太阳活动高、低年东亚中、低纬地区扩展F特性比较研究

扩展F(Spread-F)作为重要的电离层不规则结构之一,对电波传播、导航、通讯等有重要的影响,因此对其时、空特性的研究一直倍受重视.本文通过分析低纬海南台站和中纬长春与乌鲁木齐台站的测高仪数据,比较研究了太阳活动高、低年我国中、低纬地区夜间电离层扩展F的发生特性.扩展F发生率特性主要体现在:无论低纬还是中纬太阳活动低年扩展F发生率最大值高于太阳活动高年;无论太阳活动高年还是低年低纬站扩展F发生率最大值高于中纬站.细节特征主要体现在:首先,三台站在太阳活动高、低年扩展F发生率都存在双峰结构.太阳活动高年,低纬海南站双峰结构集中在春、秋分季节,而中纬站则集中在冬、夏季节,扩展F较容易发生的地方时低纬站主要集中在子夜前,而中纬站则偏向子夜后;在太阳活动低年,中、低纬双峰结构都出现在冬、夏季节,低纬海南站扩展F较突出的出现在子夜前后,而中纬台站则主要出现在子夜及子夜后.其次,双峰结构中的细节表现不同,如低纬海南站太阳活动高年扩展F较容易发生在春分季节,但2月和4月份发生率都比较高而且接近,而太阳活动低年扩展F较容易发生在夏季月份,但5月和7月的发生率也都比较高且接近,且太阳活动高、低年低纬主峰峰值非常接近,不像中纬地区有明显的差异等.本文针对实测数据进行了详细的分析并结合已有研究进行了细致的讨论.     

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.     

太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率研究

本文利用2008年至2013年厦门电离层垂测仪的观测数据,分析了太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化特征和太阳活动对厦门电离层扩展F发生率的影响,结果显示:(1)厦门电离层扩展F主要出现在地方时18时至次日8时的时间段内,扩展F发生率最大值出现在午夜后;(2)厦门电离层扩展F主要出现在5—8月的夏季月份,扩展F发生率最大值一般出现在6月份(2009年出现在5月份);(3)厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化中存在明显的逐年变化;(4)厦门电离层扩展F年出现次数与太阳10.7 cm射电流量年平均值在2008年到2011年正向相关,而在2012年、2013年却负向相关;在每一年中(除了2012年外),厦门电离层扩展F月发生率与太阳10.7 cm射电流量月平均值负向相关.太阳活动和厦门电离层扩展F发生率之间的复杂关系表明,太阳活动可能通过赤道电离层扩展F和中纬电离层扩展F两种机制影响了厦门电离层扩展F发生.     

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.     

电离层春秋分不对称的地方时依赖

利用全球203个电离层测高仪台站的F_2层临界频率(f_oF_2)和E层临界频率(f_oE),以及美国喷气推进实验室(JPL)提供的电离层总电子含量(TEC)地图数据统计分析了电离层春秋分(March Equinox and September Equinox,ME and SE)不对称的特点.基于电离层参量随年积日(Day of Year,DoY)和太阳活动指数F_(10.7)变化的傅里叶级数模型,对f_oF_2、f_oE及TEC数据分别进行最小二乘法拟合,将电离层参量归算到低太阳活动(F_(10.7)=80)、中等太阳活动(F_(10.7)=150)和高太阳活动(F_(10.7)=200)水平.该方法定量分离了实际观测数据中包含的电离层参量随季节和太阳活动的变化,因而得到了更为定量、精确的电离层春秋分不对称性特征.分析了不同地方时(LT)的春秋分不对称性指数(Asymmetry Index,AI)和春秋分差值Δ(=ME-SE)的全球分布特征与太阳活动依赖性.结果表明,foE日出时全球主要表现为9月分点值高于3月分点值,午后春秋分不对称性几乎消失,而日落时则反转为3月分点值高于9月分点值;f_oF_2日出时除少数地区外也主要表现为9月分点值高于3月分点值,而其他时段则相反;TEC日出时低太阳活动时的全球及中高太阳活动时的低纬地区表现为9月分点值高于3月分点值,而其他时段则相反.fo_E春秋分不对称性受太阳活动影响较弱,而f_oF_2和TEC的春秋分不对称随太阳活动有明显的变化,其3月分点值相对于9月分点值增加.计算了F_2层峰高(h_mF_2)处对应的氧氮浓度比([O]/[N_2],由大气模型NRLMSISE-00计算得到)和h_mF_2的春秋分不对称性,提取了TEC年变化的幅度及相位信息.氧氮浓度比和h_mF_2的春秋分不对称性能够部分解释电离层的春秋分不对称性,而TEC春秋分不对称的全球分布特征可以用TEC年变化的相位的全球分布解释.     

赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁活动出现率的理论模型构建

为构建赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁活动出现率的理论模型,本文根据分析赤道-低纬电离层的广义Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性得到的三维线性增长率的表达式,计算分析了线性增长率随地方时的变化特征.并选取计算得到的每日增长率的极大值表征每日的线性增长率,分析增长率随季节、太阳活动和地理经度的变化特征以及逐日变化特征,建立三维广义R-T不稳定性线性增长率的理论统计特征模型,发现增长率表现出显著的随地方时、季节、太阳活动和地理经度以及逐日变化特征.通过比较分析增长率的变化特征与不规则结构和闪烁活动的变化特征,发现三维广义R-T不稳定性的线性增长率能较好地反映不规则结构和闪烁活动随季节、太阳活动、地理经度以及逐日变化规律.本文建立的R-T不稳定性的三维线性增长率的统计特征模型可用于构建赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁出现率的理论形态特征模型.     

欧洲地区电离层峰值电子密度逐日变化的相关距离研究

本文采用欧洲22个台站的电离层F^₂层峰值电子密度N_mF^₂，分析了其逐日变化分量的相关距离S，着重研究了S的周日变化、季节变化及其随太阳活动和地磁活动的变化.首先用指数型函数模式来拟合任意两站间电离层逐日变化的相关系数R随间距d的变化，由此估算出逐日变化的相关距离S.详细研究了S在不同的季节（春季、夏季、秋季和冬季），不同的地磁活动（平静和扰动）及不同的太阳活动（低、中和高）随世界时的变化（周日变化）.结果表明：（１）S的范围一般为400～1600 km；（２）S值在白天比夜间大；（３）S值具有季节变化，夏季最大，冬季最小，春秋季差异不大；（４）S值在地磁扰动时比平静时大；（５）当太阳活动低时，S值在日落到正午间要比太阳活动中或高时明显偏小，而在正午到日落间则与太阳活动中或高时差异不大.根据以上结果，我们认为：（１） 太阳辐射对电离层逐日变化的影响是大尺度的，并在白天和太阳活动高时大于晚上和太阳活动低时；（２） 地磁活动的影响也是大尺度的；（３）气象活动的影响是相对小尺度的，且逐日变化具有季节性.本文从相关尺度分析的角度，证实了电离层逐日变化来源于太阳辐射、地磁活动和气象活动因素的论断.     

北京地区电离层Chapman标高的统计分析

利用F₂层峰值处的Chapman标高H_m可以构建电离层顶部的电子浓度剖面.本文通过对北京站(40.3°N,116.2°E)从2010年1月到2014年5月的电离层频高图人工度量后获得了F₂层峰值处的Chapman标高H_m,分析研究了H_m随周日、季节和太阳活动变化,并探讨了H_m与F₂层特征参数f_oF₂、h_mF₂以及IRI底部厚度参数B₀的相关性.研究表明,(1)北京地区标高H_m的周日变化明显,在正午左右有最大值,夏季和春秋季的最小值出现在午夜左右,而冬季有两个谷值,在日出后和20:00LT左右; H_m在日出前有较小的增加,但不是很明显;(2)白天标高H_m有明显的季节变化,夏季最强,冬季最弱,而夜间的季节变化较小;(3)H_m随太阳活动的增强而增大,地磁扰动会引起H_m偏离正常水平;(4)H_m与h_mF₂相关性很弱,但白天和夜间各自的相关性较强,并且夜间大于白天;H_m与B₀有很强的相关性;(5)由IRI2012给出的B₀与H_m在冬季的相关性很小,表明IRI模式还需要进一步改进.     

基于CHAMP、GRACE和COSMIC掩星数据的全球电离层h_mF_2建模研究

基于CHAMP、GRACE和COSMIC的电离层h_mF_2掩星数据,采用最小二乘法建立了一个包含地磁和太阳活动、经度、地方时、年积日和纬度信息的非线性多项式h_mF_2模型(Nonlinear Polynomial Peak Height Model—NPPHM).利用GRACE掩星数据对NPPHM与IRI2012进行了独立检验,结果显示这两个模型在2008年与GRACE数据的相关系数分别为0.798和0.532,均方根误差分别为25.97km和44.56km;在2012年,相关系数分别为0.732和0.488,均方根误差分别为31.39km和42.83km.选取全球不同地区14个测高仪站点数据,并引入相似离度对这两个模型的精度进行了评估,结果表明,NPPHM的相似离度远小于IRI2012,更加接近测高仪观测值.使用Athens站2003—2013年数据对模型进行了检验,结果显示IRI2012与Athens站测高仪数据的平均偏差达到8.11%,NPPHM则只有3.53%,并且在太阳活动低年及每年10月NPPHM的精度要明显高于IRI2012.此外,NPPHM也能够较好模拟出h_mF_2的日变化、季节变化及赤道异常等特性.     

Athens地区电离层TEC、NmF2以及板厚

本文使用Athens站2001—2005年间电离层GPS/TEC和f_oF₂数据,分析了TEC、N_mF₂和电离层板厚τ日变化、季节变化特征以及与太阳活动的统计关系,得到以下结论:电离层TEC和N_mF₂具有相似的日变化特征,最大值出现在14∶00LT;TEC在2001和2002年白天出现"冬季异常"现象,N_mF₂在2001—2005年白天均出现该现象;电离层板厚τ主要分布在200~600 km,存在黎明峰和日落峰双峰结构,黎明峰一般出现在5∶00—6∶00LT,日落峰结构一般从日落后开始出现,在午夜前达到极大值;14∶00LT和2∶00LT时刻TEC、N_mF₂同太阳活动的关系呈现"线性"、"饱和"以及"放大"趋势,而τ则出现正、负及不明显的线性关系;最后,我们分析认为黎明峰归因于电离层TEC增加以及N_mF₂的减少,而日落峰主要是由TEC减少速度低于N_mF₂造成的.     

极区电离层F2层峰值电子浓度对太阳活动依赖性的共轭研究

本文利用南极中山站(ZHS),以及北极与其地理共轭的Tromso站(TRO)、地磁共轭的Longyearbyen站(LYB)各自约一个太阳活动周的观测数据,对比分析了极区电离层F₂层峰值电子浓度(N_mF₂)对太阳活动的依赖性.结果表明,三个台站N_mF₂月中值随修正太阳10.7 cm通量指数F_10.7P(简称P)增大在总体上呈线性增长,这说明在这三个台站,太阳辐射仍是其F₂层主要电离源.其中TRO站N_mF₂与P线性关系最好,ZHS站的次之,LYB站的最差.在日变化中,TRO站N_mF₂对太阳活动响应最为敏感的时刻出现在地方时中午附近,LYB站出现在磁中午,ZHS站则出现在地方时中午和磁地方时中午之间.这主要是由地理/地磁纬度差异引起的不同强度的光致电离与极区等离子体对流共同作用的结果.在年变化中,TRO站N_mF₂随太阳活动变化上升最快的季节出现在冬季,夏季上升最慢.在ZHS站与LYB站,N_mF₂对太阳活动变化的响应都在两分季最为敏感.这种季节上的差异则是由于三个台站光致电离与中性大气成分R[O/N₂]的不同所致.     

第24太阳活动周中纬度电离层低电离水平的观测研究

延续2008-2009年的太阳极低活动期,第24太阳活动周开始后太阳活动性上升缓慢,即使在趋近峰年时太阳极紫外(EUV)辐射通量的水平仍显著低于前几个活动周.比较第23、24周的太阳辐射水平,及日本国分寺和子午工程武汉站的电离层测高仪观测,发现第24周的太阳EUV辐射、电离层F区临界频率(f_oF₂)和峰值高度(h_mF₂)都显著低于第23周的同期水平;在较低高度上,偏低的EUV辐射带来的电子密度变化不明显,而峰值电子密度(N_mF₂)和0.1~50 nm太阳EUV辐射通量在多数时候都同步的偏低25%~50%;但是在夏季N_mF₂与EUV辐射的关联性较差,即N_mF₂的偏低在夏季较少.分析认为这与热层中性风的季节特点有关:在夏季午后,吹向极区的子午向风总是较弱,在第24周偏低的EUV辐射背景下,减弱的离子曳力使其他季节的极区向风得到增强,进一步促进了N_mF₂和h_mF₂的降低,使这一机制的效果非常显著.基于上述结论,在对第24周电离层进行预测预报时,需更多地考虑非直接电离机制的影响.总体而言,第24周的热层和电离层变化特征可能将有别于之前几个活动周的观测,并偏离人们在此基础上所形成的认识.     

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.     

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.     

低太阳活动期间极区ELDI的EISCAT/ESR雷达观测

本文利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计研究了低太阳活动期间极区E层占优电离层(ELDI)事件的发生规律及其主要特征.地面雷达观测表明,极区ELDI表现出明显的季节变化特征:在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆纬度)观测到的ELDI多出现在磁午夜扇区,平均持续30 min;ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到的ELDI多出现在磁正午附近,平均持续14 min,表现出与之前无线电掩星观测结果不一致的日变化特征.在ELDI事件期间,两处雷达观测到的电离层N_mE/N_mF₂比值和E层厚度都没有表现出显著的空间差异.事例分析证实E层电子增强和F层电子密度耗空都能够独立地导致ELDI,然而,统计分析表明上述两个过程对ELDI的形成都起着不可或缺的作用.