基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站(18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N)VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站（18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N）VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.     

不同太阳活动及地磁条件下的电导率分布变化

电离层电导率在不同的太阳活动和地磁条件下会发生变化. 本文通过中性大气经验模式NRLMSISE_00（Neutral Atmosphere Empirical Model_2000，简称NRLMSISE_00）和电离层经验模式IRI_2001（International Reference Ionosphere_2001，简称IRI_2001）计算电离层的电子、离子碰撞频率以及电导率，并简要讨论了120 km和300 km高度上的电导率在不同季节、不同太阳活动和地磁指数下的经纬分布. 结果显示，电导率的分布与日照密切相关，且随太阳活动的变化而变化. 磁暴时电导率随地磁活动的变化相对于随太阳活动的变化要小，在120?km高度，磁暴期间电导率在低纬地区和高纬地区发生不同变化，且Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相反，向两极靠近，电导率变化幅度略有增长；在300?km高度上，磁暴对低纬地区和高纬地区电导率的影响要比120?km处大，Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相同，且越向两极靠近电导率的变化幅度越大.     

地磁暴与电离层骚扰的关系

一、引言 太阳活动区喷发出的粒子流引起太阳风对地球磁场和电离层作用,从而发生地磁暴和电离层骚扰,所以它们的发生是与太阳活动有着密切的关系。但是,在地磁暴期间常常伴随着电离层F_2层骚扰,即峰值电子密度相对于中值有大的减少或增加。     

基于非相干散射雷达和GPS观测研究Millstone Hill地区等离子体层电子含量

本文尝试结合非相干散射雷达和GPS TEC观测数据提取等离子体层总电子含量(PTEC).我们首先描述所用的技术方法,然后具体利用了Millstone Hill台站的观测数据研究该地区上空等离子体层总电子含量(PTEC)的变化情况.我们采用变化标高的Chapman函数对非相干散射雷达测得的电子浓度剖面数据进行拟合,然后通过对剖面积分得到100 km到1000 km高度范围的电离层总电子含量.GPS提供的TEC数据为高度达20200 km的总电子含量,两者之差可近似看成等离子体层的电子含量.本文分别选取太阳活动高年(2000, 2002年)和太阳活动低年(2005,2008年)Millstone Hill台站的静日数据进行研究.结果表明,等离子体层电子含量及其所占GPS TEC的比例具有明显的周日变化.PTEC含量在白天高于夜间,而所占GPS TEC的百分比,夜间明显高于白天.太阳活动高年所选月份等离子体层电子含量在4~14 TECU (1TECU=10¹⁶el/m²) 范围内变化,夜间所占比例可达60%左右.太阳活动低年所选月份等离子体层电子含量在3~7 TECU范围内变化,所占比例夜间最高可达80%左右.我们所得到的结果与前人基于其它观测手段所得结果在变化趋势上一致,在量级上也大致相当.因此,这从一个侧面证明了我们所用方法的可靠性.非相干散射雷达能够探测包括F2层峰值以下及以上高度的电子浓度,利用这一设备所观测得到的资料来推算电离层电子含量将比前人基于电离层垂测仪观测资料进行的推算更具真实性,由此得到的等离子体层电子含量也将更为接近真实情况.     

极区电子沉降对电离层影响的模拟研究

在极区电离层模式中,考虑了软电子沉降引起的电离,并对差分方法的应用提出了改进意见.模拟了不同特征的沉降电子对极区电离层的影响,发现平均能量低的电子束能够形成明显的电离层F层,平均能量较高的电子束能使得最大电离的高度下移,形成明显的E层,甚至其电子浓度高于F层.将电子沉降的卫星测量结果作为电离层模型的输入,所得F层临频与观测结果符合较好.通过分析中山站电离层统计结果,综合电子沉降在极隙区的分布特征和上述模拟结果,认为中山站磁中午现象主要由电子沉降所致.     

电离层电场的半年变化对F2区峰值电子浓度的影响

利用一个电离层理论模式，模拟了太阳活动低年、地磁宁静情况下，中低纬和赤道地区电离层F2区峰值电子浓度(NmF2)的半年变化规律，重点讨论了电离层电场对NmF2半年变化的影响.模拟结果表明，当输入的电场没有周年和半年变化时，磁赤道地区电离层NmF2本身就具有一定的半年变化特征，而在稍高的纬度上，NmF2半年变化的强度较弱.当输入的电场具有一定的半年变化时，电离层NmF2的半年变化强度有明显的改变，且这种改变随地方时和地磁纬度不同有明显的差别.在地磁赤道附近的电离层赤道槽地区，从上午到午夜的时间内，具有半年变化的电场对电离层NmF2半年变化的强度是减弱的作用，在其他的时间内，电场对电离层NmF2半年变化强度是加强的作用.而在稍高纬度的电离层驼峰地区，情况明显不同.从上午一直到翌日日出前，具有半年变化的电场对电离层NmF2半年变化的幅度都是加强的作用.在其他的时间内，电场对电离层NmF2半年变化的幅度是减弱的作用.同时，研究表明电离层电场对NmF2半年变化的作用和“赤道喷泉”现象强烈相关.     

磁暴期间极光椭圆与极盖区电离层效应比较研究——F区负暴

联合利用EISCAT和E-Svalbard非相干散射雷达数据,研究l997年5月强磁暴期间向阳侧极盖与极光椭圆区电离层F区负暴.发现在磁暴主相和恢复相初期,极光椭圆和极盖区电离层都在大约l90km高度出现类似F1的峰,F2主峰完全消失,F区电子密度大幅度下降.但离子温度的变化在两个区域很不相同,在极光椭圆区大幅度升高,而在极盖区没有显著变化,反映出引起F区负暴的主要机制在两个区域不尽相同.强对流电场引起大气焦耳加热与离子增温而使O+离子消失的化学反应速率增大所导致的电离损失,对极光椭圆区负暴起主要作用;而输运过程,特别是持续长达数小时的沿场上行离子流,对极盖区负暴起重要作用.磁暴主相期间,当EISCAT雷达位于等离子体对流涡旋转换区下方时,在无焦耳加热与离子摩擦增温的情况下,观测到由顶部电离层O+离子沿场高速外流引起的F区电子密度耗空.     

大尺度电离层行扰的GPS观测

利用日本境内的高空间分辨率的双频GPS台站资料,观测研究了发生于2000年7月中旬太阳强活动期间的一次大尺度电离层行扰. 结果表明:在7月15日11:00UT-1:00UT期间观测区域的电离层中出现了大尺度电离层行扰. 在15:00UT之前,扰动周期为2h左右,在15:00UT以后,扰动周期为1h左右;总电子含量扰动幅度的变化范围约为1-2TECU;通过对15:00-17:00UT之间总电子含量扰动曲线同相位点的分析,发现这期间的电离层行扰的扰动速度约为600-700m/s,扰动波长在2200km左右,扰动传播的方向几乎沿着经线从高纬向低纬传播. 该行扰与此次强太阳活动有直接的关系,因其发生在7月15日的磁暴急始之前数小时,因此与磁暴本身没有因果关系,应与磁暴之前先期到达地球空间的高能质子流有关.     

中低纬电离层F层峰高和厚度的变化特征分析

电离层F层参数对电离层空间天气研究与电波传播应用具有重要意义,以往工作主要针对电离层f_0F_2、TEC等参数.本文利用我国中纬地区的兰州、中低纬过渡区的昆明、低纬地区的海口三个观测站的电离层垂直探测数据,分析了电离层峰高h_mF_2、F层虚高h’F和定性表征的厚度h_mF_2—h’F的周日、季节、太阳活动变化特征.研究表明:(1)兰州h_mF_2在太阳活动高年和低年的数值接近,海口在太阳活动高年白天的h_mF_2比低年白天高20~30 km.(2)在海口和昆明,h_mF_2最大值多出现在中午时段,兰州站的最大值出现在夜间.(3)海口的h_mF_2在01-3LT期间出现很强的"午夜衰落"现象,此后迅速增大.(4)利用h_mF_2-h'F来表征电离层的厚度时,其季节和周日变化特征与常用的B_0存在相似之处,但未出现清晨与午后凹陷等现象.这些结果对于提高我国电离层变化特性的认识和模式化研究水平具有重要的科学意义.     

高纬电离层气候学特征研究--EISCAT雷达观测及与IRI模式的比较

利用1988～1999年欧洲非相干散射EISCAT（European Incoherent Scatter）雷达观测数据,对不同太阳活动周相、不同季节的极光椭圆区电离层F区电子密度进行统计分析,研究其气候学特征,并与IRI 2001模式比较.EISCAT观测到的电子密度显示出显著的太阳活动高年“冬季异常”和太阳活动低年半年变化等现象.EISCAT实测电子密度随时间和高度的平均二维分布和500 km高度以下总电子含量TEC,从总体来看与IRI 2001模式预测结果符合较好.但高年在TEC达到最大值前后,IRI 2001模式预测的电子密度高度剖面与EISCAT观测结果有显著差别：F2峰以上IRI 2001模式预测的电子密度过大,造成TEC明显高于雷达观测值.另外,在太阳活动下降相,EISCAT观测显示出明显的半年周期季节变化特征,但IRI 2001模式未能预测出此下降相季节变化.     

Mid-Latitude Single Station F region Storm Morphology and Forecast

This paper describes certain aspects of the F region storm morphology based on vertical incidence measurements at single ionosonde station Chilton (51°.60′N, 358°.70′E). The topics discussed include requirements for better understanding of the ionospheric F region morphology and its forecasting under geomagnetically quiet and disturbed conditions. A few common storms during the years of low (1996 and 1997) and high (2000 and 2001) solar activity are considered as well as the Short-Term Ionospheric Forecasting (STIF) method by using two representative examples. The merits are stressed of near-real-time use of data to provide more accurate specification of the geomagnetically disturbed ionosphere and forecast its structure few hours in advance.     

Effect of the zonal E × B plasma drift on the electron number density in the low-latitude ionospheric F region at high solar activity near the December solstice

The variations in the electron number density of the ionospheric F2 layer maximum (NmF2) under the action of the zonal plasma drift in the geomagnetic west-geomagnetic east direction perpendicularly to the electric (E) and geomagnetic (B) fields during a geomagnetically quiet period on December 7, 1989, at high solar activity have been studied based on a three-dimensional nonstationary theoretical model of electron number densities and temperatures in the ionospheric F region. Calculated and measured NmF2 values for 12 low-latitude ionospheric sounding stations have been compared. When the zonal E × B plasma drift is ignored, the NmF2 values become smaller by up to a factor of 3 under nighttime conditions in the low-latitude ionosphere. The average effect of the zonal E × B plasma drift on NmF2 in the low-latitude ionosphere is larger during winter nights than under summer nighttime conditions.     

Configuration of the upper boundary of the ionosphere

Variations of the upper boundary of the ionosphere (UBI) are investigated based on three sources of information: (i) ionosonde-derived parameters: critical frequency foF2, propagation factor M3000F2, and sub-peak thickness of the bottomside electron density profile; (ii) total electron content (TEC) observations from signals of the Global Positioning System (GPS) satellites; (iii) model electron densities of the International Reference Ionosphere (IRI^*) extended towards the plasmasphere. The ionospheric slab thickness is calculated as ratio of TEC to the F2 layer peak electron density, NmF2, representing a measure of thickness of electron density profile in the bottomside and topside ionosphere eliminating the plasmaspheric slab thickness of GPS-TEC with the IRI^* code. The ratio of slab thickness to the real thickness in the topside ionosphere is deduced making use of a similar ratio in the bottomside ionosphere with a weight Rw. Model weight Rw is represented as a superposition of the base-functions of local time, geomagnetic latitude, solar and magnetic activity. The time-space variations of domain of convergence of the ionosphere and plasmasphere differ from an average value of UBI at ∼1000 km over the earth. Analysis for quiet monthly average conditions and during the storms (September 2002, October–November 2003, November 2004) has shown shrinking UBI altitude at daytime to 400 km. The upper ionosphere height is increased by night with an ‘ionospheric tail’ which expands from 1000 km to more than 2000 km over the earth under quiet and disturbed space weather. These effects are interposed on a trend of increasing UBI height with solar activity when both the critical frequency foF2 and the peak height hmF2 are growing during the solar cycle.     

Meridional thermospheric neutral wind at high latitude over a full solar cycle

EISCAT radar experiments over a full solar cycle between January 1984 and March 1995 have been used to construct meridional neutral wind patterns in the ionospheric F region. For locally geomagnetically quiet periods the neutral winds have been binned according to season, solar activity, and universal time. The diurnal and seasonal behaviors and the effect of the solar flux are described. An empirical model of the meridional neutral wind for the high latitudes at eight altitudes in the ionospheric F region over a full solar cycle is presented. Results are compared with other recent empirical models.     

一个中纬电离层E层理论模式

本文建立了一个中纬电离层E层理论模式. 该模式从NO+,O２＋,O+和N２＋这四种主要离子的连续性方程出发,通过数值模拟得到中纬电离层E层电子和各种离子密度随时间和高度的变化情况. 计算结果能较好地反映出E层电子密度峰值（NmE）或E层临界频率（foE）的日变化、季节变化以及随太阳活动的变化趋势. 将模式的计算结果与武汉地区测高仪的观测数据进行比较,结果证明模式能够较为客观地反映中纬电离层E层的实际形态. 针对以往电离层E层理论模式存在的主要问题,本文还进一步讨论了几种重要因素,包括二次离化源,λ<150?谱段的辐射通量,吸收截面以及NO分布对于模式计算结果的影响.     

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.     

The spatial structure of the dayside ionospheric trough

Tomographic imaging provides a powerful technique for obtaining images of the spatial distribution of ionospheric electron density at polar latitudes. The method, which involves monitoring radio transmissions from the Navy Navigation Satellite System at a meridional chain of ground receivers, has particular potential for complementing temporal measurements by other observing techniques such as the EISCAT incoherent-scatter radar facility. Tomographic reconstructions are presented here from a two-week campaign in November 1995 that show large-scale structuring of the polar ionosphere. Measurements by the EISCAT radar confirm the authenticity of the technique and provide additional information of the plasma electron and ion temperatures. The dayside trough, persistently observed at high latitudes during a geomagnetically quiet period but migrating to lower latitudes with increasing activity, is discussed in relationship to the pattern of the polarcap convection.     

地震前兆：电离层F2层异常

本文简述了目前提出的地震引起电离层异常扰动的物理机理，重点介绍了近几年国内外对震前F2层异常扰动的研究进展.大量的研究结果显示地震活动引起的电离层扰动不仅确实存在，而且在震级大于5级的地震发生前的几天到几个小时会发生电离层扰动.由于地震引起的电离层F2层变化具有独一无二的特性，这就意味着我们可以利用强震前的F2层异常变化作为地震短临预报的工具.     

Ionospheric variability over Grocka during low solar activity conditions

The variability of the critical frequency of F2 layer, foF2, over ionospheric station Grocka (44.48N, 20.31E) has been studied during the declining phase of solar cycle 23 from 2004 to 2006. The variability index was introduced to identify the daily and seasonal patterns characterizing the local mid-latitude ionosphere during quiet and disturbed geomagnetic conditions. In addition, the behaviour of the vertical total electron content values, vTEC, obtained from global positioning system (GPS) measurements in the surrounding area under these conditions is reported. The analysis shows a number of interesting features representative of the ionospheric variability relevant for ionospheric modelling as well as ionospheric propagation applications based on a single station approach.