不同尺度低纬电离层不规则体漂移特性的观测研究

利用我国三亚站GPS短基线接收机阵以及VHF电离层相干散射雷达多波束扫描模式进行同时观测,对2011年10月22日至29日夜间两种不同尺度电离层不规则体的纬圈漂移速度进行比较研究.结果表明,两种不同手段观测的不同尺度不规则体漂移速度,在大小、变化趋势以及时间范围上基本一致.不规则体产生在20:00 LT(LT为北京时)左右,以100～250 m/s的速度东向漂移,并且速度幅值起伏较大;在不规则体发展中后期(21:00LT以后),东向漂移速度减低到50～150m/s,并延续至午夜.两种手段观测的漂移速度差异,一个重要原因可能来自于两者观测范围的不同.此外,GPS短基线接收机阵观测的400米尺度电离层不规则体通常比VHF雷达探测到的3米尺度电离层不规则体存在的时间要长.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:2.东亚低纬电离层E区准周期回波

中低纬电离层E区不规则体准周期雷达回波现象,在地球不同经度区被观测到并开展了有关研究.本文利用三亚(109.6°E,18.4°N)VHF相干散射雷达2011年2月6日的观测,第一次给出了中国低纬电离层E区准周期回波的发生和变化特征.观测结果表明:准周期回波发生在地方时夜间2100—2200LT的110km高度上,与连续性回波可同时发生;准周期回波斜纹在雷达探测的高度-时间-强度(HTI)图上可延伸5～20km,持续时间为5～15min,回波斜纹高度随时间以20～30m/s下降,斜纹在HTI图上彼此间隔10km和10min左右.此外,雷达回波多普勒谱和雷达干涉分析显示不同高度准周期回波的多普勒速度随高度-时间表现出不同的变化趋势,与回波条纹斜率无明显联系,不同高度准周期回波对应的不规则体在东西方向也表现出截然不同的运动特征.分析结果表明,三亚电离层E区准周期回波的发生可能并不是由散块Es随着中性风周期性的经过雷达探测区域所致,而可能和Es中的扰动结构相关.     

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.     

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.     

用部分反射雷达研究低电离层的不规则性

本文建议用电压干涉技术通过部分反射雷达来测量低电离层中的电子浓度不规则性及其扰动。电压干涉技术首先由Woodman提出用在Jicamarca的非相干散射雷达上,精确地确定一个高的局部散射区的位置。在单个散射体存在的情况下,这是一个简单而有效的技术。但当多个散射体同时存在时便产生了问题。Farlty等发展了一个谱干涉方法,可以有效地区分不同的散射体。后来此方法采用一对或3个天线成功地用在对流层、中层和电离层扰动的研究中。Rttger等也使用事后波束控制（Postsetqeam Steering）方法,广义上说这也是干涉方法,来确定大气扰动结构和一些参数。Adams等则更进一步提出了一个工作在中频2.66MHz的成像Doppler干涉方法,通过10个天线采用谱干涉和Doppler技术研究中层大气扰动的物理机制。     

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.

     

太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率研究

本文利用2008年至2013年厦门电离层垂测仪的观测数据,分析了太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化特征和太阳活动对厦门电离层扩展F发生率的影响,结果显示:(1)厦门电离层扩展F主要出现在地方时18时至次日8时的时间段内,扩展F发生率最大值出现在午夜后;(2)厦门电离层扩展F主要出现在5—8月的夏季月份,扩展F发生率最大值一般出现在6月份(2009年出现在5月份);(3)厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化中存在明显的逐年变化;(4)厦门电离层扩展F年出现次数与太阳10.7 cm射电流量年平均值在2008年到2011年正向相关,而在2012年、2013年却负向相关;在每一年中(除了2012年外),厦门电离层扩展F月发生率与太阳10.7 cm射电流量月平均值负向相关.太阳活动和厦门电离层扩展F发生率之间的复杂关系表明,太阳活动可能通过赤道电离层扩展F和中纬电离层扩展F两种机制影响了厦门电离层扩展F发生.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究: 1.电离层E区连续性回波

基于三亚(109.6°E,18.4°N)VHF电离层相干散射雷达观测,分析了我国低纬电离层E区场向不规则结构连续性回波的发生特征.研究结果表明:白天,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至25 m/s,多普勒宽度主要分布在20至70 m/s;连续性回波的高度大约以1 km/h的速度缓慢下降,与偶发E层(Es)底部所在高度(hbEs)有很好的相关性,表明在背景电场影响下,Es经梯度漂移不稳定性产生场向不规则结构,引起E区连续性回波.夜间,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至 50 m/s,多普勒宽度为20至110 m/s,回波在时间-高度-强度图上常呈现多层结构,可能与潮汐引起的多个离子层相关;而E区连续性回波的短暂中断,以及120 km以上高E区连续性回波的发生,则可能归因于赤道扩展F极化电场的影响.此外,对E区连续性回波多普勒速度与全天空流星雷达风场观测的比较发现,在100 km以下,多普勒速度与子午风场有很好的相关性.     

不同类型磁暴和中低纬电离层暴的关系

分析了快速强主相和延迟弱主相磁暴期间中低纬电离层大尺度扰动形态．结果表明,对于这两种不同类型的磁暴,电离层负相扰动区的影响范围和形态也有差异．强主相磁暴情况下的负相区渗透到较低纬度,影响范围大;而弱主相施暴,负相限于纬度较高地区,影响范围较小．负相的开始和结束时间与磁暴主相延迟时间有着很好的对应．对于主相快速发展的磁暴,负相扰动的出现较快．而当磁暴主相长时间延迟时,电离层中也相应地出现负相长时间延迟．结果反映了按Ｋｐ指数对磁暴类型的分类对中低纬电离层暴的扰动形态分析也有着重要意义．     

不同类型磁暴和中低纬电离层暴的关系

分析了快速强主相和延迟弱主相磁暴期间中低纬电离层大尺度扰动形态．结果表明，对于这两种不同类型的磁暴，电离层负相扰动区的影响范围和形态也有差异．强主相磁暴情况下的负相区渗透到较低纬度，影响范围大；而弱主相施暴，负相限于纬度较高地区，影响范围较小．负相的开始和结束时间与磁暴主相延迟时间有着很好的对应．对于主相快速发展的磁暴，负相扰动的出现较快．而当磁暴主相长时间延迟时，电离层中也相应地出现负相长时间延迟．结果反映了按Ｋｐ指数对磁暴类型的分类对中低纬电离层暴的扰动形态分析也有着重要意义．     

海南电离层F区不规则体的气辉观测

本文利用子午工程海南富克站(19.5°N,109.2°E)全天空气辉成像仪630 nm波段的气辉图像,通过对气辉原始观测资料进行图像增强、方位校正和图像投影等预处理,得到可清晰识别电离层等离子体泡的图像产品,获得了我国海南地区首次电离层等离子体泡的光学观测结果.在此基础上,分析了等离子体泡的形状、结构、变化、空间尺度和运动速度这些基本特征.研究显示:典型的等离子体泡形状为南北分布的条状,常出现分叉现象,大部分情况整体向西倾斜;东西方向的尺寸为几十到几百公里;典型漂移速度为50~150 m·s-1.统计了2013年9月至2014年5月等离子体泡观测数据,发现其出现的典型季节为9-10月和2-4月、典型时间为日落后1~2个小时并持续1~4个小时左右.     

利用三站卫星闪烁数据测量电离层 不均匀结构漂移速度

本文介绍一种利用相邻多站卫星闪烁信号之间相关性测量电离层不均匀结构漂移速度的方法.实验分析结果表明秋分前后我国低纬(海口)地区电离层不均匀结构的漂移速度在50~110 m/s之间,方向为东向.地方时22:00之前漂移速度的值变化较大,之后相对比较稳定.对同一次电离层闪烁事件,取不同采样长度的数据进行处理,得到的漂移速度整体上的变化趋势基本一致.结果表明,该方法是一种有效可行的方法,时间分辨率可以达到1 min.     

基于COSMIC资料分析电离层F层不规则体结构

根据电离层不规则体的产生会导致周围电子浓度发生起伏变化的原理,利用2007年COSMIC掩星系统的TEC数据,通过平滑滤波得到TEC的扰动值ΔTEC的变化,利用其研究F层不规则体的时空变化特征.统计结果表明:扰动较大的掩星事件主要发生在磁纬±20°之间和高纬地区,春季和秋季带状分布较为明显,不同经度地区较强扰动的掩星事件的分布也有不同特征;较强ΔTEC的掩星事件主要发生在地方时午夜前和午夜后两个时段,发生的高度主要在250~400 km范围内.这些结果与已知的F层不规则体的时空分布特征较为一致,说明利用TEC的扰动量来分析电离层F层不规则体结构是可行的.     

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.     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_oF₂和h_mF₂、北斗同步卫星（BDS GEO）TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区（北京、武汉、邵阳和三亚）的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.

     

Spatial structure of auroral day-time ionospheric electron density irregularities generated by a powerful HF-wave

We describe an experiment in satellite radio-wave probing of the ionosphere, modified by powerful waves from the HF heating facility at Tromsø (Norway) in May 1995. Amplitude scintillations and variations of the phase of VHF signals from Russian navigational satellites passing over the heated region were observed. We show that both large-scale electron density irregularities (several tens of kilometers in size) and small-scale ones (from hundreds of meters to kilometers) can be generated by the HF radiation. Maximum effects caused by small-scale irregularities detected in the satellite signals are observed in the directions sector approximately parallel to the geomagnetic field lines although large-scale structures can be detected within a much larger area. The properties of small-scale irregularities (electron density fluctuations) are investigated by applying a statistical analysis and by studying experimental and model mean values of the logarithm of the relative amplitude of the signal. The results indicate that satellite radio probing can be a supporting diagnostic technique for ionospheric heating and add valuable information to studies of effects produced by HF modification.     

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.     

Anisotropy of ionospheric irregularities determined from the amplitude of satellite signals at a single receiver

A new method of determining the anisotropy parameters of small-scale irregularities in the ionospheric F region is presented and experimental results are shown. The method is based on observations of amplitude fluctuations of radio waves transmitted by satellites flying above the F region. In practice, Russian navigational satellites are used and both the amplitude and the phase of the signal is measured on the ground level. The method determines both the field-aligned anisotropy and the field-perpendicular anisotropy and orientation of the spatial spectrum of the irregularities, assuming that the contours of constant power have an elliptic shape. A possibility of applying the method to amplitude tomography is also discussed. Using a chain of receivers on the ground level, one could locate the regions of small-scale irregularities as well as determine their relative intensities. Then the large-scale background structures could be mapped simultaneously by means of ordinary ray tomography using the phase observations, and therefore the relations of small-scale and large-scale structures could be investigated.     

On the onset and meridional propagation of the ionospheric F2-region response to geomagnetic storms

The meridional propagation velocities of the ionospheric F2-region response to 268 geomagnetic storms are calculated. Ionospheric vertical sounding data of 1 h time resolution from several stations located in a longitude sector approximately centred along the great circle that contains both the geomagnetic poles and the geographic poles are used.Most meridional propagation velocities from high to low latitudes are less than 600 m/s. The smaller velocities are typical of global neutral meridional wind circulation and the larger are representative of traveling atmospheric disturbances.Simultaneous disturbances at several locations are more frequent during positive phases than during negative phases. Negative phase meridional propagation velocities associated with meridional neutral winds are less frequent in the southern hemisphere when compared with corresponding velocities observed in the northern hemisphere. This may be related to the fact that the distance between the geomagnetic pole and the equator is smaller in the northern hemisphere.Most negative phase onsets are within the 06–10 LT interval. For middle geomagnetic latitudes a “forbidden time interval” between 11 and 14 LT is present. The positive phase onsets show the “dusk effect”.     

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NmF2,第二阶项同时控制F2层的峰高hmF2和等效标高Hm,第三阶项主要控制等效标高Hm．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NmF2,hmF2,Hm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．