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.     

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.     

2006年4月13～17日西太平洋地区电离层暴时特性研究

本文利用西太平洋地区的15个电离层台站的测高仪数据和国际GPS服务中心IGS 36个站提供的TEC数据，以及由美国喷气推进动力学实验室提供的Jason 1 TEC数据对2006年4月13～17日间一次由冕洞高速流所引发的磁暴所造成的电离层效应进行了分析.分析结果表明这次电离层暴呈现出显著的纬度效应，foF2和TEC等参量显示在磁暴主相期间对称分布的强正暴效应中心在磁纬±30°～±40°，且持续时间超过12 h.负暴效应被限制在中高纬地区，在磁暴进入恢复相时，开始向低纬渗透，且具有明显的地方时效应.TIMIED卫星测量的Σ［O/N2］显示磁暴发生后，暴时环流使得中低纬地区的Σ［O/N2］有大幅增加，而中高纬地区则显著下降.通过对hmF2的分析发现磁暴主相期间，有磁层电场向中低纬地区穿透，且持续时间较长为1～3 h.因此这次强正暴效应可能是由风场、电场和化学成分这三个因素的共同作用造成的.这次磁暴造成的电离层暴响应非常复杂，对造成各种正负暴的物理和化学机制还需要进一步的研究.     

欧洲扇区不同纬度电离层暴特征的统计分析

本文利用Madrigal数据库的TEC数据对2001—2010年间的156次单主相型磁暴事件,统计分析了欧洲扇区从赤道到极光带共5个纬度区域的电离层暴特征,结果表明:(1)电离层暴有明显的纬度分布特征,正负暴出现次数的比例随纬度的降低呈现明显的增加趋势,但夏季赤道地区趋势相反,正负暴比例比更高纬度的反而降低;(2)与主相相比,恢复相期间大部分纬度地区正暴数量减少,负暴数量增加,但赤道地区恢复相期间正暴数量反而增加;(3)中低纬地区电离层暴随磁暴MPO地方时分布特征明显,正暴所对应的MPO主要分布在白天,而MPO发生在夜间容易引起负暴;(4)电离层负暴主要发生在夜间,中、高纬地区负暴的开始时间存在‘时间禁区’,但不同纬度‘时间禁区’的地方时分布有一定差异,正暴分布则相对分散.     

海南三亚地区S4指数与C/N、ROTI的比较分析

本文通过利用海南三亚站（1834°N, 10962°E）GPS闪烁/TEC接收机2004年8月到2005年7月间观测数据，在对三亚地区闪烁初步统计分析的基础上，比较分析了观测数据中S₄（幅度闪烁指数）和C/N（载噪比），S₄和ROTI（TEC变化率标准差）的关系，同时对2004年11月7日的闪烁事件进行了具体的分析. 通过比较分析得出：（1）三亚地区全年的闪烁强度具有明显的半年变化，在春秋季出现全年闪烁强度的最大值；（2）S₄与C/N具有很好的负相关性；（3）ROTI可以作为由小尺度不规则结构引起闪烁出现的指示剂.     

东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析

用1957~2006年间515个主相单步发展的磁暴事件,分析东亚扇区4个中低纬台站的电离层扰动类型及电离层暴开始时间,得到该地区电离层暴随纬度、季节和地方时的分布规律.研究表明,中纬区负暴明显,低纬区正暴明显;夏季负暴比正暴多,冬季正暴比负暴多,春秋季正负暴分布表现出明显的纬度差异.在东亚扇区,中纬区负暴开始时间主要分布在夜间及清晨时段,且在正午至午后时段极少发生.低纬区正暴开始时间主要发生在白天时段,且在夜间18~21 LT时段也易发生正暴.中低纬电离层正相暴平均延迟时间在10 h以内,负相暴平均延迟时间在10 h以上,且中纬区延迟时间明显比低纬区短.电离层暴延迟时间与磁暴主相开始时间对应的地方时很相关,正相暴对白天发生的磁暴比对晚上发生的磁暴响应快些,而负相暴正好相反.但电离层暴延迟时间与磁暴强度之间并没有十分明显的依赖关系.     

2009年7月22日日全食引起的电离层扰动及其对定位的影响

2009年7月22日发生在亚太地区的日全食,从北半球中纬地区一直延伸到南半球中纬地区.这次日食期间发生的磁暴和日食时间同步,使得电离层变化较为复杂.为了分析日食期间电离层扰动及其对定位的影响,所采用的GPS数据来源于日全食带内的重庆CORS网(4个站)、武汉CORS网(8个站)数据、IGS站WUHN、SHAO的数据,以及日偏食区域内不同纬度处的若干IGS站.通过比较日食前后连续三天的各个地方TEC变化,以及利用高采样率的CORS网数据研究日食期间TEC的瞬时变化,根据位置和时间的不同,各地日食期间TEC下降约(1~4)TECU.但是,磁暴期间TEC的响应整体表现为正相暴,偏离值达50%以上,且和日食食甚后的TEC变化相重合.同时,求解了日食期间伪距单点定位的实时精度和CORS网内中短基线的实时精度,伪距单点定位的平面精度变化不显著,高程精度下降达数十米,日食初期CORS网中基线的平面精度仍在厘米级内,高程精度仍在分米级内,但是,日食后期发生的磁暴导致基线的平面精度下降到分米级,高程精度下降到米级.     

低纬电离层TEC起伏与相位闪烁的统计特征

穿过电离层不规则体传播后的无线电波,其振幅和相位出现快速随机起伏,即电离层闪烁.为了量化电离层不规则体和相位闪烁的强度,本文提出用TEC起伏δTEC作为特征参量,并用δTEC的标准差构建一种新指数σtec.文中证明指数σtec与相位闪烁指数完全等效.在电离层强闪烁期间,经常出现信号短暂失锁和周跳,导致TEC值突跳和不连续.为此,本文设计了一种周跳检测与校正的批处理算法,用于消除TEC值突跳.在此基础上,利用位于我国中南部电离层闪烁监测台网2012—2015年的观测数据,考察了GPS信号相位闪烁和不规则体的统计特征.结果表明,我国低纬电离层不规则体和相位闪烁与振幅闪烁随地方时和月份变化的特征类似,一天之中主要出现在日落后至黎明前,一年之中,春季不规则体出现最频繁、秋季次之,呈现春秋不对称性,冬夏季出现很少.此外,我们还比较分析了指数S4与σtec的联系,两者之间显著正相关表明,小于第一菲涅尔带尺度的小尺度不规则体和大于第一菲涅尔带尺度的大尺度不规则体一般同时存在.     

2017年9月强磁暴及引发的电离层扰动

本文研究内容基于2017年9月7日20UT开始的一次强烈的地磁暴事件.这是一次"特殊"的磁暴,在持续两天的磁暴期间,出现了两次强度较大的主相,相隔约14 h.本文通过多项磁暴指数进行研究,发现各项指数均出现两个峰值,两次主相对应的磁暴环电流指数(Dst)最小值都低于100 nT.强磁暴引发了剧烈的电离层扰动,本文中采用南北极区的4个全球导航卫星系统(GNSS)跟踪站的数据展开研究,并将垂直路径总电子含量(VTEC)作为指标进行分析,发现电离层扰动幅度在南北极区存在较大差异.南极地区的站点的电离层扰动幅度要远高于北极地区,其中MCM4站VTEC水平甚至超出平时300％.此外,极区的VTEC变化趋势与地磁指数的变化呈现出基本一致的状态,表现为在磁暴的两次主相时均可以观测到强烈的电离层正暴.本文还选取位于中国东半部的3个电离层测高仪站数据,以电离层层临界频率(f0F2)为依据,采用相似衰落法对中低纬度大尺度电离层行扰(LSTID)进行了研究,发现其传播速度衰减明显且不同高度层面水平传播速度有差异,在300 km高度,LSTID从漠河站传播至武汉站的平均水平传播视速度为340 m/s,从武汉站传播至三亚站,这一速度为200 m/s;在400 km高度,这两个速度分别为375 m/s、215 m/s;LSTID传播的方向为南偏西约20°.     

A comparison of TEC fluctuations and scintillations at Ascension Island

With increasing reliance on space-based platforms for global navigation and communication, concerns about the impact of ionospheric scintillation on these systems have become a high priority. Recently, the Air Force Research Laboratory (AFRL) performed amplitude scintillation measurements of L1 (1.575 MHz) signals from GPS satellites at Ascension Island (14.45° W, 7.95° S; magnetic latitude 16° S) during February–April, 1998, to compare amplitude scintillations with fluctuations of the total electron content (TEC). Ascension Island is located in the South Atlantic under the southern crest of the equatorial anomaly of F2 ionization where scintillations will be much enhanced during the upcoming solar maximum period. Ascension Island is included in the global network of the International GPS Service (IGS) and the GPS receivers in this network report the carrier to noise (C/N) ratio, the dual frequency carrier phase and pseudorange data at 30-s intervals. Such data with a sampling interval of 30 s were analyzed to determine TEC, the rate of change of TEC (ROT) and also ROTI, defined as the standard deviation of ROT. The spatial scale of ROTI, sampled at 30 s interval, will correspond to 6 km when the vector sum of the ionospheric projection of the satellite velocity and the irregularity drift orthogonal to the propagation path is of the order of 100 m/s. On the other hand, the scale-length of the amplitude scintillation index corresponds to the Fresnel dimension which is about 400 m for the GPS L1 frequency and an ionospheric height of 400 km. It is shown that, in view of the co-existence of large and small scale irregularities in equatorial irregularity structures, during the early evening hours, and small magnitude of irregularity drifts, ROTI measurements can be used to predict the presence of scintillation causing irregularities. The quantitative relationship between ROTI and S4, however, varies considerably due to variations of the ionospheric projection of the satellite velocity and the ionospheric irregularity drift. During the post-midnight period, due to the decay of small scale irregularities leading to a steepening of irregularity power spectrum, ROTI, on occasions, may not be associated with detectable levels of scintillation. In view of the power law type of irregularity power spectrum, ROTI will, in general, be larger than S4 and the ratio, ROTI/S4, in the present dataset is found to vary between 2 and 10. At high latitudes, where the ionospheric motion, driven by large electric fields of magnetospheric origin, is much enhanced during magnetically active periods, ROTI/S4 may be considerably larger than that in the equatorial region.     

A study of GPS ionospheric scintillations observed at Guilin

The occurrence of strong ionospheric scintillations with S4≥0.2 was studied using global positioning system (GPS) measurements at Guilin (25.29°N, 110.33°E; geomagnetic: 15.04°N, 181.98°E), a station located near the northern crest of equatorial anomaly in China. The results are presented for data collected from January 2007 to December 2008. The results show that amplitude scintillations occurred only during the first five months of the considered years. Nighttime amplitude scintillations, observed mainly in the south of Guilin, always occurred with phase scintillations, total electron content (TEC) depletions, and Rate Of change of TEC (ROT) fluctuations. However, TEC depletions and ROT fluctuations were weak during daytime amplitude scintillations, and daytime amplitude scintillations usually occurred in most of the azimuth directions. GPS scintillation/TEC observations recorded at Guilin and signal-to-noise-ratio measurements obtained from GPS-COSMIC radio occultation indicate that nighttime and daytime scintillations are very likely caused by ionospheric F region irregularities and sporadic E, respectively.     

海南三亚地区S4指数与C/N、ROTI的比较分析

本文通过利用海南三亚站（1834°N, 10962°E）GPS闪烁/TEC接收机2004年8月到2005年7月间观测数据，在对三亚地区闪烁初步统计分析的基础上，比较分析了观测数据中S₄（幅度闪烁指数）和C/N（载噪比），S₄和ROTI（TEC变化率标准差）的关系，同时对2004年11月7日的闪烁事件进行了具体的分析. 通过比较分析得出：（1）三亚地区全年的闪烁强度具有明显的半年变化，在春秋季出现全年闪烁强度的最大值；（2）S₄与C/N具有很好的负相关性；（3）ROTI可以作为由小尺度不规则结构引起闪烁出现的指示剂.     

Effects of geomagnetic storm on GPS ionospheric scintillations at Sanya

The effects of geomagnetic storm on GPS ionospheric scintillations are studied here using GPS scintillation data recorded at Sanya (18.3°N, 109.5°E; geomagnetic: 7.6°N, 180.8°E), the southmost station in the Chinese longitude region. GPS scintillation/TEC and DMSP data are utilized to show the development of irregularities during the period year 2005 (solar minimum). Statistical analysis of K planetary index (Kp) and amplitude scintillation index (S4) indicates that most storms of the year did not trigger the scintillation occurrence at Sanya. However, cases of scintillation occurring during moderate and strong storm (Dst<−100) periods show clearly that the development of irregularities producing scintillations can be triggered by geomagnetic storms during the low scintillation occurrence season. The effects (trigger or not trigger/inhibit) depend on the maximum dDst/dt determined local time sector, and can be explained by the response of the equatorial vertical drift velocities to magnetospheric and ionospheric disturbance electric fields. For station Sanya, the maximum dDst/dt determined local time is near the noon (or post-midnight) sector for most storms of the year 2005, which inhibited (or did not trigger) the post-sunset (or post-midnight) scintillation occurrence and then led to the phenomena that the statistical results presented.     

Investigation of Ionospheric Response to Geomagnetic Storms over a Low Latitude Station,Ile-Ife,Nigeria

Due to several complexities associated with the equatorial ionosphere, and the significant role which the total electron content (TEC) variability plays in GPS signal transmission, there is the need to monitor irregularities in TEC during storm events. The GPS SCINDA receiver data at Ile-Ife, Nigeria, was analysed with a view to characterizing the ionospheric response to geomagnetic storms on 9 March and 1 October 2012. Presently, positive storm effects, peaks in TEC which were associated with prompt penetration of electric fields and changes in neutral gas composition were observed for the storms. The maximum percentage deviation in TEC of about 120 and 45% were observed for 9 March and 1 October 2012, respectively. An obvious negative percentage TEC deviation subsequent to sudden storm commencement (SSC) was observed and besides a geomagnetic storm does not necessarily suggest a high scintillation intensity (S₄) index. The present results show that magnetic storm events at low latitude regions may have an adverse effect on navigation and communication systems.     

电离层不规则结构漂移的GPS测量及其初步结果

本文阐述了利用GPS接收机台阵测量到的闪烁和TEC变化率ROT快速起伏图样估计F层不规则结构漂移的原理和方法,并利用实测数据估计了静日和暴时电离层不规则结构的水平漂移速度.短间距台网和超短间距台链观测实例的计算结果表明,暴时武汉地区引起TEC快速起伏的电离层不规则结构沿纬圈向西漂移,21∶30至03∶00 LT,西向漂移速度在约40 m/s至130 m/s的范围内变化;在桂林地区,磁静日午夜前后引起L波段电波闪烁的电离层不规则结构沿纬圈向东漂移,漂移速度从约70 m/s下降到约55 m/s,磁扰日午夜前不规则结构向西漂移,速度从约150 m/s下降到约50 m/s,午夜后转为向东漂移,速度从约25 m/s上升到约65 m/s.文中还提出了由单站多卫星观测估计F层不规则结构漂移的设想.实例分析与计算结果表明,利用单站多卫星观测估计电离层不规则结构漂移是一种合理可行的方法.