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.     

2001年3月19日至22日期间电离层暴分析

本文利用2001年3月19日至22日期间ACE卫星观测的行星际资料、电离层垂测仪资料以及中国地区TEC资料,分析了发生在这期间的电离层暴过程.结果表明：（1）日冕物质抛射造成的行星际环境为电离层暴的发生提供了大尺度环境背景;（2）强烈的电离层负暴发生在磁暴恢复相阶段;（3）强烈电离层负暴能够用暴环流理论解释.     

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.     

1989年3月特强磁暴期间的电离层暴

用欧亚大陆地面电离层垂测站资料考察1989年3月12～16日磁暴期间的电离层暴形态及其发展变化. 特强磁暴引发的电离层暴是全球性的,但自磁层沉降的高能粒子对热层低部的加热程度及区域分布不同,因而各经度链区域内电离层暴的特征也有所差异. 本文研究表明,与理论推断对照,欧洲地区内F2层最大电子密度NmaxF2(或f0F2)并不出现正暴现象,而负暴自高纬向低纬的发展则与典型的热层环流结果相符. 此外,此磁暴过程期间在中低纬区存在明显的波动过程. 在亚洲高纬地区,磁暴初期13日有约10 h的正暴,而负暴过程则与欧洲地区类似,但不太清晰;且无波动现象. 磁暴期间,同一经度链的中低纬地区,夜间常发生多站同时的h′F突增. 本文再次证实这是一般磁暴期间常出现的普遍现象.     

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.     

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。     

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.     

2017年9月强磁暴及引发的电离层扰动

本文研究内容基于2017年9月7日20UT开始的一次强烈的地磁暴事件.这是一次"特殊"的磁暴,在持续两天的磁暴期间,出现了两次强度较大的主相,相隔约14 h.本文通过多项磁暴指数进行研究,发现各项指数均出现两个峰值,两次主相对应的磁暴环电流指数(Dst)最小值都低于100 nT.强磁暴引发了剧烈的电离层扰动,本文中采用南北极区的4个全球导航卫星系统(GNSS)跟踪站的数据展开研究,并将垂直路径总电子含量(VTEC)作为指标进行分析,发现电离层扰动幅度在南北极区存在较大差异.南极地区的站点的电离层扰动幅度要远高于北极地区,其中MCM4站VTEC水平甚至超出平时300％.此外,极区的VTEC变化趋势与地磁指数的变化呈现出基本一致的状态,表现为在磁暴的两次主相时均可以观测到强烈的电离层正暴.本文还选取位于中国东半部的3个电离层测高仪站数据,以电离层层临界频率(f0F2)为依据,采用相似衰落法对中低纬度大尺度电离层行扰(LSTID)进行了研究,发现其传播速度衰减明显且不同高度层面水平传播速度有差异,在300 km高度,LSTID从漠河站传播至武汉站的平均水平传播视速度为340 m/s,从武汉站传播至三亚站,这一速度为200 m/s;在400 km高度,这两个速度分别为375 m/s、215 m/s;LSTID传播的方向为南偏西约20°.     

2017年9月磁暴期间大尺度电离层行进式扰动的传播特性研究

本文利用同一经度(大约100°E)中低纬三台测高仪(普洱22.7°N,101.05°E,乐山29.6°N,103.75°E,张掖39.4°N,100.13°E)的观测数据,对2017年9月6号太阳耀斑爆发引起的强烈地磁暴期间的大尺度电离层行进式扰动(Large Scale Traveling Ionospheric Disturbances,LSTIDs)的传播特性进行了估计.本文首先对2017年9月2日-11日期间三站观测数据进行人工度量,获取电离层F2层临界频率(foF2).foF2在三站的变化结果 表明在2017年9月8日21:00 BJT(BeiJing Time,BJT=UT+8)至9日03:00 BJT强磁暴恢复相期间存在大尺度电离层行进式扰动(LSTIDs),因此本文利用foF2在不同台站的互时延特征来分析并计算LSTIDs传播特性参数.研究结果表明:(1)磁暴期间,通过对电离层F2层临界频率(foF2)的观测,不同时刻期间处于不同纬度的台站其电离层响应是不同的,表现为出现不同形态的电离层正相暴和电离层负相暴;(2)此次磁暴期间(2017年9月8日19:00 BJT-9日05:00 BJT),利用三个处在不同纬度台站的foF2对磁暴响应的互延时,计算出LSTIDs水平传播速度在425～800 m/s范围之间,其波长大概在2200～4000 km之间.随着时间的推移其扰动周期延长,9月8日21:35 BJT-9日00:05 BJT期间周期约1.2 h,9日00:05 BJT开始扰动周期逐渐达至1.5 h;(3)LSTIDs具有从高纬度传向低纬度的传播特性,根据计算得出LSTIDs传播的方位角为181±0.2°,可确定磁暴引发的LSTIDs基本是朝赤道向传播的,与之前报道过关于磁暴诱发的LSTIDs传播特征基本一致.     

一次中强磁暴期间低续电离层响应的CT成像

为考察赤道异常区电离层对中等强度磁暴的响应特性,用电离层ＣＴ成像方法重建电离层电子密度二维剖面。重建结果表明,暴时低纬电离层电子密度以降低为主,但暴相随纬度和高度而异;磁暴期间,赤道异常峰结构仍然存在,但恢复相期间峰的位置向赤道移动;磁暴急始之后约２０ｍｉｎ,在赤道异常峰区出现电子密度深度耗空,这种耗空遍及从底到顶的整个Ｆ区,朝赤道一侧显现水平梯度非常大的陡壁。这种与磁暴急始相联系的电子密度深度耗     

欧洲扇区不同纬度电离层暴特征的统计分析

本文利用Madrigal数据库的TEC数据对2001—2010年间的156次单主相型磁暴事件,统计分析了欧洲扇区从赤道到极光带共5个纬度区域的电离层暴特征,结果表明:(1)电离层暴有明显的纬度分布特征,正负暴出现次数的比例随纬度的降低呈现明显的增加趋势,但夏季赤道地区趋势相反,正负暴比例比更高纬度的反而降低;(2)与主相相比,恢复相期间大部分纬度地区正暴数量减少,负暴数量增加,但赤道地区恢复相期间正暴数量反而增加;(3)中低纬地区电离层暴随磁暴MPO地方时分布特征明显,正暴所对应的MPO主要分布在白天,而MPO发生在夜间容易引起负暴;(4)电离层负暴主要发生在夜间,中、高纬地区负暴的开始时间存在‘时间禁区’,但不同纬度‘时间禁区’的地方时分布有一定差异,正暴分布则相对分散.     

中低纬地区电离层对CIR和CME响应的统计分析

本文利用中低纬日本地区(131°E,35°N)GPS-TEC格点化数据,分析了2001—2009年间109个共转相互作用区(CIR)事件、45个日冕物质抛射(CME)事件引起的地磁扰动期间电离层的响应.结果表明,电离层暴的类型随太阳活动的变化而有不同的变化,CIR事件引发的电离层正相暴、正负双相暴多发生在太阳活动下降年,负相暴多发生在高年,负正双相暴多发生在低年;CME事件引发的电离层正相暴和负相暴多发生在高年.CIR和CME引发的不同类型的电离层暴的季节性差异不大,在夏季多发生正负双相暴.电离层暴发生时间相对地磁暴的时延大部分在-6~6h之间,但CIR引发的电离层暴时延范围更广,在-12~24h之间,而CME引发的电离层暴时延主要在-6~6h之间.中低纬的电离层暴多发生在主相阶段,其中CIR引发的双相暴也会发生在初相阶段.电离层负暴多发生在AE最大值为800~1200nT之间.CIR引起的电离层扰动持续时间较长,一般在1~6天左右,而CME引起的电离层扰动持续时间一般在1~4天左右.     

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.     

不同类型磁暴和中低纬电离层暴的关系

分析了快速强主相和延迟弱主相磁暴期间中低纬电离层大尺度扰动形态．结果表明，对于这两种不同类型的磁暴，电离层负相扰动区的影响范围和形态也有差异．强主相磁暴情况下的负相区渗透到较低纬度，影响范围大；而弱主相施暴，负相限于纬度较高地区，影响范围较小．负相的开始和结束时间与磁暴主相延迟时间有着很好的对应．对于主相快速发展的磁暴，负相扰动的出现较快．而当磁暴主相长时间延迟时，电离层中也相应地出现负相长时间延迟．结果反映了按Ｋｐ指数对磁暴类型的分类对中低纬电离层暴的扰动形态分析也有着重要意义．     

Studying ionospheric responses to magnetic storms depending on the local time of the storm main phase onset

A morphological analysis of vertical sounding data obtained in Irkutsk from 2003 to 2008 has been performed. The AE index was used to determine the geomagnetic activity level, and the storm main phase onset was registered based on the D _st index. The ionospheric response to a magnetic storm was estimated based on the relative deviation of the critical frequency and altitude of the ionospheric F2 region from the median values. Superstrong magnetic storms and storms without positive initial phases were not considered when the data were selected. We found that positive ionospheric disturbances, which were accompanied by an increase in the F2 region maximum altitude, predominated between the storm initial phase and main phases during all considered magnetic storms. Between these storm phases, negative disturbances were only registered at night. Predominance of positive ionospheric disturbances over negative ones can be related to the selection of storms for studies.     

不同地磁扰动事件期间全球电离层的扰动形态分析

利用全球电离层台站提供的观测数据，分析 了5次不 同类型磁暴事件期间全球电离层F2层f0F2和hmF2的扰动变化. 主要结果 表明：对于延迟型主相磁暴S（C）和S（E），中高纬电离层首先会出现明显的正相扰动，随 后是明显延迟的负相扰动，负相扰动覆盖范围广，甚至扩展到低纬区, 且持续时间很长, 恢 复及其缓慢，其中S（C）型的扰动更为明显; 对于非延迟型主相磁暴S（A）、S（B）和 S（D ），高纬电离层正相扰动持续时间较短甚至不出现，中高纬电离层负相扰动的出现、发展和 恢复也相对较快; 磁暴主相强度的大小会对电离层负相扰动的强度、发展和持续时间产生一 定的影响; 高纬电离层扰动在非延迟型主相磁暴恢复相期间会出现明显的地方时效应，地方 时效应随纬度的降低而增强，并且会明显影响到中低纬电离层的扰动；电离层扰动从高纬到 低纬的变化趋势为：f0F2的扰动由负相向正相转化，hmF2的增加由全天出现趋向于只存在于夜间，反映了不同扰动物理机制的作用.     

Geomagnetic Storm Effects at <Emphasis Type="Italic">F</Emphasis>1 Layer Altitudes in Various Periods of Solar Activity (Irkutsk Station)

The influence of geomagnetic disturbances on electron density Ne at F1 layer altitudes in different conditions of solar activity during the autumnal and vernal seasons of 2003–2015, according to the data from the Irkutsk digital ionospheric station (52° N, 104° Е) is examined. Variations of Ne at heights of 150–190 km during the periods of twenty medium-scale and strong geomagnetic storms have been analyzed. At these specified heights, a vernal–autumn asymmetry of geomagnetic storm effects is discovered in all periods of solar activity of 2003–2015: a considerable Ne decrease at a height of 190 km and a weaker effect at lower levels during the autumnal storms. During vernal storms, no significant Ne decrease as compared with quiet conditions was registered over the entire analyzed interval of 150?190 km.     

Investigation of Ionospheric Response to Geomagnetic Storms over a Low Latitude Station,Ile-Ife,Nigeria

Due to several complexities associated with the equatorial ionosphere, and the significant role which the total electron content (TEC) variability plays in GPS signal transmission, there is the need to monitor irregularities in TEC during storm events. The GPS SCINDA receiver data at Ile-Ife, Nigeria, was analysed with a view to characterizing the ionospheric response to geomagnetic storms on 9 March and 1 October 2012. Presently, positive storm effects, peaks in TEC which were associated with prompt penetration of electric fields and changes in neutral gas composition were observed for the storms. The maximum percentage deviation in TEC of about 120 and 45% were observed for 9 March and 1 October 2012, respectively. An obvious negative percentage TEC deviation subsequent to sudden storm commencement (SSC) was observed and besides a geomagnetic storm does not necessarily suggest a high scintillation intensity (S₄) index. The present results show that magnetic storm events at low latitude regions may have an adverse effect on navigation and communication systems.