北极区低电离层加热效应的数值模拟研究

从等离子体能量守恒方程和连续性方程出发,以国际参考电离层(IR I2000)和大气模型(MSIS)为背景,通过数值方法模拟研究大功率无线电波对北极低电离层的电子密度和电子温度的扰动效应。结果表明,在外加强电磁场作用下,电离层等离子体中的带电粒子(主要是电子)动力学温度得以升高而产生等离子体温度扰动;由于电子温度升高,等离子体碰撞频率增加且电子的复合系数减小,诱发电子密度扰动;电子密度和电子温度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动趋于饱和;电子密度扰动的弛豫时间较电子温度扰动的弛豫时间大;在泵波频率大于电离层临界频率的条件下,泵波频率越高,其激发的电子温度和电子密度扰动效应也就越弱。     

极区电离层F区加热激发极低频波研究

"极区电急流天线"辐射依赖于低电离层D/E区背景电急流,而高电离层F区极低频调制加热,可产生抗磁性电流,形成极低频波辐射源。利用电离层F区一维时变加热数值模型,采用全波解算法研究高纬Troms(69.59°N,19.23°E)地区电离层F区极低频调制加热。模拟结果表明,极区高电离层激发的极低频波与极区低电离层激发的结果不同。加热泵波的有效辐射功率(effective radiated power,ERP)、调制频率及电离层背景对极低频波强度有着重要影响。     

极区顶部电离层离子上行-DMSP卫星观测

本文利用DMSP卫星离子漂移速度测量数据,对高纬顶部电离层离子整体上行进行研究,主要考察平静时和磁暴期间离子上行强度与发生率随MLT(晨昏两侧)分布规律的变化;以及磁暴期间强的离子上行与等离子体对流及其剪切之间的关系。研究发现,磁暴期间强上行事件的发生率比平静期高近2倍,发生率的晨昏不对称性出现逆转,由平静时昏侧发生率较大变为磁暴期间晨侧发生率较大;磁暴期间晨侧离子上行速度的分布向速度高端加权,平均速度大于昏侧,最大上行速度远大于昏侧;强的离子上行往往与强对流剪切或强对流本身相伴随。     

极区电离层NmF2观测与国际参考电离层对比研究

利用南北极极隙区与极光带纬度3个台站对电离层F₂层峰值电子密度(N_mF₂)长达1个太阳活动周的观测数据,对国际参考电离层IRI-2016模型在极区的适用性进行系统的定量研究。结果表明,在极光带纬度的北极Troms?站,IRI预测与观测符合最好,大部分季节相对误差在40%以内,在太阳活动高年略好于太阳活动低年。在极隙区纬度的南极中山站和Longyearbyen站,IRI预测精度在太阳活动低年高于太阳活动高年。在中山站和北极Longyearbyen站仅个别月份相对误差在20%以内,大部分月份相对误差超过40%,冬季相对误差接近100%,特别是Longyearbyen站,在太阳活动高年冬季相对误差超过100%。从季节上看,3个台站都是冬季符合最差,夏季符合最好。IRI-2016模型对极区电离层进行预测时,难以如实反映极区等离子体对流和能量粒子沉降等极区特有的物理过程对极区电离层N_mF₂的影响。     

极区电离层与磁层-电离层耦合

本文利用欧洲空间局设在北极区的非相干散射雷达系统EISCAT的观测资料讨论磁层-电离层耦合。磁静日和磁暴期间的观测样本比较表明,磁层基本过程对极区电离层有重要影响。这不仅说明极区电离层可看作这些过程的“全景屏幕”,也表明在南、北极区(特别是磁共轭点)进行同时观测的重要意义。文中还对进一步的南极研究课题提出了一些建议。     

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。     

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。     

极区电离层TEC监测和发布系统

极区是研究各种高空大气物理现象和日地关系的理想场所,通过GPS获取的电离层TEC信息具有高精度、全天候、大范围等优势,所以利用GPS研究极区电离层有重要意义。本文所设计的极区电离层信息监测和发布系统,包含数据回传、数据处理、数据发布三个部分。数据回传包括卫星网络回传和格式转换。数据处理是利用每天回传的GPS双频数据,解算单站VTEC,解决了硬件延迟的求解问题,并用二次建模获得测站上空的VTEC,计算结果表明该方法能较好地给出电离层TEC的大小及变化规律。数据发布是通过中国极地科学考察管理信息系统提供实时的查询服务。     

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...     

极区夏季中层顶尘埃分层的锐边界结构研究

火箭探空实验观测结果显示,极区夏季中层顶尘埃等离子体分层中存在着稳定的锐边界结构。本文采用了流体力学方程组和尘埃粒子自洽电荷变化模型,从尘埃等离子体电动力学的角度出发,利用数值模拟研究了尘埃分层结构中尖锐边界形成的物理过程。物理分析和数值模拟结果表明,中层顶区域存在的带电冰晶粒子在等离子体及电磁力等相互作用下,很容易形成一种在时间和空间上存在长时间,稳定的局域结构,这个结构可以用来解释我们观测到的一些实验现象。     

极光区电离层扰动的两种类型

本文从ＥＩＳＣＡＴ探测资料分析确认，沉降粒子对极光区电离层的电离生成率有极重要的作用，但高能和低能粒子的有效电离高度范围完全不同，另一方面，磁层对流的增强却常使Ｆ层电子密度Ｎ下降，１９８５年１月２８～２９日期间出现Ｎ（Ｅ层）Ｎ（Ｆ层），且１４７ｋｍ以上Ｎ随高度增加而下降的典型扰动剖面。这是高能粒子和强磁层对流共同作用的结果。１９９３年２月１６～１７日期间，中午前后ＮｍＦ异常地增大，而Ｎ（Ｅ层）却无明显变化。这是与前者特征不同的另一类典型剖面。磁层内低能粒子（能量小于１ｋｅＶ）从极隙区沉降直抵电离层是使Ｆ层电子密度剧增的物理机制     

极地海洋边界层花粉初步研究

在中国第22次南极考察过程中,采用大容量悬浮颗粒采样器收集了雪龙船航线海洋边界层气溶胶样品。对采自热带、温带和南极的典型样品进行了花粉种类鉴定,并讨论了花粉的组成及分布特征。在此基础上,结合HYSPLIT大气输送和扩散模型,探讨了花粉的来源及其传输路径。     

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。     

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。     

2009年春夏季北极海冰运动及其变化监测

极地海冰对全球气候变化具有指示作用,北极海冰监测对全球气候环境变化研究意义重大。利用中国第3次北极科学考察（CHINARE-2008）长期冰站获取的海冰物质平衡浮标数据和MODIS影像对北极海冰运动及其变化进行监测。结果表明MODIS影像分类得到的海冰密集度效果较好,海冰与海水之间界线清晰。4月16日至30日长期冰站在自西北向东南的漂移过程中,海冰逐渐分裂,密集度下降,速度总体上不断减小。4月30日至5月19日期间海冰密集度变化比较大,尤其是5月8日,海冰密集度突然升高。结合对漂移轨迹的分析发现,这可能是受大风、洋流等因素影响,海冰产生回旋运动导致的。5月19日至7月6日海冰密集度上升,在格陵兰岛附近海冰运动受地形影响产生聚集现象,因此在该区域海冰密集度呈现上升趋势。     

极地浮游病毒的研究进展

本文对极地海洋病毒的国内外研究现状进行了扼要阐述,尤其是海冰融化对病毒的生态影响。内容包括极地海域的浮游病毒丰度、多样性及在碳循环中的作用研究,以及我国在极地科考中所进行的与浮游病毒相关的工作。并提出了今后在极地海域要解决的与病毒相关的科学问题。