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.     

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.     

Athens地区电离层TEC、NmF2以及板厚

本文使用Athens站2001—2005年间电离层GPS/TEC和f_oF₂数据,分析了TEC、N_mF₂和电离层板厚τ日变化、季节变化特征以及与太阳活动的统计关系,得到以下结论:电离层TEC和N_mF₂具有相似的日变化特征,最大值出现在14∶00LT;TEC在2001和2002年白天出现"冬季异常"现象,N_mF₂在2001—2005年白天均出现该现象;电离层板厚τ主要分布在200~600 km,存在黎明峰和日落峰双峰结构,黎明峰一般出现在5∶00—6∶00LT,日落峰结构一般从日落后开始出现,在午夜前达到极大值;14∶00LT和2∶00LT时刻TEC、N_mF₂同太阳活动的关系呈现"线性"、"饱和"以及"放大"趋势,而τ则出现正、负及不明显的线性关系;最后,我们分析认为黎明峰归因于电离层TEC增加以及N_mF₂的减少,而日落峰主要是由TEC减少速度低于N_mF₂造成的.     

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.     

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.     

基于太阳活动“相似周”的第25太阳周期F10.7预报

太阳辐射指数F_10.7是衡量太阳活动强度的重要参数,在构建高层大气模型、电离层建模、空间通信等方面发挥着重要作用.为满足应用场景对F_10.7预报长期性、简便性的要求,本文研究了基于太阳活动“相似周”的F_10.7指数长期预报方法.利用历史周期的相似性构造F_10.7变化趋势预测线,并对其进行最小二乘拟合得到预报目标周期F_10.7长期变化趋势的公式.本文对相似周数据处理过程进行了系统性说明,并通过最小二乘拟合过程将经验公式法可量化、易表达的优势融入到“相似周”法中,建立的预报公式仅有时间参量,可简便而且准确地预报F_10.7.通过对第24周进行预报实验,得到以下结论：(1)该方法预报结果平均相对误差为12.69%,与现有经验公式62.08%的平均相对误差相比,精度显著提升;(2)在太阳周期内的大部分年份,该方法可较好地满足F_10.7长期趋势预报的需求,在太阳活动高峰年平均相对误差为16.82%,较现有经验公式精度提升一倍.进一步地,给出第25...     

武昌上空电离层夜间分层事件

本文研究了武昌上空与磁暴有关的电离层夜间分层事件。分层事件的主要特征是:f⁰F₂减小,h＇F₂、h_pF₂升高,F₂层峰下电子总浓度增加;变化均十分显著。 作者认为,分层事件似应是由沉降粒子所引起,并与极区亚暴具有密切关系。     

一次日食电离层效应模拟研究

用120°E经度链附近台站电离层垂测资料和一个二维低纬电离层理论模式探讨1995年10月24日日食电离层效应．在日食条件下只考虑日食区计算太阳EUV辐射减少．模式结果显示：（1）日食期间较低高度电离层光食效应显著,电子浓度跟随食分迅速变化,在食甚后浓度减少达到最大。较高高度电离层对日食响应延迟.（2）低纬地区日食日f₀.F₂比控制日低,而h_mF₂比控制日高．在低纬度地区日食带来的影响相对较大·（3）赤道附近h_mF₂食甚后有一突变,出现日食F₁.5层。（4）食甚后海口纬度附近F层受日食影响持久,而f₀F₂在赤道附近出现第2次下降．最后对低纬日食电离层效应的动力学因素进行了初步的讨论．     

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.     

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.     

中纬度电离层foF2潮汐的变化特性

本文通过对1960年以来全球磁纬度40°N至50°N内测高仪台站的观测数据进行研究,提取了电离层F₂层临界频率（f_oF₂）的潮汐,揭示了其变化特征及可能的形成原因.研究发现,周日和半日的迁移潮汐分量（即DW1和SW2）强度最大,并且显示出明显的年变化和半年变化.周日潮汐的3波分量（即DE3）作为典型的非迁移潮汐分量,相对较弱,显示出微弱的半年变化.在冬季,DW1和SW2与太阳活动指数（F₁₀₇）呈现正相关性,其相关系数分别大于0.88和0.65.相反,在夏季,DW1和SW2与太阳活动指数呈现负相关性,特别是SW2,其相关系数在6月份达到-0.72.在相对于纬向均值的归一化处理之后,上述潮汐强度和太阳活动指数之间的正/负相关性被显著增强/削弱.其中,归一化后的夏季DW1和SW2与太阳活动指数的相关系数达到-0.8.更加深入的讨论显示出上传的大气潮汐波动可能是电离层潮汐除了太阳辐射之外的重要驱动源,并且这种驱动机制在SW2中更加强烈.     

南极中山站与北极地磁活动相关性研究

本文利用南极中山站和新奥尔松（NAL）等5个北极站2000年9月到2003年3月共719天的地磁观测数据,以20 min间隔内地磁北向水平分量的互相关系数大于09为判据,对南北极地磁活动相关的发生率进行了统计,并与T89地磁模型得到的中山站共轭位置的分布进行了比较. 结果表明,南北极地磁活动相关的发生率与台站位置、季节、地方时和地磁活动性有着密切的关系. 在北极的5个台站中朗伊尔站（LYR）与中山站地磁相关的时间最多（占17%）;在两分季发生相关的情况比冬季和夏季多;在傍晚发生相关的情况最多,中午发生相关的情况最少;地磁活动较强时,相关的情况比地磁宁静时更多一些.     

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.