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.     

中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究

GPS（Global Positioning System）周跳是一种GPS信号异常现象.研究发现一定仰角以上的GPS周跳与电离层闪烁有关,是强电离层闪烁造成的GPS载波信号短时失锁现象,因此其可作为表征电离层闪烁效应的参量.本文通过分析由中国低纬度地区GPS台站原始观测数据提取的GPS周跳发生率与地方时、季节、太阳活动以及磁活动之间的关系,开展电离层闪烁效应与这几种参量之间关系的模式化研究.研究结果表明：（1）周跳发生率存在着地方时分布,发生时段主要在日落19：00LT后到午夜02：00LT之前,发生次数在22：00LT左右达到极大,然后缓慢减少,这一变化特点可以用自变量为地方时的Chapman函数形式来描述;（2）周跳发生率存在年变化特点,主要发生在年积日45~135天（春分季节）和225~315天（秋分季节）,可以通过高斯函数来描述每个分季闪烁效应的变化特点;（3）可以利用太阳辐射指数F10.7作为描述周跳随太阳活动周变化的参量,根据周跳随太阳活动周的变化特点,我们使用一个以F10.7为自变量的三次函数来描述这种变化;（4）电离层闪烁与磁活动的关系比较复杂,由于大多数情况下表现为磁活动对电离层闪烁的抑制作用,在本研究中使用一个以地磁活动指数Ap为自变量的的平方根函数来拟合这种变化.     

利用COSMIC掩星探测分析120°E经线附近电离层E层闪烁指数变化

利用气象、电离层和气候卫.星联合观测系统COSMIC掩星2007-2013年探测资料,分析了120°E经线附近电离层E层区域(70~140km)闪烁指数的季节、地方时和空间变化.结果表明强电离层闪烁主要集中在磁纬度±30°内,夏季达到最大,冬季其次,春季最小.闪烁峰值大小与太阳辐射有关,但北半球夏冬季闪烁峰值大于南半球观测结果,秋半球闪烁峰值大于春半球观测结果.地磁高纬地区较强闪烁现象出现在地方时傍晚之后,午夜前后达到最大值.地磁中纬和低纬区域日出后即出现较为明显的闪烁现象,一直持续至夜间甚至凌晨,分别约在中午和傍晚前达到最大值.磁赤道区闪烁现象通常始于地方时日出后,最大值发生在傍晚1800LT左右.电离层E区的闪烁峰值大都集中110km高度,但高纬地区的峰值高度略有降低.此外,太阳和地磁活动的增强一定程度上会抑制E层闪烁现象.相关研究结果有利于分析E层不规则结构及物理形成机制,同时为电离层区域闪烁模型的建立提供有用的信息.     

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.     

磁赤道地区2007—2013年COSMIC掩星反演和国际参考电离层模型输出结果分析

利用2007—2013年电离层测高仪位于磁赤道观测站Jicamarca (11.95°S,76.8°W,地磁纬度为1°N)的垂测数据和COSMIC掩星反演电离层资料,分析了不同太阳活动条件下两种探测技术获取电离层特征参数峰值密度N_mF₂和峰值高度H_mF₂的相关性,同时也探讨了国际参考电离层模型IRI输出参数与测高仪垂测数据的相关性.此外,进一步分析了COSMIC掩星和IRI模型在不同地方时高估或低估垂测参数的分布特征.结果表明:(1)由COSMIC掩星反演和IRI模型输出参数N_mF₂与测高仪垂测值N_mF₂得到的相关系数都在0.8以上.太阳活动低年COSMIC探测得到的N_mF₂相关性高于太阳活动高年得到的结果,但IRI模型在太阳高年得到的N_mF₂相关性好于太阳活动低年的计算结果.(2) 由COSMIC掩星反演和IRI模型输出的H_mF₂与测高仪垂测值H_mF₂在春秋季得到的相关性较高,夏季的相关性最弱.由COSMIC掩星探测H_mF₂得到的季节和时间相关系数大都集中在0.8和0.6以上,但由IRI模型得到的H_mF₂相关性降低,特别是太阳活动低年的夏季和傍晚其相关系数低于0.3.(3)太阳低年COSMIC掩星和IRI模型白天时段大都高估、夜间至凌晨前后低估电离层参数N_mF₂和H_mF₂;但太阳活动高年N_mF₂在地方时午夜后则呈现高估的特点.相关结果为未来IRI模型的进一步完善以及低纬地区电离层同化模式研究提供参考.     

基于COSMIC掩星数据分析中低纬度地区电子密度分布变化

利用COSMIC掩星2009年电子密度剖面数据,筛选数据进行网格划分,网格内数据统计平均,基于球谐函数计算模型值,分析电离层中低纬度地区最大电子密度的地磁季节变化、昼夜测分布相对变化,及地磁活动对电子密度的分布影响.结果表明,最大电子密度昼测值明显高于夜测值,在中纬度部分区域增大明显.电子密度昼测值在地磁活动期间高度150-550 km中低纬度范围为正相扰动,随纬度变化存在区域差异,随高度增加,扰动加强.     

基于COSMIC掩星数据探测汶川 MS8.0地震震前电离层异常

获取COSMIC掩星2级数据, 基于球谐函数使用最小二乘拟合法计算模型值, 为2008年5月12日汶川M_S8.0地震前电离层电子密度变化提供背景依据. 同时应用主成分分析法研究最大电子密度, 得到各主成分所占能量百分比随时间的变化. 研究结果发现, 震前在震中邻近区域出现电离层扰动增强现象, 且随高度不同存在一定差异, 主要集中在F₂层300—450 km. 主成分分析结果显示, 4月15日—29日19:00—24:00(地方时)第三主成分能量百分比显著增加. 上述结果表明, 震前电离层存在异常扰动现象. 这一研究结果有助于加强地震电离层耦合机理方面的研究.      

基于COSMIC掩星数据分析全球NmF2周年和半年变化特征

使用COSMIC掩星提供的NmF2数据,利用傅里叶分析方法,研究全球F2层峰值电子密度的周年和半年分布特征,分析2010年LT12：00 14：00 NmF2周年和半年变化幅度及2008-2011年年平均值变化.结果显示,电离层NmF2周年和半年变化幅度在中高纬地区相对较大;在赤道和低纬地区相对较小,且NmF2以半年变化为主.太阳活动增强期间,NmF2年平均值增大.     

电离层闪烁对静止气象卫星通信影响的初步分析

利用广州站监测到的GPS卫星和FY-2D静止气象卫星电离层闪烁数据,统计分析了广州地区电离层闪烁特征,并与静止卫星信号测距异常现象进行了相关性分析,初步探讨了电离层闪烁对静止卫星通信质量的影响.结果表明:广州地区电离层闪烁具有较强的季节依赖性,主要发生在春秋季节,约占全年90％左右,大多集中在夜间20:00-01:00LT,且持续时间长,空间分布广;电离层闪烁事件与测距异常现象具有较好的相关性,在发生时间和平均时间上,相关系数分别为0.9876和0.9966,在空间分布上,FY-2D和FY-2E的穿刺点经度不同,结合引起电离层闪烁的不规则体的漂移理论,理论计算由D星漂移到E星的时间与实际两星发生测距异常的时间差相符,进一步说明了电离层闪烁是引起FY-2D静止卫星测距异常,从而影响静止卫星星地通信质量的一个重要原因,并且受影响的程度随着闪烁强度的增强而增加.     

基于COSMIC资料分析电离层F层不规则体结构

根据电离层不规则体的产生会导致周围电子浓度发生起伏变化的原理,利用2007年COSMIC掩星系统的TEC数据,通过平滑滤波得到TEC的扰动值ΔTEC的变化,利用其研究F层不规则体的时空变化特征.统计结果表明:扰动较大的掩星事件主要发生在磁纬±20°之间和高纬地区,春季和秋季带状分布较为明显,不同经度地区较强扰动的掩星事件的分布也有不同特征;较强ΔTEC的掩星事件主要发生在地方时午夜前和午夜后两个时段,发生的高度主要在250~400km范围内.这些结果与已知的F层不规则体的时空分布特征较为一致,说明利用TEC的扰动量来分析电离层F层不规则体结构是可行的.     

On the geomagnetic and ionospheric responses to an intense storm associated with weak IMF Bz and high solar wind dynamic pressure

A study of the geomagnetic storm of July 13–14, 1982, and its ionospheric response is presented using the low-latitude magnetic index, Dst, and interpreted using solar wind interplanetary data: proton number density, solar wind flow speed, interplanetary magnetic field southward component B _Z , and solar wind dynamic pressure. The F2 region structure response to the geomagnetic storm was studied using foF2 data obtained during the storm from a network of various ionosonde stations. Our results appear to show simultaneous abrupt depletion of foF2 that occurred at all latitudes in both the East Asian and African/European longitudinal zone during the period: 18:00–19:00 UT on July 13 and is as result of an abrupt increase in the dynamic pressure between 16:00 and 17:00 UT. The dynamic pressure increased from 3.21 to 28.07 nPa within an hour. The aforementioned abrupt depletion of foF2 simultaneously resulted in an intense negative storm with peak depletion of foF2 at about 19:00 at all the stations in the East Asian longitudinal zone. In the African/European longitudinal zone, this simultaneous abrupt depletion of foF2 resulted in intense negative storm that occurred simultaneously at the low latitude stations with peak depletion at about 20:00 UT on July 13, while the resulting negative storm at the mid latitude stations recorded peak depletion of foF2 simultaneously at about 2:00 UT on July 14. The present results indicate that most of the stations in the three longitudinal zones showed some level of simultaneity in the depletion of foF2 between 18:00 UT on July 13 and 2:00 UT on July 14. The depletion of foF2 during the main phase of the storm was especially strongly dependent on the solar wind dynamic pressure.     

Scatter of hmF2 values as an indicator of trends in thermospheric dynamics

Analysis of the variability of the @F2-layer height, @hmF2@, from the 1950s to 1960s to the 1990s is performed on the basis of vertical sounding data for a series of midlatitude ionospheric stations. It is found that the scatter of the @hmF2@ values (standard deviation) increases sharply from the earlier decades to the later ones. This increase is better pronounced in the spring period of the year and does not depend on geomagnetic activity. The increase in the scatter of @hmF2@ indicates, evidently, the presence of systematic changes (trends) in thermospheric dynamics, the existence of these trends having been suggested in the recent publications of the author on the basis of the analysis of the foF2(night)/foF2(day) and R(foF2) parameters.     

中国大陆地区地磁场Z分量日变化相位的空间分布特征研究

利用全国52个地磁台站近20年的观测数据,分析我国大陆地磁Z分量日变化相位变化的空间分布特征,得到如下结论：（1）所有台站Z分量低点时间均服从正态分布;（2）Z分量低点时间期望值与经度之间具有很强的负相关关系,反映出显著的地方时依赖性;（3）低点时间标准差与纬度之间具有一定的正相关关系;（4）中国大陆存在两个Z分量低点时间的异常区域,均表现为低点时间比周围地区明显提前,且低点时间的离散度大于周边地区;（5）去除异常区观测点数据之后,低点时间标准差呈现出在30°N（和地磁纬度20°）附近为极小值而向低纬和高纬分别增大的特点,用二次或三次曲线可以在一定程度上描述这种相关关系.     

对我国地磁核旋定点观测资料质量评定的方法探讨

本文以地磁场时空变化的规律性为物理依据,以最小二乘法为数学工具,对我国1990年10月—1991年6月103个定点核旋观测每日北京时21点绝对值F_(21)、Z_(21)、H_(21),以及部分台站的基线值F_B、Z_B、H_B进行了考察,并提出利用区域台间地磁数据的空间线性相关和对基线值进行多项式拟合两种方法进行方差分析,以及用标准偏差作为判断观测数据质量的标准。     

foF2月中值太阳循环变化及单站谱模型研究

利用我国9个电离层观测站第21和22太阳周大约20年的foF2月中值数据,分析太阳活动和地磁活动对电离层foF2的影响,结果显示白天和夏季夜间foF2和太阳黑子数R之间存在着明显非线性关系,并且随着纬度的降低逐渐增强.当回归分析加入地磁Ap指数时,多重回归模型与实测值误差进一步减小,说明同时考虑太阳活动和地磁活动的非线性影响能够更好地描述foF2的变化.基于foF2与太阳黑子数R及地磁指数Ap之间的非线性统计关系,利用Fourier级数建立9个单站谱模型,并与国际参考电离层IRI进行了比较,精度有一定提高.     

Time delays in the correlation between solar activity and the F2 region plasma frequency

The upper ionosphere electron density characterized by the critical frequency foF2 is correlated with solar activity when using monthly medians or averages from longer intervals. When shorter intervals are studied, time delays of different lengths in solar activity effects in the ionosphere are observed. The correlation between the foF2 values and the solar radiation intensity, given by the F10.7 index, is studied using the 1967–2003 data of mid-latitude ionosonde stations spaced at distances greater than 100° in geographical longitude. At which longitude the reaction of foF2 to the changes in solar activity appears sooner depends on the position of the interval studied in the 22-year solar cycle.     

琼中台FGM-01磁通门磁力仪观测数据浅析

为了确保琼中台FGM-01磁通门磁力仪观测数据的准确性,对琼中台多套地磁相对记录仪分钟数据作相关系数分析,及对其观测基线值作月剩余标准差处理和日均差值对比分析,分析结果得出FGM-01仪的观测精度及稳定性较差。     

On ionospheric disturbances in relation to geomagnetic disturbances

Summary Disturbances in the critical frequency of theF2-region of the ionosphere at Watheroo on international magnetically disturbed days are analyzed together with simultaneous geomagnetic data at the same station. The results show that the daily average disturbanceDm (foF2) becomes negative or positive according as the maximum of the disturbance daily variationSD (foF2) takes place in night time or in daytime respectively. This fact may show that bothDm (foF2) andSD (foF2) are due to the condition that the daytime increase in the daily variation of theF2-region is reduced or enhanced owing to vertical drift of the ionosphere caused by electric currents responsible for geomagneticSD.     

不同高度和不同地磁扰动期间热层大气密度模式值与探测值的显著差异

热层大气密度是空间大气环境的重要参数,经过多年的研究已开发了多种大气模式,但其误差普遍较大,尤其在磁暴期间偏差值甚至超过100%.本文利用中国星载大气密度探测器和CHAMP卫星加速度计在轨获得的连续探测数据,针对近10年(2003—2014)中多次强磁暴事件和多次中等强度扰动事件,即2003年11月、2004年7月和2005年8~9月多次强磁暴事件(Kp值均达到9),2006年4月、2012年4月的两次中等强度磁暴事件(Kp值分别达到7和6),分析和比对不同强度磁扰事件期间不同高度全球大气密度就位探测值与模式值(NRLMSISE00)之间的差别.在2005年8月24日强磁扰事件中,560 km高度中国卫星就位探测值上涨幅度约2~3倍,扰动区中的增变比高达5.7倍,375 km高度CHAMP卫星就位探测值上涨幅度约0.8倍,扰动区中增变比达4.0倍,期间大气密度模式值不仅没有出现明显的涨落,更没有出现强烈的区域扰动;在2003年11月和2004年7月的强磁扰事件中,CHAMP卫星就位探测值均有显著涨变和强烈扰动变化,而模式值无明显扰动变化;在中等强度磁扰事件中,高度560 km附近就位探测值在北、南半球高纬地区显著上涨,远高于模式值,高度350 km附近就位探测值在地球阴影区域显著上涨,上涨幅度也大于模式值.分析结果表明现有大气模式对地磁扰动(尤其是强磁暴事件)期间全球热层大气密度的响应并不明显,需要进一步改善.