不同纬度地区太阳活动高年与低年电离层垂测数据分析研究

摘要：本文基于中低纬地区多个垂测观测站的本文基于中低纬地区多个垂测观测站的观测数据，对太阳活动高年与低年期间的电离层特征进行了统计与对比分析。研究旨在揭示太阳活动性对不同纬度电离层参数（如临界频率foF2等）影响的变化规律。通过分析发现：在太阳活动高年，各站点的foF2值普遍显著增大，有明显的日变化特征，正午时分达到峰值。本研究对深化理解太阳活动对电离层气候学特征的影响，以及提高空间环境建模和预报的精度具有参考意义。

关键词：中低纬电离层；太阳活动周期；垂测；日变化；月中值；foF2

1 概述

本文统计分析了中纬地区M站、低纬地区H站两站太阳活动高年与太阳活动低年期间电离层关键参数foF2、M3F2和foE日变化、季节变化和月中值变化特征等，方法为求取不同太阳强度期间一天各时刻年中值、季节中值和月中值。其中太阳活动低年为2016年（1月1日-2016年12月31日），太阳活动高年为2023年（1月1日-2023年12月31日）。季节划分方式：一年分为3个季节， 夏季(5-8月)、冬季(11-12月、1-2月)、分季(3-4月、9-10月)。

2 M站（中纬地区）数据分析

2.1  参数foF2日变化

图1 M站foF2日变化图

     由上图可以看出，M站foF2频率有明显的日变化特征，在日出前4-5点前后出现低值，最大时刻在正午附近，这可能和M站所处的纬度有关，本站处于中纬地区，电场影响较小；太阳活动高年2023年明显高于太阳活动低年2016年，频率在太阳活动高低年分别为10MHz和6MHz左右。

2.2  参数foE日变化

图2 M站foE日变化图

由上图可以看出，M站参数foE和foF2的频率变化趋势大致相似，M站foF2频率太阳活动高年2023年高于太阳活动低年2016年；M站foE峰值发生在正午前后，日出或日落较小；夜间主要以微粒E层为主，夜间部分时段出现数值，是由于微粒E层的存在，此类情况较少。

2.3  参数M3F2日变化

图3 M站M3F2日变化图

由上图可以看出，M站参数M3F2和参数foE、foF2的频率变化趋势不一致；M站太阳活动高年2023年低于太阳活动低年2016年；在白天有一个明显的增大过程，与foF2变化趋势类似，其最大值在9点左右，最小值在夜间。

以上可以看出，参数M3F2和频率参数foE、foF2的日变化趋势不一致，是由于M因子是一个从垂测频率获得给定距离斜向传播最大可用频率的转换因子。对于M3F2是F2层的一次反射寻常波分量应用的地面距离为3000千米的标准传输曲线获得的M3F2。M3F2是一个比值，其公式为M3F2=MUF/foF2，可以看出，M3F2大小取决于MUF和foF2值的变化速率，其变化特征较为复杂。

2.4  参数foF2季节变化

图4 M站foF2夏季变化图

图5 M站foF2冬季变化图

图6 M站foF2分季变化图

由上图可以看出，M站foF2在夏季日变化并不明显，而在冬分季可以观察到明显的日变化特征。在太阳活动高年2023年，分季夜间foF2仍能维持较高值，夏季和冬季可以看到明显回落。在太阳活动低年，分季23：00大约为8MHz，明显高于夏季和冬季的6.1MHz和5.3MHz。

2.5  参数foE季节变化

图7 M站foE夏季变化图

图8 M站foE冬季变化图

图9 M站foE分季变化图

由上图可以看出， M站 foE在正午前后达到最大值，日出日落时最低；但不同季节有所不同，总的来说，夏季最高，分季次之，冬季最小。此外，foE夏季持续时间最长，分季稍短，冬季最短。

2.6  参数M3F2季节变化

图10 M站M3F2夏季变化图

图11 M站M3F2冬季变化图

图12 M站M3F2分季变化图

由上图可以看出，M站参数M3F2的数值在260-360之间；太阳活动高年2023年低于太阳活动低年2016年；各季节变化趋势与参数foF2类似；具有明显的季节特征，即冬季最大，分季次之，夏季最小。

以上可以看出，参数M3F2和频率参数foE、foF2的日变化趋势不一致，是由于M因子是一个从垂测频率获得给定距离斜向传播最大可用频率的转换因子。对于M3F2是F2层的一次反射寻常波分量应用的地面距离为3000千米的标准传输曲线获得的M3F2。M3F2是一个比值，其公式为M3F2=MUF/foF2，可以看出，M3F2大小取决于MUF和foF2值的变化速率，其变化特征较为复杂。

2.7  参数foF2年变化

图13 M站foF2年变化图

       由上图可以看出，M站参数foF2在太阳活动高年2023年高于太阳活动低年2016年；M站各月月中值在白天相差较大，2、3、9、10月白天月中值较大，5-8月最小，且太阳活动高低年相差较大。

2.8  参数foE年变化

图14 M站foE年变化图

由上图可以看出，参数foE在1.3-4MHZ之间，M站太阳活动高年2023年高于太阳活动低年2016年；峰值6月和7月份最大，然后向两端月份减小，1月和12月达到最小。

2.9  参数M3F2年变化

图15 M站M3F2年变化图

由上图可以看出，M站参数M3F2的各月月中值在260-380之间；太阳活动高年2023年明显低于太阳活动低年2016年，尤其在白天；M站各月月中值呈现“V”型变化特征，即1月和12月最高，2月和11月次之，直到6月和7月最低。

3 H站（低纬地区）数据分析

3.1  参数foF2日变化

图21 H站foF2日变化图

     由上图可以看出，H站参数foF2太阳活动高年2023年明显高于太阳活动低年2016年；频率有明显的日变化特征，白天尤为明显，日出前5-6点达到最小值，最大时刻在下午17点左右，这可能和H站所处的纬度有关，H站处于低纬地区，电场影响较小，电离层变化较为复杂；就峰值而言，H站在太阳活动高低年分别为14MHz和12MHz附近；foF2。

3.2  参数foE日变化

图22 H站foE日变化图

由上图可以看出， H站参数foE和foF2的频率变化趋势大致相似，H站foF2频率太阳活动高年2023年高于太阳活动低年2016年；H站foE峰值发生在正午前后，日出或日落较小；夜间主要以微粒E层为主，夜间部分时段出现数值，是由于微粒E层的存在，此类情况较少。

3.3  参数M3F2日变化

图23 H站M3F2日变化图

由上图可以看出，H站参数M3F2和参数foE、foF2的频率变化趋势不一致；太阳活动高年2023年低于太阳活动低年2016年；H站凌晨M3F2值明显大于白天，与foF2变化趋势近似相反，其最大值在9点左右，最小值在14点左右。

以上可以看出，参数M3F2和频率参数foE、foF2的日变化趋势不一致，是由于M因子是一个从垂测频率获得给定距离斜向传播最大可用频率的转换因子。对于M3F2是F2层的一次反射寻常波分量应用的地面距离为3000千米的标准传输曲线获得的M3F2。M3F2是一个比值，其公式为M3F2=MUF/foF2，可以看出，M3F2大小取决于MUF和foF2值的变化速率，其变化特征较为复杂。

3.4  参数foF2季节变化

图24 H站foF2夏季变化图

图25 H站foF2冬季变化图

图26 H站foF2分季变化图

由上图可以看出，H站foF2频率太阳活动高年2023年明显高于太阳活动低年2016年；各季节虽然都有明显的日变化特征，但夜间变化有所不同。在太阳活动高年，分季夜间foF2仍能维持较高值，夏季和冬季可以看到明显回落。在太阳活动低年，分季23：00大约为8MHz，明显高于夏季和冬季的6.1MHz和5.3MHz。

3.5  参数foE季节变化

图27 H站foE夏季变化图

图28 H站foE冬季变化图

图29 H站foE分季变化图

由上图可以看出，H站foE频率在正午前后达到最大值，但不同季节有所不同，总的来说，夏季最高，分季次之，冬季最小。此外，foE夏季持续时间最长，分季稍短，冬季最短。

夜间主要以微粒E层为主，夜间部分时段出现数值，是由于微粒E层的存在，此类情况较少。

3.6  参数M3F2季节变化

图30 H站M3F2夏季变化图

图31 H站M3F2冬季变化图

图32 H站M3F2分季变化图

由上图可以看出，H站参数M3F2的数值在260-360之间；太阳活动高年2023年低于太阳活动低年2016年；H站参数M3F2各季节变化趋势与参数foF2相反；H站冬季和分季高于夏季。

3.7  参数foF2年变化

图33 H站foF2年变化图

 由上图可以看出，H站参数foF2太阳活动高年2023年高于太阳活动低年2016年；H站在2-5月月中值白天在太阳活动高低年较为接近，6月和7月白天月中值较小，3、4、9、10月月中值白天较大。

4 结论

1、 参数foF2，低纬地区H站foF2频率高于中纬地区M站，

白天尤为明显；低纬地区H站和中纬地区M站M站foF2频率太阳活动高年明显高于太阳活动低年。两个站均在日出前后4点-6点出现低值，正午附近频率最高。

中纬地区M站foF2在太阳活动高年，分季夜间foF2仍能维持较高值，夏季和冬季可以看到明显回落。在太阳活动低年，分季23点大约为8MHz，明显高于夏季和冬季的6.1MHz和5.3MHz。中纬地区M站各月月中值在白天相差较大，2、3、9、10月白天月中值较大，5-8月最小，且太阳活动高低年相差较大。

低纬地区H站foF2频率有明显的日变化特征，最大时刻在下午17点左右；峰值在太阳活动高低年分别为14MHz和12MHz附近。在太阳活动高年，分季夜间foF2仍能维持较高值，夏季和冬季可以看到明显回落。低纬地区H站在2-5月月中值白天在太阳活动高低年较为接近，6月和7月白天月中值较小，3、4、9、10月月中值白天较大。

2、 参数foE，与foF2的频率变化曲线大致相似，低纬地区H

站foE频率高于中纬地区M站；低纬地区H站和中纬地区M站foF2频率太阳活动高年高于太阳活动低年。两个站均在日出时出现最低值，之后逐渐升高，正午附近频率达到最高，随后又随时间变化逐渐降低，日落时又降至最低。夜间部分时段出现数值，是由于微粒E层的存在，此类情况较少。具有明显的季节特征，即夏季最高，分季次之，冬季最小。两站点峰值6月和7月份最大，然后向两端月份减小，1月和12月达到最小。

 3、  参数M3F2，与参数 foF2、foE的频率变化趋势不一致，中纬地区M站和低纬地区H站参数M3F2的数值基本相似；中纬地区M站和低纬地区H站太阳活动高年低于太阳活动低年。

中纬地区M站在白天有一个明显的增大过程，与foF2变化趋势类似，其最大值在9点左右，最小值在夜间。各季节变化趋势与参数foF2类似；具有明显的季节特征，即冬季最大，分季次之，夏季最小。中纬地区M站各月月中值呈现“V”型变化特征，即1月和12月最高，2月和11月次之，直到6月和7月最低。

低纬地区H站凌晨M3F2值明显大于白天，与foF2变化趋势近似相反，其最大值在9点左右，最小值在14点左右。各季节变化趋势与参数foF2相反；低纬地区H站冬季和分季高于夏季。各月月中值变化较为复杂，呈现不规则‘V’型变化特征，即6月和7月最低。

参数M3F2和频率参数（foE和foF2）的日变化情况不一致，主要是由于M因子是一个从垂测频率获得给定距离斜向传播最大可用频率的转换因子。对于M3F2是F2层的一次反射寻常波分量应用的地面距离为3000千米的标准传输曲线获得的M3F2。