基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站(18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N)VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.     

太阳活动高年上电离层中O+-H+离子过渡高度的特征

本文用日本电离层探测卫星ISS-b的资料,假设F₂层峰顶以上电离层中各类离子随高度呈扩散平衡分布,得到了太阳活动高年（1978年8月-1979年8月）确定顶外电离层电子密度剖面形状的一个重要参数,即O⁺-H⁺离子过渡高度h_T的一些变化特征.指出h_T的日变化特性主要受电离层中O⁺离子的产生与复合作用的控制.太阳活动高年在不同纬度和所有经度区域,平均说来日间h_T为大约1500-2500km变化,而夜间位于800-1400km,冬夜甚至接近中性氢、氧原子的化学平衡高度.过渡高度也表现出明显的纬度关系,在接近±20°的磁赤道地区,h_T基本上不随纬度变化;但在大于±30°磁纬区域h_T随纬度很快增加.义中还就h_T随时间和地磁（或地理）纬度变化的机制作了简要讨论.     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12—16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4—5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5—8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

极区电离层F2层峰值电子浓度对太阳活动依赖性的共轭研究

本文利用南极中山站(ZHS),以及北极与其地理共轭的Tromso站(TRO)、地磁共轭的Longyearbyen站(LYB)各自约一个太阳活动周的观测数据,对比分析了极区电离层F₂层峰值电子浓度(N_mF₂)对太阳活动的依赖性.结果表明,三个台站N_mF₂月中值随修正太阳10.7 cm通量指数F_10.7P(简称P)增大在总体上呈线性增长,这说明在这三个台站,太阳辐射仍是其F₂层主要电离源.其中TRO站N_mF₂与P线性关系最好,ZHS站的次之,LYB站的最差.在日变化中,TRO站N_mF₂对太阳活动响应最为敏感的时刻出现在地方时中午附近,LYB站出现在磁中午,ZHS站则出现在地方时中午和磁地方时中午之间.这主要是由地理/地磁纬度差异引起的不同强度的光致电离与极区等离子体对流共同作用的结果.在年变化中,TRO站N_mF₂随太阳活动变化上升最快的季节出现在冬季,夏季上升最慢.在ZHS站与LYB站,N_mF₂对太阳活动变化的响应都在两分季最为敏感.这种季节上的差异则是由于三个台站光致电离与中性大气成分R[O/N₂]的不同所致.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站（18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N）VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６-１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

极区Hall电流经度差异特征的统计学研究:CHAMP卫星观测

本文利用2001至2010年间CHAMP(CHallenging Minisatellite Payload)卫星标量磁力仪(Overhauser Magnetometer)观测的磁场数据,反演得到电离层霍尔(Hall)电流,并且对极区电离层Hall电流的特征进行了统计学研究.研究主要关注平静期,即重联电场小于2 mV·m~(-1)条件下,在磁纬60°至90°范围内的Hall电流在不同太阳活动、季节、磁经度、磁地方时等条件下的变化特征.研究发现:Hall电流具有明显的经度差异,在南北半球呈现显著一波经度结构,而且南北半球反相,即北半球电流密度呈现峰-谷-峰结构,而南半球呈现谷-峰-谷结构.Hall电流密度的经度结构与太阳活动紧密相关,太阳活动高年经度差异最大,太阳活动中年经度差异次之,太阳活动低年经度差异最小.研究发现,在磁地方时为10-14MLT的白天,影响Hall电流的因素主要是太阳辐射;而磁地方时为21-03MLT的夜晚,除了电导率的影响之外,可能存在其他的重要的物理过程影响着Hall电流的经度分布.本文还研究了与电流相关的焦耳热的经度分布情况,发现其在南北半球分别呈现单峰、单谷结构,经度差异亦十分明显.     

等离子体参量春夏季节背景变化特征研究

使用DEMETER卫星上Langmiur探针记录的电子密度（Ne）、离子密度（Ni）和电子温度（Te）资料,分析了2007年1～6月份地磁活动平静时段全球6个经度区（每60°一个区）,不同时间的电离层等离子体参量Ne、Ni和Te值在春夏季节的背景变化特征,发现Ne、Ni和Te随纬度空间变化比较大,且峰（谷）值纬度分布与地球的经度区也有一定的关系。对全球6个经区各个时段的Ne、Ni和Te值进行对比,发现不同时段,Ne、Ni和Te峰值的大小不等,可能与当地日变化有关。等离子体各参量与月份季节也存在一定的相关性。在一些相同的区域时段,1～3月的等离子参量数值明显高于4～6月的等离子参量数值。     

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据,研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明,离子上行主要发生在磁纬70°～80°MLAT范围内,加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层;冬季上行存在明显的“晨昏不对称性”,主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT),夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT),以磁正午为中心近似呈对称分布,并且冬季离子上行发生率显著高于夏季;离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强,上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展;行星际磁场B_x>0时,对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加,行星际磁场B_y的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转,行星际磁场南向时,上行发生率增强;冬季离子上行平均速度高于夏季.     

一次日食电离层效应模拟研究

用120°E经度链附近台站电离层垂测资料和一个二维低纬电离层理论模式探讨1995年10月24日日食电离层效应．在日食条件下只考虑日食区计算太阳EUV辐射减少．模式结果显示：（1）日食期间较低高度电离层光食效应显著,电子浓度跟随食分迅速变化,在食甚后浓度减少达到最大。较高高度电离层对日食响应延迟.（2）低纬地区日食日f₀.F₂比控制日低,而h_mF₂比控制日高．在低纬度地区日食带来的影响相对较大·（3）赤道附近h_mF₂食甚后有一突变,出现日食F₁.5层。（4）食甚后海口纬度附近F层受日食影响持久,而f₀F₂在赤道附近出现第2次下降．最后对低纬日食电离层效应的动力学因素进行了初步的讨论．     

北半球电离层中纬槽发生率及其槽极小位置变化的统计研究

本文利用2014年9月到2017年8月全球高时空分辨率TEC数据对北半球四个经度带电离层中纬槽的发生率和槽极小位置的变化进行了统计研究.基于Kp指数,我们引入了一个包含地磁活动变化历史效应的地磁指数(Kp 9)来分析中纬槽位置变化与地磁活动水平的关系.通过与其他地磁活动指数的对比,发现槽极小纬度与Kp 9指数的相关性最好.此外,本文重点分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度差异、季节变化、地方时变化以及与地磁活动强度等的关系.结果表明,中纬槽的发生率与经度关系不大,主要受到季节、地方时与地磁活动的影响.午夜中纬槽发生率在夏季较低,其随地方时的变化则呈现出负偏态分布的特点,在后半夜发生率更高,而地磁活动增强对中纬槽的发生具有明显的促进作用.对于槽极小纬度,其在四个经度带的分布差异不大,但月变化各不相同,其中-120°经度带呈单峰分布,在夏季槽极小纬度更高,而0°经度带夏季槽极小纬度更低.槽极小的位置显著依赖于地磁活动、地方时以及季节变化.一般说来,地磁活动越强,中纬槽纬度越低.中纬槽位置随地方时的变化有明显的季节差异,冬季昏侧槽极小纬度随地方时变化较快,弱地磁活动条件下22∶00 LT前即达到最低纬度,其后位置几乎保持不变,而两分季槽极小纬度从昏侧至午夜都在降低,夏季槽极小纬度从昏侧连续下降至03∶00 LT左右.     

赤道地区电离层foF2在第23/24太阳活动周极低年期间创造了极低纪录?

太阳辐射是电离层的电离源,强烈地调制电离层的变化.探索不同太阳辐射水平下的电离层状态,有助于认识电离层演变及其内在的基本物理过程.太阳活动在2008—2009年处于有记录以来的极低水平,研究电离层在此期间的变化及与其它太阳活动低年的差异是一个有益的课题.本文利用位于美洲扇区磁赤道地区Jicamarca台站(12.0°S, 283.2°E; dip 0.28°)测高仪观测的电离层F2层临界频率foF₂数据探讨赤道地区foF₂的行为.分别对第22/23太阳活动周低年(1996—1997)和第23/24活动周低年(2008—2009)的月中值、季节中值和滑动年均值进行分析,确认相比上一个太阳低年而言,在2008—2009年foF₂滑动年均值和不同季节中值在各个地方时均降低,而月中值存在降低和升高.对foF₂的时间尺度特性的分析发现,在本太阳周低年foF₂长时间尺度分量下降,而短时间尺度分量呈现不一致的变化.我们认为,现有文献报道给出2008—2009年与以往太阳活动低年对比结果不一致有可能归因于所用分析方法关注的时间尺度不相同.     

电离层对流和极光区电集流的地磁链观测

本文采用31个高纬地磁台站资料考察1997年5月15日一次中等磁暴期间极光区电集流和电离层对流的空间分布和时间变化;其中20站处于纬度60°N～80°N之间的西半球,而另11站是偶极磁经度约为120°E的欧洲IMAGE地磁站链.对此纬度链和经度链上各站1 min精度地磁资料的综合分析结果表明,极光区电集流中心的相对强度及其纬度位置是随世界时和地方时区不断变化的.电集流中心所处位置的变化可能是其中心的南北移动造成的,也可能是中心带与磁纬圈间的相互倾斜所致.另一方面,电离层对流形态和晨昏对流圈的经向跨度及其两端的位置是基本不变的.有关结论得到同期的非相干散射雷达EISCAT观测的证实和补充.     

高纬日侧电离层离子上行的地磁活动依赖性研究

本文对比分析了太阳活动高、低年期间高纬日侧顶部电离层离子上行随地磁活动水平的变化特征.按地磁活动水平,将DMSP卫星在太阳活动高年（2000-2002年,F13和F15）及太阳活动低年（2007-2009年,F13;2007-2010年,F15）期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组：地磁平静期（Kp<3）,中等地磁扰动期（3 ≤ Kp < 5）和强地磁活动期（Kp ≥ 5）,分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布.对比分析发现：（1）太阳活动低年期间,高纬日侧电离层离子上行发生率以及上行速度峰值均是太阳活动高年的2倍多,而离子上行通量峰值只有高年的1/6-1/4;（2）在相同太阳活动条件下,地磁活动水平对日侧电离层离子上行发生率峰值的影响并不明显,但对离子上行发生率的空间分布有着显著的控制作用：电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展,并在强地磁活动期间呈现饱和的趋势;（3）日侧顶部电离层等离子体似乎存在两个效率相当的上行区域,一个位于极尖/极隙区纬度附近,离子可沿开放磁力线上行进入磁尾;另一个位于晨侧亚极光区附近,离子沿闭合磁力线上行,有可能进入日侧等离子体层边界层.     

中国区域电离层垂测仪探测参量与COSMIC掩星反演结果比较研究

利用漠河站、左岭站、富克站垂测仪数据和COSMIC反演的电离层资料,分析比较了太阳活动高年两种探测手段获取的电离层特征参量(N_mF₂、h_mF₂)的相关性.结果表明,两种方式获取的电离层对应特征参量相关性较高,且N_mF₂的相关性好于h_mF₂,同时相关性与纬度和季节有关.在地磁中纬度地区对应参量相关性较好,而在地磁低纬度受北驼峰控制区域相关性降低;在电离层赤道异常区域,春秋季、夏季对应特征参量相关性好于冬季.造成冬季相关性低的可能原因是,在跨越赤道中性风作用下,冬季电离层赤道异常区电子浓度梯度较大,造成掩星反演误差增大,致使两种探测手段获取的电离层特征参量相关性降低.     

太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO密度的影响研究

利用SNOE卫星1998年3月11日至2000年9月30日共计935天观测的NO密度和太阳软X射线数据,分析了低热层NO的时空分布特征及其对太阳和地磁活动的响应,得出了以下结论:NO密度从96.67 km开始增加,大约在105～110 km高度达到最大,随后开始减小;同一高度处一般夏季期间最大,冬季次之,春秋分季最小;密度峰值大小变化范围约为(0.5～1.5)×10⁸ mol/cm³,峰值高度基本分布在107 km和113 km高度处,且不随太阳活动变化,平均值约为107 km;NO密度与太阳软X射线及地磁Ap指数的相关系数在不同高度存在0、1和2天的最佳延迟时间,而同太阳软X射线的统计关系在不同高度和季节存在"线性"、"放大"和"饱和"现象;从统计和事件分析结果来看,太阳活动对磁赤道地区低热层NO密度的气候尺度变化的影响远大于地磁活动,但地磁活动对NO短期变化贡献非常明显.     

GPS-CHAMP掩星探测的E_S层不规则结构经度变化规律(2001—2008)

本文利用GPS-CHAMP高分辨率的掩星探测数据,考察了E_S层不规则结构随地理经度和随季节、倾角磁纬与太阳活动的变化特征.研究发现,E_S层不规则结构的经度变化以波数1~5分量为主,呈现出多重波数特征.在低纬度带存在显著的波数4分量,其幅度存在季节依赖,在夏季和秋季明显高于春季和冬季.E_S层不规则结构出现率随倾角磁纬的变化表现为赤道区和中纬度区较低,低纬区和极区较高.E_S层不规则结构出现率的季节变化和年均值的逐年变化表现为夏季出现最频繁,秋季次之,冬春季最弱,随太阳活动水平的减弱而降低.     

赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁活动出现率的理论模型构建

为构建赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁活动出现率的理论模型,本文根据分析赤道-低纬电离层的广义Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性得到的三维线性增长率的表达式,计算分析了线性增长率随地方时的变化特征.并选取计算得到的每日增长率的极大值表征每日的线性增长率,分析增长率随季节、太阳活动和地理经度的变化特征以及逐日变化特征,建立三维广义R-T不稳定性线性增长率的理论统计特征模型,发现增长率表现出显著的随地方时、季节、太阳活动和地理经度以及逐日变化特征.通过比较分析增长率的变化特征与不规则结构和闪烁活动的变化特征,发现三维广义R-T不稳定性的线性增长率能较好地反映不规则结构和闪烁活动随季节、太阳活动、地理经度以及逐日变化规律.本文建立的R-T不稳定性的三维线性增长率的统计特征模型可用于构建赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁出现率的理论形态特征模型.     

顶部电离层离子密度经度结构的特征及其随季节、太阳活动和倾角的变化

本文利用DMSP卫星测量数据和傅里叶分解和重构方法,研究了地磁平静期顶部电离层总离子密度(Ni)经度结构的多重波数特征及波数4的年变化、逐年变化、地方时差异和随倾角的变化.傅里叶分解和重构的结果表明,顶部电离层平均Ni的经度结构中同时含有以波数1至波数4为主的多重分量,不同波数分量的幅度和相位各不相同.对波数4分量的分析表明,波数4的幅度在春秋季最强,北半球夏季高于冬季;随太阳活动水平增强,波数4分量的幅度增高,至太阳活动高年幅度达到最高,此后随太阳活动水平降低而减小,与F10.7呈正相关;春秋季和北半球夏季波数4分量在傍晚最强,晚上和上午次之,黎明最弱,从09LT到21LT,波数4的相位依次滞后,暗示向东移动.分析还发现,日落期间波数4幅度依赖倾角,春秋季随倾角的变化呈双峰结构,两个极大出现在倾角±18°附近,暗示赤道等离子体喷泉效应对顶部电离层经度结构的控制作用.     

ZH-1卫星得到的中国及邻区顶部电离层背景特征

利用ZH-1(CSES)卫星LAP载荷原位电子密度数据对中国及邻区(0°-54°N,70°-140°E)的顶部电离层背景分布及随季节变化进行了详细分析,研究结果显示:(1)研究区赤道异常的纬度延伸范围、随经度分布形态及它们的季节变化,具有与其他研究结果一致的规律性.(2)中纬度区,白天电子密度存在一个低值带,夜间电子密...