foF2月中值太阳循环变化及单站谱模型研究

利用我国9个电离层观测站第21和22太阳周大约20年的f_oF₂月中值数据,分析太阳活动和地磁活动对电离层f_oF₂的影响,结果显示白天和夏季夜间f_oF₂和太阳黑子数R之间存在着明显非线性关系,并且随着纬度的降低逐渐增强．当回归分析加入地磁Ap指数时,多重回归模型与实测值误差进一步减小,说明同时考虑太阳活动和地磁活动的非线性影响能够更好地描述f_oF₂的变化．基于f_oF₂太阳黑子数R及地磁指数Ap之间的非线性统计关系,利用Fourier 级数建立9个单站谱模型,并与国际参考电离层IRI进行了比较,精度有一定提高．     

1932—2018年期间基于Ap指数地磁活动的太阳周分布和季节分布

我们统计分析了1932—2018年期间Ap指数表征的地磁活动的太阳周分布和季节分布.通过分析,我们发现一个太阳活动周每天Ap指数的总和与太阳活动周的幅度具有很好的相关性.太阳活动周最大的Ap值与太阳活动周的幅度相关性比较好.通过拟合,我们得到Ap指数的分布函数为f(Ap)=139.5e^-0.2758Ap+66.2e^-0.004377Ap.为了研究Ap≥25事件的太阳周分布和季节分布特征,我们把Ap指数分成了四个范围,即25≤Ap<50, 50≤Ap<75, 75≤Ap<100, 100≤Ap.太阳活动周的研究发现,对于25≤Ap<50, 50≤Ap<75, 75≤Ap<100, 100≤Ap的地磁活动,出现在太阳活动周上升段的比例分别为26.5%、28%、29.1%和31.5%,出现在太阳活动周下降段的比例分别为73.5%、72%、70.9%和69.5%.这表明地磁活动越弱的事件,出现在太阳活动周下降段的比例越高,反之就越低.对于25≤Ap<50, 50≤Ap<75, 75≤Ap<100,...     

高纬日侧电离层离子上行的地磁活动依赖性研究

本文对比分析了太阳活动高、低年期间高纬日侧顶部电离层离子上行随地磁活动水平的变化特征.按地磁活动水平,将DMSP卫星在太阳活动高年（2000-2002年,F13和F15）及太阳活动低年（2007-2009年,F13;2007-2010年,F15）期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组：地磁平静期（Kp<3）,中等地磁扰动期（3 ≤ Kp < 5）和强地磁活动期（Kp ≥ 5）,分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布.对比分析发现：（1）太阳活动低年期间,高纬日侧电离层离子上行发生率以及上行速度峰值均是太阳活动高年的2倍多,而离子上行通量峰值只有高年的1/6-1/4;（2）在相同太阳活动条件下,地磁活动水平对日侧电离层离子上行发生率峰值的影响并不明显,但对离子上行发生率的空间分布有着显著的控制作用：电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展,并在强地磁活动期间呈现饱和的趋势;（3）日侧顶部电离层等离子体似乎存在两个效率相当的上行区域,一个位于极尖/极隙区纬度附近,离子可沿开放磁力线上行进入磁尾;另一个位于晨侧亚极光区附近,离子沿闭合磁力线上行,有可能进入日侧等离子体层边界层.     

GIM和IRI2012模式在中国地区的时空变化和扰动分析

在合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)定位中,电离层延迟是不可忽略的误差源之一,需要选择合适的电离层模型进行校正.为了验证IRI2012模式和GIM模式在中国不同纬度地区的适用性以及中国地区电离层扰动与太阳耀斑、地磁场等因素的相关性,本文利用IRI2012模式计算的TEC预测值,并结合GIM模式给出的TEC观测值对2014太阳活动低年的中国不同纬度地区TEC时空变化特性进行了分析,包括周日变化、半年变化和年变化等.此外,由于电离层扰动引起的电离层延迟对星载低频SAR定位精度影响比较严重,以IRI2012模式为背景电离层,根据电离层平静期的GIM-TEC观测值确定电离层TEC扰动指数的阈值,在太阳耀斑和地磁异常发生时统计前后一定时间的电离层TEC扰动指数.实验结果表明:IRI2012模式和GIM模式在中国低纬和中高纬度地区的空间和时间变化均符合一般规律,在中国地区具有适用性;电离层扰动指数连续5小时超过阈值0.5判定为电离层扰动事件,当中国地区位于向阳面或处于日冕物质抛射区时,其上空电离层扰动与太阳磁暴和地磁暴紧密相关.     

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.     

中国西南区域孕震区电离层TEC变化长时间序列分析

通过中国地壳运动网络提供的GPS观测数据,获取了高精度电离层TEC分布,采用滑动四分位法分析了中国西南区域2008年4—10月(太阳和地磁活动平静时段)6次连续的MW6.0以上地震期间孕震区电离层TEC长时间变化及其异常分布;并在此基础上利用GIM数据对比分析了全球TEC变化特征。鉴于电离层主要受到太阳和地磁等空间天气的影响,将TEC变化与太阳EUV辐射、行星际磁场南向分量IMF Bz以及地磁活动指数Dst和Kp进行了比较。结果发现,该时段内电离层TEC异常扰动与太阳和地磁活动有很好的相关性;除汶川地震外,其他地震前没有发现明显的跟地震相关的TEC异常扰动现象。同时,对比分析了与上述研究区位于同一地磁纬度的"检验区"(30°~50°E,15°~35°N)的GPS TEC随时间变化和异常分布情况,结果显示TEC异常分布的时空特征与研究区域较为一致。由于电离层是一个复杂的系统,其扰动具有多源性,而且地震电离层扰动现象是复杂多变的,因此需要联合地基和天基手段共同观测,并加强其机理研究。     

foF2月中值太阳循环变化及单站谱模型研究

利用我国9个电离层观测站第21和22太阳周大约20年的foF2月中值数据,分析太阳活动和地磁活动对电离层foF2的影响,结果显示白天和夏季夜间foF2和太阳黑子数R之间存在着明显非线性关系,并且随着纬度的降低逐渐增强.当回归分析加入地磁Ap指数时,多重回归模型与实测值误差进一步减小,说明同时考虑太阳活动和地磁活动的非线性影响能够更好地描述foF2的变化.基于foF2与太阳黑子数R及地磁指数Ap之间的非线性统计关系,利用Fourier级数建立9个单站谱模型,并与国际参考电离层IRI进行了比较,精度有一定提高.     

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.     

基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征

赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.本文利用2010—2021年全球低纬地区GNSS TEC监测仪长期观测数据,分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征.结果表明,全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关,赤道等离子体泡的日发生率与F₁₀₇指数相关系数接近0.70.经度-60°～-30°在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F₁₀₇的相关关系有明显的饱和效应.在季节变化方面,经度-60°～-30°赤道等离子体泡主要发生在1—3月和10—12月,其他经度主要发生在分季.不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别,在太阳活动上升期,经度-60°～-30°的10—12月发生率明显高于1—3月;在太阳活动下降期,0°～180°经度区3月分季高于9月分季.此外,地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用,特别是在太阳活动高年、分季.     

低纬电离层TEC起伏与相位闪烁的统计特征

穿过电离层不规则体传播后的无线电波,其振幅和相位出现快速随机起伏,即电离层闪烁.为了量化电离层不规则体和相位闪烁的强度,本文提出用TEC起伏δTEC作为特征参量,并用δTEC的标准差构建一种新指数σtec.文中证明指数σtec与相位闪烁指数完全等效.在电离层强闪烁期间,经常出现信号短暂失锁和周跳,导致TEC值突跳和不连续.为此,本文设计了一种周跳检测与校正的批处理算法,用于消除TEC值突跳.在此基础上,利用位于我国中南部电离层闪烁监测台网2012—2015年的观测数据,考察了GPS信号相位闪烁和不规则体的统计特征.结果表明,我国低纬电离层不规则体和相位闪烁与振幅闪烁随地方时和月份变化的特征类似,一天之中主要出现在日落后至黎明前,一年之中,春季不规则体出现最频繁、秋季次之,呈现春秋不对称性,冬夏季出现很少.此外,我们还比较分析了指数S4与σtec的联系,两者之间显著正相关表明,小于第一菲涅尔带尺度的小尺度不规则体和大于第一菲涅尔带尺度的大尺度不规则体一般同时存在.     

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.     

南北地震带北部5次（1561~1920年）M≥7级地震触发关系研究

以南北地震带北部的青藏高原东北边缘与华北构造区过渡部位为例,通过建立地震构造模型,计算静态库仑破裂应力改变量（ΔCFS）,研究了该区1561~1920年360年间5次M≥7级地震之间的触发过程.结果表明,在1561年罗山东麓7¹/₄级地震之后,下一次地震无一例外地发生在前面地震产生的应力触发区（ΔCFS>0）.在4条被触发的发震断裂中,有3条发震断裂的平均ΔCFS>0.2×10⁵ Pa,最大可达0.62×10⁵ Pa,超出目前普遍认为触发应力阀值（0.1×10⁵ Pa）.根据断裂库仑破裂应力变化量（ΔCFS）和构造应力累计率（δτ）,计算获得了下一次地震发生的提前量（ΔT）,地震活动提前量最大可以达到160a.在一条重要活动构造带或地区上,一次地震发生对下一次地震的触发缩短了地震重复发生所需要的累积时间,使得地震可以提前发生,这一方面使得某一特定的发震断裂在时间尺度表现出准周期性,另一方面使得空间上不同发震断裂的地震活动表现出丛集发生的现象.此项研究有助于认识断裂间相互作用特点、揭示地震丛集发生规律以及预测未来地震危险区.     

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.     

基于配置法的局部重力场延拓模型构建与应用分析

在大地坐标系下利用Forsberg局部扰动位协方差模型（即DPM模型）导出了实用的局部重力异常协方差模型（即GAC模型）和局部扰动重力协方差模型（即GDC模型）,两种模型形式完全一致.针对GAC模型,提出了两种模型参数的拟合方法,即按照泊松积分向上延拓获得的不同高度数据进行拟合以及按照测量区域的平面实测数据进行拟合,通过某地区的实测数据检验得出两种参数拟合方法得到的参数值相差不大,这种差别在向上和向下延拓过程中的影响可以忽略.依据本文的算例,GAC模型作为配置法的协方差模型用于延拓时,其向上延拓的精度在1.8×10^－5 m·s^-2左右,向下延拓的精度在5×10^－5 m·s^-2左右,完全满足局部重力场在中等山区的延拓要求.通过对不同高度下GAC模型用于延拓效果的对比,可以得出基于GAC模型的延拓精度随着高度的增加而衰减,在满足测量精度要求下其最大向下延拓高度约为7 km.总体而言,本文推导的GAC模型能够很好地利用地形数据,较好地满足了航空重力测量在局部重力场的延拓要求.     

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.     

大地测量约束下的阿尔泰山岩石圈流变结构

本文根据大地测量数据得到过去50年左右阿尔泰山富蕴区域形变场,破裂带中段的相对位移最大,平均速率达6mm/a,总体上表现为沿断裂的走滑运动特征．该形变场可以用1931年富蕴8级地震的震后黏弹性松弛模型进行模拟,反演得到下地壳黏滞系数为1.6×10¹⁹～7.9×10¹⁹Pa·s,上地幔黏滞系数为16×1018～63×1019Pa·s,与华北、Nevada等地区利用震后变形资料推算的黏度基本一致．根据该地区最佳黏弹性分层模型,最近五十年由于岩石圈下部应力松弛引起的地震破裂带两侧最大水平速率约为4mm/a． 我们的研究表明：大陆7～8级大震在几十年后仍可能有可观的地表变形,GPS监测得到的现今变形场可能包含震后变形成分．     

1989年3月特大电离层事件

给出了１９８９年３月罕见的超级太阳活动区（ＮＯＡＡ，ＡＲ５３９５）的多次爆发，在远东地区诱发了一系列强烈的、甚至是首次观测到的电离层扰动事件：（１）重庆站以北地区ＴＥＣ增量达５５×１０^１６ｅｌ／ｍ^２的突增事件；同期武昌、仑坪和知本等站的ＴＥＣ负增量达６５×^１６ｅｌ／ｍ^２的突降事件；（２）兰州以南地区的强ＴＩＤ；（３）持续时间较长的Ｌａｃｕｎａ现象；（４）微粒Ｅ层事件等。作者结合同期远东和巴西地区的电离层扰动，多颗卫星探测结果和全球中低纬区极光的出现，对此次电离层事件的部分异常变化及其形成机制作了初步讨论，并指出东向电场剧增和粒子沉降可能是此次事件的主要因素。     

基于 Millstone Hill 非相干散射雷达观测的电离层电子浓度剖面的经验正交函数分析

本文利用经验正交函数（Empirical Orthogonal Function,简称EOF）方法分析了Millstone Hill非相干散射雷达（Incoherent Scatter Radar,简称ISR）近三个太阳黑子周期（1976年2月～2006年4月）的实测电离层160～700 km的电子浓度剖面资料,并分别用Chapman-α函数拟合了平均电子浓度剖面和带有均值的前三阶EOF级数．结果表明：电子浓度剖面的EOF级数的第一阶项主要控制F₂层峰值浓度N_mF₂,第二阶项同时控制F₂层的峰高h_mF^₂和等效标高H_m,第三阶项主要控制等效标高H_m．进一步分析了对应的EOF系数的周日变化、季节变化和太阳活动周期变化,这些变化反映了N_mF₂,h_mF₂,H_m的气候学变化规律,例如电离层的冬季异常、半年异常等．EOF方法在级数展开方面收敛速度快,很少数低阶项即能反映电子浓度剖面的主要变化,因此可用于提取出电子浓度剖面的主要分布特征及其周日变化与气候学变化特性,并可用于进一步构建相应的经验模式．     

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.