我国低纬电离层闪烁和周跳的统计特征比较

本文利用位于我国中南部电离层闪烁监测台网2012年至2015年的观测数据,比较分析了GPS（Global Positioning System）信号闪烁与周跳的统计特征以及太阳活动和地磁扰动对闪烁与周跳的影响.结果表明,闪烁活动与周跳出现随地方时、月份、太阳活动和地磁扰动变化的统计特征类似,且周跳出现的可能性随S4指数增高显著增大,说明闪烁与周跳存在密切的关联,是引起周跳的一种重要因素.一天之中,闪烁和周跳主要出现在日落后至黎明前,午夜前出现最频繁,白天仅偶尔出现.在赤道异常峰及其邻近区域,一年之中,闪烁和周跳主要出现在春秋季,春季闪烁活动和周跳出现明显比秋季频繁,呈现春秋不对称性,冬夏季节闪烁和周跳都很少出现.闪烁活动与周跳出现的逐年变化显著依赖太阳活动水平,随太阳活动水平升高而增强,而地磁扰动与闪烁活动与周跳出现呈负相关,地磁扰动对闪烁活动与周跳出现整体上起抑制作用.平均而言,越靠近磁赤道的台站闪烁活动越频繁,随纬度升高,闪烁活动频次逐渐降低,且闪烁活动的开始时间随纬度升高而滞后,暗示引起GPS信号闪烁的电离层不规则结构主要起源于磁赤道区.此外,分析还发现,闪烁活动与周跳出现的空域有相当好的一致性,主要分布在观测点上空仰角55°以下、方位角150°~240°的空域内.     

中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究

GPS（Global Positioning System）周跳是一种GPS信号异常现象.研究发现一定仰角以上的GPS周跳与电离层闪烁有关,是强电离层闪烁造成的GPS载波信号短时失锁现象,因此其可作为表征电离层闪烁效应的参量.本文通过分析由中国低纬度地区GPS台站原始观测数据提取的GPS周跳发生率与地方时、季节、太阳活动以及磁活动之间的关系,开展电离层闪烁效应与这几种参量之间关系的模式化研究.研究结果表明：（1）周跳发生率存在着地方时分布,发生时段主要在日落19：00LT后到午夜02：00LT之前,发生次数在22：00LT左右达到极大,然后缓慢减少,这一变化特点可以用自变量为地方时的Chapman函数形式来描述;（2）周跳发生率存在年变化特点,主要发生在年积日45~135天（春分季节）和225~315天（秋分季节）,可以通过高斯函数来描述每个分季闪烁效应的变化特点;（3）可以利用太阳辐射指数F10.7作为描述周跳随太阳活动周变化的参量,根据周跳随太阳活动周的变化特点,我们使用一个以F10.7为自变量的三次函数来描述这种变化;（4）电离层闪烁与磁活动的关系比较复杂,由于大多数情况下表现为磁活动对电离层闪烁的抑制作用,在本研究中使用一个以地磁活动指数Ap为自变量的的平方根函数来拟合这种变化.     

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.     

电离层暴时的foF2预报技术研究

电离层是一个非常复杂的非线性系统.本文利用BP网络非线性输入-输出映射的特点预报电离层F2层临界频率.由于foF2在太阳活动高低年、不同经纬度、不同季节有着不同变化特点，本文仅以海口站、长春站的数据为例分别对1994年和2001年的foF2进行预报，预报结果表明发生电离层暴时用神经网络法预报foF2比国际参考电离层更有优势.此外，由于不同用户对预报精度的需求不同，本文以海口站2000、2001年的预报结果为例构建了残差模型.     

电离层暴时的foF2预报技术研究

电离层是一个非常复杂的非线性系统.本文利用BP网络非线性输入-输出映射的特点预报电离层F2层临界频率.由于foF2在太阳活动高低年、不同经纬度、不同季节有着不同变化特点，本文仅以海口站、长春站的数据为例分别对1994年和2001年的foF2进行预报，预报结果表明发生电离层暴时用神经网络法预报foF2比国际参考电离层更有优势.此外，由于不同用户对预报精度的需求不同，本文以海口站2000、2001年的预报结果为例构建了残差模型.     

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.     

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.     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

赤道地区电离层foF2在第23/24太阳活动周极低年期间创造了极低纪录?

太阳辐射是电离层的电离源,强烈地调制电离层的变化.探索不同太阳辐射水平下的电离层状态,有助于认识电离层演变及其内在的基本物理过程.太阳活动在2008—2009年处于有记录以来的极低水平,研究电离层在此期间的变化及与其它太阳活动低年的差异是一个有益的课题.本文利用位于美洲扇区磁赤道地区Jicamarca台站(12.0°S, 283.2°E; dip 0.28°)测高仪观测的电离层F2层临界频率foF₂数据探讨赤道地区foF₂的行为.分别对第22/23太阳活动周低年(1996—1997)和第23/24活动周低年(2008—2009)的月中值、季节中值和滑动年均值进行分析,确认相比上一个太阳低年而言,在2008—2009年foF₂滑动年均值和不同季节中值在各个地方时均降低,而月中值存在降低和升高.对foF₂的时间尺度特性的分析发现,在本太阳周低年foF₂长时间尺度分量下降,而短时间尺度分量呈现不一致的变化.我们认为,现有文献报道给出2008—2009年与以往太阳活动低年对比结果不一致有可能归因于所用分析方法关注的时间尺度不相同.     

精密单点定位整周模糊度快速固定

提出利用GPS参考网估计电离层延迟、卫星相位偏差的算法,用于实现区域内精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)的整周模糊度快速固定.利用站间距约为100~200 km的参考网进行实验,结果表明:电离层延迟的内插和外推精度均优于1 dm,卫星相位偏差估值的日内变化不超过0.2周;此外,单天内不同时刻始,固定PPP整周模糊度所需时长最多不超过10 min,且当模糊度成功固定后,三维位置解较之相应浮点解的精度改善优于80%.新算法可望解决PPP普遍存在的收敛时间过长问题,增强了PPP技术的实用性.     

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.     

一种能实现单频PPP-RTK的GNSS局域参考网数据处理算法

全球范围内大量布设的GNSS(Global Navigation Satellite System)参考网为精密定位、导航和授时等应用提供了丰富的数据资源.基于局域参考网,先后发展了若干侧重实现双频精密定位的技术,如NRTK(Network Real Time Kinematic),PPP(Precise Point Positioning)和PPP-RTK等.其中,PPP-RTK融合了NRTK和PPP的技术优势,是目前相关研究的热点.本文改进了利用局域参考网提取各类改正信息的算法,以便于实现单频PPP-RTK,具体步骤包括:1)逐参考站实施非组合PPP,并固定已知站星距和卫星钟差,预估电离层延迟、浮点模糊度等参数;2)联合所有参考站的PPP模糊度预估值,通过重新参数化,形成一组双差整周模糊度和接收机、卫星相位偏差;3)固定双差整周模糊度,精化求解卫星相位偏差和各参考站PPP电离层延迟.基于网解中用到的卫星轨道和钟差,以及网解所提供的卫星相位偏差和(内插的)电离层延迟,参考网内的单频流动站即可实施PPP-RTK.基于澳大利亚某连续运行参考站网和流动站的实测数据,考察了:1)参考网数据处理中,双差模糊度的固定成功率(98.89%)和卫星相位偏差估值的时间稳定性(各连续弧段优于0.2周);2)流动站处电离层延迟的内插精度(优于10cm);3)单天内任一历元起算,固定静态(动态)单频PPP整周模糊度所需时长(均不超过10min);4)模糊度固定前后,单频动态PPP的定位精度(模糊度固定后,平面和天顶RMS分别优于5cm和10cm;模糊度固定前,相应RMS仅为28~53cm).     

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.     

THE METHOD OF CONSTRUCTING IONOSPHERIC TEC BACKGROUND FIELD BASED ON SVR MODEL

There are many factors related to the variations of TEC, and the changes of TEC caused by earthquake only occupy a small portion. Therefore, it is vital how to exclude the ionospheric interference of non-seismic factors accurately in the process of seismic ionospheric anomaly extraction. This study constructed a TEC non-seismic dynamic background field considering the influence of solar and geomagnetic activities. Firstly, the TEC components of half-year cycle and annual cycle are extracted by wavelet decomposition. Then, it establishes a regression model between TEC in which periodic factors are removed and solar activity index, geomagnetic activity index with SVR method(support vector regression)in non-seismic period. Finally, based on the constructed model, the solar activity index and geomagnetic activity index is used to reconstruct aperiodic components of TEC in earthquake's period. From the reconstructed aperiodic components of TEC plus the half-year periodic components and annual periodic components of TEC in the same period, the non-seismic dynamic background field is obtained. Comparing the residuals relative to original TEC values in non-seismic dynamic background field and traditional sliding window background, there are apparent monthly periodic change and semi-annual periodic change in the residuals of sliding window background, which can have obvious impacts on the subsequent seismic ionospheric anomaly detection. In order to test the validity of seismic TEC anomaly detection based on the background field construction method, this paper investigated the long time series TEC anomalies near Wenchuan city(30°N, 100°E)from March 1 to September 26 in 2008. It is found that under the condition of non-seismic disturbance such as solar activity and geomagnetic activity, TEC abnormal disturbance is rarely detected by non-seismic dynamic background field method, when compared with the traditional sliding time-window method. And before the earthquake, more TEC anomalies were detected based on the proposed method, also, they were more intense than those extracted by sliding window method. Therefore, the TEC background field construction method based on SVR(support vector regression)has superiorities in both system errors elimination, which are caused by solar, geomagnetism, the non-seismic ionospheric disturbance events and periodic fluctuations of TEC, and in reducing the false alarm rate of seismic TEC anomaly. Moreover, it can also improve the seismic TEC anomaly detection ability. In addition, this paper analyzed the time-spatial distribution of TEC anomaly before three earthquakes on May 12, August 21 and August 30, 2008. They were mainly negative abnormal perturbations and often distributed on the equatorial side of epicenter.     

Stratospheric aerosol dynamics over Kamchatka and its association with geophysical processes

The dynamics of aerosol layers in comparison with geomagnetic and ionospheric data has been studied based on the nighttime single-frequency lidar sounding of the atmosphere over Kamchatka at altitudes of 10 to 90 km. The relation of the aerosol density to solar, magnetic, and ionospheric activity has been studied, and the stratospheric aerosol formation mechanisms have been considered. It has been indicated that variations in the aerosol density correlate with radiowave absorption, perturbations of the ionospheric parameters, and geomagnetic characteristics. The spatial and time scales of aerosol layers have been estimated. The role of stratospheric aerosol as an indicator of geophysical processes is discussed.     

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.     

The Ionospheric foF2 Data over Istanbul and their Response to Solar Activity for the Years 1964–1969 and 1993

A Polish-made vertical ionosonde (VI) has been operated at the Kandilli Observatory in Istanbul, for almost one year (May 1993 - April 1994) as part of the COST 238, PRIME Project, The critical frequencies were obtained for every half-hour interval. The data obtained during this campaign, on the descending branch of solar cycle 22, and the data measured earlier in Istanbul for cycle 20 were analysed and the characteristic behaviour of the F2 region ionosphere over Istanbul has been determined. This is a unique data set for this area. Several markers of the solar cycle activities in terms of the daily relative sunspot numbers, F10.7 cm solar radio flux and solar flare index, and the magnetic daily index of Ap were then used to seek the possible influence of the solar and ionospheric activities on the critical frequencies observed in Istanbul. It was found that the solar flare index, as a solar activity index, was more reliable in determining quiet ionospheric days. It is shown that the minimum and maximum time values of the solar activity are more convenient for ionospheric prediction and modelling.     

Revealing the classes of ionospheric disturbances on the basis of multiyear data on the critical frequency of the <Emphasis Type="Italic">F</Emphasis>2 layer

The bases of the classification method of ionospheric disturbances caused by solar-geomagnetic activity on the basis of the critical frequency of the F2 layer are developed. Data for the total solar activity cycle from 1975 to 1986 were used for studying variations in the critical frequency of the ionospheric F2 layer. The critical frequency was measured at the Moscow ionospheric observatory (55°45′N, 37°37′E) at an interval of 1 h. The gaps in the critical frequency values were filled in by the cubic interpolation method. The solar activity level was estimated using the F10.7 index. The geomagnetic disturbance was determined using the Kp · 10, Dst, and AE indices. According to the developed classification, an index of ionospheric activity is introduced. An analysis of the obtained values of the index for years of solar activity minimum and maximum shows that an increase in the absolute values of the index as a rule occurs at an increase in global geomagnetic and/or auroral disturbances. This fact indicates the sufficient information content of the developed index for characterizing ionospheric activity in any season. Moreover, using the sign of the index, one can form an opinion regarding an increase or decrease in the concentration of the ionospheric F2 layer, because the values of the considered index correspond to real oscillations in the critical frequency of the midlatitude ionosphere.