大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动

本文研究了大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动的性质．当重力波的传播方向与磁场方向倾斜相交时，重力波在Ｆ区产生行进电离层扰动．当重力波垂直于磁场传播时，能触发等离子体Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，形成大尺度赤道扩展Ｆ不均匀体．重力波引起的扩展Ｆ主要出现于晚上，行进电离层扰动则可能出现于任何时间．本文建立了行进电离层扰动和大尺度赤道扩展Ｆ的统一理论模型，深入全面地揭示了电离层扰动的性质．     

中纬电离层的低频等离子体不稳定性

本文研究了中纬电离层Rayleigh-Taylor不稳定性和漂移不稳定性的基本性质.如果不存在中性风和背景电场,中纬Rayleigh-Taylor不稳定性的增长率比赤道相应条件下的小.中性风和电场对中纬Rayleigh-Taylor不稳定性有重要影响.当中性风速度达到10m/s时,其作用就超过了重力.漂移不稳定性也受到重力、中性风和电场的影响,离子-中性粒子碰撞能降低漂移不稳定性的增长率.本文的分析表明,在赤道电离层容易产生大尺度的Rayleigh-Taylor不稳定性,在中纬电离层易产生小尺度的漂移不稳定性.     

用数字测高仪漂移测量研究电离层声重波扰动

数字测高仪Digisonde中的漂移测量,常用来研究小尺度电离层扰动,如电离层小不均匀体的漂移。文中提出一种新的分析方法,利用漂移测量数据中多普勒频移和到达角参量的最大熵动态功率谱,估算声重波一类大尺度电离层扰动的水平传播速度和传播方向。作为实例,研究了Millstone Hill测高仪站的漂移观测资料,并对处理结果进行了初步分析。分析结果表明,从数字测高仪漂移测量数据中,可有效地提取声重波一类大尺度电离层扰动的传播参量,在电离层动力过程的研究中很有意义。     

中低纬Spread-F的数值模拟

本文导出了中低纬地区电离层F区中的Rayleigh-Taylor不稳定性的线性增长率,并对一些典型情况进行了数值模拟研究.结果表明,Ravleigh-Taylor不稳定性的线性增长率随纬度的增加而降低,在中纬度地区,如果没有合适的东西向水平外电场,纯Rayleiyh-Taylor模难于增长,初始扰动将被稳定化.在这些区域,线性增长率的表达式还表明,外电场导致的E×B模的增长率虽然随纬度的增加而减小,但其减小的速率慢于R-T模增长率的减小.非线性的数值模拟则显示,中纬非线性E×B漂移不能象在赤道地区那样使电子密度减小的区域抬升到F区顶部以上,亦即在中纬地区,F顶部以上通常不出现电离层泡,但在F区较低部分可以演化出较大范围的电子密度增强区,这与中低纬地区Spread-F的某些观测特征一致.这说明Rayleigh-Taylor不稳定性与东向水平外电场一起可以成为导致中纬Spread-F发展的一种机制.     

基于修正K_p指数的中纬区单站电离层暴预报方法研究

对电离层暴进行有效预报具有很重要的实际应用价值,但目前这一工作还存在着许多方面有待改进.本文假设电离层扰动的季节性规律占主导地位,借鉴Kutiev and Muhtarov构建修正K_p指数表示地磁活动的方法,建立了一个适用于中纬地区Yakutsk单台站电离层暴预报的线性经验模型.检验表明,该模型对Yakutsk站夏季和春秋季电离层扰动的预测效果明显优于IRI中的STORM模型,模型改善度平均可达35%左右;能很好地反映磁暴连续发生的情况下δfoF₂分阶段下降的形态;能反映出一定的电离层正相扰动及其持续时间,但是正扰动的预报精度有待进一步提高.     

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.     

磁偏角和热层风对中纬电离层TEC经度分布的影响

本文利用北美、南美和大洋洲三个地区的电离层TEC数据,分析了磁偏角为零的经度线两侧中纬电离层TEC的差异.结果表明,在2001年至2010年的几乎所有季节,在磁偏角为零的经度东西两侧,北美、南美和大洋洲中纬电离层TEC都存在规则性的差异;中纬电离层TEC的这种经度差异显著地依赖地方时,对季节和太阳活动水平也有不同程度的依赖.地磁场影响下电离层与热层动力学耦合的分析表明,磁偏角的经度变化和热层风的地方时变化两者的共同作用是引起磁偏角为零的经度两侧中纬电离层TEC差异的重要原因之一.     

利用中国GPS站网对地震波引发的大尺度电离层扰动的观测

地震瑞利波在沿地表传输时衰减很慢,其能量在远离震中的区域仍然能够激发大气和电离层扰动.本文利用中国境内的GPS接收机网络观测电离层总电子含量(total electron content,TEC),分析了 2011年日本地震后在中国区域上空产生的电离层扰动.研究发现,瑞利波的能量从地面经大气耦合传输到电离层高度,导致在中国区域上空电离层出现与瑞利波传播同步的TEC扰动.利用中东部的稠密接收机网络,还揭示了扰动的大尺度二维空间结构:瑞利波经过后产生的TEC扰动呈条带状,在中纬度地区沿西北—东南方向排列,而在低纬度大致为东西方向.条带的转向可能与地磁场作用下的中性-离子耦合过程有关,大气波动导致的等离子扰动倾向于沿磁力线方向(向南)传播,从而形成垂直磁力线方向(东西)的波前结构.这是首次在远离震中的区域使用GPS站网研究地震波耦合电离层扰动的大尺度二维空间结构.     

非单一电离层扰动场的台阵探测分析

真实的ＴＩＤ一类大尺度电离层扰动是非平稳和色散的，而且是统计非单一的．本文首先给出了描述这种真实扰动场的数学模型，进而导出了联系台阵探测可测量与扰动场传播参量的观测方程，在此基础上提出了求解观测方程的时频分析方法．这一台阵探测数据分析的新方法，既能分离出非单一电离层扰动场中各种准单一扰动成分，又能获得准单一扰动成分传播参量随时间的演变和随频率的色散．分析实例表明，本文方法分辨率好，精度高，结果可靠，是适用于ＴＩＤ一类大尺度电离层扰动台阵探测数据分析的有效方法．     

低纬地区电离层电流的人工调制数值模拟

利用高频泵波能对低电离层进行有效的人工扰动.采用ELF/VLF调幅高频电波对电离层进行加热,电子温度会随着调制频率振荡,并引起电导率周期性变化,从而使加热区内电离层电流周期性变化,形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,辐射调制频率范围内的无线电波.早期的电离层人工调制研究主要集中在高纬和极区,本文讨论低纬地区电离层人工调制的可能性.本文的理论研究和数值模拟结果表明,低纬地区低电离层电导率在周期性加热的条件下能有效地被调制,使加热区域形成ELF/VLF波的电流辐射源,并分析了不同加热参数和入射条件对调制效果的影响.     

长偶极大功率可控源电磁波响应特征研究

地球物理学中关于电磁波勘探研究通常采用的是地球半空间模型.然而,对于几十公里的有限长电缆源（长偶极源）,远距离电磁波场探测必须要考虑电离层的影响,它是一个全空间问题.关于包含电离层、空气层和地球介质（我们称“地-电离层”模式）的电磁波场特征的研究在国外较少,国内几乎是空白.本文采用全空间积分方程法首先对小尺度的可控源电磁波场特征进行了研究,由于此时电离层的影响可忽略,它应该和半空间成熟的CSAMT模拟结果一致,对比结果表明,二者是一致的,验证了全空间模拟方法的可靠性和有效性.随后进行了50 km长电缆电离层和空气层高度都为100 km的“地-电离层”模式大尺度电磁波场模拟,以探讨大尺度可控源电磁波场的特征.给定频率的“地-电离层”模式电磁场的衰减曲线表明长电缆远距离电磁波场由于受电离层的作用存在衰减逐渐变小的过渡场和衰减变小的波导场.为了探讨复杂介质“地-电离层”模式电磁波特征,对“地-电离层”模式的典型地盾和地台多层介质模型进行了数值模拟,得到了偶极源长度50 km、电流200A、收发距离远达1600 km和2500 km的合理的电磁场结果.最后,对一简单含油储层结构模型进行了长偶极、大功率、远距离电磁波场响应计算.储层横向不均匀复杂结构模拟的结果表明,考虑电离层和大气层的“地-电离层”模式大尺度深层复杂介质模拟时,电磁场对深部目标体仍有很好的异常响应.     

1987年9月23日日环食的电离层波动现象

本文给出了利用高频天波返回散射雷达对1987年9月23日日环食电离层效应的观测结果.分析表明,日食期间在日环食带电离层存在明显的不均匀结构和小尺度的波动,而日食过后在见食电离层区域出现大尺度的波动现象.     

1987年9月23日日环食的电离层波动现象

本文给出了利用高频天波返回散射雷达对1987年9月23日日环食电离层效应的观测结果.分析表明,日食期间在日环食带电离层存在明显的不均匀结构和小尺度的波动,而日食过后在见食电离层区域出现大尺度的波动现象.     

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.     

东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析

用1957~2006年间515个主相单步发展的磁暴事件,分析东亚扇区4个中低纬台站的电离层扰动类型及电离层暴开始时间,得到该地区电离层暴随纬度、季节和地方时的分布规律.研究表明,中纬区负暴明显,低纬区正暴明显;夏季负暴比正暴多,冬季正暴比负暴多,春秋季正负暴分布表现出明显的纬度差异.在东亚扇区,中纬区负暴开始时间主要分布在夜间及清晨时段,且在正午至午后时段极少发生.低纬区正暴开始时间主要发生在白天时段,且在夜间18~21 LT时段也易发生正暴.中低纬电离层正相暴平均延迟时间在10 h以内,负相暴平均延迟时间在10 h以上,且中纬区延迟时间明显比低纬区短.电离层暴延迟时间与磁暴主相开始时间对应的地方时很相关,正相暴对白天发生的磁暴比对晚上发生的磁暴响应快些,而负相暴正好相反.但电离层暴延迟时间与磁暴强度之间并没有十分明显的依赖关系.     

中纬电离层f_0F_2的暴时变化

用近５０个中纬（磁纬在±２０°-５０°之间）电离层垂测站的ｆ０Ｆ２资料,分析与磁暴相伴的电离层暴事例表明：地磁Ｄｓｔ指数与中纬电离层ｆ０Ｆ２暴时变化Ｄｓ（ｆ０Ｆ２　）有大致相似的发展趋势。但用时序叠加法求得的强度不同、发展过程和持续时间不同的多次电离层暴ｆ０Ｆ２变化的平均值,其物理意义是很不明确的。暴时ｆ０Ｆ２变化的地方时分布Ｄｓ（ｆ０Ｆ２）中,一般说以全日周期扰动幅度（Ａ１）为最强,但电离层负暴峰值后常出现半日周期扰动（Ａ２）的增强,且有时Ａ２＞Ａ１．Ａ１的涨落趋势与Ｄｓｔ（ｆ０Ｆ２）相似,但特强磁暴时,Ａ１值有可能反而变小．以Ａ１ｓｉｎ（ω　ｔ＋　１）表示的全日周期扰动中,初位相１值随暴时的发展而变小表明,扰动分布形态是基本上随地球一起转动的。     

电离层中纬槽极小的位置变化及其控制因素研究

本文利用2000年至2009年CHAMP卫星朗缪尔探针实地测量的电子密度数据,分析了电离层中纬槽的位置变化及其控制因素.研究结果表明:(1)地磁平静期电离层中纬槽的位置随磁地方时和经度变化;(2)电离层中纬槽的位置对地理经度的依赖表现为西半球槽的位置高于东半球;(3)AE指数和SYM-H指数与槽的位置变化显著相关,表明极光电集流和环电流是中纬槽位置变化的重要控制因素;(4)太阳风电场晨-昏分量的量值变化显著影响中纬槽位置,而其极性变化的影响相对较弱.研究结果对中纬槽建模有一定的参考价值.     

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.     

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.     

子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果

子午工程二期计划在漠河、北京、武汉、深圳四地分别建设由一个发射站和三个接收站构成的电离层高频多普勒监测台阵.本文介绍了为此研制的电离层高频多普勒监测仪的进展和试观测期间取得的一些观测结果.通过与电离层测高仪进行交叉对比，设备的性能和探测能力得到了验证.目前该设备已部署7个站点进行试观测，本文报告了该设备探测到的太阳耀斑导致的电离层扰动、电离层行进式扰动、大尺度电场导致的多站同时扰动等多种现象.未来子午工程二期建成后，该设备将具备我国上空北至漠河、南至广东的电离层扰动监测能力，并与其它探测手段融合发挥空间天气综合监测网络的最大效能.