南北极冬季F2层电离层特性对比研究

利用南极中山站和北极Tromso站1996、1997、1998及2002年的测高仪观测数据,对中山站(6月份)和Tromso站(12月份)上空冬季foF2的日变化特性进行了对比研究,结合数值模拟结果,分析了中山站和Tromso站F2层电离层的极区特征,进一步揭示了极区电离层特征的形成机理。结果表明,中山站和Tromso站虽然地理纬度接近,foF2日变化形成机理不完全相同。由于地磁纬度的差异,极区对流与日侧光致电离的相互作用造成了两站日侧电离层的不同变化形态,中山站foF2日变化主峰出现在磁地方时中午附近,而Tromso站foF2日变化主峰出现在地方时正午附近;两站日侧foF2受太阳辐射流量影响较大,极光沉降粒子电离在太阳活动低年对中山站foF2日变化形态影响显著。     

太阳活动低年南北极电离层F2层观测与国际参考电离层对比研究

利用2006-2007年EISCAT Svalbard雷达(ESR)和南极中山站DPS-4测高仪的观测数据,对太阳活动低年不同季节的极区电离层F2层临界频率(f0F2)和峰值高度(hmF2)进行统计分析,研究其日变化特征,并与国际参考电离层IRI-2007模式比较.结果表明,在太阳活动低年,夏季两站的观测结果与IRI预...     

极区ELDI随太阳活动的变化特征—— EISCAT/ESR雷达观测

利用1999—2011年EISCAT(EISCAT Tromsø UHF)和ESR(EISCAT Svalbard Radar)雷达的场向电子密度观测数据, 对比分析了两处雷达观测到的极区E层占优电离层ELDI (E-Layer Dominated Ionosphere)事件在太阳活动高、低年的统计特征。地面雷达观测表明, 太阳活动水平对极区ELDI发生率的空间分布影响显著: 在太阳活动高年, ELDI在EISCAT雷达处(极光椭圆区纬度)的发生率高于ESR雷达处(极尖/极隙区纬度); 在低年则恰好相反。夏季似乎不利于ELDI的发生, 且在该季节的变化特征不受太阳活动水平及空间位置变化的影响。两部雷达在太阳活动高年观测到ELDI的季节变化规律分别与低年期间的结果相一致: 在冬季和早春, ELDI的发生率较高, 其他季节发生率较低, 夏季尤其低。在ELDI事件期间, 两处雷达观测到事件的持续时间和电离层E层厚度随太阳活动水平的变化表现出明显差异: 高年事件的持续时间总体上比低年短, 低年观测到ELDI的厚度要小于高年结果; 然而N_mE/N_mF₂比值及H_mE却没有表现出明显依赖。     

极隙区纬度太阳活动高年背景电离层特征

本文利用 EISCAT-Svalbard 雷达1999年3月至2003年2月期间观测数据,对太阳活动高年前后极区电离层 F 区电子密度随高度和地方时的二维分布进行统计分析,研究极隙/极盖区背景电离层特征,并与 IRI-2001模式预测结果进行比较。分析结果表明,在 ESR 雷达所在纬度,不存在“冬季异常”现象;但首次发现,此处电离层冬季日变化存在磁午夜前主极大。另外,无论在什么季节,白天时段 ESR 雷达上空电子密度都在磁正午附近有一极大值。与 IRI 模式的比较表明,模式预测的 F 区电子密度与 ESR 实测结果存在较大偏差,在500km 高度以上的顶部电离层和冬季,差别尤其明显。简要讨论了软粒子沉降对造成电子密度日变化磁正午极大的作用和冬季磁午夜前主极大的形成机理。     

极区极夜期间E层占优电离层的分布特征

E层占优电离层是指E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度（N_mE>N_mF）时的电离层,记为ELDI（E-Layer Dominated Ionosphere）。针对ELDI,利用2007-2010年的COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite)掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计分析了它在南北极区极夜期间（南北半球的冬至日前后30天）的分布特征,结果表明极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,特别是磁子夜之后,北极为70%左右,而南极为90%左右;另外南极的ELDI特征在磁纬度分布上要略宽于北极的分布范围。在ELDI高发区,电离层峰值电子密度要高于其两侧地区,特别是在夜侧,尤其是磁子夜前的峰值电子密度要接近甚至大于磁正午的峰值电子密度,在南极地区格外明显;而且ELDI高发区内的E层的电子含量（TECE）、电离层总电子含量（TECI）及TECE占TECI的比重（TECEI）都高于其两侧地区,北极TECE和TECI大于南极,而TECEI则是南极大于北极。这些现象主要是由于极夜期间极区高能粒子沉降引起底部电离层电离率增大所致;同时,由于地磁轴偏离地理轴的程度在南极要大于北极,使得极夜期间南极地区的电离层的电子密度,特别是在F层要相应地小于北极地区,从而导致了极夜期间南北半球极区电离层ELDI特征之间差异。     

太阳活动对中山站F2层峰值电子浓度的影响

利用中山站1995-2006年的电离层垂测数据统计分析了当地电离层F2层峰值电子浓度（N_mF2）对太阳活动变化的依赖性,研究发现在中山站N_mF2月中值随修正太阳10.7厘米通量指数F10.7P增大而增大,其饱和或放大趋势不明显。除冬季12-16 UT、20-2 UT与夏季2-11 UT以外的绝大部分时刻,两者具有良好的线性关系。N_mF2月中值随F10.7P变化斜率随季节、地方时而变化。在日变化中,N_mF2随F10.7P变化斜率极大值出现在磁中午附近,明显大于其他时刻,在夜侧变化斜率整体较小,且在分季和冬季的夜侧以及夏季全天,其斜率随地方时变化不大。在年变化中,日侧斜率最大值出现在两分季,冬季次之,夏季最小;而夜侧斜率在夏半年（10月-3月）整体上要大于冬半年（4月-9月）。结合中山站位于极隙区纬度的特殊地理位置,分析了上述N_mF2变化特征的可能原因。     

中国极区高空大气物理学观测研究进展

中国南极长城站、中山站、昆仑站和北极黄河站有着独特的地理位置,非常适合于开展极区高空大气物理学的观测研究.回顾中国极地考察研究近30年历程,综述极区高空大气物理学研究方面取得的主要进展,他们是:在南极中山站和北极黄河站建立了国际先进的极区高空大气物理共轭观测系统,实现了极区空间环境的连续监测;在极区电离层、极光和粒子沉...     

南极中山站冬季电离层的平均特性

本文利用南极中山站的数字式电离层垂直测高仪１９９５年的频高图资料，对中山站上空冬季电离层的一些平均特性进行了初步分析。中山站冬季电离层Ｆ层很不稳定，其日变化比较明显，ｆｏＦ２的月中值在０９００ＵＴ出现极大并在１４００ＵＴ附近出现次极大。最大值在０９００ＵＴ（磁中午）附近，这是极隙区软电子沉降、极区等离子体对流和光辐射电离效应等诸多因素综合作用的结果，形成了所谓的磁中午异常。在２０００～０１００ＵＴ之间ｆｏＦ２数值较小，可能是由于这段时间中山站正处于电离层极洞区域。Ｅｓ层几乎每天都可以观测到，在１７００ＵＴ附近出现机率较高，并且ｆｏＥｓ数值较大，多数为极光型Ｅｓ，主要是由于极光粒子沉降引起的。电离层Ｅ层的变化相对平缓。     

南极中山站极区空间环境观测系统

中国南极中山站位于极隙区纬度,可以观测到丰富的日地能量传输过程的电离层征兆和极光现象,非常适合开展极区空间环境观测研究。自1989年开始建设以来,中山站极区空间环境观测系统经历了观测设备的不断完善和发展,现已建立了涵盖地面极光、电离层和地磁观测多要素、多手段的自主观测体系,实现了极区空间环境的连续监测并建立了数据库。所有观测设备的运行状态可实时监控,地磁、宇宙噪声吸收等数据实现了准实时远程传输。最后展望中国极区空间环境观测研究的发展前景。     

南极中山站的f_0F2特征

本文利用电离层数字测高仪 (DPS - 4)所测的f0 F2和从美国NOAA和DMSP卫星观测估算的半球功率指数和午夜极光区赤道侧边界纬度等资料 ,考察中山站电离层的极区特征。结果表明 ,冬季中山站电离层内的电离生成主要取决于从磁层沉降的粒子。在太阳活动和地磁变化宁静环境下 ,磁正午极隙区内的软粒子是最主要的电离源 ,它能使f0 F2达全天的最大值 ;上、下午各有数小时处于极光带内时 ,高能粒子的电离作用也很重要 ;夜间进入极盖区后 ,电子密度则很低。夏季太阳辐射电离效应使f0 F2值比冬季增加 1- 1 .5MHz,而其日变化的最大值时间也提前了 1- 2hr。发生很大扰动时 ,极隙区和极光带的位置均向低纬方向移动。若中山站日间也处于极盖区内时 ,电子密度会大幅度下降 ,并常接收不到电离层回波的信号。在中等扰动环境下情况更加复杂。由于高纬电离层对流速度很高 ,离子 /中性分子间的碰撞复合系数就很大。热层中性大气全球经向环流对高纬电离层电子密度的增加无显著作用。磁暴期间中午从极隙区向南的等离子体对流对中山站f0 F2的增高也无明显影响。     

极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究

利用一维自洽的时变极区电离层模型,研究极隙区极光粒子沉降对极区电离层F层电子密度影响的时变过程。假设一维时变电离层模型描述的磁流管中F层等离子体在对流作用下经过极隙区,随对流路径的不同,磁流管在极隙区经历的时间不同,以此考察极光粒子沉降作用下电离层随时间的演化过程。数值计算结果表明,当磁流管在极隙区停留的时间足够长,F层电子密度能显著增大。然而在磁流管经历极隙区实际时间较短的情况下,极隙区极光粒子沉降对F层电子密度的影响并不大。本文还给出了统计对流模型作用下磁流管在经历极隙区时,有沉降粒子作用和没有沉降粒子作用两种情况下,F层等离子体的时间变化过程的差异。     

基于DPS和GPS的南极中山站电离层TEC比较研究

基于南极中山站数字式电离层测高仪DPS-4D和GPS-TEC电离层闪烁监测仪的观测数据,比较研究了两者在2013年所得电离层总电子含量(TEC)随太阳辐射和地磁活动的日变化和季节变化特征。比较结果表明,南极中山站上空电离层TEC存在明显的极区电离层变化特性,这种变化特性大体与太阳辐射成正相关关系,而与地磁活动成负相关。尽管电离层TEC变化具有明显的晨昏不对称性,但都能有效地被DPS-4D和GPS TEC监测仪的数据计算获得,且两者相关系数达到0.86。结合中山站所处的极区电离层位置,考虑太阳辐射电离和地磁活动影响下的极区电离层对流以及中性大气成分改变,初步分析了DPS和GPS所得TEC结果有所差异的原因。     

GNSS广播电离层模型在极区的改正效果分析

电离层时延为GPS测量中最棘手、最严重的误差源,而极区结构复杂波动较大,电离层延迟极大影响了GPS测量精度,故在极区选取一个简单有效的电离层模型极为重要。将GPS及BDS采用的不同Klobuchar模型以及Ne Quick模型计算的极区总电子含量,以欧洲定轨中心提供的GIM模型电离层产品作为参考标准,研究三种广播电离层模型在北极地区的均方根和模型改正率。选取了2009—2013年共计5年的时间数据进行分析。结果表明,纬度在57.5°以上地区电离层改正GPS系统采用的Klobuchar模型基本不适用,但改正效果依然优于BDS,而Ne Quick模型改正效果弱于中低纬度,改正率整体在40%左右。     

不同行星际磁场条件下极向运动极光结构的多手段联合观测

本文利用北极黄河站三波段全天空成像仪（ASI）的高分辨率的地面极光观测数据,联合欧洲非相干散射雷达（EISCAT）Svalbard雷达（ESR）,超级双子极光雷达网（SuperDARN）雷达等观测,研究了发生在2003年12月22日0900-1010 UT时间段内极区电离层极光和等离子体的变化特征。研究发现在不同行星际磁场（IMF）条件下,黄河站极光ASI均观测到了一系列极向运动极光结构（PMAFs）,其特征为极光在赤道向一侧点亮后向高纬扩展。这些PMAFs都伴随有明显的粒子沉降特征,且在IMF北向时该粒子沉降能达到更低的电离层E层区域,而此时这些PMAFs相应位置的高纬电离层出现了一个典型反向对流涡,这是高纬（尾瓣）重联的典型特征之一。这些结果表明北向IMF条件下的这些PMAFs是由高纬重联所产生。在IMF南向时,黄河站观测到的PMAFs可跨越更广的地磁纬度,表明其演化时间亦较长,其相应区域的电离层特征也表明该PMAFs由日侧磁层顶低纬磁重联所产生。     

基于South Pole站和McMurdo站的极区电离层闪烁统计特性

利用South Pole和Mc Murdo两站2013年12月至2014年11月期间的电离层相位闪烁数据,统计分析了两站电离层相位闪烁发生率的周日分布和季节分布。统计结果表明,两站的相位闪烁发生率在季节分布上,春秋季明显大于夏冬季;在周日分布上呈双峰结构。在磁中午附近和磁子夜后有较大的闪烁发生率。磁中午附近是因为极隙区的软电子沉降和电离层对流导致的电离层不均匀性,造成较强的无线电波闪烁;磁子夜附近闪烁增强可能是穿越极盖区的等离子体云破碎造成较大密度梯度导致。总体上说,Mc Murdo站的闪烁发生率高于South Pole站,这可能是因为它们所处的磁纬不同所致。     

极隙区Pc3频段脉动的传播特性

南极中山站和戴维斯站 (不变磁纬 74.5°S)白天中午位于磁层极隙区 ,夜间位于极盖区或极光带的极向边沿。两站均安装了完全相同的感应式磁力计。选择两站 1 997年 3月和 1 996年 6、9、1 2月的数据 ,运用快速傅立叶变换和波形检查方法选择 Pc3频段脉动事件 ,然后用信号互谱技术进行统计分析 ,结果如下 :在中山站 -戴维斯站 ,Pc3频段脉动主要出现于白天中午 /磁中午和磁午夜附近 ;白天 ,Pc3频段脉动振幅、出现率和出现的时间范围均有一定的季节变化 ,冬季最小 ,但在夜间 ,Pc3频段脉动没有这种变化 ;夜间 ,Pc3频段脉动振幅比在白天大许多 ;Pc3频段脉动传播方向 ,白天主要向西 ,夜间不太规则。这些可能反映了电离层电导率和日侧电离层电流系统对 Pc3频段脉动的影响。     

北极苔原Ny-?lesund地区短期气候特征

利用我国北极黄河站所在地,德国Koldwey站1994-2003年的逐时常规气象资料,对北极苔原Ny lesund地区短期气候特征进行了初步分析。结果表明,由于受北大西洋暖流的影响,该地是北极同纬度温度最高的地区。岛上气候温暖湿润,即使在隆冬季节,日平均气温都可以升至0℃以上。全年平均风力较小,以东南(SE)风居多。该地区平均增温速度为0. 68℃/10a,是北极增温较快的地区之一。与同期我国北冰洋浮冰区考察数据相比较,Ny lesund气候更温暖湿润,风速要小得多。在Ny lesund地区,美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的近地面气温的再分析结果,与Koldwey站实测常规地面资料相比,在冬季基本一致,而在夏季则差异较大。     

北极苔原Ny-lesund地区短期气候特征

利用我国北极黄河站所在地,德国Koldwey站1994—2003年的逐时常规气象资料,对北极苔原Ny lesund地区短期气候特征进行了初步分析。结果表明,由于受北大西洋暖流的影响,该地是北极同纬度温度最高的地区。岛上气候温暖湿润,即使在隆冬季节,日平均气温都可以升至0℃以上。全年平均风力较小,以东南(SE)风居多。该地区平均增温速度为0. 68℃/10a,是北极增温较快的地区之一。与同期我国北冰洋浮冰区考察数据相比较,Ny lesund气候更温暖湿润,风速要小得多。在Ny lesund地区,美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的近地面气温的再分析结果,与Koldwey站实测常规地面资料相比,在冬季基本一致,而在夏季则差异较大。     

极隙区纬度Pc1-2波的统计分布特征

利用南极中山站和戴维斯站观测的感应式磁力计数据,运用互谱分析方法统计分析了2004年3、6、9、12月的Pc1-2波事件,研究了Pc1-2波出现频次、中心频率和振幅对季节和磁地方时的分布。结果共获得有效Pc1-2波事件2932件,其中,出现在3、9月较多,分别占51.4%和26.1%,12月次之,占18.6%,6月最少,占3.8%。两站的Pc1-2波事件有59.8%出现在磁中午(0800—1000 UT)附近,且在午后靠近磁中午的时候Pc1-2波的中心频率比在午前靠近磁中午的时候大,振幅则在0800 UT时出现最大值;此外,在6月,Pc1-2波的平均中心频率最大,而平均振幅则最小。这些结果表明,极隙区纬度Pc1-2波的传播在很大程度上受电离层电导率的影响。     

塔克拉玛干沙漠地区温压湿分布规律研究

根据塔克拉玛干沙漠周围近20个气象测站36 a冬季(1月)、夏季(7月)平均气温、气压、相对湿度和塔克拉玛干沙漠地区6个短期观测站近10 a的有关气象资料,对该地区冬、夏季平均温度、相对湿度、气压分布规律进行了系统研究,建立了冬季(1月)平均温度、夏季(7月)平均温度预测方程:T₁=31.0069-0.2038λ-0.4556h-0.003H;T₇=57.0155-0.6425h-0.0055H。同时,在此基础上,应用统计学导出的正态分布和U分布概率模式,预测了塔克拉玛干沙漠周围各测站冬夏季不同概率的设计值,并进行了χ²检验,通过率100%。以预测方程和概率模式揭示了塔克拉玛干沙漠地区冬夏季温、压、湿分布规律。