北美地区夜间中尺度电离层行进式扰动的GPS台网监测研究

本文利用2007年6月~2008年5月期间北美GPS台站密集地区的TEC观测资料,对夜间中尺度电离层行进式扰动(MSTIDs)的传播特性进行了分析研究.结果表明:北美地区的夜间电离层行进式扰动一般发生在美国西部时间21∶00~02∶00LT (05∶00~10∶00UT)时段,表现在TEC中的最大扰动幅度为0.45~0.6TECU.扰动以20~40 min的周期,100~200 m/s的水平相速度朝西南方向传播,覆盖磁纬24°N到44°N,经度130°W到70°W的广大范围.统计结果显示,夜间电离层行进式扰动呈现明显的半年变化特征,扰动振幅的峰值在春秋分前后达到最大,在至日前后最小;扰动传播的水平相速度在夏季比冬季约大20%.进一步分析表明,夜间电离层扰动振幅的半年变化是由电离层背景电子浓度的半年变化引起的,而扰动速度的季节变化则与热层风场的季节变化密切相关.     

与日夜交替线移动相关的中尺度电离层扰动GPS网观测

本文选取由国际GPS服务中心(IGS)提供的北美中纬度地区GPS网TEC观测数据,通过多通道最大熵频谱分析方法研究了2005年（太阳活动低年）地磁活动平静期间日出和日落时由于日夜交替线的移动而激发的中尺度电离层扰动(MSTID),并统计分析其季节变化特性.结果表明：(1) 日出或日落期间,在中纬度地区经常观测到由日夜交替线移动激发的中尺度电离层扰动.扰动主要沿日夜交替线运动方向传播,平均持续时间约2～3 h;振幅在0.2～0.8 TECU之间,水平波长,水平相速度和周期分别为300±150 km,150±80 m/s和25±15 min;(2) 由日夜交替线移动激发的中尺度电离层扰动在春秋分出现率较少;在夏季,扰动在黄昏时出现率达最大值,在日出后少量出现;而冬季则日出后的扰动效应更为明显.分析表明,在中纬地区,这种扰动出现率随季节的变化与不同季节的日出日落时刻太阳EUV辐射通量变化过程的快慢,以及电离层中离子损失过程快慢有关.     

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.

     

利用高分辨力多普勒频高图观测和分析电离层扰动

本文分下列四节:1.电离层扰动的研究简述,2.多普勒频高图的观测及处理,3.折射指数等值面法向速度的计算,4.实例分析和讨论。利用DGS-256数字式测高仪所获得的多普勒频高图,分析了电离层中大气声重波等的扰动情况,首次得出了速度的高度剖面,如图1—3所示;由三个反演公式的计算结果十分相近,表明实验与理论是一致的。     

利用射线追踪研究电离层扰动

基于返回散射探测的电离层扰动电离图,本文建立了一个新的对称的准余弦电离层扰动数学模型.基于这种模型,利用HF射线追踪技术合成了HF电离层返回散射电离图,并利用迭代的技术拟合了高频返回散射设备探测的电离层扰动电离图的Pmin-f曲线(Pmin为最小时延,f为工作频率),从而推断了沿探测路径电离层扰动区域的位置及大小,扰动的临界频率波动的幅度.最后基于这种电离层扰动模型,利用射线追踪技术描述了不同电离层扰动参数下的电波传播情况,研究了其天波传播的跳距、覆盖区域的大小及射线“俘获”等.     

利用高分辨力多普勒频高图观测和分析电离层扰动

本文分下列四节:1.电离层扰动的研究简述,2.多普勒频高图的观测及处理,3.折射指数等值面法向速度的计算,4.实例分析和讨论。利用DGS-256数字式测高仪所获得的多普勒频高图,分析了电离层中大气声重波等的扰动情况,首次得出了速度的高度剖面,如图1-3所示;由三个反演公式的计算结果十分相近,表明实验与理论是一致的。     

武汉地区中尺度电离层声重波扰动的变化特性

利用武汉电离层观象台高频多普勒台阵的覆盖太阳活动高、低年份,长达５年的连续观测数据,采用小波分析等方法估算电离层声重波扰动（ＴＩＤ）的传播参量,通过这些参量对武汉地区电离层扰动形态和变化规律进行了系统分析研究．结果表明,观测到的中尺度电离层声重波扰动（ＭＳＴＩＤ）存在二个显著季变化,在传播速度和周期上有明显差异的优势传播方向：一个指向东北方,传播的方位角主要分布在３０°─７０°之间（０°为正北,以顺时针方向表示传播方位角）,它在夏季出现率最大,冬季基本消失;另一个优势方向指向正南,方位角主要分布在１５０°─２２０°范围,主要出现在冬季．文中还给出了ＭＳＴＩＤ的年、日变化,并进一步探讨了其变化特性的可能形成机理．     

武汉地区中尺度电离层声重波扰动的变化特性

利用武汉电离层观象台高频多普勒台阵的覆盖太阳活动高、低年份，长达５年的连续观测数据，采用小波分析等方法估算电离层声重波扰动（ＴＩＤ）的传播参量，通过这些参量对武汉地区电离层扰动形态和变化规律进行了系统分析研究．结果表明，观测到的中尺度电离层声重波扰动（ＭＳＴＩＤ）存在二个显著季变化，在传播速度和周期上有明显差异的优势传播方向：一个指向东北方，传播的方位角主要分布在３０°─７０°之间（０°为正北，以顺时针方向表示传播方位角），它在夏季出现率最大，冬季基本消失；另一个优势方向指向正南，方位角主要分布在１５０°─２２０°范围，主要出现在冬季．文中还给出了ＭＳＴＩＤ的年、日变化，并进一步探讨了其变化特性的可能形成机理．     

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.     

地震期间电离层扰动现象研究

介绍了大量的关于地震电离层扰动现象研究的最新进展,研究表明地震发生前的几天或者几个小时电离层扰动被观测到,电离层前兆是确实存在.但要将震前的电离层扰动作为地震短临预报的工具,还有许多值得我们去深入研究和解决的问题.应用空间技术开展大区域范围内电离层参数的实时观测,如用地震电磁卫星、GPS台网、并和地面电离层垂测仪观测相结合,建立“电离层地震前兆监测系统”,无疑会加速这项研究的进程.     

阿拉斯加2021年8.2级地震同震电离层扰动特征及对比分析

为分析2021年7月29日阿拉斯加8.2级地震引起的电离层响应,利用地震附近的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测数据估算电离层总电子含量(Ionospheric Total Electron Content,TEC)及同震电离层扰动(Coseismic Ionospheric Disturbances,CIDs).从多角度对CIDs的时空分布特征进行分析,并与阿拉斯加2018年7.9级走滑型地震以及2020年7.8级逆断层地震引起的CIDs对比.在地震西南方向探测到两类CIDs,最大扰动振幅约0.8 TECU (1 TECU=10¹⁶ el/m²),并且在西南方向距离震中约1094 km的测高站EA653探测到CIDs.在震中西北、东北和北方向探测到传播速度相近的CIDs.根据CIDs的速度和频率大小将CIDs分为两类,第一类CIDs的传播速度为1.87 km·s^-1,频率约为3.8 mHz,可能由地震声波引起,扰动量级最大;第二类CIDs的传播速度为0.85~1.09 km·s^-1,中心频率约在3.0 mHz或者5.7 mHz附近,为地震声波引起的另一类电离层扰动.逆断层地震引起的CIDs比走滑型地震更加显著,表明地震引起的垂直地表运动在CIDs的形成中起主要作用.三次地震在西南方向均引起显著的CIDs,与地震破裂方向较为一致,该地区大地震引起的CIDs可能具有较为明显的方向性,具体形成机制有待于进一步研究.

     

利用GPS网观测反射海啸波引发的电离层扰动

震中产生的海啸波传播到海岸或者遇到水下障碍时会发生反射,从而形成反射海啸波.本文利用稠密的日本GEONET网,首次在电离层扰动图中观测到2011年3月11日Tohoku地震引发的反射海啸波信号.观测到的电离层扰动与海平面的反射海啸波具有相似的波形、水平速度、方向、周期以及到达时间等传播特征,表明观测的电离层扰动为反射海啸波所引起.本文的观测结果表明反射海啸产生的大气内重力波也能向上传播到电离层与等离子体作用.

     

利用日本GPS网探测2011年Tohoku海啸引发的电离层扰动

海平面的海啸波会产生大气重力波进而引发电离层扰动.本文利用日本GPS总电子含量数据来探测2011年3月11日Tohoku海啸引发的电离层扰动.观测结果表明,在日本上空的电离层中存在两种重力波信号,分别由海平面的海啸波以及地震破裂过程产生.地震产生的电离层重力波分布在震中周围（包括海洋上空以及远离海洋的区域）,而海啸引发的电离层重力波主要分布在海洋上空.地震产生的电离层重力波具有不同的水平速度,包括约210 m·s^-1以及170 m·s^-1,其频率为1.5 mHz;而海啸引发的电离层重力波水平速度快于前者,约为280 m·s^-1,其频率为1.0 mHz.此外,海啸引发电离层重力波与海平面上的海啸波有相似的水平速度、方向、运行时间、波形以及频率等传播特征.本文的研究将电离层中的海啸信号与地震信号区分开来,进一步确认电离层对海啸波的敏感性.

     

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.     

Development of a robust runoff-prediction model by fusing the Rational Equation and a modified SCS-CN method

Abstract

The objective of this study is to develop a Modified Rational Equation (MoRE) that combines the advantages of the Rational Equation (e.g. simplicity and global acceptance) and those of the standard US Department of Agriculture (USDA) Soil Conservation Service (SCS) curve number (CN) method (e.g. easy parameterization and extensive verification across the world). Herein, the hypothesis is that the MoRE is more accurate, consistent and robust than the SCS-CN method and its improved versions in predicting runoff in watersheds with limited data. The MoRE was designed to have a simple structure that is described by four intrinsic parameters: CN, permanent wilting point, field capacity and saturation soil moisture, and does not include initial abstraction as a variable. An evaluation of 77 USDA small agricultural watersheds indicated that CN of the MoRE has different physical meanings from CN of the SCS-CN method. The MoRE (mean Nash-Sutcliffe coefficient, E > 0.73) performed better than the SCS-CN (mean E < 0.32) and the four improved models (mean E < 0.56) in reproducing the runoff of the study watersheds. Performance of all six models varied greatly between watersheds, as well as between events, but was independent of watershed drainage area. However, the model performances tend to be better for watersheds and/or events with a runoff-to-rainfall ratio of between 0.1 and 0.3 than for those with a ratio outside this range. The MoRE has the most consistent and robust performance.

Editor D. Koutsoyiannis; Associate editor I. Nalbantis

Citation Wang, X., Liu, T., and Yang, W., 2012. Development of a robust runoff-prediction model by fusing the rational equation and a modified SCS-CN method. Hydrological Sciences Journal, 57 (6), 1118–1140.     

基于改进的多分量频率-贝塞尔变换法研究郯庐断裂带潍坊段上地壳径向各向异性结构

郯庐断裂带潍坊段位于郯庐断裂带中部, 具有复杂的地质结构, 总体呈现"两堑夹一垒"的构造格局.相比于郯庐断裂带其他区域, 潍坊段地震活动性较弱, 属于地震空区, 未来发生大地震的可能性尚不明确.前人对该地区的研究目前仅局限于速度结构和方位各向异性结构, 对于上地壳径向各向异性结构特征鲜有报道.因此, 研究该区域上地壳速度模型和径向各向异性结构, 有助于更好地认识郯庐断裂带潍坊段浅地壳(＜10 km)变形特征, 评估该区域发生地震的可能性.我们利用2017年在潍坊段所布设的302个短周期地震仪采集的背景噪声数据, 基于改进的多分量频率-贝塞尔变换(MMFJ)法, 同时提取到潍坊段东南侧四个区域子阵列的Rayleigh波和Love波的基阶及高阶频散数据, 并且进一步反演这些频散数据得到了SV波和SH波速度以及径向各向异性结构.数值实验结果表明, 高阶模式频散数据的加入能够降低反演的非唯一性, 更好地约束浅地壳径向各向异性结构.实例中的径向各向异性结果表明, 郯庐断裂带潍坊段四个区域都有近似相同的变形特征: 在约2 km以浅, 径向各向异性为负(VSH＜VSV), 这可能主要源于潍坊段垂向断裂结构的控制作用; 5~7.5 km, 径向各向异性为正(VSH＞VSV), 这可能与早期地壳伸展沉积导致的水平变形结构有关.2~5 km, 四个区域径向各向异性结构各有不同, 但总体处于由负到正的转折状态.这可能因为2~5 km不仅受到断裂结构的控制作用, 也受到水平沉积结构的影响, 导致径向各向异性结构较为复杂.