夜间135.6 nm气辉反演的电离层f_%280%29F_%282%29与测高仪观测比较研究.pdf

Science,22023,43(3):456-465.D0I:10.1173.03.2022-0018Study between the Ionospheric foF2 from Nighttime OI 135.6 nm Emission and Ionosonde Observations(in Chinese).Chinese Journal of SpaceXUEShixiang,JIANG Chunhua,MA Zhengzheng,XU Bin,DING Guangxing,YANG Guobin,ZHANG Yuannong,ZHAO Zhengyu.A Comparative0254-6124/2023/43(3)-0456-10Chin.J.SpaceSci.空间科学学报夜间135.6 nm气辉反演的电离层fF与测高仪观测比较研究*2薛仕翔姜春华马征征徐彬23丁广兴杨国斌1张援农1赵正予1,41(武汉大学电子信息学院武汉430 0 7 2)2(中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室青岛266107)3(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所斤长春130033)4（哈尔滨工业大学（深圳）深圳518055)摘要在夜间电离层，气辉135.6 nm谱线主要由F层的O+和电子的辐射复合过程以及O+和O的中性复合过程激发，该谱线强度和电离层峰值电子密度NmF2存在很强的相关性。利用夜气辉135.6 nm辐射强度与F2层峰值电子密度NmF2的平方成正比的物理模型，建立了在不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下均适用的反演算法。通过DMSP卫星上搭载的紫外光谱成像仪（SSUSI）实际观测的135.6 nm气辉辐射强度来反演相应时空的电离层F2层临界频率fF2，并将其与地基测高仪探测结果做了综合对比。结果表明，在太阳活动高年（2 0 13年），相对误差小于等于2 0%的数据占比9 3.0%，平均相对误差约为7.0 8%；在太阳活动低年（2 0 17 年），相对误差小于等于2 0%的数据占比8 0.8%，平均相对误差约为12.6 4%。最后，对该算法在太阳活动高低年的反演精度差异进行了分析。关键词OI135.6nm，反演方法，foF2，电离层，测高仪中图分类号P352A Comparative Study between the IonosphericfoF2 from Nighttime OI 135.6 nm Emissionand Ionosonde ObservationsXUE ShixiangJIANG Chunhua1MA Zhengzheng2XU Bin?2DING GuangxingYANG Guobin3ZHANG Yuannong1ZHAO Zhengyu1,4*中国电波传播研究所稳定支持科研经费项目（A132001W03）和国家自然科学基金项目（42 10 416 6）共同资助2022-05-06收到原稿，2 0 2 2-12-0 1收到修定稿E-mail：w a n g j i f a n n a o a l i y u n.c o m.通信作者姜春华，E-mail：c h u a j i a n g w h u.e d u.c nThe Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)457薛仕翔等：夜间135.6 nm气辉反演的电离层foF2与测高仪观测比较研究1(School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072)2(National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107)3(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033)4(Harbin Institute of Technology(Shenzhen),Shenzhen 518055)AbstractThe ionosphere is the part of the upper atmosphere which is ionized by solar radiation.There are a variety of ground-based and space-based remote sensing and in situ instruments to study theionosphere.Recently,an effective method,called passive optical remote sensing technique,is widely usedto study the ionosphere.It utilizes natural airglow(atoms and molecules frequently emit light to shedtheir excess energy)in the ionosphere.In the electromagnetic spectrum,the far ultraviolet light emis-sions are prominent in the ionosphere and could be used to monitor the ionosphere.During the night-time,the 135.6 nm spectral line is excited by the radiation recombination process of F region O+and eand the mutual neutralization process of O+and O in the ionosphere.There is a strong correlation be-tween the intensity of the spectral line and the maximum electronic density of ionospheric F2 layer(NmF2).Based on the physical model in which the OI 135.6 nm emission is proportional to the square ofNmF2,the retrieval algorithm is established for different longitude,latitude,local time,season and solaractivity.In this paper,the critical frequency of ionospheric F2 region(foF2)is retrieved from 135.6 nmemission observed by the Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager(SSUSI)instrument on boardthe Defense Meteorological Satellite Program(DMSP),and then the estimated results are compared withthe detection results of ground-based ionosonde.As the results show,during the high-solar activity year(2013),the data with relative error less than or equal to 20%accounted for 93.0%,and the average rela-tive error is about 7.08%.During the low-solar activity years(2017),the data with relative error lessthan or equal to 20%accounted for 80.8%,and the average relative error is about 12.64%.Finally,weanalyze the difference of retrieval accuracy of the algorithm during the high and low solar activity years.KeywordsOI 135.6 nm,Retrieval method,foF2,Ionosphere,Ionosonde0引言电离层是中性大气部分电离的区域，其位于从距离地球表面约6 0 km一直延伸到约10 0 0 km的位置。在电离层中存在自由电子，其能够影响途经该区域的无线电的幅度和相位特性。因此，研究电离层特性对短波通信、卫星导航和定位系统等具有重要的工程意义。对于电离层的探测研究主要通过两种方式实现，即遥感和就位测量（卫星直接测量所在位置的电子/离子密度、电子/离子温度等重要参数）。遥感观测主要包括无线电遥感和光学成像。在电离层研究早期，主要通过无线电遥感的方式实现电离层的探测，包括测高仪、相干散射雷达、非相干散射雷达以及掩星探测等。随着对电离层认识和了解的不断深人，发现气辉也可以用来监测电离层。气辉是中高层大气中自然发光的一种现象，根据发光时间可以分为昼气辉、夜气辉和曙暮气辉；根据气辉辐射谱线又可以分为极紫外、远紫外、可见光和近红外气辉大量研究表明，不同波段的气辉辐射能够灵敏地表征电离层物理化学状态2-4。对于135.6 nm夜气辉辐射而言，辐射强度主要涉及O+和电子的辐射复合过程以及O+和O-的中性复合过程3。Meier等5.0 的研究证明了夜间135.6 nm气辉辐射主要取决于辐射复合过程，将F层临界频率与气辉强度关联起来，并于1991年详细地阐述了遥感观测气辉辐射的机制，使得通过卫星观测气辉并反演全球F层参数成为可能。DeMajistre等通过TIMED卫星上的全球紫外成像仪（GUVI)观测的135.6 nm数据来反演夜间电子4582023,43(3空间科学学报Chin.J.SpaceSci.密度，并提出夜间135.6 nm谱线辐射强度正比于峰值电子密度平方的物理模型目前，夜间135.6 nm气辉强度正广泛用于监测电离层状态信息。自19 9 0 年以来，135.6 nm气辉辐射一直是空基遥感观测的重要目标。具有代表性的卫星与探测系统有：DMSP气象卫星搭载的紫外光谱成像仪SSUSI,TIMED卫星上的全球紫外成像仪GUVI9,COSMIC卫星上的小型电离层光度计TIP10,LEOStar-2卫星上搭载的电离层连接探测器ICONl11以及中国的风云三号（FY-3)气象卫星搭载的电离层光度计IPM等12 。这些卫星实现了对夜间135.6nm气辉的探测以及对电离层状态信息的实时监测。为了从气辉观测中反演电离层参数，需要借助于气辉计算模型。目前，国际上使用最广泛的气辉计算模型是由美国计算物理公司CPI（Co m p u t a t i o n a lPhysics,Inc.)和空军Phillips实验室开发的大气紫外辐射模型 AURIC(Atmospheric Ultraviolet Radi-ance Integrated Code）。基于AURIC模型开展有大量的气辉与电离层相关的研究13-18 。本文在夜间135.6 nm气辉激发原理的基础上，探讨了夜气辉135.6 nm辐射强度与F2层临界频率(foF2)的关系。通过与地基测高仪测量的foF2 进行对比，分析讨论了反演算法在不同经纬度、地方时和太阳活动下的反演精度问题。1反演理论基础夜间F层中OI135.6nm气辉辐射的产生机制主要有3个6 ：一是0+和电子的辐射复合反应，二是O+和O的中性复合反应，三是135.6 nm谱线在辐射传输过程中由于多次散射效应形成的二次辐射源。其中，O+与电子的辐射复合反应过程占主导地位，前两种气辉激发机制涉及的复合反应过程如表1所示。激发态氧原子发生能级跃迁O(S)一O(P)时会释放出135.8 5nm和135.56 nm谱线，通常所说的OI135.6nm辐射是这两种辐射的总和。对于各向同性辐射，氧原子135.6 nm辐射的体发射率19 可以表示为4Eo(2)=4Emn(z)+4爪Er(z)=kikzne(z)no+(2)n。(2)135.6k2no+(z)+kgn。(z)a135.6ne(z)no+(z).(1)式中，Emm和er分别表示中性复合反应（MutualNeu-tralization）和辐射复合反应（RadiativeRecombina-tion)产生的体辐射率,ne(z),no+(z)和n。(z)分别表示电子、氧离子与氧原子在某一高度的数密度。其他复合反应系数如表1所示19 在夜间OI135.6nm气辉辐射的3种产生机制中，辐射复合过程是135.6 nm气辉辐射的主要来源，占比一般超过7 5%2 0 。Dymond 等2 1 认为F层峰附近的135.6 nm气辉强度占据主导地位，F层峰以下的135.6 nm气辉辐射被掩盖。对于探测高度位于顶部电离层的卫星而言（如DMSP卫星），多次散射效应带来的影响较弱。基于这些原因，可以简单地描述夜间OI135.6nm辐射机制。如果仅考虑辐射复合过程，夜间OI135.6nm辐射的体发射率可简化为4Eo(z)=a135.6ne(z)ng+(z2).(2)在假设电离层是电中性的情况下，电子密度应等于离子密度的总和，即满足ne(z)=no+(z)+not(2)+nNo+(+(2)+n+(2).(3)（2由于夜间电离层F层中最主要的离子成分是O+,故式(3)可以表示为ne(z)n o+（z),因此,体发射率可表示为表1复合反应和复合系数Table 1Recombination reaction and recombination coefficient复合反应复合系数0+e0+hu(1356)135.6=7.3 10-13(1160/T)1/2 cm3.s-1O+eo-+huk1=1.3 10-15 cm3.s-10+0-0+0(1356)k2=1.0 10-7 cm3 s-1,135.6=0.540+0-02+ek3=1.4 10-100 cm3.s-1注0 表示激发态的氧原子O(S)。459薛仕翔等：夜间135.6 nm气辉反演的电离层foF2与测高仪观测比较研究4neo(2)Q135.n(2)2.(4)在实际的天底探测中，探测到的气辉强度为天底方向上各点处的体发射率与一个光子传输至观测点处而不被散射的概率的乘积沿高度的积分，即夜气辉OI 135.6 nm 辐射强度 表示为Zobs4元l=10-64Eo(z)T(2)dz.(5)0式中，Zobs表示观测点的高度，T(2)表示氧原子自吸收效应的透过率函数。由于135.6 nm辐射是光学薄的，透过率近似为1,则夜气辉OI135.6nm辐射强度可近似表示为Zobs4元I10-6135.6ne(z)dz.(6)0式中，电子密度可表示为ne(z)=Nmg(z),其中Nm为F2层峰值电子密度，g(2)为电子密度随高度的分布。由于实际探测中不清楚电子密度对高度的依赖性，这里采用Chapman函数2 3 来描述Fz层电子密度廓线,则g(2)可表示为2-hm)=exP1-(2-hg(2)-exp(7)HoH。这里的hm为F2层峰的高度，Ho为氧原子的标高，单位均为km。将式(7)代人式(6),夜气辉OI135.6nm辐射强度可描述为4元I=KHoN.(8)m式中，Nm为F2层峰值电子密度（单位为cm)，K 为与辐射复合系数有关的常数。在计算Nm时，K中电子温度的贡献为T./4。因而，Nm对电子温度的依赖性很弱，通常可以假设电离层电子温度在116 0 K时恒定不变。由式（8)可知，OI135.6nm夜气辉强度正比于Fz层峰值电子密度（NmF2，定义符号Nm）的平方，同时可以通过Nm求解得到F2层临界频率（foF2，定义符号f），其关系如下Nm=1.24 104 f.(9)式（8）已经建立了夜气辉OI135.6nm强度和NmF2平方成正比的物理模型。为了研究式(8)对不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下的依赖性，模拟计算了2 0 0 2 一2 0 12 年各个季节下的气辉数据，经度范围为18 0 W一18 0 E，纬度范围为6 5S-65N，经度间隔为5，纬度间隔为2。电离层数据以及中性大气数据来源于参考电离层模型IRI201624和参考大气模型NRLMSISE0025。将全球模拟得到的OI135.6nm夜气辉强度与NmFz平方进行线性拟合，2002年3月2 1日的拟合结果如图1所示。图1(a)给出了2 0:0 0 LT的全球各点数据不能恰当地拟合的情况。图1(b)揭示了在夜晚2 3:0 0 LT夜气辉OI135.6nm辐射强度和NmFz的平方之间的强相关性，这个线性拟合结果符合Rajesh等2 6 和Qin27的结论，即可以将图1(b)所示的回归直线斜率作为NmF2平方和夜气辉OI135.6nm辐射强度的换算系数。本文换算系数(Conversion Factor)定义为(NmFz 10-5)/01135.60(1010)21 Mar.2002,20:00 LT(1010)21 Mar.2002,23:00 LT12001200R=0.9861(a)R=0.9991(b)100010008009,Uo/(N)8009U0/(N)6006004004002002000002550751001251500255075100125150Intensity/RaIntensity/Ra图1OI135.6nm夜气辉辐射强度与NFz平方的拟合（R表示线性相关系数，红色实线为两类数据的线性拟合）Fig.1Linear fitting of the OI 135.6 nm emission and the square of NmF2(R represents the linear correlationcoefficient,and the red solid line indicates the linear fitting of the two data)4602023,43(3Chin.J.SpaceSci.空间科学学报为了验证不同时期的换算系数差异，本文模拟计算了2 0 0 2 年春分、夏至、秋分和冬至的NmF2,OI135.6与换算系数，结果如图2 所示。可以看出，OI135.6nm辐射强度和NmF2有很强的相关性，并且随地球磁赤道分布，在磁纬土2 0 左右形成峰值。而换算系数的峰值主要分布在磁赤道以南，大约位于磁纬-40一0，这可能是南北半球受到驱动力不一致造成的。实际上，在太阳活动较高的年份，并且时间早于21:00LT时，换算系数都会呈现出如图2 所示的结果，即换算系数并不能一概而论，因而夜气辉OI135.6nm辐射强度和NmF2平方进行线性拟合时需要考虑纬度对拟合结果的影响。根据上述讨论，可以发现将OI135.6nm夜气辉强度与NmF平方进行线性拟合时，不同纬度的数据不能很好地兼容，因而提出分区域拟合的方法。参照Guo/2 和 Tsai29 等对 AACGM30 坐标系(Altitude-Adjusted Corrected Geomagnetic coordinates)的应用，本文使用AACGM坐标系（高度为8 0 0 km）对换算系数进行划分，此时换算系数的峰值全部分布在AACGM磁纬-40 一0，即可以将AACGM磁纬-40一0 划分为一个区域（记为A区），磁纬-65一-40 以及0 6 5划分为另一个区域（记为B区），图3给出了2 0 0 2 年3月2 1号2 0:0 0 LT按区域进行线性拟合的结果。图3(a)揭示了直接对全球数据进行线性拟合会有较大误差，而通过上述分区，可以极大地提升拟合的精度。分区后线性拟合结果如图3(b)和图3(c)所示。这种线性拟合方式明显不同于Rajesh的方法，考虑了辐射传输过程对气辉强度的影响以及不同纬度区域带来的差异，本文线性拟合的结果更接近于实际情况。综上给出了分区域对OI135.6nm夜气辉强度与NmF2平方进行线性拟合的方法，可以得到一条线性相关系数很高的直线，可以将该直线的斜率作为NmF平方和夜气辉OI135.6nm辐射强度的换算系数，图4给出了各个区域在不同太阳辐射指数（Fi10.7）下的换算系数值。可以看出，在F10.7指数较低的情况下（Fi0.7100)，全球区域以及A和B区域的换算系数趋于一致。在太阳辐射通量较大的情况下（F10.7 10 0)，2 2:0 0 LT 之前A区的换算系数明显大于B区。此外，换算系数在B区的时间依赖性不明显，尤其是在2 0:0 0 一0 2:0 0 LT期间，曲线随时间变化比较平缓。2反演算法验证为了验证反演算法的有效性，使用DMSP卫星（轨道高度约为8 30 km）天底方向探测的135.6 nm21 Mar.200221 Jun.200223Sept.200222Dec.200220:00 LT20:00 LT20:00 LT20:00 LT1e632520-2510160(o)/apumeT25120080-254001025806-254-1000100-1000100-1000100-1000100Longtitude/()图22002年春分、夏至、秋分和冬至时NmF2，O I135.6 与换算系数Fig.2NmF2,OI 135.6 and conversion factor at the spring equinox,summer solstice,autumn equinox and winter solstice in 2002461薛仕翔等：夜间135.6 nm气辉反演的电离层fFz与测高仪观测比较研究21 Mar.200221 Mar.200221Mar.200220:00LT20:00LT20:00LT(1010)Global(x1010)A-zone(1010)B-zone1200R=0.9861(a)R=0.9934R=0.9996(c)10009,U0/(N)8006004002000050100150050100150050100150Intensity/RaIntensity/RaIntensity/Ra图3OI135.6nm夜气辉辐射强度与NmFz平方在不同区域的拟合（R表示线性相关系数，红色实线为两类数据的线性拟合）。（a）全球区域，（b）A 区，（c）B区Fig.3Linear fitting of the OI 135.6 nm emission and the square of NmF2 in different regions.R representsthe linear correlation coefficient,and the red solid line indicates the linear fitting ofthe two data.(a)Global-zone,(b)A-zone,(c)B-ZoneGlobal,F10.7100Global,F10.7 10010(a)(b)5Jan.Feb.0Mar.10A-zone,Fi1o.7100A-zone,Fio.7 100Apr.()(d)Jun.May5Jul.0Aug.Sep.B-zone,Fi10.7100B-zone,Fio.7 10010Oct.(e)(Nov.5Dec.018:0020:0022:0000:0002:0004:0006:0020:0022:0000:0002:0004:0006:00Local Time(LT)图4不同纬度区域和不同太阳10.7 cm辐射通量下NmF2平方和OI135.6nm辐射强度的换算系数Fig.4Conversion factor of the square of NmF2 and OI 135.6 nm emission at differentlatitudes and 10.7 cm solar radio flux夜气辉数据，来进行fF2的反演，并将反演结果与地基探测得到的fF2数据进行比较。地基探测数据来源于子午工程网站的数字测高仪数据集。DMSP卫星轨道较为稳定，探测时间一般为20:00LT。图5为DMSP卫星于2 0 13年1月11日探测得到OI135.6nm夜气辉强度图，空白部分为缺失值。如图5所示，卫星数据有较多的缺失值，在实际反演过程中气辉观测区域和地基测高仪探测区域https:/ km范围内的气辉数据加权平均后作为该位置的气辉强度值。为了验证反演算法在复杂情况下的有效性，使用了DMSP卫星于2 0 13年（太阳活动高年）和2 0 17 年（太阳活动低年)探测的夜气辉强度数据，并与子午工程网站的数字测高仪数据进行反演比对。为了获取得较强的气辉辐射强度，只选用了海南富克站4622023,43(3)空间科学学报Chin.J.SpaceSci.Intensity/Ra402503020020()/epnne1101500-10100-2050-30-4000306090120150180210240270300330360Longtitude/()图52013年1月11日DMSP卫星夜间探测的OI135.6nm气辉强度。红色标记为海南富克站的位置（19.53N，10 9.13E）Fig.5(OI 135.6 nm emission at night detected bysatellite DMSP on 11 Jan.2013.The redmark indicates the location of HainanFuke station(19.53N,109.13E)（19.53N，10 9.13E）的数字测高仪数据。图6 表示2 0 13年（太阳活动高年)海南富克站处估计的foF2与地基探测foF2的对比。由于DMSP卫星数据的缺失或者测高仪电离图无法判读，图中只显示了2 0 13年157 天的反演结果。同时，将相应时刻的IRIf6Fz与地基探测的foF2进行了综合对比，确立了气辉反演算法的有效性。首先将IRIfoF2和地基探测foF2进行对比，结果如图6(a)所示，可以看出二者的相关性较差。图6(d)表示IRIfoF2与地基探测foF2的相对误差统计直方图，其中相对误差小于等于10%的数据占比27.4%，相对误差小于等于2 0%的数据占比6 9.4%，平均相对误差约为15.42%，相对均方根误差约为8.44%。图6(b)表示Global换算系数反演的foF2与地基探测F2的对比，可以看出，大部分情况下，反演foF2与地基探测fF2的误差较小。图6(e)表示Global换算系数反演的反演foFz与地基探测foF2的相对误差统计直方图，可以看出相对误差小于等于10%的数据占比7 2.6%，相对误差小于等于2 0%的数据占比9 3.0%，平均相对误差约为7.55%，相对均方根误差约为7.15%。图6(c)表示B区换算系数反演的fF2与地基探测fF2的拟合，可以看出二者有很高的一致性。图6(f)表示B区换算系数反演的foF2与地基探测fFz的相对误差统计直方图，相对误差小于等于10%的数据占比7 7.1%，相对误差小于等于2 0%的数据占比9 3.0%，平均相对误差约为7.0 8%，相对均方根误差约为7.31%。由图6(a)(c)可知,与IRI经验模型相比,本文提出的气辉反演算法具有更高的精度。同时，B区换算系数的反演结果更加精确，这证明了对换算系数进行分区域拟合的方法更加符合实际情况。对2 0 17 年(太阳活动低年)海南富克站处foF2进行反演时，下面仅使用了B区换算系数，这是因为太阳活动低年的全球换算系数与B区换算系数基本一致（见图4），并且图6 已经证明了分区域拟合的换算系数是切实有效的。图7 为2 0 17 年（太阳活动低年）海南富克站处估计的foFz与地基探测fF2的比较。图7(a)表示IRIfoF2和地基探测foF2的拟合，可以看出二者的相关性较差。图 7(c)表示IRIfoF和地基探测fF2的相对误差统计直方图，其中相对误差小于等于10%的数据占比2 6.9%，相对误差小于等于20%的数据占比51.5%，平均相对误差约为18.7 3%，相对均方根误差约为11.0 8%。B区换算系数反演的foF2与地基探测foF2的对比如图7(b)所示,可以看出二者有较高的一致性。图7(d)表示B区换算系数反演的fF2与地基探测fF2的相对误差统计直方图，其中相对误差小于等于10%的数据占比55.4%，相对误差小于等于2 0%的数据占比8 0.8%，平均相对误差约为12.6 4%，相对均方根误差约为12.9 5%。由图6 和图7 可知，与IRI经验模型相比，本文提出的气辉反演算法在不同的太阳活动下均有更高的精度。图6(b)和图6(c)揭示了2 0 13年海南富克站处使用对应区域(B区)的换算系数反演的fF2会更加精确，这证明了本文分区域拟合的方法切实有效。而图6(c)和图7(b)的对比显示出2 0 17 年反演误差相对较大。通过对2 0 13和2 0 17 年反演结果的深人对比，对反演的误差来源有了更深入的了解。明显看出，2 0 13年和2 0 17 年首要的差别是太阳活动的剧烈程度不同，这种影响将反映到DMSP卫星探测的气辉强度上。在太阳活动低年，气辉强度整体偏低，较低的气辉强度数据可能被背景噪声淹没，地基观测点150 km范围内的气辉强度可能有较大差异，例如2 0 17 年2 月10 号海南富克站150 km范围463薛仕翔等：夜间135.6 nm气辉反演的电离层fF2与测高仪观测比较研究181818IRIGlobal(b)B-zone161616141414121212101010888666101510151015IonosondefoF2/MHzIonosondefoF2/MHzIonosondefoF2/MHz(d)(e)4030403030JoqnNJoqunNJoqunN202020101010000-0.6-0.4-0.200.20.40.6-0.6-0.4-0.2 00.2 0.40.6-0.6-0.4-0.200.20.40.6RelativedifferenceRelativedifferenceRelativedifference图62013年估计的foFz与地基探测foFz的对比。（a）IR If o F2，（b）使用Global换算系数反演的foF2，（c）使用B区换算系数反演的foF2，（d）（f）相对误差的统计直方图。地点为海南富克站（19.53N，10 9.13E）Fig.6Comparison between estimated foF2 and foF2 detected by ionosonde in 2013.(a)IRI foF2,(b)foF2 retrievedfrom Global conversion factor,(c)foF2 retrieved from B-zone conversion factor,(d)(f)statistical histogramof relative difference.The location is Hainan Fuke station(19.53N,109.13E)内的夜气辉强度范围为0.32 8 2 9.2 59 Ra（瑞利数），即气辉强度值可能有几十倍的差异。在太阳活动高年，气辉强度整体而言较高，一般不会呈现幅度较大的偏差。由于DMSP卫星探测的空间分辨率不高，往往关注地点处在150 km范围内可以取得的数据量较少，对较少的数据采取加权平均算法可能会带来较大的误差。另一主要差异是DMSP卫星在2 0 13年和2017年探测时间的不同。2 0 13年DMSP卫星探测时间基本稳定在2 0:0 0 LT左右，而上面取得的2017年130 天的卫星数据的探测时间全部早于20:00LT，并且2 0 17 年探测时间早于19:0 0 LT的卫星数据所占比重高达8 3.0 8%。一般来说，早于19:00LT的OI135.6nm气辉受到昼夜交替的影响更为强烈，并不能完全用上述夜气辉模型来描述。处在昼夜交替期间，由于OI135.6nm日辉的影响，运用上述的夜气辉反演模型来计算得到的fF2会整体偏大，这也和图7(b)所示的结果相吻合。总体来说，上述的OI135.6nm夜气辉换算系数查找表在不同的太阳活动下都是切实有效的。由总的反演结果可以看出，气辉强度较高时反演精度会有较为明显的提升，这可能是DMSP卫星搭载的SSUSI在气辉强度较大时能有较好的信噪比。值得注意的是，夜交替时分反演精度会受到一定的影响。3结论利用OI135.6nm夜气辉反演电离层F层临界频率F2是现阶段广泛应用的电离层监测手段之一。本文在研究了OI135.6nm夜气辉产生模型的基础上，通过最新的电离层模型IRI-2016和中性大气模型NRLMSISE-00,建立了在不同经纬度、季节、太阳活动和地磁活动下均适用的换算系数查找表，并将DMSP卫星于2 0 13年（太阳活动高年）和2 0 17 年（太4642023,43(3)空间科学学报Chin.J.SpaceSci.1616IRI(a)B-zone(b)1414121210108866444681012141646810121416IonosondefoF2/MHzIonosondefoF2/MHz(c)(d)20201515JoqunNJoqunN10105500-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8RelativedifferenceRelativedifference图72017年估计的fFz与地基探测fF2的对比。（a）IR If o F2，（b）使用B区换算系数反演的f6F2，（c）（d）相对误差的统计直方图。地点为海南富克站（19.53N，10 9.13E）Fig.7Comparison between estimated foF2 and foF2 detected by ionosonde in 2017.(a)IRI foF2,(b)foF2retrieved from B-zone conversion factor,(c)(d)statistical histogram of relative difference.The location is Hainan Fuke station(19.53N,109.13E)阳活动低年）探测的夜气辉强度数据与海南富克站（19.53N，10 9.13E）的数字测高仪数据进行反演比对。由反演fF与地基探测fF2的结果进行对比,可以看出二者有较高的一致性，在太阳活动高年（2 0 13年），反演结果的相对误差小于等于10%的数据占比7 7.1%，相对误差小于等于2 0%的数据占比93.0%，平均相对误差约为7.0 8%；在太阳活动低年（2 0 17 年），相对误差小于等于10%的数据占比55.4%，相对误差小于等于2 0%的数据占比8 0.8%，平均相对误差约为12.6 4%。该反演算法仍有一定的局限性，现实中的电离层电子密度廓