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.

     

基于GPS探测汶川地震电离层TEC的异常

利用球谐模型和中国地壳运动观测网络及IGS（International GNSS Service）基准站的GPS观测数据,分别计算了中国区域及全球电离层电子总含量（Total Electron Content,TEC）,采用了不同的统计分析方法,对汶川震中上空及邻近区域的TEC进行检查.结果发现：震前后一个星期,孕震区上空连续出现电离层异常扰动,其异常形态具有共轭结构,且呈现向磁赤道漂移趋势.     

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．     

基于单站多系统的GNSS硬件延迟估算方法及其应用

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems,GNSS）的不断发展,中国地区单个GNSS接收站在一个时刻可以接收到超过30颗GNSS卫星的信号,这为单站GNSS硬件延迟估算方法的研究提供了有利条件.本文首先通过GNSS硬件实验,分析了不同温度条件下GNSS系统硬件延迟的变化特征,研究结果显示：当温度快速变化时,硬件延迟变化比较剧烈,变化幅度可达12.53 TECU（1 TECU=10 ¹⁶el·m^-2）;在恒温条件或室温条件下,硬件延迟变化比较缓慢,变化幅度在1.00 TECU左右.在GNSS系统硬件延迟实验的基础上,充分利用单站多星观测的特点,提出了一种基于单站多系统的GNSS硬件延迟的估算方法——单站三角分解与差分消元法,并将该方法应用于河北保定站2015-2017年GNSS系统硬件延迟的求解中.通过对估算的GNSS系统硬件延迟进行分析显示：单站三角分解与差分消元法具有计算速度快、独立性好的特点;在北斗系统上硬件延迟的求解效果优于GPS、GLONASS系统,硬件延迟求解的结果整体上比利用欧洲定轨中心全球电离层地图校正的结果大2.50~3.00TECU左右;同时,该方法在消除GNSS系统硬件延迟后,获得的垂直总电子含量（Total Electron Content,TEC）能较好地反映电离层TEC的周日变化、日出增强、半年变化、年变化和春秋分不对称性等特征.

     

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．     

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f₀F₂、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_mF₂、F层虚高h'F和定性表征的厚度h_mF₂-h'F的周日、季节、太阳活动变化特征.研究表明：（1）兰州h_mF₂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_mF₂比低年白天高20~30 km.（2）在海口和昆明,h_mF₂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_mF₂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_mF₂-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B₀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.

     

中低纬地区电离层对CIR和CME响应的统计分析

本文利用中低纬日本地区(131°E, 35°N)GPS-TEC格点化数据,分析了2001—2009年间109个共转相互作用区(CIR)事件、45个日冕物质抛射 (CME)事件引起的地磁扰动期间电离层的响应.结果表明,电离层暴的类型随太阳活动的变化而有不同的变化,CIR事件引发的电离层正相暴、正负双相暴多发生在太阳活动下降年,负相暴多发生在高年,负正双相暴多发生在低年;CME事件引发的电离层正相暴和负相暴多发生在高年.CIR和CME引发的不同类型的电离层暴的季节性差异不大,在夏季多发生正负双相暴.电离层暴发生时间相对地磁暴的时延大部分在-6~6 h之间,但CIR引发的电离层暴时延范围更广,在-12~24 h之间,而CME引发的电离层暴时延主要在-6~6 h之间.中低纬的电离层暴多发生在主相阶段,其中CIR引发的双相暴也会发生在初相阶段.电离层负暴多发生在AE最大值为800~1200 nT之间.CIR引起的电离层扰动持续时间较长,一般在1~6天左右,而CME引起的电离层扰动持续时间一般在1~4天左右.     

高频加热中低纬电离层激励不稳定性研究

高频泵波加热电离层实验二维数值模拟结果显示,虽然背景电离层状态能够明显影响模拟加热结果,但是在大部分平静电离层状态下,模拟加热一段时间后,加热区域内电子浓度、电子温度会趋于稳定,这一结论已为实验所证实.然而部分模拟结果显示,当电离层电子浓度、电子温度空间结构满足一定条件后,过密加热中泵波反射区域,电子浓度、电子温度在加热机开关机后将产生不稳定的时空效果.激发该不稳定性的正反馈过程如下：当泵波反射区域内电子温度受到泵波加热上升后,其引起的等离子体膨胀导致该区域内电子浓度减小,受到电子温度、电子浓度变化的共同影响,电子能量方程中由于电子-离子碰撞导致的电子能量损失项减小,电子温度将进一步升高,一种正反馈机制建立.最后得到以下结论,当电离层电子温度剖面呈明显的双峰结构,被加热区域内电子温度较高,且电子-离子碰撞引起能量损失项成为电子主要的能量损失项后,一种不稳定性被激发,加热将产生更明显的电子浓度、电子温度的变化.以上条件在下午电离层更容易被满足.     

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。     

Prophet时序预测模型在电离层TEC异常探测中的应用

提出一种基于Facebook 开源的Prophet预测模型进行电离层TEC异常识别的新方法。 首先, 对比分析了该方法与传统时间序列预测方法(ARIMA模型等)预测电离层TEC建模背景值的精度, 以及与经典电离层TEC异常识别方法(滑动四分位法)提取前面对应一致的电离层TEC背景值的精度。 结果表明, Prophet预测模型预测建模背景值的精度要明显优于其他方法, 且预测的建模精度比ARIMA模型等方法高2.55倍左右, 比滑动四分位法高10.74倍左右。 同时, 在最佳预测建模区间时, 其精度值大小比较依次为RMSE_IQR=10.5841>RMSE_ARIMA=3.2780>RMSE_Prophet=0.8469, 说明传统探测法预测建模背景值时具有较大的不足。 随后, 以2017年8月8日九寨沟7.0级地震为例, 利用该方法分析了电离层TEC异常扰动情况, 并对比验证了该方法的有效性和准确性。 实验结果表明: 在震前第10 d和第2 d电离层TEC发生较为明显的负异常, 第7 d电离层TEC发生较为明显的正异常。 对比实验表明, Prophet预测模型的有效性和准确性明显优于滑动四分位法。     

The structure of the mid- and high-latitude ionosphere during the November 2004 storm event obtained from GPS observations

GPS data from the International GNSS Service (IGS) network were used to study the development of the severe geomagnetic storm of November 7–12, 2004, in the total electron content (TEC) on a global scale. The TEC maps were produced for analyzing the storm. For producing the maps over European and North American sectors, GPS measurements from more than 100 stations were used. The dense network of GPS stations provided TEC measurements with a high temporal and spatial resolution. To present the temporal and spatial variation of TEC during the storm, differential TEC maps relative to a quiet day (November 6, 2004) were created. The features of geomagnetic storm attributed to the complex development of ionospheric storm depend on latitude, longitude and local time. The positive, as well as negative effects were detected in TEC variations as a consequence of the evolution of the geomagnetic storm. The maximal effect was registered in the subauroral/auroral ionosphere during substorm activity in the evening and night period. The latitudinal profiles obtained from TEC maps for Europe gave rise to the storm-time dynamic of the ionospheric trough, which was detected on November 7 and 9 at latitudes below 50°N. In the report, features of the response of TEC to the storm for European and North American sectors are analyzed.     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12-16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4-5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5-8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

基于非相干散射雷达和GPS观测研究Millstone Hill地区等离子体层电子含量

本文尝试结合非相干散射雷达和GPS TEC观测数据提取等离子体层总电子含量(PTEC).我们首先描述所用的技术方法,然后具体利用了Millstone Hill台站的观测数据研究该地区上空等离子体层总电子含量(PTEC)的变化情况.我们采用变化标高的Chapman函数对非相干散射雷达测得的电子浓度剖面数据进行拟合,然后通过对剖面积分得到100 km到1000 km高度范围的电离层总电子含量.GPS提供的TEC数据为高度达20200 km的总电子含量,两者之差可近似看成等离子体层的电子含量.本文分别选取太阳活动高年(2000, 2002年)和太阳活动低年(2005,2008年)Millstone Hill台站的静日数据进行研究.结果表明,等离子体层电子含量及其所占GPS TEC的比例具有明显的周日变化.PTEC含量在白天高于夜间,而所占GPS TEC的百分比,夜间明显高于白天.太阳活动高年所选月份等离子体层电子含量在4~14 TECU (1TECU=1016el/m2) 范围内变化,夜间所占比例可达60%左右.太阳活动低年所选月份等离子体层电子含量在3~7 TECU范围内变化,所占比例夜间最高可达80%左右.我们所得到的结果与前人基于其它观测手段所得结果在变化趋势上一致,在量级上也大致相当.因此,这从一个侧面证明了我们所用方法的可靠性.非相干散射雷达能够探测包括F2层峰值以下及以上高度的电子浓度,利用这一设备所观测得到的资料来推算电离层电子含量将比前人基于电离层垂测仪观测资料进行的推算更具真实性,由此得到的等离子体层电子含量也将更为接近真实情况.     

基于GPS技术实时监测2009年7月22日日全食期间长三角区域电离层TEC变化

2009年7月22日上午发生的日全食是21世纪持续时间最长的日全食,其全食带覆盖了中国中部的长江流域,为研究日全食对电离层的影响提供了一次难得的机会.为此本文通过卡尔曼滤波算法实现了实时求解TEC和GPS系统硬件延迟,为实时监测日全食期间电离层变化提供了绝对的电离层TEC.采用上海和浙江区域内GPS网的观测数据,建立了实时区域电离层延迟模型,进而计算出了实时的VTEC和TEC变化率.同时考虑太阳和地磁活动参数,综合上述方法详细分析和讨论了长三角区域在此次日全食期间的TEC变化的电离层异常现象.     

Investigation of Lushan earthquake ionosphere VTEC anomalies based on GPS data

Vertical total electron content （VTEC） time series were obtained from 22 GPS stations near the epicenter of the Lushan earthquake. In this paper, we have adopted a sliding average method to detect and analyze anomalous VTEC associated with the earthquake. The results show that signif- icant, negative ionosphere VTEC anomalies appeared over the 5 days before the earthquake, and on the day when earthquake occurred. The maximum value of VTEC anoma- lies that exceeded the lower bound reached 20 TECU. The spatial distribution of VTEC anomalies showed a conjugate structure, which shifted to the magnetic equator, and subse- quently moved westwards.     

Investigation of Lushan earthquake ionosphere VTEC anomalies based on GPS data

Vertical total electron content (VTEC) time series were obtained from 22 GPS stations near the epicenter of the Lushan earthquake. In this paper, we have adopted a sliding average method to detect and analyze anomalous VTEC associated with the earthquake. The results show that significant, negative ionosphere VTEC anomalies appeared over the 5 days before the earthquake, and on the day when earthquake occurred. The maximum value of VTEC anomalies that exceeded the lower bound reached 20 TECU. The spatial distribution of VTEC anomalies showed a conjugate structure, which shifted to the magnetic equator, and subsequently moved westwards.     

火星电离层电子浓度昼夜变化特性研究

本文利用MAVEN卫星Langmuir Probe and Waves（LPW）仪器的在轨电子浓度探测数据,研究了火星电离层电子浓度随太阳天顶角（Solar Zenith Angle,SZA）的变化以及昼夜电子浓度变化的异同.基于2014年至2017年期间MAVEN的电子浓度数据,我们发现：在200 km以下,白天电离层电子浓度主要受光化学平衡控制,由于白天光电离过程使得昼夜电子浓度差异较大,此时电离层昼夜传输能影响到的最大范围约在SZA=110°;而在200 km以上,白天电离层受输运过程控制,此时昼夜电子浓度差别较小,电离层昼夜间电子浓度变化较为缓慢.通过研究MAVEN在deep-dip（低高度深入探测）期间的电子浓度数据,我们发现火星磁场会显著影响夜间200 km以下的电子浓度分布结构,强磁场中闭合磁力线对电子沉降过程的阻碍作用使得在夜间该区域的电子浓度小于相邻区域.同时,通过比较deep-dip期间昼夜电子浓度随高度的变化,发现夜间电子沉降作用的影响可能主要集中在160 km以下.

     

Effects of the August 11, 1999 total solar eclipse as deduced from total electron content measurements at the GPS network

We present the results derived from measuring fundamental parameters of the ionospheric response to the August 11, 1999 total solar eclipse. Our study is based on using the data from about 100 GPS stations located in the neighborhood of the eclipse totality phase in Europe. The eclipse period was characterized by a low level of geomagnetic disturbance (D_st-variation from −10 to −20 nT), which alleviated significantly the problem of detecting the ionospheric response to the eclipse. Our analysis revealed a well-defined effect of a decrease (depression) of the total electron content (TEC) for all GPS stations. The delay between minimum TEC values with respect to the totality phase near the eclipse path increased gradually from 4 min in Greenwich longitude (10:40 UT, LT) to 8 min at the longitude 16° (12:09 LT). The depth and duration of the TEC depression were found to be 0.2–0.3 TECU and 60 min, respectively. The results obtained in this study are in good agreement with earlier measurements and theoretical estimates.     

武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心（Wuhan University,WHU）正式成为新的国际GNSS服务组织（International GNSS Services,IGS）电离层联合分析中心（Ionosphere Associate Analysis Center,IAAC）.本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来（2016年1月到2018年9月,太阳活动低年）的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs（CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS）进行了比较分析.结果表明：WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.