近年来中国电离层物理研究进展

在梁百先等1994年评论的基础上，对最近几年来国内的电离层研究作了简单的回顾与评述侧重于电离层扰动及波动，电离层探测和资料分析方面的新发现，反演方法以及预报模式等方面．     

利用半参数核估计法预报全球电离层总电子含量

本文将半参数平差模型引入电离层球谐函数系数的预报中,建立了半参数球谐函数模型(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)来预测全球电离层总电子含量.首先,通过快速傅里叶变换获得球谐函数系数的周期和振幅,将振幅高的主周期归入趋势函数,振幅低的剩余周期归入随机信号,建立了半参数模型,同时利用核估计方法拟合趋势函数,解算随机信号,并在时间域上进行外推,得到了预报时间的球谐函数系数,代入15阶电离层球谐函数模型,最后得出电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的预报值.本文基于欧洲定轨中心(CODE)发布的球谐函数系数进行电离层TEC长期预报和短期预报分析,其中长期预报采用四年预报两年的模式对球谐函数系数进行预报,短期预报设计了三个算例,采用前30天预报后一天的模式,分别预报1天、滑动预报7天和滑动预报30天.实验结果表明:长期预报能够较好地反映全球电离层TEC的变化趋势和波动情况,Semi-SH模型对全球电离层TEC平均值(Mean TEC global,MTECglobal)的拟合值和预报值与MTECglobal实际值的相关系数分别为0.8743和0.8010,呈现出高度相关性.短期预报中,在太阳活动高年和太阳活动低年,Semi-SH模型在中纬度地区预报精度较CODE发布的电离层TEC 1天预报产品(CODE′S 1-Day Predicted GIM,C1PG)有较大提升,在高纬度与低纬度地区两种模型预报精度相当;Semi-SH模型在太阳活动高年和太阳活动低年30天滑动预报精度的均值均高于C1PG模型.实验结果说明了Semi-SH模型预报电离层TEC值的有效性.     

厦门电离层垂测站建设及初步结果

本文介绍了厦门电离层垂直探测站的建设及初步结果.该站选用了加拿大生产的数字测高仪,利用折合偶极天线作为发射和接收天线,采用气象信息专业网和internet网络的两种传输方式,实现了数据实时传输和远程控制.利用试验观测期间获得的2007年8月份首批电离层垂直探测数据,分析发现了厦门地区电离层f_oF2的一些基本特征：白天f_oF2最大值一般出现在地方时14~16点,最大值约5~15 MHz,有较强逐日变化;夜间f_oF2约4MHz左右,逐日变化较小.与最新国际电离层参考模式IRI2007进行了初步对比,发现IRI2007可较好的预报出f_oF2的月中值,但对逐日变化较强的厦门地区电离层f_oF2预报能力较弱.     

中国地区电离层foF2重构方法及其在短期预报中的应用

提出了一种适合于中国地区电离层f_oF₂的重构方法——以中国参考电离层为背景的改进克里格法.该方法把f_oF₂的估计值与中国参考电离层模型值之差值的相对值作为区域化变量,引入电离层距离,采用克里格法实现区域电离层重构.与直接利用f_oF₂进行克里格重构相比,以中国参考电离层为背景场保持了电离层的区域特征,提高了重构的准确性和稳定性.利用我国电离层垂测台站网的数据对该方法应用于中国地区的重构精度进行了评估.该方法与单站预报的自相关分析法相结合可实现中国地区电离层f_oF₂短期预报.     

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．     

电离层预报模型研究

当利用无线电电磁波进行远程通信、卫星导航时，传递信号要受到电离层的影响，因此，对电离层中电子含量的研究显得特别重要.虽然国际上有几种电离层的电子含量预报模型，但其预报只能精确到电子含量的50%～60%.本文提出了一种新的电离层电子含量预报方法:即用球谐函数对IGS(国际GPS服务)所给出的离地面450 km高的球面上的每一网点的电离层电子含量进行拟合，对不同的时间所得到的拟合系数所形成的时间序列用时间序列分析理论中的ARMA(p,q)模型进行预报，从而实现全球的电离层电子含量预报.利用本方法对2004年和2005年IGS所给电离层电子含量资料在地理框架中做了分析预报，5天内电子含量预报相对精度在90%左右.     

中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI, 对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6 h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9 h(10.5 h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.     

地震电离层前兆综合监测技术

地震前后对电离层进行观测的方法正在逐渐发展成为一种新的地震前兆观测方法。应用多手段地基无线电遥感探测技术,通过软件无线电形式,实现一机多能,对电离层状态的综合探测,获取地震前电离层变态的多参数数据,结合对地震电离层前兆物理机制的研究,将能大大提高地震电离层前兆预报分析的可信度、可靠性,有助于对地震电磁现象机制的识别和前兆信息的提取和强震预报预测。     

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.     

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.     

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。     

用理论模式研究电离层F_1－ledge的变化

利用一个时变电离层理论模式，研究武昌地区（３０．５°Ｎ，１１４．４°Ｅ）电离层Ｆ_１－ｌｅｄｓｅ现象．表明利用当前关于中性气体和太阳辐射的经验模式，观测到的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ出现与演化的基本规律将可基于现有电离层理论加以再现．指出较明显的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ结构同较低的中性原子－分子含量比有直接关系，并同原子－分子成份的过渡高度、背景温度及其垂直分布形态有一定联系．同Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ形态相关联的Ｆ_１－Ｆ_２谷，其出现主要是由于亚稳态氧离子参与光化过程，以及电离气体参与具有一定垂直变化的输运过程．     

电离层VTEC异常分布产出系统设计与实现

基于C/S架构,采用C#、MySQL、ArcGIS等技术设计开发电离层VTEC异常分布产出系统,通过手动和自动模式快速产出全球VTEC、中国区域VTEC异常分布、空间环境参数及中国区域格网点VTEC时序曲线.系统实时监测全球VTEC、中国区域VTEC异常扰动变化,可测试地震—电离层监测在中国区域的应用效能,尝试为地震监测预报提供电离层前兆信息.     

利用人工神经网络预测电离层F2层骚扰

利用人工神经网络技术，提出预报离散随机的电离层骚扰事件的新方案.本文重点讨论了预报电离层骚扰的人工神经网络的构造，采用模糊理论和模式识别的思想构造了网络的输入层和输出层.将与电离层骚扰相关的日面现象如太阳耀斑、黑子等的日面位置、强度等参量作为网络的输入，该方案预报结果检验中，使传统方法难以预报的小型和中型电离层(骚扰达到80%以上)的预报准确率有所提高.最后还提出了利用人工神经网络识别单一型别骚扰事件的方案，预报准确率在95%以上。     

利用人工神经网络预测电离层F2层骚扰

利用人工神经网络技术，提出预报离散随机的电离层骚扰事件的新方案.本文重点讨论了预报电离层骚扰的人工神经网络的构造，采用模糊理论和模式识别的思想构造了网络的输入层和输出层.将与电离层骚扰相关的日面现象如太阳耀斑、黑子等的日面位置、强度等参量作为网络的输入，该方案预报结果检验中，使传统方法难以预报的小型和中型电离层(骚扰达到80%以上)的预报准确率有所提高.最后还提出了利用人工神经网络识别单一型别骚扰事件的方案，预报准确率在95%以上。     

基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数值同化现报预报系统的构建-以中国及周边地区为例的观测系统模拟试验

本文给出了一个基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数据同化系统的初步构建和试验结果.我们选择中国及周边地区部分涉及电离层观测的台站(包括子午工程台站、中国地壳形变网和部分IGS台站)作为观测系统进行模拟试验,背景场利用IRI模式,观测值则由NeQuick模式计算得到.我们的同化结果表明,采用Kalman滤波算法,把部分斜TEC同化到背景模式当中,能够获得较好的同化结果,说明我们设计的算法可行、所选择的各种参数比较合理,采用Gauss-Markov假设进行短期预报也取得了较合理的结果.本项研究经过进一步的改进和完善,可以用来对中国地区的电离层进行现报和短期预报,一方面满足相关空间工程应用,另一方面可以提升现有观测系统的科学意义.     

用理论模式研究电离层F1－ledge的变化

利用一个时变电离层理论模式，研究武昌地区（３０．５°Ｎ，１１４．４°Ｅ）电离层Ｆ_１－ｌｅｄｓｅ现象．表明利用当前关于中性气体和太阳辐射的经验模式，观测到的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ出现与演化的基本规律将可基于现有电离层理论加以再现．指出较明显的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ结构同较低的中性原子－分子含量比有直接关系，并同原子－分子成份的过渡高度、背景温度及其垂直分布形态有一定联系．同Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ形态相关联的Ｆ_１－Ｆ_２谷，其出现主要是由于亚稳态氧离子参与光化过程，以及电离气体参与具有一定垂直变化的输运过程．     

利用人工神经网络预测电离层F2层搔扰

利用人工神经网络技术，提出预报离散随机的电离层骚扰事件的新方案。本文重要讨论了预报电离层骚扰的人工神经网络的构造，采用模糊理论和模式识别的思想构造了网络的输入层和输出层。将与电离层骚扰相关的日面现象如太阳耀斑、黑子等的日面位置、强度等参量作为网络的输入，该方案预报结果检验中，使传统方法难以预报的小型和中型电离层（骚扰达到80％以上）的预报准确率有所提高。最后还提出了利用人工神经网络识别单一型别骚扰事件的方案，预报准确率在95％以上。     

东亚赤道异常区电离层CT诊断──实验及初步结果

国际上第一个低纬电离层层析（ＣＴ）探测台链于１９９３年１１月建成，并开始数据采集．该ＣＴ台链沿１２０°Ｅ子午圈由６个卫星信标差分多普勒接收站组成，北起我国上海，南至菲律宾的马尼拉，纬度覆盖范围约２０°．该台链专为电高层赤道异常区电子密度大尺度结构ＣＴ成像而设计，其目的是监测研究赤道异常形态与动力学、电离层等离子体泡、行优以及暴时磁层－电离层－热层耦合过程等重要的赤道与低纬区电离层现象．本文介绍该低纬电离层ＣＴ实验的有关技术问题，包括接收台站布设、实验设备、数据采集软件和数据预处理方法．文中还给出利用ＣＴ技术，由实测斜电子含量数据反演电离层电子密度二维分布图像的几个实例．结果表明，利用低纬电离层ＣＴ台链可以有效地监测电离层赤道异常及其它低纬电高层电子密度大尺度结构的时空变化．     

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。