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.     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

COSMIC掩星数据在平流层的温度特性验证

针对掩星技术的反演精度在上大气层(一般在35 km以上)的验证会受到限制,本文选用2007年1月、4月、7月和10月COSMIC掩星观测的月平均温度数据,与MERRA再分析场和ECMWF再分析场月平均温度数据进行比较,以不同的方式进行对比,主要对20～50 km COSMIC掩星温度资料进行精度和可用性的检验.结果显示...     

电离层残差对掩星反演温度精度的影响

本文以MSIS90大气模式和3D NeUoG电离层模式为大气背景,用三维射线追踪法模拟研究了太阳活动强度、地方时、掩星平面方位角对弯曲角电离层残差和温度电离层残差的影响,以及电离层残差对全球日平均温度的影响.结果表明：电离层残差是平流层顶部（35~50 km）和中间层底部（50~70 km）掩星大气温度反演的主要误差.在太阳活动活跃期,电离层残差对单一掩星事件的平流层顶部平均温度的影响可达1.8 K,中间层底部平均温度的影响可达7 K;对全球日平均温度的影响在平流层顶可达-0.6 K,在70 km高度处可达1.2 K.发展新的电离层改正方法或电离层残差修正算法对提高掩星大气反演精度和全球气候监测意义重大.     

基于“张衡一号”卫星的GRO掩星载荷数据分析

"张衡一号"电磁卫星于2018年2月2日成功发射,该卫星搭载的全球导航卫星系统无线电掩星(GRO)接收机具备了全球定位系统(GPS)卫星和北斗导航系统(BD)卫星的掩星观测功能。对在轨测试期间数据进行分析,GRO掩星电离层反演结果合理、趋势正确,每天能够探测600个左右的电离层掩星事件。对连续2个多月共3万多个GRO掩星事件进行全球覆盖性分析,并与美国COSMIC掩星反演结果对比,GRO掩星与COSMIC掩星均能实现全球覆盖并且N_mF_2和H_mF_2的全球分布情况相近,随着纬度而变化明显。利用不同纬度的3个数字测高仪对时空一致的GRO掩星数据进行对比验证和分析,GRO掩星的N_mF_2相对数字测高仪的相对RM_SE优于9.41%,相关系数优于0.868 2。H_mF_2的相对RM_SE优于7.80%,相关系数优于0.706 6。     

利用GRACE卫星精密微波测距确定星间平均电子密度

本文介绍如何利用GRACE两颗卫星之间K波段双频微波精密测距和轨道数据,得到星间平均电子密度.发展了一种将连续轨道电子密度极小对齐到零的方法,以消除整周模糊度;借助CHAMP卫星朗缪探针测量得到的轨道电子密度基值以及GPS掩星数据计算的等离子体垂直梯度标高,进一步修正了GRACE星间电子密度所固有的偏差;从而得到大约500 km高度上长达近十年的全球电子密度数据.为了检验消除偏差后GRACE星间电子密度数据的可靠性,对比了GRACE卫星过Millstone Hill雷达上空时,非相干散射雷达观测到的大致同时和相近位置的电子密度数据,结果显示,二者之间的线性相关系数为0.97,平均偏差为-7.26%,GRACE星间电子密度总体稍微偏低,偏差的标准差为18.6%.为进一步验证本文方法所得数据的可用价值,利用消除偏差后的电子密度数据,对GRACE卫星与CHAMP卫星在近乎相同的地方时而高度不同的近圆极轨道上飞行的情况下,两颗卫星观测到的电子密度随经度和纬度的全球分布进行了对比分析.多方面的对比检验证明,本文方法得到的几乎连续10年的GRACE高度上全球电子密度数据基本可靠,为电离层气候学与天气学研究提供了宝贵资料.     

应用经验正交函数估算顶部电离层电子密度剖面

本文基于IRI模型、地面数字测高仪和GNSS TEC数据,提出了一种利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,简称EOF)估算顶部电离层电子密度剖面的方法,并将其应用于美国Millstone Hill测高仪和GNSS数据以估算顶部电离层电子密度剖面.通过将估算的临界频率、峰值高度、400km以上电子密度分别与测高仪实测临界频率、测高仪实测峰值高度以及非相干散射雷达实测400km以上电子密度作对比以对方法的有效性进行验证.统计结果显示估算临界频率、峰值高度与测高仪实测数据基本一致,400km以上估算电子密度相较于非相干散射雷达实测的绝对误差平均值仅是测高仪推算400km以上电子密度绝对误差平均值的一半左右.所以本文提出的方法可以更加精确地估算顶部电离层电子密度.     

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.     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

Abel电离层掩星反演方法及误差分析

GNSS-LEO电离层无线电掩星技术是近年来发展的电离层探测新技术.为消除LEO轨道以上的电离层影响,改正TEC反演方法采用非掩星侧的观测数据进行电离层掩星反演.本文首次提出了一种新方法--基于历元差分的电离层反演方法;并将改正TEC与历元差分两种反演方法应用于模拟掩星观测数据反演,随后基于反演结果及误差分析得到一些有益的结论:历元差分反演精度较改正TEC反演精度均有所提高;不管是哪种方法,高轨(约800 km)反演结果要优于低轨(约500 km)的反演结果;随着剖面高度的降低,反演精度随之下降;反演误差主要集中在8至18时(当地时),主要分布在磁纬-30°至30°之间.     

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.     

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_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

近半个世纪以来发生在中国境内十次日食的电离层效应分析

本文总结了发生在中国境内的十次日食电离层效应的观测结果和理论解释,是已发表的讨论日食地磁效应的姊妹篇。从1936年6月19日到1981年7月31日的十次日食跨越了近半个世纪。本文讨论了下述问题:（1）各次日食的f₀E、f₀F₁、f₀F₂的变化;（2）电离层温度变化与暂态现象;（3）日食与E及扩展F层;（4）日食电离层效应与地磁日食效应的比较;（5）对今后开展日食工作的意见。本文主要论述我国学者的九次电离层效应的观测结果,不包括由于抗日战争中断的1941年9月21日的日食电离层效应的观测结果。