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.     

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.     

中国区域电离层垂测仪探测参量与COSMIC掩星反演结果比较研究

利用漠河站、左岭站、富克站垂测仪数据和COSMIC反演的电离层资料,分析比较了太阳活动高年两种探测手段获取的电离层特征参量(N_mF₂、h_mF₂)的相关性.结果表明,两种方式获取的电离层对应特征参量相关性较高,且N_mF₂的相关性好于h_mF₂,同时相关性与纬度和季节有关.在地磁中纬度地区对应参量相关性较好,而在地磁低纬度受北驼峰控制区域相关性降低;在电离层赤道异常区域,春秋季、夏季对应特征参量相关性好于冬季.造成冬季相关性低的可能原因是,在跨越赤道中性风作用下,冬季电离层赤道异常区电子浓度梯度较大,造成掩星反演误差增大,致使两种探测手段获取的电离层特征参量相关性降低.     

第24太阳活动周中纬度电离层低电离水平的观测研究

延续2008-2009年的太阳极低活动期,第24太阳活动周开始后太阳活动性上升缓慢,即使在趋近峰年时太阳极紫外(EUV)辐射通量的水平仍显著低于前几个活动周.比较第23、24周的太阳辐射水平,及日本国分寺和子午工程武汉站的电离层测高仪观测,发现第24周的太阳EUV辐射、电离层F区临界频率(f_oF₂)和峰值高度(h_mF₂)都显著低于第23周的同期水平;在较低高度上,偏低的EUV辐射带来的电子密度变化不明显,而峰值电子密度(N_mF₂)和0.1~50 nm太阳EUV辐射通量在多数时候都同步的偏低25%~50%;但是在夏季N_mF₂与EUV辐射的关联性较差,即N_mF₂的偏低在夏季较少.分析认为这与热层中性风的季节特点有关:在夏季午后,吹向极区的子午向风总是较弱,在第24周偏低的EUV辐射背景下,减弱的离子曳力使其他季节的极区向风得到增强,进一步促进了N_mF₂和h_mF₂的降低,使这一机制的效果非常显著.基于上述结论,在对第24周电离层进行预测预报时,需更多地考虑非直接电离机制的影响.总体而言,第24周的热层和电离层变化特征可能将有别于之前几个活动周的观测,并偏离人们在此基础上所形成的认识.     

北京地区电离层Chapman标高的统计分析

利用F₂层峰值处的Chapman标高H_m可以构建电离层顶部的电子浓度剖面.本文通过对北京站(40.3°N,116.2°E)从2010年1月到2014年5月的电离层频高图人工度量后获得了F₂层峰值处的Chapman标高H_m,分析研究了H_m随周日、季节和太阳活动变化,并探讨了H_m与F₂层特征参数f_oF₂、h_mF₂以及IRI底部厚度参数B₀的相关性.研究表明,(1)北京地区标高H_m的周日变化明显,在正午左右有最大值,夏季和春秋季的最小值出现在午夜左右,而冬季有两个谷值,在日出后和20:00LT左右; H_m在日出前有较小的增加,但不是很明显;(2)白天标高H_m有明显的季节变化,夏季最强,冬季最弱,而夜间的季节变化较小;(3)H_m随太阳活动的增强而增大,地磁扰动会引起H_m偏离正常水平;(4)H_m与h_mF₂相关性很弱,但白天和夜间各自的相关性较强,并且夜间大于白天;H_m与B₀有很强的相关性;(5)由IRI2012给出的B₀与H_m在冬季的相关性很小,表明IRI模式还需要进一步改进.     

利用OI 135.6 nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究

测量夜间135.6 nm大气气辉辐射强度是目前有效的电离层探测方式之一,我国即将在风云三号卫星上搭载仪器,利用该波段夜气辉辐射测量来反演电子总含量(本文所指电子总含量表示卫星高度以下大气柱的电子含量)及峰值电子密度,因此非常有必要开展相关的气辉发光模型及反演研究.在介绍氧原子135.6 nm波段夜气辉激发机制基础上,考虑辐射在传输过程中受到大气氧原子的散射及氧气分子的吸收,采用迭代法求解包含多次散射及大气吸收衰减的辐射传输方程,得到该波段的体发射率,最终通过考虑包含辐射传输的路径积分计算得到135.6 nm气辉辐射强度值.对结果的分析表明:该气辉模型能较好地描述体发射率随高度的分布特征,计算得到的135.6 nm夜气辉辐射强度在不同时空及太阳活动的分布与相应条件下峰值电子密度(N_mF₂)及电子总含量(TEC)的分布基本一致.相同的时空及太阳活动输入条件下,模式计算的135.6 nm夜气辉辐射强度与国外同类模式结果的值平均偏差约为3%.文中最后介绍了通过135.6 nm夜气辉的辐射强度探测来反演电离层峰值电子密度N_mF₂及电子总含量TEC的反演方法.     

f0F2 半年变化的特征和一种可能机制

利用东亚和澳大利亚扇区不同地磁纬度台站和两个极区台站1974-1986 年电离层垂直探测数据, 分析了f₀F₂ 半年变化的主要特征. 提出了产生f₀F₂ 半年变化的一种新的物理机制: 低热层日潮的半年变化, 引起赤道电急流幅度的半年变化, 通过 喷泉效应! 使得赤道电离层异常幅度产生半年变化, 从而形成f₀F₂ 的半年变化.     

低太阳活动期间极区ELDI的EISCAT/ESR雷达观测

本文利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计研究了低太阳活动期间极区E层占优电离层(ELDI)事件的发生规律及其主要特征.地面雷达观测表明,极区ELDI表现出明显的季节变化特征:在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆纬度)观测到的ELDI多出现在磁午夜扇区,平均持续30 min;ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到的ELDI多出现在磁正午附近,平均持续14 min,表现出与之前无线电掩星观测结果不一致的日变化特征.在ELDI事件期间,两处雷达观测到的电离层N_mE/N_mF₂比值和E层厚度都没有表现出显著的空间差异.事例分析证实E层电子增强和F层电子密度耗空都能够独立地导致ELDI,然而,统计分析表明上述两个过程对ELDI的形成都起着不可或缺的作用.     

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.     

基于GPS和COSMIC数据分析汶川地震TEC和NmF2扰动

使用相关方法和welch法计算功率谱密度研究汶川地震前后GPS TEC在时域和频域上的变化,并进一步分析N_mF2空间分布变化.得出主要结论, 震前5月9日开始TEC平常具有良好的相关性被打破,24 h全日波、12 h半日波成分功率谱密度幅度值变化明显.5月12日至6月11日N_mF2变化幅度明显增大.研究结果显示,TEC和N_mF2时空分布变化存在电离层震前扰动和同震响应, 并且TEC震后的异常变化相比震前更加显著.表明使用的方法可以有效检测到地震发生前后电离层异常扰动信号.     

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.     

利用地基观测对卫星观测电离层结构参数的定量验证研究

本文采用散点图、趋势线、相关系数及观测偏差等统计方法,利用COSMIC卫星和SPIDR提供的垂测仪观测的F₂层峰值电子密度数据,开展了综合统计及按季节、地方时和纬度的分类统计.统计结果显示:地基垂测仪与卫星观测到的相应的F₂层峰值电子密度数据具有很高的相关性,两者之间的相关系数高达0.95,相对偏差的平均值为-3.38%,标准差为19.54%.基于上述研究结果,提出了利用地面垂测仪观测数据验证卫星观测的电离层结构参数的方法,并给出了定性的判别依据和定量的判别标准,可在我国电磁监测试验卫星发射后,为F₂层峰值电子密度观测数据的真实性和有效性提供检验方法和保障.