如今我們?nèi)找嬉蕾噷?dǎo)航定位、無(wú)線通信等技術(shù)，對(duì)這些技術(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定性、精確性的需求越來(lái)越高。因此，亟需進(jìn)一步認(rèn)識(shí)電離層的空間結(jié)構(gòu)特征。地球電離層具有隨緯度和經(jīng)度變化的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)。這些空間結(jié)構(gòu)極大地挑戰(zhàn)著如何精確描述電離層的狀態(tài)，也對(duì)導(dǎo)航定位、電波通信、衛(wèi)星遙感等技術(shù)具有重要影響。電離層總電子含量（TEC）和電子密度剖面等觀測(cè)資料在反演過(guò)程中都假設(shè)局域水平均勻，在存在空間結(jié)構(gòu)時(shí)無(wú)疑會(huì)嚴(yán)重影響從探測(cè)資料提取電離層信息的準(zhǔn)確性。

以往的研究聚焦于垂直結(jié)構(gòu)和緯度結(jié)構(gòu)，對(duì)經(jīng)度結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)主要關(guān)注大尺度結(jié)構(gòu)。多種等離子體參量在赤道及低緯地區(qū)表現(xiàn)出波狀結(jié)構(gòu)，在中緯地區(qū)也展現(xiàn)出顯著的扇區(qū)內(nèi)東西差異。但是，我們不了解更小尺度的電離層空間結(jié)構(gòu)特征。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉立波研究員團(tuán)隊(duì)基于我所架設(shè)的GNSS接收機(jī)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的TEC數(shù)據(jù)，研究了電離層夜間增強(qiáng)事件和強(qiáng)梯度事件。他們發(fā)現(xiàn)了更為精細(xì)的電離層空間結(jié)構(gòu)特征，在與GIM等全球電離層產(chǎn)品的比對(duì)驗(yàn)證中，提出了提升這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品描述能力的建議。

研究利用了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)特有的同步軌道衛(wèi)星（GEO）信號(hào)所反演的TEC數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的 GPS TEC將時(shí)間信息與空間信息交織在一起，GEO衛(wèi)星相對(duì)于地面靜止，可以為我們提供純粹的時(shí)間與空間信息。分析結(jié)果顯示電離層夜間增強(qiáng)事件發(fā)生在非常有限的經(jīng)度緯度范圍內(nèi)，最大擴(kuò)展范圍約為17° X 25°(經(jīng)度 X 緯度)，表現(xiàn)出了非常顯著的沿經(jīng)度和緯度的演變特征（圖1）。

對(duì)GDGZ臺(tái)站二年TEC數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)有四種類型經(jīng)度梯度，伴隨著顯著的逐日變化。對(duì)顯著的強(qiáng)梯度事件分析，發(fā)現(xiàn)這些強(qiáng)梯度結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在北半球低緯狹窄的緯度范圍內(nèi)，存在著強(qiáng)烈的半球不對(duì)稱特征（圖2）。

圖1. 夜間增強(qiáng)事件期間沿110°E （a）和21°N（b）的絕對(duì)TEC變化圖和相對(duì)TEC變化圖

圖2. 兩次事件中的TEC梯度值分布圖。三角形的大小表示經(jīng)度梯度的大小，顏色表示經(jīng)度梯度的方向，位置表示每個(gè)接收機(jī)所接收到的信號(hào)范圍的中心點(diǎn)

對(duì)比分析各機(jī)構(gòu)發(fā)布的TEC產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品均無(wú)法呈現(xiàn)夜間增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。多數(shù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品難以呈現(xiàn)這些顯著的經(jīng)度梯度結(jié)構(gòu)（圖3）。因此，需要提高時(shí)空分辨率來(lái)提升對(duì)電離層水平結(jié)構(gòu)及其時(shí)間演變的描繪能力。

圖3. TEC觀測(cè)值（黑色圓點(diǎn)）、CODE發(fā)布的GIM TEC（橙色虛線）和MIT TEC（綠色加號(hào)）的經(jīng)度變化對(duì)比圖

研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Remote Sensing上。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（42030202）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFE0131400）、國(guó)家自然科學(xué)基金（42174204）以及子午工程項(xiàng)目的共同資助。

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. Remote Sens. 2022, 14, 1088. https://doi.org/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. Remote Sens. 2022, 14, 2315. https://doi.org/10.3390/rs14102315