2024年5月17日发(作者：尾香卉)
基于COSMIC掩星观测数据的NmF2全球分布特征研究
梁栋;邹玉华
【摘 要】利用COSMIC掩星观测获得的电离层电子密度剖面数据,研究了2007-
2011年的电离层F2层峰电子密度(NmF2)的全球分布特征.结果发现,赤道电离层
异常因地方时和经度而变化,在LT11-LT14期间存在明显的沿经度变化的四峰结构.
在北半球夏季夜间,北纬60°区域NmF2显著增强,即广义的威德尔海异常现象；在
南半球夏季夜间,在威德尔海区域也出现了NmF2增强的现象.此外,与太阳活动低
年相比,太阳活动增强期间的威德尔海异常区域的地理范围明显增大.%The global
distribution features of the ionospheric F2 layer peak electron density
(NmF2) during the period of 2007—2011 were studied by using the
ionospheric electron density profile data derived from COSMIC occultation
observations. The results show that the equatorial ionospheric anomaly
(EIA) changed with local time (LT) and longitude, and the four peaks
structure of EIA varied with longitude between LT11 and LT14. In the
summer local night of the northern hemisphere, remarkable increase of
NmF2 occurred in the 60 °N latitude zones, which is referred to as the
generalized Weddell Sea anomaly (WSA). The NmF2 enhancements also
took place in the Weddell Sea areas in the summer local night of the
southern hemisphere. Moreover, the geographic ranges of the WSA
regions increased significantly during the periods of enhancing solar
activity compared with those during the low solar activity year.
【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》
【年(卷),期】2012(032)006
【总页数】4页(P447-450)
【关键词】COSMIC;F2层峰电子密度;赤道电离层异常;威德尔海异常
【作 者】梁栋;邹玉华
【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004
【正文语种】中 文
【中图分类】P352.7
电离层是距地球表面60～2 000km 的大气层，它能以各种方式影响电磁波的传播。
电离层的F2层峰电子密度（NmF2）对电磁波传播有重要的影响。电离层F层电
子密度在磁赤道上空较两侧小，电子密度沿纬度分布的峰值分别发生在磁赤道向北
和向南10°～20°的地方，这就是著名的赤道电离层异常（equatorial
ionospheric anomaly，简称EIA）。此外，在南纬60°～90°、西经60°～150°
地区的夏季，地方时夜间的NmF2比白天显著增强，这种现象称为威德尔海异常
（Weddell Sea anomaly，简称WSA）。Tula－si等［1］通过分析2006年11
月 至2007年10月的COSMIC数据，总结了每天全球EIA 峰的演变规律。
Horvath 等［2］通过分析TOPEX卫星数据，发现WSA 现象不仅局限于威德尔
海区域，在别林斯高晋海区域也会发生夜间电子密度显著增强的现象。He
Maosheng等［3］通过分析2006年5月至2008年7月的COSMIC 数据，发
现不仅在南半球夏季威德尔海区域的NmF2夜间比白天显著增强，在北半球夏季
60°纬度带上也会发生夜间NmF2比白天显著增强的现象，这被称为广义威德尔海
异常。
1 COSMIC掩星观测数据
气象、电离层及气候卫星观测系统（constellation observing system for
meteorology，ionosphere and climate，简称COSMIC）由6 颗卫星组成，每
颗卫星装备3个科学探测仪器以监测地球大气，其中，GPS接收机对电离层探测
有着重要作用［4］。COSMIC 卫星首先通过接收GPS电波信号，计算电波在传
播过程中产生的相位延时，然后利用Abel反演技术，通过相位延时量计算电波路
径近地点的电子密度［5－6］。
本研究利用COSMIC 掩星观测数据经Abel反演得到的电子密度剖面数据
（ionPrf文件），提取NmF2及对应的地方时、地理经度、纬度信息。然后以地
方时、地理纬度、经度、NmF2 和地磁活动指数Kp作为人工神经网络的输入参量，
以NmF2作为输出参量，经人工神经网络训练、插值后，得到NmF2的全球分布
图。利用2007年至2011年的COSMIC数据，分析了赤道电离层异常和广义威
德尔海异常现象的形态特征。
2 结果及分析
图1为2007年1月至2月LT06－LT22（local time，简称LT）期间，每1h间
隔内的NmF2全球分布图，实线表示距地面250km 高度的磁赤道线。从图1可
以看出，EIA 峰开始形成于LT09－LT10；LT10以后，在南北半球可以观察到较
为明显的赤道电离层异常峰；LT11－LT14期间出现了明显的沿经度变化的赤道电
离层四峰结构。赤道电离层异常由磁赤道上空的喷泉效应引起，由于受到中性风影
响，异常区常呈现出南北半球的不对称性。NmF2全球分布特征与Tulasi等［1］
的观测结果基本一致。
图1 2007年01月至02月LT06－LT22期间的NmF2全球分布图Fig.1 The
global distribution features of NmF2map from LT06to LT22during
Feb.2007
2007年11月至12月、2008年5月至6月LT12－LT14以及LT20－LT22期间
的NmF2全球分布图如图2所示。图2（a）、（b）为2007年11月至12月
LT12－LT14和LT20－LT22期间的NmF2全球分布图，在西经30°～180°、南
纬40°～80°区域（圆圈所围区域）上空，地方时夜间的NmF2 比白天明显增强。
这种发生在威德尔海区域附近夏季夜间NmF2明显比白天增大的现象，Penndorf
将其称为威德尔海异常［7］。这一电离层特征的形成主要是由于在夜间的电离层
F 层中，赤道向风盛行，可以驱动等离子体向上漂移。在夏天，当地日落发生较晚，
如果在太阳光电离停止之前等离子体向上漂移，等离子体将被推到复合率非常缓慢
的较高高度，导致NmF2增大，等离子体可以存在更长的时间，这就形成了夜间
F2层峰电子密度明显比白天增大的现象［3］。图2（a）、（b）显 示 的 威 德
尔 海 异 常 现 象 与Horvath 等［2］、Penndorf［7］发现的威德尔海异常现象
较为相似。
图2（c）、（d）为2008年5月至6月LT12－LT14和LT20－LT22期间的
NmF2全球分布图。在北半球夏季的夜间LT20－LT22，南纬60°纬度带上（圆圈
所围区域）也出现了NmF2比白天LT12－LT14增大的现象，这一现象被称为广
义威德尔海异常。图2（c）、（d）显示的广义威德尔海异常现象与He
Maosheng等［3］的观测结果十分相似。
图2 2007年和2008年的WSA 现象示意图Fig.2 Sketch map of WSA in
2007and 2008
2007年和2008年属于太阳活动低年，2010年以来太阳活动逐渐增强。为了研
究太阳活动增强期间的威德尔海异常现象，分析了2010年11月至12月、2011
年5月至6月LT12－LT14以及LT20－LT22期间NmF2全球分布，如图3所示。
从图3可以看出，太阳活动增强期间（2010、2011年）的威德尔海异常现象与
太阳活动低年（2007、2008年）较为相似。
图3 2010年和2011年的WSA 现象示意图Fig.3 Sketch map of The WSA in
2010and 2011
为了更好地研究太阳活动低年和太阳活动增强期间发生在夏季半球的威德尔海异常
现象，将2007年11月至12月、2010年11月至12月、2008年5月至6月和
2011年5月至6月期间夜间LT20－LT22的NmF2值与白天LT12－LT14）的
NmF2值相减，然后除以白天的NmF2 值，得到夜间与白天NmF2的相对变化，
如图4所示。在图4各分图中，相对变化大于0的区域表示夜间NmF2值增大的
区域。图4表明，在南半球夏季（2007年11月至12月和2010年11月至12
月），威德尔海异常现象主要发生在西经50°～160°、南纬40°～80°区域；在北
半球夏季（2008年5月至6月和2011年5月至6月），夜间NmF2增强主要
出现在北纬60°地区的西经0°～60°和东经120°～180°范围内；太阳活动增强期
间的威德尔海异常区域范围比太阳活动低年期间的更大，这主要由于太阳活动增强
期间太阳辐射能量增强，这将增大电离层的离化率，从而影响电离层NmF2的分
布。
图4 夜间与白天NmF2的相对变化Fig.4 NmF2relative changes of nighttime
and daytime
3 结束语
利用COSMIC掩星观测获得的电离层电子密度剖面数据研究全球NmF2 的分布，
能弥补传统地基观测手段的不足，实现对NmF2连续、全天候、大范围的观测［8
－10］。通过人工神经网络插值技术，分析了NmF2的全球分布特征。研究结果
表明，赤道电离层异常峰的分布特征随着地方时和经度的变化而改变，LT11－
LT14期间存在明显的沿经度变化的赤道电离层四峰结构；在北半球夏季，北纬60°
区域地方时夜间会出现NmF2 显著增强的现象，即广义的威德尔海异常现象；在
南半球夏季，威德尔海区域附近夜间也会出现NmF2显著增强的现象。此外，与
太阳活动低年相比，太阳活动增强期间的威德尔海异常区域的地理范围明显增大。
参考文献：
［1］Tulasi S R，Su S Y，Liu C AT－3/COSMIC observations of
seasonal and longitudinal variations of equatorial ionization anomaly and
its interhemispheric asymmetry during the solar minimum period
［J］.Journal of Geophysical Research，2009，114（13）：880－894.
［2］Horvath I，Essex E Weddell Sea anomaly observed with the
Topex satellite data［J］.Journal of Atmospheric and Solar－Terrestrial
Physics，2003，65（6）：693－706.
［3］He Maosheng，Liu Libo，Wan Weixing，et al.A study of the Weddell
Sea Anomaly observed by FORMOSAT－3/COSMIC［J］.Journal of
Geophysical Research，2009，114（14）：175－184.
［4］郭鹏，洪振杰，张大海.COSMIC 计划［J］.天文学进展，2002，24（4）：
324－335.
［5］胡雄，曾桢，张训械，等.无线电掩星技术及其应用［J］.电波科学学报，
2002，17（5）：549－556.
［6］李创辉，赵涛.利用COSMIC 电子密度数据分析全球NmF2［J］.桂林电子
科技大学学报，2011，31（3）：181－184.
［7］Penndorf average ionospheric conditions over the Antarctic
［J］.Geomagnetism and Aeronomy，Antarctic Research Series，1965，4：
1－45.
［8］Tsai L C，Tsai W H，Schreiner W S，et isons of GPS/MET
retrieved ionospheric electron density and ground based ionosonde data
［J］.Earth Planets Space，2001，53（3）：193－205.
［9］Lei Jiuhou，Syndergaard S，Burns A G，et ison of COSMIC
ionospheric measurements with groundbased observations and model
predictions：preliminary results［J］.Journal of Geophysical Research，
2007，112（12）：240－248.
［10］Kelley M C，Wong V K，Aponte N，et ison of COSMIC
occultation－based electron density profiles and TIP observations with
Arecibo incoherent scatter radar data［J］.Radio Science，2009，44（40）：
87－99.
2024年5月17日发(作者：尾香卉)
基于COSMIC掩星观测数据的NmF2全球分布特征研究
梁栋;邹玉华
【摘 要】利用COSMIC掩星观测获得的电离层电子密度剖面数据,研究了2007-
2011年的电离层F2层峰电子密度(NmF2)的全球分布特征.结果发现,赤道电离层
异常因地方时和经度而变化,在LT11-LT14期间存在明显的沿经度变化的四峰结构.
在北半球夏季夜间,北纬60°区域NmF2显著增强,即广义的威德尔海异常现象；在
南半球夏季夜间,在威德尔海区域也出现了NmF2增强的现象.此外,与太阳活动低
年相比,太阳活动增强期间的威德尔海异常区域的地理范围明显增大.%The global
distribution features of the ionospheric F2 layer peak electron density
(NmF2) during the period of 2007—2011 were studied by using the
ionospheric electron density profile data derived from COSMIC occultation
observations. The results show that the equatorial ionospheric anomaly
(EIA) changed with local time (LT) and longitude, and the four peaks
structure of EIA varied with longitude between LT11 and LT14. In the
summer local night of the northern hemisphere, remarkable increase of
NmF2 occurred in the 60 °N latitude zones, which is referred to as the
generalized Weddell Sea anomaly (WSA). The NmF2 enhancements also
took place in the Weddell Sea areas in the summer local night of the
southern hemisphere. Moreover, the geographic ranges of the WSA
regions increased significantly during the periods of enhancing solar
activity compared with those during the low solar activity year.
【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》
【年(卷),期】2012(032)006
【总页数】4页(P447-450)
【关键词】COSMIC;F2层峰电子密度;赤道电离层异常;威德尔海异常
【作 者】梁栋;邹玉华
【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004
【正文语种】中 文
【中图分类】P352.7
电离层是距地球表面60～2 000km 的大气层，它能以各种方式影响电磁波的传播。
电离层的F2层峰电子密度（NmF2）对电磁波传播有重要的影响。电离层F层电
子密度在磁赤道上空较两侧小，电子密度沿纬度分布的峰值分别发生在磁赤道向北
和向南10°～20°的地方，这就是著名的赤道电离层异常（equatorial
ionospheric anomaly，简称EIA）。此外，在南纬60°～90°、西经60°～150°
地区的夏季，地方时夜间的NmF2比白天显著增强，这种现象称为威德尔海异常
（Weddell Sea anomaly，简称WSA）。Tula－si等［1］通过分析2006年11
月 至2007年10月的COSMIC数据，总结了每天全球EIA 峰的演变规律。
Horvath 等［2］通过分析TOPEX卫星数据，发现WSA 现象不仅局限于威德尔
海区域，在别林斯高晋海区域也会发生夜间电子密度显著增强的现象。He
Maosheng等［3］通过分析2006年5月至2008年7月的COSMIC 数据，发
现不仅在南半球夏季威德尔海区域的NmF2夜间比白天显著增强，在北半球夏季
60°纬度带上也会发生夜间NmF2比白天显著增强的现象，这被称为广义威德尔海
异常。
1 COSMIC掩星观测数据
气象、电离层及气候卫星观测系统（constellation observing system for
meteorology，ionosphere and climate，简称COSMIC）由6 颗卫星组成，每
颗卫星装备3个科学探测仪器以监测地球大气，其中，GPS接收机对电离层探测
有着重要作用［4］。COSMIC 卫星首先通过接收GPS电波信号，计算电波在传
播过程中产生的相位延时，然后利用Abel反演技术，通过相位延时量计算电波路
径近地点的电子密度［5－6］。
本研究利用COSMIC 掩星观测数据经Abel反演得到的电子密度剖面数据
（ionPrf文件），提取NmF2及对应的地方时、地理经度、纬度信息。然后以地
方时、地理纬度、经度、NmF2 和地磁活动指数Kp作为人工神经网络的输入参量，
以NmF2作为输出参量，经人工神经网络训练、插值后，得到NmF2的全球分布
图。利用2007年至2011年的COSMIC数据，分析了赤道电离层异常和广义威
德尔海异常现象的形态特征。
2 结果及分析
图1为2007年1月至2月LT06－LT22（local time，简称LT）期间，每1h间
隔内的NmF2全球分布图，实线表示距地面250km 高度的磁赤道线。从图1可
以看出，EIA 峰开始形成于LT09－LT10；LT10以后，在南北半球可以观察到较
为明显的赤道电离层异常峰；LT11－LT14期间出现了明显的沿经度变化的赤道电
离层四峰结构。赤道电离层异常由磁赤道上空的喷泉效应引起，由于受到中性风影
响，异常区常呈现出南北半球的不对称性。NmF2全球分布特征与Tulasi等［1］
的观测结果基本一致。
图1 2007年01月至02月LT06－LT22期间的NmF2全球分布图Fig.1 The
global distribution features of NmF2map from LT06to LT22during
Feb.2007
2007年11月至12月、2008年5月至6月LT12－LT14以及LT20－LT22期间
的NmF2全球分布图如图2所示。图2（a）、（b）为2007年11月至12月
LT12－LT14和LT20－LT22期间的NmF2全球分布图，在西经30°～180°、南
纬40°～80°区域（圆圈所围区域）上空，地方时夜间的NmF2 比白天明显增强。
这种发生在威德尔海区域附近夏季夜间NmF2明显比白天增大的现象，Penndorf
将其称为威德尔海异常［7］。这一电离层特征的形成主要是由于在夜间的电离层
F 层中，赤道向风盛行，可以驱动等离子体向上漂移。在夏天，当地日落发生较晚，
如果在太阳光电离停止之前等离子体向上漂移，等离子体将被推到复合率非常缓慢
的较高高度，导致NmF2增大，等离子体可以存在更长的时间，这就形成了夜间
F2层峰电子密度明显比白天增大的现象［3］。图2（a）、（b）显 示 的 威 德
尔 海 异 常 现 象 与Horvath 等［2］、Penndorf［7］发现的威德尔海异常现象
较为相似。
图2（c）、（d）为2008年5月至6月LT12－LT14和LT20－LT22期间的
NmF2全球分布图。在北半球夏季的夜间LT20－LT22，南纬60°纬度带上（圆圈
所围区域）也出现了NmF2比白天LT12－LT14增大的现象，这一现象被称为广
义威德尔海异常。图2（c）、（d）显示的广义威德尔海异常现象与He
Maosheng等［3］的观测结果十分相似。
图2 2007年和2008年的WSA 现象示意图Fig.2 Sketch map of WSA in
2007and 2008
2007年和2008年属于太阳活动低年，2010年以来太阳活动逐渐增强。为了研
究太阳活动增强期间的威德尔海异常现象，分析了2010年11月至12月、2011
年5月至6月LT12－LT14以及LT20－LT22期间NmF2全球分布，如图3所示。
从图3可以看出，太阳活动增强期间（2010、2011年）的威德尔海异常现象与
太阳活动低年（2007、2008年）较为相似。
图3 2010年和2011年的WSA 现象示意图Fig.3 Sketch map of The WSA in
2010and 2011
为了更好地研究太阳活动低年和太阳活动增强期间发生在夏季半球的威德尔海异常
现象，将2007年11月至12月、2010年11月至12月、2008年5月至6月和
2011年5月至6月期间夜间LT20－LT22的NmF2值与白天LT12－LT14）的
NmF2值相减，然后除以白天的NmF2 值，得到夜间与白天NmF2的相对变化，
如图4所示。在图4各分图中，相对变化大于0的区域表示夜间NmF2值增大的
区域。图4表明，在南半球夏季（2007年11月至12月和2010年11月至12
月），威德尔海异常现象主要发生在西经50°～160°、南纬40°～80°区域；在北
半球夏季（2008年5月至6月和2011年5月至6月），夜间NmF2增强主要
出现在北纬60°地区的西经0°～60°和东经120°～180°范围内；太阳活动增强期
间的威德尔海异常区域范围比太阳活动低年期间的更大，这主要由于太阳活动增强
期间太阳辐射能量增强，这将增大电离层的离化率，从而影响电离层NmF2的分
布。
图4 夜间与白天NmF2的相对变化Fig.4 NmF2relative changes of nighttime
and daytime
3 结束语
利用COSMIC掩星观测获得的电离层电子密度剖面数据研究全球NmF2 的分布，
能弥补传统地基观测手段的不足，实现对NmF2连续、全天候、大范围的观测［8
－10］。通过人工神经网络插值技术，分析了NmF2的全球分布特征。研究结果
表明，赤道电离层异常峰的分布特征随着地方时和经度的变化而改变，LT11－
LT14期间存在明显的沿经度变化的赤道电离层四峰结构；在北半球夏季，北纬60°
区域地方时夜间会出现NmF2 显著增强的现象，即广义的威德尔海异常现象；在
南半球夏季，威德尔海区域附近夜间也会出现NmF2显著增强的现象。此外，与
太阳活动低年相比，太阳活动增强期间的威德尔海异常区域的地理范围明显增大。
参考文献：
［1］Tulasi S R，Su S Y，Liu C AT－3/COSMIC observations of
seasonal and longitudinal variations of equatorial ionization anomaly and
its interhemispheric asymmetry during the solar minimum period
［J］.Journal of Geophysical Research，2009，114（13）：880－894.
［2］Horvath I，Essex E Weddell Sea anomaly observed with the
Topex satellite data［J］.Journal of Atmospheric and Solar－Terrestrial
Physics，2003，65（6）：693－706.
［3］He Maosheng，Liu Libo，Wan Weixing，et al.A study of the Weddell
Sea Anomaly observed by FORMOSAT－3/COSMIC［J］.Journal of
Geophysical Research，2009，114（14）：175－184.
［4］郭鹏，洪振杰，张大海.COSMIC 计划［J］.天文学进展，2002，24（4）：
324－335.
［5］胡雄，曾桢，张训械，等.无线电掩星技术及其应用［J］.电波科学学报，
2002，17（5）：549－556.
［6］李创辉，赵涛.利用COSMIC 电子密度数据分析全球NmF2［J］.桂林电子
科技大学学报，2011，31（3）：181－184.
［7］Penndorf average ionospheric conditions over the Antarctic
［J］.Geomagnetism and Aeronomy，Antarctic Research Series，1965，4：
1－45.
［8］Tsai L C，Tsai W H，Schreiner W S，et isons of GPS/MET
retrieved ionospheric electron density and ground based ionosonde data
［J］.Earth Planets Space，2001，53（3）：193－205.
［9］Lei Jiuhou，Syndergaard S，Burns A G，et ison of COSMIC
ionospheric measurements with groundbased observations and model
predictions：preliminary results［J］.Journal of Geophysical Research，
2007，112（12）：240－248.
［10］Kelley M C，Wong V K，Aponte N，et ison of COSMIC
occultation－based electron density profiles and TIP observations with
Arecibo incoherent scatter radar data［J］.Radio Science，2009，44（40）：
87－99.