GIM和IRI2012模式在中国地区的时空变化和扰动分析

在合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)定位中,电离层延迟是不可忽略的误差源之一,需要选择合适的电离层模型进行校正.为了验证IRI2012模式和GIM模式在中国不同纬度地区的适用性以及中国地区电离层扰动与太阳耀斑、地磁场等因素的相关性,本文利用IRI2012模式计算的TEC预测值,并结合GIM模式给出的TEC观测值对2014太阳活动低年的中国不同纬度地区TEC时空变化特性进行了分析,包括周日变化、半年变化和年变化等.此外,由于电离层扰动引起的电离层延迟对星载低频SAR定位精度影响比较严重,以IRI2012模式为背景电离层,根据电离层平静期的GIM-TEC观测值确定电离层TEC扰动指数的阈值,在太阳耀斑和地磁异常发生时统计前后一定时间的电离层TEC扰动指数.实验结果表明:IRI2012模式和GIM模式在中国低纬和中高纬度地区的空间和时间变化均符合一般规律,在中国地区具有适用性;电离层扰动指数连续5小时超过阈值0.5判定为电离层扰动事件,当中国地区位于向阳面或处于日冕物质抛射区时,其上空电离层扰动与太阳磁暴和地磁暴紧密相关.     

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。     

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.     

武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心(Wuhan University, WHU)正式成为新的国际GNSS服务组织(International GNSS Services, IGS)电离层联合分析中心(Ionosphere Associate Analysis Center, IAAC).本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来(2016年1月到2018年9月,太阳活动低年)的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs (CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS)进行了比较分析.结果表明:WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.     

全球电离层TEC起伏特性分析

利用全球电离层TEC地图（GIMs）数据,在已经建立TEC气候学模式的基础上,计算了1998年以来固定UT时间的全球TEC起伏指数σ_DGEC．采用偏相关分析方法对σ_DGEC与太阳活动（F107指数）及其起伏（dF107）、地磁活动（Ap指数）、季节变化因子（太阳偏置角）等因素,以及上述因素的非线性组合等的相关性进行分析,发现σ_DGEC与F107、Ap指数具有最强的相关性,与F107指数和半年变化因子的交叉项F107×S、F107指数的二次方具有较好的相关性,同时,与F107指数与年变化因子的交叉项F107×A及F107扰动指数偏离值（dF107）的二次方也具有一定的相关性．据此,以这些因子作为驱动量,建立了σ_DGEC的多元回归模型．鉴于σ_DGEC反映全球范围内电离层TEC起伏的平均特性,并与太阳活动F107指数、地磁活动Ap指数具有良好的相关性,为此我们建议,将全球TEC相对起伏指数σ_DGEC作为描述全球电离层扰动状态及电离层天气特征的一个新参量．     

磁偏角和热层风对中纬电离层TEC经度分布的影响

本文利用北美、南美和大洋洲三个地区的电离层TEC数据,分析了磁偏角为零的经度线两侧中纬电离层TEC的差异.结果表明,在2001年至2010年的几乎所有季节,在磁偏角为零的经度东西两侧,北美、南美和大洋洲中纬电离层TEC都存在规则性的差异;中纬电离层TEC的这种经度差异显著地依赖地方时,对季节和太阳活动水平也有不同程度的依赖.地磁场影响下电离层与热层动力学耦合的分析表明,磁偏角的经度变化和热层风的地方时变化两者的共同作用是引起磁偏角为零的经度两侧中纬电离层TEC差异的重要原因之一.     

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.     

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.     

基于CM4模型的中国大陆地区地磁场时空分布特征分析

本文利用第四代地磁场综合模型（Comprehensive Model 4,CM4）,计算了1982-2001年中国大陆地区同一经度链和同一纬度链上地磁台站的磁层源磁场及其感应场、电离层源磁场及其感应场的地磁北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z的模型值,分析了各场源磁场随时间和空间的变化特征。结果表明:在时间上,经度链和纬度链台站的磁层源磁场及其感应场均呈现出11年和27天周期性变化。电离层源磁场及其感应场具有明显的季节变化,不同年份相同季节变化形态一致但幅度不同。在空间分布上,经度链和纬度链台站磁层源磁场及其感应场的年变化幅度呈现出不同变化特征,电离层源磁场及其感应场在经度链上变化特征不同,而纬度链台站的数值基本一致。日变化分析显示,磁静日和磁扰日期间,模型数据与台站实测数据变化一致性较好,相关性较高。     

中纬度电离层电子总量冬夜增长研究

本文研究太阳活动低年期间英国South Uist、Hawick和Aberystwyth三台站电离层电子总量的冬夜行为特性。法拉第旋转记录分析表明,中纬度电离层电子总量冬夜增长幅度和出现率同季节和台站纬度有关。文中详细考察了冬夜增长的发生时刻和持续时间的分布状况,电子总量冬夜极大值位置,冬夜电子总量W型特征面貌,冬夜增长的运动速度与方向等,发现电离层电子总量冬夜值和冬夜增长同地磁活动指数之间存在着负相关关系。对冬夜增长的机制,本文提出一种磁共轭电离迁移与等离子层电离库原理。指出在冬夏至期间,由于南北半球的太阳天顶角、日照时间、大气温度和电离密度的显著差别,在全球范围内依次于各地傍晚时分,发生一种从夏半球中纬度电离层沿高空磁力线并经等离子层电离库的调节,而朝向冬半球中纬度电离层共轭区的电离迁移和电离层贸易风,以此来解释电离层电子总量的夜间行为。     

东亚MLT区域平均纬向风再评估——WINDII测量分析结果

本文利用1991年11月至1997年8月期间美国WINDII/UARS获得的风场测量数据对东亚上空纬向风进行考察. 研究结果给出了位于120°E 子午圈中90～120 km之间平均纬向风的典型结构及其季节特征,与在武汉开展流星雷达探测结果进行比较的结果说明卫星测量分析结果在对季节特征的描述方面与地基测量有相当好的一致性;较好的一致性还表现在与过去从HRDI/UARS数据中得到的月平均纬向风. 这些说明卫星探测结果有相当好的代表性. 与国际标准大气CIRA-86月平均纬向风开展比较的结果显示,从100 km高度开始这两种卫星数据分析结果都与CIRA-86结果表现出严重偏离,例如在赤道和低纬度地区某些高度,CIRA-86纬向风在全年的大部分时段中表现出与卫星数据分析结果风向不一致. 分析结果还显示WINDII纬向风和HRDI纬向风分析结果之间表现出一个幅度约20 m·s^-1的系统偏差,考虑到本文分析过程中采用了通过归并36天测量数据来消除周日变化影响的方案,同时参考其他研究工作中对MLT纬向风周日潮幅度的描述,两种卫星数据分析结果之间的系统偏差可能部分来自大气潮汐的影响.     

利用IGS数据分析全球TEC的周年和半年变化特性

利用太阳活动高年（2000年）IGS提供的全球TEC数据,采用傅里叶展开的方法,分析了白天电离层TEC周年和半年变化的全球特征.结果显示：电离层TEC周年变化幅度在南北半球中高纬度地区较大、赤道和低纬地区很小.半年变化的幅度在“远极地区”（远离地球南北地磁极点的东北亚和南美地区） 比“近极地区”（靠近地球南北地磁极点的北美和澳大利亚）大得多.进一步的统计显示,全球大部分地区TEC在春秋月份出现最大值,北半球近极地区最大值在冬季出现.南半球的南美和澳大利亚部分地区,最大值出现在夏季.同样,采用傅里叶方法分析了中性大气模式MSIS90计算的全球大气原子分子浓度比值（［O/N2］）的数据,发现在南北半球中高纬度地区,中性成分［O/N2］周年变化幅度较大且有明显的冬季异常现象,依据Rishbeth等提出的理论,我们认为大气成分［O/N2］可能对TEC周年变化的产生有重要作用,并且也是TEC在近极地区出现冬季异常现象的主要原因.TEC半年变化的全球分布特征形成的原因较复杂,我们初步分析可能是由于中性成分［O/N2］、太阳天顶角控制的电离层光化学产生率变化共同作用而产生的.     

Principal component analysis of global maps of the total electronic content

In this paper we present results of the spatial distribution analysis of the total electron content (TEC) performed by the Principal Component Analysis (PCA) with the use of global maps of TEC provided by the JPL laboratory (Jet Propulsion Laboratory, NASA, USA) for the period from 2004 to 2010. We show that the obtained components of the decomposition of TEC essentially depend on the representation of the initial data and the method of their preliminary processing. We propose a technique for data centering that allows us to take into account the influence of diurnal and seasonal factors. We establish a correlation between amplitudes of the first components of the decomposition of TEC (connected with the equatorial anomaly) and the solar activity index F10.7, as well as with the flow of high energy particles of the solar wind.     

近60年全球大气环流经向模态的气候变化

本文根据1948～2004年NCEP/NCAR 1000 hPa、500 hPa、100 hPa高度场逐月再分析资料，分析了近60年全球大气环流经向模态的气候变化. 结果表明：近60年来第一模态从低层到高层都表现出高纬与低纬地区之间明显的反向变化关系，且随时间有明显的增强趋势. 第一模态位相发生了相反的改变，低纬地区由负距平演变为正距平，高纬地区由正距平演变为负距平. 1000 hPa和500 hPa高度场上的南半球比北半球变化激烈，而100 hPa高度场上的北半球比南半球变化激烈. 第二模态在1000 hPa高度场上，主要表现为南极涛动（AAO）和北极涛动(AO)，且两涛动在年际、年代际尺度上表现出明显的负相关关系；在100 hPa高度场上，主要表现为南北半球高纬度地区之间的反向变化；500 hPa高度场是1000 hPa和100 hPa的一个过渡层次，主要表现出明显的南极涛动(AAO). 第二模态可能是南北半球中高纬环流相互作用的桥梁.     

电离层电子总量水平梯度和相关系数

电离层电子总量水平梯度和相关系数是进行越境越障空间物理研究时的基本参量。本文分析了当同步信标卫星ATS-6停泊于东非地区上空时,在西欧观测到的太阳宁静年条件下电离层电子含量水平分布和空间相关性。指出纬向梯度、经向梯度、全梯度矢量的昼夜变化与季节特性。文中提出并论述中纬度TEC水平梯度矢量的指日效应:在北半球,冬季时梯度矢量指向的昼间进程是东南-南-西南,方位角变化小,幅值与幅值变化亦小;夏季时梯度矢量指向的昼间进程是东-南-西,方位角变化大,幅值与幅值变化亦大。梯度矢量箭头具有判然的指日性,即追随太阳方位角而变。梯度矢量幅值,在非低纬区条件下,随太阳仰角的增大而增大。文中还述及电子总量空间相关系数的表现规律并探讨了产生中纬度电离层这种时空行为的可能的动力学原因。     

Spectral analysis of planetary waves seen in ionospheric total electron content (TEC): First results using GPS differential TEC and stratospheric reanalyses

The coupling of the neutral atmosphere and the ionosphere through planetary waves (PW) (zonal wavenumber 0–5) is investigated by spherical harmonic analyses of the ionospheric total electron content (TEC). These analyses detect mean variations, standing and travelling waves which are assumed to be signatures of PW. Database used for TEC analyses are 3 years of hourly TEC maps covering the higher middle and polar latitudes. They are regularly produced by DLR Neustrelitz. The obtained results are compared with PW analyses using NCEP/NCAR and Met Office stratospheric reanalyses. Case studies show that signatures of PW occur simultaneously in the middle atmosphere and ionosphere.     

The structure of the mid- and high-latitude ionosphere during the November 2004 storm event obtained from GPS observations

GPS data from the International GNSS Service (IGS) network were used to study the development of the severe geomagnetic storm of November 7–12, 2004, in the total electron content (TEC) on a global scale. The TEC maps were produced for analyzing the storm. For producing the maps over European and North American sectors, GPS measurements from more than 100 stations were used. The dense network of GPS stations provided TEC measurements with a high temporal and spatial resolution. To present the temporal and spatial variation of TEC during the storm, differential TEC maps relative to a quiet day (November 6, 2004) were created. The features of geomagnetic storm attributed to the complex development of ionospheric storm depend on latitude, longitude and local time. The positive, as well as negative effects were detected in TEC variations as a consequence of the evolution of the geomagnetic storm. The maximal effect was registered in the subauroral/auroral ionosphere during substorm activity in the evening and night period. The latitudinal profiles obtained from TEC maps for Europe gave rise to the storm-time dynamic of the ionospheric trough, which was detected on November 7 and 9 at latitudes below 50°N. In the report, features of the response of TEC to the storm for European and North American sectors are analyzed.     

基于等离子体GCPM模型对电离层薄壳模型高度的仿真研究

在基于GPS数据提取电离层总电子含量(TEC)的过程中,电离层薄壳高度的选择对解算电离层垂直TEC的精度有很大的影响.但由于不可能获得一个真实的从电离层D层到GPS卫星高度的电子密度剖面,关于电离层薄壳高度的选择一直是基于GPS数据解算电离层TEC方法中关注的一个问题.本文利用等离子体GCPM模型,对太阳活动高年(2002)和太阳活动低年(2008)情况下电离层有效薄壳高度的选择进行了仿真计算.结果表明,最佳的薄壳高度在2002年为560 km,而在2008年为695 km.通过对全球八个具有代表性地点的仿真计算,揭示了有效薄壳高度更复杂的变化特点.在白天,最佳薄壳的高度变化不大(500 km至750 km);但在夜晚,最佳薄壳高度变化范围很大,甚至可以超过2000 km.此外,本文还对不同卫星仰角的情况下斜向TEC转换为垂直TEC的误差进行了分析,结果表明:随着卫星仰角的增加,薄壳模型带来的转换误差基本上是单调减少的.因而,在实际应用中,尽可能地采用大仰角的卫星数据有助于提高解算的电离层垂直TEC的精度.最后,对全球不同地点的电离层TEC的仿真研究表明,在电子密度水平梯度较大的地区,应用电离层薄壳模型时会导致电子密度较高处的TEC被高估,而电子密度较低处的TEC被低估,在分析基于GPS数据提取的电离层TEC空间变化时要认识到这一点.