012年foF2预测数据与观测数据的等值线图，从图中可以看出，foF2呈现明显的昼夜和季节变化。从昼夜变化来看，foF2的最大峰值16MHz发生在12：00～16：00 LT时间段内，最小峰值2MHz发生在午夜4：00～6：00 LT时间段内，峰值预测值和观测值发生时间基本一致。从季节变化来看，foF2最大峰值发生在春秋分季时期，相比夏季和冬季持续时间长，foF2达到最大值持续时间约为6小时，下降速度慢。而夏季foF2达到最大值后持续时间约3小时，下降速度很快。

图2和给出了2012年中foF2预测值与观测值季节变化的相对误差。从图中可以看出，春秋分季foF2变化剧烈且相对误差在-0.39～0.1之间变化，预测值相比观测值在5：00～7：00 LT时间段内偏大且相对误差最大达到0.39，在12：00～18：00 LT时间段内预测值也偏大，其余时间段内偏小。夏季相对误差在-0.1～0.12之间缓慢变化，预测值相比观测值在2：00～6：00 LT时间段内偏大，其余时间段内偏小。冬季相对误差在-0.35～0.17之间变化剧烈，预测值相比观测值在5：00～7：00 LT时间段偏大且相对误差最大达到0.35。

图3给出了2012年中foF2预测值与观测值在春分日、夏至日、秋分日、冬至日柱状对比图。从图中可以看出春分日foF2最大峰值发生在16：00～18：00 LT，在8：00～18：00 LT时间段foF2逐渐增大，然后在18：00～6：00 LT时间段foF2逐渐减小，预测值相比观测值在8：00～20：00 LT时间段内偏小，其余时间段内偏大。夏至日foF2最大峰值发生在12：00～14：00 LT时间段，预测值相比观测值在12：00～2：00 LT时间段内偏大，其余时间段内偏小。秋分日foF2最大峰值发生在16：00～18：00 LT时间段内，预测值相比观测值在22：00～6：00 LT时间段偏小，其余时间段内偏大。冬至日最大峰值发生在12：00～14：00 LT时间段，预测值相比观测值在12：00～16：00 LT和22：00～2：00 LT时间段内偏小，其余时间段内偏大。

2.2 F2层峰高hmF2

图4给出了2012年中hmF2预测数据与观测数据的等值线图，左图表示IRI2012模型预测值，中图表示测高仪观测值，右图表示绝对误差。由图可以看出hmF2峰值大体上发生在中午12：00 LT，白天的hmF2值比夜间的高，最大峰值450km发生在12：00～14：00 LT时间段内，最小峰值200km发生在4：00～6：00 LT时间段内，并且夏季和秋季出现2个极大值，第一个极大值发生在12：00 LT左右，高度在350～400km之间，另外一个极大值发生22：00 LT左右，高度在335～375km之间。hmF2峰值预测值和观测值发生时间和趋势基本一致，预测峰值相比观测峰值小于50 km。

图5给出了2012年中hmF2预测值与观测值季节变化的相对误差，预测值和观测值数据处理时都采用中值，横坐标表示本地时间，纵坐标表示对应相对误差。从图中可以看出，春秋分季hmF2变化剧烈且相对误差在-0.16～0.12之间变化，预测值相比观测值在2：00～4：00 LT时间段内偏大且相对误差最大达到0.16，在20：00～2：00 LT和7：00～12：00 LT时间段内也偏大，其余时间段内偏小。夏季相对误差在-0.07～0.08之间变化，预测值相比观测值在19：00～22：00 LT时间段偏小并且相对误差达最大达到0.08，除了在24：00～2：00 LT和6：00～8：00 LT时间段偏小外，其余时间段内偏大。冬季相对误差在-0.08～0.12之间变化，预测值相比观测值在2：00～4：00 LT时间段内偏大且相对误差最大达到0.12。

图6给出了2012年中hmF2预测值与观测值在春分日、夏至日、秋分日、冬至日柱状对比图。从图中可以看出春分日hmF2最大峰值发生在14：00 LT，在8：00～14：00 LT时间段hmF2逐渐增大，此后14：00～24：00 LT时间段hmF2逐渐减小。预测值相比观测值在14：00 LT和6：00 LT左右偏小，其余时间段偏大。夏至日最大峰值发生在12：00～14：00 LT时间段，预测值相比观测值在12：00～2：00 LT偏小，其余时间段观测值偏大。秋分日hmF2最大峰值发生在12：00～14：00 LT时间段，预测值相比^测值在12：00～14：00 LT和22：00～24：00 LT时间段偏小，其余时间段内偏大。冬至日最大峰值发生在14：00～18：00 LT，预测值相比观测值在4：00～8：00 LT时间段偏大，其余时间段偏小。

3 结论

通过分析三亚地区电离层变化中foF2和hmF2的昼夜、季节特征规律，以及对比分析IRI2012模型预测值和测高仪观测值，其结论如下：

foF2在8：00～18：00 LT时间段内逐渐增大，随后18：00～6：00 LT时间段内逐渐减小，最大峰值16MHz发生在12：00～16：00 LT时间段内，最小峰值2MHz发生在4：00～6：00 LT时间段。对于昼夜日变化，预测值相比观测值在8：00～18：00 LT大部分时间段内偏小且误差最大达到3 MHz，在22：00～6：00 LT大部分时间偏大且误差最大达到5 MHz。对于季节变化，春秋分季节foF2变化剧烈且相对误差在-0.39～0.1之间变化，预测值相比观测值在8：00～18：00 LT大部分时间段内偏大，在22：00～6：00 LT绝大部分时间偏小。夏季foF2变化相比春秋分季缓慢且相对误差在-0.1～0.12之间变化，预测值相比观测值在2：00～6：00 LT大部分时间段内偏大，在6：00～24：00 LT大部分时间段内偏小。冬季foF2相对误差在-0.35～0.17之间变化，预测值相比观测值在24：00～18：00 LT大部分时间段内偏大，在20：00～22：00 LT大部分时间段内偏小。

hmF2峰值大体上发生在中午12：00 LT，白天的hmF2值比夜间的高，并且夏季和秋季出现2个极大值，第一个极大值发生在12：00 LT左右，高度在350～400 km之间，另外极大值发生22：00 LT左右，高度在335～375 km之间。对于季节变化，春秋分季hmF2变化剧烈相对误差在-0.16～0.12之间变化，预测值相比观测值在7：00～12：00 LT大部分时间段内偏大，在14：00～6：00 LT大部分时间段内偏小。夏季hmF2相对误差在-0.07～0.08之间变化，预测值相比观测值在24：00～8：00 LT大部分时间段偏大，在8：00～22：00 LT大部分时间段内偏小。冬季hmF2相对误差在-0.08～0.12之间变化，预测值相比观测值在2：00～4：00 LT时间段内偏大且误差最大达到0.12。此外，相对误差剧烈变化通常发生春秋分季和冬季期间的3：00～5：00 LT时间内，尤其4：00 LT左右最为明显。

参考文献

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作者简介：梅文祥（1985-），男，研究生，硕士，研究方向： 电离层无线电传播，电离层垂直探测设备的研究与开发，无线电探测新观测模式研究等。

*通讯作者：朱正平（1968-），男，教授，博士，研究方向： 电离层无线电传播，信号检测与信息处理，电离层垂直探测设备的研究与开发，无线电探测新观测模式研究等。