基于GNSS观测研究非洲区域电离层TEC及不规则性的地磁控制

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Geomagnetic control of ionospheric TEC and irregularities over the African sector using GNSS observations

　　非洲区域的总电子含量（TEC）呈现强烈的非高斯分布特征。在不同全球导航卫星系统（GNSS）站点观测到明显的纬度依赖性。地磁活动增强了TEC上尾行为的耦合效应。尾放大因子（TAF）用于量化极端的TEC响应。在扰动条件下，不规则性强度增加。## 引言电离层是高层大气中一个高度动态的区域，其电子密度分布强烈影响着全球导航卫星系统（GNSS）信号的传播。电离层总电子含量（TEC）的变化会引入距离延迟，降低定位精度，并可能引发信号闪烁、周跳和失锁现象，这在赤道和低纬度地区尤为明显，因为这些区域等离子体不规则性最为显著（Adebiyi等，2016；Suya和Ogwang，2026；Moses等，2022）。因此，理解电离层变化对于空间天气研究和可靠的定位、导航和授时（PNT）服务开发都至关重要。非洲电离层表现出由太阳辐射、地磁活动和低纬度动力学过程驱动的复杂时空变化。先前的研究报告了在非洲赤道和低纬度地区，TEC表现出强烈的季节性、纬度和太阳周期依赖性，包括明显的春分/秋分极大和与太阳活动指数的显著相关性（Andima等，2019；Suya，2025）。经验模型和区域建模研究进一步证明，GNSS派生的TEC产品能够捕捉非洲电离层的气候学行为，并支持区域电离层监测应用（Cele等，2023；Nigusie等，2024）。最近，多源观测揭示了非洲TEC和电离层结构在经度、季节和太阳周期上的巨大变化，突出了赤道电离异常动力学在整个大陆上的强烈影响（Feng等，2025）。地磁暴是电离层扰动最重要的驱动因素之一。暴时电场、中层大气风、粒子沉降和扰动发电机过程可以显著改变从赤道到高纬度的TEC分布（Fejer等，2017；Li等，2022；Shinbori等，2022）。观测研究表明，地磁暴可以产生正负电离层响应，改变赤道电离异常形态，产生大尺度TEC扰动，并增强不同经度扇区的电离层不规则性（Jenan等，2022；Astafyeva等，2022；Paul等，2020；Reddybattula等，2019；Meng等，2024）。在非洲地区，暴时扰动与增强的等离子体湍流、闪烁、行进式电离层扰动以及不规则性发生率的显著经度差异有关（Dugassa等，2019；Olwendo和Cilliers，2021）。最近的调查显示，风暴引起的能量粒子沉降和低层大气驱动机制（包括突发性平流层增温事件）可以显著改变非洲经度的TEC和不规则性发生率（Ojapinwa等，2025；Fashae等，2025）。电离层不规则性的发生仍然是GNSS应用面临的主要挑战，因为不规则的等离子体结构会产生快速的TEC波动，降低信号质量和定位性能。TEC变化率指数（ROTI）已成为检测和监测此类不规则性和赤道等离子体气泡的广泛使用的代理指标（Ondede等，2026；Timo?in等，2020）。长期的非洲观测揭示了等离子体气泡发生率存在强烈的经度不对称性，西非的普遍发生率高于东非，特别是在太阳活动高峰期。全球ROTI预报和实时电离层监测的进展进一步证明了基于TEC和ROTI的产品在运营空间天气服务中的日益重要性（Monte-Moreno等，2026；Li等，2026；Xu等，2026）。近年来，扰动电离层条件对GNSS性能的影响受到了越来越多的关注。研究表明，地磁暴会增加定位误差，放大TEC梯度，提高周跳发生率，并降低广泛接收器类型和纬度范围内的信号质量（Koroglu和Arikan，2025；Bagheri和Dabove，2025；Bakota等，2025；Pundhir，2026）。研究报告了ROTI、电离层扰动指数与GNSS定位退化之间的强相关性，周跳发生率通常在电离层活动增强期间增加（Nykiel等，2024）。改进的电离层校正模型和实时电离层产品的开发进一步凸显了准确表征暴时TEC行为及其对导航性能影响的需求（Chakali和Devanaboyina，2025）。尽管在利用GNSS派生TEC表征电离层变化方面取得了实质性进展（包括统计TEC分布分析，Emmela等，2023），但对非洲电离层的统计理解仍存在重要空白。先前的研究主要关注TEC气候学、季节性和太阳周期变化、地磁暴响应或电离层不规则性发生，重点通常放在平均行为、经验建模或单个扰动事件上。因此，尽管非洲TEC变化的总体特征已相当明确，但相对较少的关注被用于TEC本身的统计分布，特别是其高阶矩、上尾行为以及在多年时间尺度上对地磁强迫的纬度依赖响应。这一局限性很重要，因为GNSS定位、导航和授时性能通常会被间歇性高TEC事件和增强的电离层变化所降低，而这些仅凭平均状态指标无法充分表征。因此，极端TEC状态的统计行为及其对非洲不同纬度扇区地磁活动的敏感性仍未得到完全表征。最近的非洲GNSS-TEC研究主要集中在TEC气候学、区域映射和暴时响应上（Falayi等，2024；Rukundo，2023；Mengist等，2023；Cele等，2023）。相比之下，本研究结合了高阶分布统计、纬度分析和地磁态分类，并引入尾放大因子（TAF）作为百分位比率指标，用于量化扰动条件下上尾TEC的增强。为解决这一空白，本研究提供了基于GNSS派生TEC的综合统计分析，数据来自2015—2020年间跨越非洲赤道、低纬度和中纬度地区的五个站点。与主要关注气候平均或单个地磁事件的研究不同，本研究采用基于分布的视角，全面考察TEC的完整统计结构。分析在一个统一框架内结合了高阶统计描述符、概率密度表征、纬度依赖评估、地磁态分类和不规则性强度评估。特别强调通过基于百分位数的分析和在此引入的TAF来量化TEC分布上尾的行为，以评估扰动地磁条件下极端TEC状态的增强。主要目标是确定地磁纬度和地磁活动如何共同影响非洲区域TEC的统计结构和极端值行为，次要目标是评估TEC不规则性强度的相应响应。本研究的主要创新在于统计量化非洲区域地磁驱动的TEC分布变化，特别是通过引入TAF作为跨地磁态上尾放大的简单度量指标。本文其余部分组织如下。第2节描述用于GNSS TEC估计、质量控制、统计表征、纬度分析和地磁态分类的方法。第3节介绍GNSS观测网络、数据可用性和研究中使用的地磁活动数据集。第4节展示并讨论结果，涵盖TEC分布的统计表征、纬度变化和TEC对地磁活动的响应，特别关注极端值行为及相关TEC不规则性强度的调制。最后，第5节总结主要发现和结论。## 章节简介### 方法本节描述用于处理TEC观测、表征其统计特性、量化纬度变化并评估地磁活动对TEC分布和极端事件影响的方法。### 数据描述本节描述分析中使用的观测数据集，包括GNSS派生的TEC观测和用于定义空间天气态的地磁活动指数。这些数据集构成了量化电离层变化及其对地磁强迫依赖性的基础。### 结果与讨论以下小节考察TEC变化与地磁活动之间的关系，旨在确定所观察到的统计结构和不规则性行为的主要驱动因素。### 结论本研究利用2015—2020年间跨越赤道到中纬度地区的五个站点的观测数据，调查了非洲区域GNSS派生TEC的统计结构、纬度依赖性和地磁调制。主要目标是确定地磁纬度和地磁活动如何共同影响TEC变化及其极端值行为，并评估电离层不规则性强度的相应响应。### CRediT作者贡献声明**Robert Galatiya Suya：** 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。**John Bosco Ogwang：** 撰写——审阅与编辑，验证，调查，形式分析，数据整理。### 资金致谢作者声明本研究未获得公共、商业或非营利领域资助机构的任何专项资助。### 利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能影响本文所述的工作。Robert Galatiya Suya|John Bosco Ogwang