基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。     

基于北斗、GLONASS和GPS系统的中低纬电离层特性联合探测

基于GNSS(Global Navigation Satellite Systems)的发展,我们利用具有北斗、GLONASS和GPS三系统信号接收功能的接收机观测的数据,结合电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的反演算法,提取出GNSS三系统观测的电离层TEC;同时,将GNSS三系统获取的TEC应用到电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构和电离层的太阳耀斑响应等方面的研究中,这也是首次使用三种GNSS系统数据对电离层进行联合探测研究.研究结果表明,增加了北斗系统的GNSS三系统在研究中国地区电离层TEC地图、周日变化、逐日变化,行进式扰动以及电离层的实时监测等方面较单系统的GPS具有明显的优势.     

中国西南区域孕震区电离层TEC变化长时间序列分析

通过中国地壳运动网络提供的GPS观测数据,获取了高精度电离层TEC分布,采用滑动四分位法分析了中国西南区域2008年4—10月(太阳和地磁活动平静时段)6次连续的MW6.0以上地震期间孕震区电离层TEC长时间变化及其异常分布;并在此基础上利用GIM数据对比分析了全球TEC变化特征。鉴于电离层主要受到太阳和地磁等空间天气的影响,将TEC变化与太阳EUV辐射、行星际磁场南向分量IMF Bz以及地磁活动指数Dst和Kp进行了比较。结果发现,该时段内电离层TEC异常扰动与太阳和地磁活动有很好的相关性;除汶川地震外,其他地震前没有发现明显的跟地震相关的TEC异常扰动现象。同时,对比分析了与上述研究区位于同一地磁纬度的"检验区"(30°~50°E,15°~35°N)的GPS TEC随时间变化和异常分布情况,结果显示TEC异常分布的时空特征与研究区域较为一致。由于电离层是一个复杂的系统,其扰动具有多源性,而且地震电离层扰动现象是复杂多变的,因此需要联合地基和天基手段共同观测,并加强其机理研究。     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区(北京、武汉、邵阳和三亚)的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区(北京、武汉、邵阳和三亚)的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.     

基于陆态网络GPS数据的电离层空间天气监测与研究

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础.     

不同类型磁暴和中低纬电离层暴的关系

分析了快速强主相和延迟弱主相磁暴期间中低纬电离层大尺度扰动形态．结果表明，对于这两种不同类型的磁暴，电离层负相扰动区的影响范围和形态也有差异．强主相磁暴情况下的负相区渗透到较低纬度，影响范围大；而弱主相施暴，负相限于纬度较高地区，影响范围较小．负相的开始和结束时间与磁暴主相延迟时间有着很好的对应．对于主相快速发展的磁暴，负相扰动的出现较快．而当磁暴主相长时间延迟时，电离层中也相应地出现负相长时间延迟．结果反映了按Ｋｐ指数对磁暴类型的分类对中低纬电离层暴的扰动形态分析也有着重要意义．     

暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.     

IRI、NeQuick和Klobuchar模式比较研究

本文介绍了三种常见的电离层经验模式:IRI、NeQuick和Klobuchar,并且利用Jason-1卫星上搭载的高度计探测到的太平洋上空2006年电离层延迟数据,对这三个模式在低纬、中高纬地区模拟电离层TEC的精度进行了比较研究,结果表明:NeQuick、IRI-2007模式可以较好地模拟出白天电离层TEC位于赤道两侧的双峰结构,但不能得到精确的峰值大小和位置信息;三个模式在中高纬地区的模拟精度指标几乎全面高于低纬地区,其中,IRI模式在中高纬地区精度较高,相关性达到0.82022,标准差为3.0844TECU,NeQuick和Klobuchar模式模拟精度相当;整体比较,IRI-2007模式自相关系数为0.81016,NeQuick模式为0.70717,Klobuchar模式也达到了0.6878,说明这三个模式都能较好地模拟出电离层TEC的背景特征.总体上,IRI-2007模式精度最高,可以更有效地修正电离层延迟误差.     

2020年8月18日印度尼西亚MS7.0地震电离层扰动研究

基于GPS TEC单站数据、 GIM TEC数据、垂测数据以及中国电磁监测试验卫星观测的原位电子密度数据,利用时序和空间的扰动提取方法,对2020年8月18日(世界时)印度尼西亚M_S7.0地震所引起的电离层扰动开展了研究。通过分析,我们发现多数据源的异常主要集中出现在8月12日—8月15日。震中附近8月12日GPS TEC单站数据和GIM TEC数据有明显的正异常现象,8月13日卫星原位电子密度和GIM TEC数据提取到正异常扰动,8月14日观测到卫星原位电子密度和GPS单站TEC数值有所增加,8月15日卫星原位电子密度、 GIM TEC和GPS单站TEC均出现正异常现象。此次地震引起的电离层异常不仅出现在震中上空,同时也反映在震中磁共轭区域。对应于8月12日震中附近的TEC异常,磁共轭区的单站TEC出现同步扰动,8月13日卫星数据、 GIM TEC和单站TEC数据在磁共轭区同步响应,8月15日磁共轭区的卫星原位电子密度、 GIM TEC、 GPS单站TEC和垂测数据均提取到了正异常扰动,并且与震中附近扰动出现的时间和幅度都有一定的共性。     

不同地磁扰动事件期间全球电离层的扰动形态分析

利用全球电离层台站提供的观测数据，分析 了5次不 同类型磁暴事件期间全球电离层F2层f0F2和hmF2的扰动变化. 主要结果 表明：对于延迟型主相磁暴S（C）和S（E），中高纬电离层首先会出现明显的正相扰动，随 后是明显延迟的负相扰动，负相扰动覆盖范围广，甚至扩展到低纬区, 且持续时间很长, 恢 复及其缓慢，其中S（C）型的扰动更为明显; 对于非延迟型主相磁暴S（A）、S（B）和 S（D ），高纬电离层正相扰动持续时间较短甚至不出现，中高纬电离层负相扰动的出现、发展和 恢复也相对较快; 磁暴主相强度的大小会对电离层负相扰动的强度、发展和持续时间产生一 定的影响; 高纬电离层扰动在非延迟型主相磁暴恢复相期间会出现明显的地方时效应，地方 时效应随纬度的降低而增强，并且会明显影响到中低纬电离层的扰动；电离层扰动从高纬到 低纬的变化趋势为：f0F2的扰动由负相向正相转化，hmF2的增加由全天出现趋向于只存在于夜间，反映了不同扰动物理机制的作用.     

1986年2月特大电离层暴的动力学表现

1986年2月的太阳耀斑爆发导致了强烈的磁暴和电离层暴。 对我国多个台站有关电离层观测记录的分析表明:这次电离层暴呈现出显著的纬度效应,井在武昌、广州等地区形成了明显的“暴中心”。在暴变期间,伴随有大尺度的TID。在某些时段内,F区电子密度剖面产生了特殊的畸变。 对暴变形态特征及其形成机制进行了一些初步讨论。     

连续太阳耀斑对甚低频信号传播影响分析

甚低频(VLF)是在地-低电离层之间形成的波导内进行传播的.太阳耀斑可引起电离层突然扰动,VLF信号传播出现异常现象,对导航造成影响,同时也会造成短波通讯中断.为了研究连续太阳耀斑与VLF信号传播的关系,观测2002-04-15连续太阳耀斑爆发时,Alpha导航系统西副台VLF信号传播时的幅度和相位变化情况,解释急始型和缓变型太阳耀斑的不同之处,并且分析单个太阳耀斑与连续太阳耀斑的区别,然后根据观测数据和美国GOES卫星观测数据比较和分析,以此来研究分析连续太阳耀斑爆发对VLF信号传播造成的影响.研究结果显示连续太阳耀斑爆发与VLF信号相位的异常变化情况之间有较好的关联性.     

克州电离层测高仪建设及初步结果

电离层测高仪是地面探测电离层的主要常规手段.2010年8月中国气象局在新疆的克孜勒苏柯尔克孜自治州(简称克州)(北纬39.72°,东经76.18°)完成了中国最西端电离层垂直探测站的建设.本文介绍了克州电离层测高仪的主要性能参数、一种新的CADI测高仪天线方案设计及天线系统测试结果;初步比较了克州电离层测高仪站和同样安装了CADI测高仪的加拿大Baker站(北纬52.16°,西经106.53°)2010年10月1日的电离图,这两个站的电离图质量基本一致;2011年2月24日发生了一次太阳耀斑事件,克州电离层测高仪记录了这次耀斑期间电离层的变化和响应,证明了测高仪监测对于短波通信有重要应用价值;比较了2010年8月至10月克州电离层测高仪观测月中值、Rome电离层测高仪(北纬41.9°,东经12.5°)观测月中值和IRI2007的模式值并发现:1)2010年8～10月,克州foF2观测月中值和同纬度Rome的foF2观测月中值在分布形态上比较一致;2)克州foF2观测月中值和模式月中值在8月比较吻合,在10月存在一定差异;9月10:00～13:00、10月4:00～14:00IRI2007模式月中值高于观测月中值,且偏离较大(大于8%);3)克州foF2观测月中值在8月、9月的分布中存在Biteout现象.     

2017年9月磁暴期间大尺度电离层行进式扰动的传播特性研究

本文利用同一经度(大约100°E)中低纬三台测高仪(普洱22.7°N,101.05°E,乐山29.6°N,103.75°E,张掖39.4°N,100.13°E)的观测数据,对2017年9月6号太阳耀斑爆发引起的强烈地磁暴期间的大尺度电离层行进式扰动(Large Scale Traveling Ionospheric Disturbances,LSTIDs)的传播特性进行了估计.本文首先对2017年9月2日—11日期间三站观测数据进行人工度量,获取电离层F2层临界频率(fo F2). fo F2在三站的变化结果表明在2017年9月8日21:00 BJT(BeiJing Time,BJT=UT+8)至9日03:00 BJT强磁暴恢复相期间存在大尺度电离层行进式扰动(LSTIDs),因此本文利用fo F2在不同台站的互时延特征来分析并计算LSTIDs传播特性参数.研究结果表明:(1)磁暴期间,通过对电离层F2层临界频率(fo F2)的观测,不同时刻期间处于不同纬度的台站其电离层响应是不同的,表现为出现不同形态的电离层正相暴和电离层负相暴;(2)此次磁暴期间(2017年9月8日19:00 BJT—9日05:00 BJT),利用三个处在不同纬度台站的fo F2对磁暴响应的互延时,计算出LSTIDs水平传播速度在425～800 m/s范围之间,其波长大概在2200～4000 km之间.随着时间的推移其扰动周期延长,9月8日21:35 BJT—9日00:05 BJT期间周期约1.2 h,9日00:05 BJT开始扰动周期逐渐达至1.5 h;(3) LSTIDs具有从高纬度传向低纬度的传播特性,根据计算得出LSTIDs传播的方位角为181±0.2°,可确定磁暴引发的LSTIDs基本是朝赤道向传播的,与之前报道过关于磁暴诱发的LSTIDs传播特征基本一致.     

日本M_W 9.0级特大地震前电离层扰动初步分析

利用JPL提供的TEC地图数据和日本NICT提供的测高仪数据分析了2011年3月11日日本MW9.0级特大地震(Tohoku-oki Earthquake)前上空的电离层变化.GIM TEC地图数据分析发现,3月1～4日GPS TEC在赤道异常区域出现了不同程度的负扰动,其中3月1日和2日的扰动幅度和范围较大,以上很可能是由于3月1日爆发的9小时磁暴所致;此外,震前3天即3月8日04-14UT期间赤道异常区电离层TEC出现了明显的增强现象,异常最大幅度达30TECU,并伴随有南半球磁共轭区增强现象.日本境内的4个电离层测高仪数据分析显示,3月8日4个台站同时出现了foF2增强现象,其中Okinawa和Yamagawa两个站增幅明显.分析发现震前3天地震上空区域电离层参量异常增强,认为这可能与大气层和电离层垂直电场的变化有关,这种电场的变化有可能是地震产生的电磁信号传播所致.     

磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在美洲扇区的GPS网观测

利用国际IGS网和美国CORS网提供的GPS TEC观测资料,构建了北美地区的二维TEC扰动图像,分析研究了2012年7月14日一次强磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在北美地区的二维结构以及扰动沿着70°W左右的子午线在南北半球的分布与传播特性.研究结果表明,磁暴急始开始90分钟后,伴随着一次亚暴的膨胀相,在北半球发生了一次大尺度电离层行进式扰动事件.该扰动在北美地区形成幅度1.2~2.2 TECU,宽度达4000 km的等相面,以190°的传播方位角,西南向传播了2000 km,扰动的周期和水平相速度分别为40~60 min,500 m/s.通过台链观测发现,该扰动向西南方向一直传播到约30°N,在传播过程中,扰动的绝对振幅在55°N至42°N之间逐渐增强并达到最大值2.2 TECU,在42°N以南逐渐衰减.通过对相关时间段内北美亚极光带地磁观测数据的分析发现,在65°N至85°N、100°W至150°W之间,地磁场水平分量在LSTID发生前出现明显变化,显示极光电集流增强,这一区域是北美地区观测到的LSTID事件最可能的源区.北半球的电离层扰动消失之后约1小时,通过南半球GPS台链观测到南向电离层扰动,该扰动的绝对振幅为1.8 TECU,相速度为400 m/s左右,传播范围局限在16°S至20°S.在南北半球的低纬赤道区,台链观测没有发现与北美LSTID关联的电离层扰动.根据台链上扰动传播的中断,我们认为,南半球台链观测到的电离层扰动并不是北半球LSTID直接跨赤道传播到南半球的结果,而是北半球电离层扰动在赤道地区的耗散过程中形成的二次扰动引起的.     

2006年12月系列太阳耀斑事件的近地响应分析

利用几种不同空间位置空间天气观测数据对2006年12月系列太阳耀斑近地空间天气效应进行多方位分析,结果表明,该系列耀斑都伴随不同程度日冕物质抛射CME和高速太阳风,首轮耀斑产生超过600 km/s高速太阳风,12月6日通过L1点并持续到12月12日,12月14日次轮耀斑产生900 km/s太阳风高速流,该股高速太阳风引发12月15日地磁场特大磁暴。ACE数据显示,12月6、14、15日IMF南向分量长时间超过5 nT,14～15日有4 h以上超过10 nT,NOAA SEC发布的全球地磁综合KP指数15日超过8。磁暴期间华南地区30 min平均TEC最大值波动幅度达到10TECU或20%,表明发生了较大电离层暴。     

2011年5月28日磁暴期间中国地区大尺度电离层行进式扰动的GPS台网监测

利用中国大陆构造环境监测网络及全球GPS服务系统提供的中国及其周边地区的246个GPS接收台站的TEC观测资料,观测研究了2011年5月28日一次中等强度磁暴期间中国地区出现的大尺度电离层行进式扰动（LSTID）,并给出了中国地区的二维TEC扰动图像.结果表明：在磁暴恢复相期间,我们一共监测到两个LSTID事件,一个发生在午夜前的中国西南地区,另一个发生在午夜后的东北地区.TEC二维成像结果清晰地显示了两次LSTID在中国地区的连续传播过程,西南地区午夜前的LSTID由低纬向中纬沿北偏东的方向传播,其持续时间约为60min,水平传播距离约1200km,等相面的宽度最大约500km;东北地区午夜后的LSTID由中纬向低纬沿南偏西的方向传播,其持续时间约为70min,水平传播距离约1200km,等相面的宽度最大可达1400km.对TEC扰动进行互谱分析得到两次LSTID的传播参量,发现午夜前的LSTID的水平传播相速度和相对扰动振幅的平均衰减率都比午夜后的LSTID的要大,这可能是由午夜前西南地区较高的背景垂直TEC0及背景大气温度引起的.研究还表明,午夜后的LSTID是由北极区活动激发的大气声重波产生的,通过对高纬地区水平地磁分量H的分析,可以估计出其激发源应位于140°E以东,42°N以北的1400～2600km范围之内;而对于午夜前的LSTID,则可能是由赤道电集流引起的焦耳加热激发的大气声重波产生的.     

GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析

本文给出GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析的原理、算法和基于实测数据的反演结果.反演结果的比较表明,联合地基GPS与掩星观测数据进行重建,电子密度整体图像的重建质量特别是其垂直结构的重建质量得到了明显改善.在平静日和磁暴期间两种条件下利用实测数据的重建结果表明,GPS地面台网和掩星观测结合的电离层层析可以获得电离层电子密度在高度-纬度-经度-时间四维空间中的变化.重建结果清晰地显示了磁暴期间电离层负相暴效应,表明结合GPS地面台网和掩星观测的时变三维电离层层析可以有效地监测扰动条件下的大尺度电离层结构.