中国区域电离层扩展F发生率特征研究

本文利用2011年富克、厦门、南宁、克州、格尔木、西安、北京和漠河等电离层垂测站的电离层扩展F数据,统计了中国区域电离层扩展F发生率的日变化、季节变化和区域变化特征.除了漠河外,中国区域电离层扩展F发生率的日变化、季节变化特征比较一致,扩展F出现在夜间(18~08 LT),且午夜后多于午夜前,以6月为中心的夏季月份扩展F发生率高.电离层扩展F发生率的最大值随着纬度的增加而减少,发生率最大值出现的时间也随着纬度增加而延迟,具有明显的“纬度效应”.漠河电离层扩展F与中国区域中其他地方相比较,在发生时间段、发生率数值和季节变化特征方面都具有明显的不同特征,这些情况表明漠河电离层扩展F的产生机制和影响因素可能是不同的.     

太阳活动高、低年东亚中、低纬地区扩展F特性比较研究

扩展F(Spread-F)作为重要的电离层不规则结构之一,对电波传播、导航、通讯等有重要的影响,因此对其时、空特性的研究一直倍受重视.本文通过分析低纬海南台站和中纬长春与乌鲁木齐台站的测高仪数据,比较研究了太阳活动高、低年我国中、低纬地区夜间电离层扩展F的发生特性.扩展F发生率特性主要体现在:无论低纬还是中纬太阳活动低年扩展F发生率最大值高于太阳活动高年;无论太阳活动高年还是低年低纬站扩展F发生率最大值高于中纬站.细节特征主要体现在:首先,三台站在太阳活动高、低年扩展F发生率都存在双峰结构.太阳活动高年,低纬海南站双峰结构集中在春、秋分季节,而中纬站则集中在冬、夏季节,扩展F较容易发生的地方时低纬站主要集中在子夜前,而中纬站则偏向子夜后;在太阳活动低年,中、低纬双峰结构都出现在冬、夏季节,低纬海南站扩展F较突出的出现在子夜前后,而中纬台站则主要出现在子夜及子夜后.其次,双峰结构中的细节表现不同,如低纬海南站太阳活动高年扩展F较容易发生在春分季节,但2月和4月份发生率都比较高而且接近,而太阳活动低年扩展F较容易发生在夏季月份,但5月和7月的发生率也都比较高且接近,且太阳活动高、低年低纬主峰峰值非常接近,不像中纬地区有明显的差异等.本文针对实测数据进行了详细的分析并结合已有研究进行了细致的讨论.     

中低纬电离层F层峰高和厚度的变化特征分析

电离层F层参数对电离层空间天气研究与电波传播应用具有重要意义,以往工作主要针对电离层f_0F_2、TEC等参数.本文利用我国中纬地区的兰州、中低纬过渡区的昆明、低纬地区的海口三个观测站的电离层垂直探测数据,分析了电离层峰高h_mF_2、F层虚高h’F和定性表征的厚度h_mF_2—h’F的周日、季节、太阳活动变化特征.研究表明:(1)兰州h_mF_2在太阳活动高年和低年的数值接近,海口在太阳活动高年白天的h_mF_2比低年白天高20~30 km.(2)在海口和昆明,h_mF_2最大值多出现在中午时段,兰州站的最大值出现在夜间.(3)海口的h_mF_2在01-3LT期间出现很强的"午夜衰落"现象,此后迅速增大.(4)利用h_mF_2-h'F来表征电离层的厚度时,其季节和周日变化特征与常用的B_0存在相似之处,但未出现清晨与午后凹陷等现象.这些结果对于提高我国电离层变化特性的认识和模式化研究水平具有重要的科学意义.     

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.     

外源S_q等效电流体系电流涡中心电流强度与太阳活动关系

本文选取了INTERMAGNET地磁台网2001年到2012年的地磁数据,对其进行世界时(UT)到地方时(LT)的转换后利用自然正交分量法(NOC)从所选资料中提取出太阳静日变化Sq成分,再通过球谐分析方法建立模型分离内、外源Sq成分,逐日反演出内、外源Sq等效电流体系,并得到外源Sq等效电流体系南北电流涡中心电流强度.本文将外源Sq等效电流体系南北电流涡中心电流强度与同一时期的Dst指数进行了对比分析,研究表明它们之间具有同步变化的规律,且北半球电流涡中心电流强度在磁暴发生时的异常现象远高于南半球.对F10.7cm太阳射电流量与外源Sq等效电流体系南、北半球电流涡中心电流强度的长短周期分析发现,Sq等效电流表现出明显的11年周期特点,与太阳活动周期一致.外源南、北半球电流涡中心电流强度和F10.7cm年均值的相关系数分别达到了0.93和0.90,说明太阳活动是导致外源Sq电流体系变化的最直接也最主要的因素,这可能与电离层电导率受控于太阳的电磁辐射相关.     

全球性地震活动与太阳活动的关系

分析研究了太阳活动,包括太阳黑子相对数、太阳10.7 cm射电流量、以及太阳质子事件与M6的地震之间的关系．发现:① 在太阳活动的极小年附近,地震活动频繁;而多数在太阳黑子极大的后一年,也就是说在太阳极区磁极性反转时期,地震活动相对少些;② 在太阳活动极小年,地震发生频数与上个太阳黑子相对数极大年均值、10.7 cm射电流量极大年均值和整个活动周的太阳质子事件数有非常好的正相关关系,与太阳质子事件的关系尤为密切;③ 按上述相关性,曾预测1995～1997年是地震活动非常频繁的时段．文中还对上述几点作了简要的物理探讨．      

厦门电离层垂测站建设及初步结果

本文介绍了厦门电离层垂直探测站的建设及初步结果.该站选用了加拿大生产的数字测高仪,利用折合偶极天线作为发射和接收天线,采用气象信息专业网和internet网络的两种传输方式,实现了数据实时传输和远程控制.利用试验观测期间获得的2007年8月份首批电离层垂直探测数据,分析发现了厦门地区电离层f_oF2的一些基本特征：白天f_oF2最大值一般出现在地方时14~16点,最大值约5~15 MHz,有较强逐日变化;夜间f_oF2约4MHz左右,逐日变化较小.与最新国际电离层参考模式IRI2007进行了初步对比,发现IRI2007可较好的预报出f_oF2的月中值,但对逐日变化较强的厦门地区电离层f_oF2预报能力较弱.     

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.     

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.     

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.     

海洋和电离层发电机对佘山台L的影响

本文在文献[1]的研究基础上进一步分析海洋和电离层发电机对佘山台L的影响。资料分别按月、季节和年以及太阳活动性分组进行的细致分析,结果表明海洋发电机对Z分量的L有一稳定的影响,L的季节变化主要起源于电离层发电机。L的海洋部分不随太阳活动性改变,太阳活动对L的影响比对S的小。     

极区电离层F2层峰值电子浓度对太阳活动依赖性的共轭研究

本文利用南极中山站(ZHS),以及北极与其地理共轭的Tromso站(TRO)、地磁共轭的Longyearbyen站(LYB)各自约一个太阳活动周的观测数据,对比分析了极区电离层F₂层峰值电子浓度(N_mF₂)对太阳活动的依赖性.结果表明,三个台站N_mF₂月中值随修正太阳10.7 cm通量指数F_10.7P(简称P)增大在总体上呈线性增长,这说明在这三个台站,太阳辐射仍是其F₂层主要电离源.其中TRO站N_mF₂与P线性关系最好,ZHS站的次之,LYB站的最差.在日变化中,TRO站N_mF₂对太阳活动响应最为敏感的时刻出现在地方时中午附近,LYB站出现在磁中午,ZHS站则出现在地方时中午和磁地方时中午之间.这主要是由地理/地磁纬度差异引起的不同强度的光致电离与极区等离子体对流共同作用的结果.在年变化中,TRO站N_mF₂随太阳活动变化上升最快的季节出现在冬季,夏季上升最慢.在ZHS站与LYB站,N_mF₂对太阳活动变化的响应都在两分季最为敏感.这种季节上的差异则是由于三个台站光致电离与中性大气成分R[O/N₂]的不同所致.     

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.     

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.     

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.     

全球电离层TEC起伏特性分析

利用全球电离层TEC地图（GIMs）数据,在已经建立TEC气候学模式的基础上,计算了1998年以来固定UT时间的全球TEC起伏指数σ_DGEC．采用偏相关分析方法对σ_DGEC与太阳活动（F107指数）及其起伏（dF107）、地磁活动（Ap指数）、季节变化因子（太阳偏置角）等因素,以及上述因素的非线性组合等的相关性进行分析,发现σ_DGEC与F107、Ap指数具有最强的相关性,与F107指数和半年变化因子的交叉项F107×S、F107指数的二次方具有较好的相关性,同时,与F107指数与年变化因子的交叉项F107×A及F107扰动指数偏离值（dF107）的二次方也具有一定的相关性．据此,以这些因子作为驱动量,建立了σ_DGEC的多元回归模型．鉴于σ_DGEC反映全球范围内电离层TEC起伏的平均特性,并与太阳活动F107指数、地磁活动Ap指数具有良好的相关性,为此我们建议,将全球TEC相对起伏指数σ_DGEC作为描述全球电离层扰动状态及电离层天气特征的一个新参量．     

赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁活动出现率的理论模型构建

为构建赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁活动出现率的理论模型,本文根据分析赤道-低纬电离层的广义Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性得到的三维线性增长率的表达式,计算分析了线性增长率随地方时的变化特征.并选取计算得到的每日增长率的极大值表征每日的线性增长率,分析增长率随季节、太阳活动和地理经度的变化特征以及逐日变化特征,建立三维广义R-T不稳定性线性增长率的理论统计特征模型,发现增长率表现出显著的随地方时、季节、太阳活动和地理经度以及逐日变化特征.通过比较分析增长率的变化特征与不规则结构和闪烁活动的变化特征,发现三维广义R-T不稳定性的线性增长率能较好地反映不规则结构和闪烁活动随季节、太阳活动、地理经度以及逐日变化规律.本文建立的R-T不稳定性的三维线性增长率的统计特征模型可用于构建赤道-低纬电离层不规则结构和闪烁出现率的理论形态特征模型.     

磁赤道地区2007—2013年COSMIC掩星反演和国际参考电离层模型输出结果分析

利用2007—2013年电离层测高仪位于磁赤道观测站Jicamarca (11.95°S,76.8°W,地磁纬度为1°N)的垂测数据和COSMIC掩星反演电离层资料,分析了不同太阳活动条件下两种探测技术获取电离层特征参数峰值密度N_mF₂和峰值高度H_mF₂的相关性,同时也探讨了国际参考电离层模型IRI输出参数与测高仪垂测数据的相关性.此外,进一步分析了COSMIC掩星和IRI模型在不同地方时高估或低估垂测参数的分布特征.结果表明:(1)由COSMIC掩星反演和IRI模型输出参数N_mF₂与测高仪垂测值N_mF₂得到的相关系数都在0.8以上.太阳活动低年COSMIC探测得到的N_mF₂相关性高于太阳活动高年得到的结果,但IRI模型在太阳高年得到的N_mF₂相关性好于太阳活动低年的计算结果.(2) 由COSMIC掩星反演和IRI模型输出的H_mF₂与测高仪垂测值H_mF₂在春秋季得到的相关性较高,夏季的相关性最弱.由COSMIC掩星探测H_mF₂得到的季节和时间相关系数大都集中在0.8和0.6以上,但由IRI模型得到的H_mF₂相关性降低,特别是太阳活动低年的夏季和傍晚其相关系数低于0.3.(3)太阳低年COSMIC掩星和IRI模型白天时段大都高估、夜间至凌晨前后低估电离层参数N_mF₂和H_mF₂;但太阳活动高年N_mF₂在地方时午夜后则呈现高估的特点.相关结果为未来IRI模型的进一步完善以及低纬地区电离层同化模式研究提供参考.     

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.