我国极区冬季电离层加热实验研究

通过对非相干散射雷达观测数据的处理分析,研究了2008年1月我国在挪威Troms进行的冬季电离层加热实验效应.研究结果表明,电离层临界频率大于泵波频率的O波加热事件扰动效应明显,电子温度存在60%~120%的增强,扰动范围从150 km一直延伸到400 km,电子密度扰动不显著,最大可以观察到12%的密度衰减.受加热影响,离子声波频率有1~2 kHz的增加,离子线谱峰谷比增加,有时伴随有高阶谐振线出现.离子线和等离子线功率存在过冲现象,等离子线的功率剖面存在单峰、双峰和三峰结构,等离子线的功率增强幅度随频率负指数衰减.     

极区冬季电离层加热实验研究（三）——低电离层分析

使用低电离层加热条件下,非麦克斯韦碰撞等离子体非相干散射的理论模型,我们对我国2008年1月进行的极区冬季电离层加热实验进行了分析.分析结果表明,本次实验在低电离层区域得到了显著的电子温度增强现象,最大增幅百分比达到了168.9%.基于上述理论模型,我们进一步反演了非麦克斯韦指数,并由其计算出了加热电场强度,这对电离层加热的精确数值仿真有着重要的意义.     

极区电子沉降对电离层影响的模拟研究

在极区电离层模式中,考虑了软电子沉降引起的电离,并对差分方法的应用提出了改进意见.模拟了不同特征的沉降电子对极区电离层的影响,发现平均能量低的电子束能够形成明显的电离层F层,平均能量较高的电子束能使得最大电离的高度下移,形成明显的E层,甚至其电子浓度高于F层.将电子沉降的卫星测量结果作为电离层模型的输入,所得F层临频与观测结果符合较好.通过分析中山站电离层统计结果,综合电子沉降在极隙区的分布特征和上述模拟结果,认为中山站磁中午现象主要由电子沉降所致.     

极区电子沉降对电离层影响的模拟研究

在极区电离层模式中,考虑了软电子沉降引起的电离,并对差分方法的应用提出了改进意见.模拟了不同特征的沉降电子对极区电离层的影响,发现平均能量低的电子束能够形成明显的电离层F层,平均能量较高的电子束能使得最大电离的高度下移,形成明显的E层,甚至其电子浓度高于F层.将电子沉降的卫星测量结果作为电离层模型的输入,所得F层临频与观测结果符合较好.通过分析中山站电离层统计结果,综合电子沉降在极隙区的分布特征和上述模拟结果,认为中山站磁中午现象主要由电子沉降所致.     

极区电离层对流速度的浅层神经网络建模与分析

电离层对流是太阳风与地球磁场相互作用下驱动的磁层大尺度对流循环与对流电场在极区电离层的映射, 与行星际磁场-地球磁场耦合系统息息相关.本文基于SuperDARN(Super Dual Aurora Radar Network)分布在北半球的23部高频相干散射雷达获取到的二维电离层对流速度对其进行建模研究.模型输入为行星际磁场三分量、太阳风速度、太阳风密度和地磁指数六个空间物理参数, 模型输出为二维对流速度.模型选择两种广泛应用于空间物理建模的浅层神经网络即广义回归神经网络(General Regression Neural Network, GRNN)和误差反向传播(Back Propagation, BP)神经网络.实验结果显示, GRNN模型和BP模型的速度幅值均方根误差分别为174.96 m·s^-1和234.21 m·s^-1, 速度方向角均方根误差分别达到62.30°和88.07°, 相比于对流速度最大值2000 m·s^-1和360°的方向角范围来说, 其误差是可以接受的.外推性实验结果显示, 在第24个太阳周期时, GRNN模型和BP模型的速度幅值均方根误差分别为305.35 m·s^-1和738.15 m·s^-1, 速度方向角均方根误差分别为82.01°和90.56°.实验结果表明, GRNN在时间外推性上的效果优于BP神经网络, 更适用于预测对流速度.我们发现在四种典型空间环境条件下, 利用GRNN模型预测的瞬时对流速度来构建的全域对流模式与现有统计模型构建的对流模式相似, 从而验证预测的对流速度可以用于分析瞬时极区电离层对流.

     

曲靖非相干散射雷达电离层F区日间电子温度变化特征初步分析

利用曲靖非相干散射雷达2017—2018年春夏季观测数据首次分析了电离层日间150～450km电子温度的地方时与高度变化特征及其与电子密度的相关性.发现hmF2及以上的电子温度在日出日落时具有两个峰值,在11∶00—16∶00LT之间变化较小,高度越高午后上升的时间越早;从150km开始迅速增加,在约220km达到最大值,然后开始降低,在约300～350km达到最小值,最后单调上升;200km以下电子温度与电子密度成正相关(主要由热传导控制),200～450km之间存在明显的反相关(光电离过程占主导),电子-离子温度差与电子密度对数之间存在近似线性关系,电子温度逐日变化与光电离因子的变化趋势相似,这种相关性在中午与午后更明显;以上结果与其他非相干散射雷达观测和电离层模型计算结果基本一致,但也存在一些差别,需要结合更多数据深入分析.     

基于Millstone Hill非相干散射雷达观测的电离层电子浓度剖面的经验正交函数分析

本文利用经验正交函数（Empirical Orthogonal Function,简称EOF）方法分析了Millstone Hill非相干散射雷达（Incoherent Scatter Radar,简称ISR）近三个太阳黑子周期（1976年2月～2006年4月）的实测电离层160～700 km的电子浓度剖面资料,并分别用Chapman-α函数拟合了平均电子浓度剖面和带有均值的前三阶EOF级数．结果表明：电子浓度剖面的EOF级数的第一阶项主要控制F2层峰值浓度NmF2,第二阶项同时控制F2层的峰高hmF2和等效标高Hm,第三阶项主要控制等效标高Hm．进一步分析了对应的EOF系数的周日变化、季节变化和太阳活动周期变化,这些变化反映了NmF2,hmF2,Hm的气候学变化规律,例如电离层的冬季异常、半年异常等．EOF方法在级数展开方面收敛速度快,很少数低阶项即能反映电子浓度剖面的主要变化,因此可用于提取出电子浓度剖面的主要分布特征及其周日变化与气候学变化特性,并可用于进一步构建相应的经验模式．     

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SAMI2模式的电离层加热模拟

通过在SAMI2模式的电子能量方程中添加人工加热项,数值模拟了在加热条件下磁场线上电子温度与电子密度的扰动情况,并对比了不同加热条件下的扰动效应.结果表明,入射到电离层中的大功率无线电波与等离子体相互作用,能够有效造成整条磁场线上电子温度的升高而产生电子温度扰动,尤其是加热点处,温度可增加3倍多;由于电子温度升高,压力平衡受到破坏,引发等离子体扩散进而导致电子密度扰动;电子密度扰动使得垂直于磁场线的电子密度梯度发生变化,这有可能形成电离层管（Ionosphere duct）;电子温度和电子密度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动逐渐趋于稳定.电子温度与密度的扰动与加热率存在一种非线性关系.     

南京地区低电离层加热效应的初步模拟

从电子能量方程和连续性方程出发,利用国际参考电离层(IRI-2007)和中性大气模型(NRLMSISE-00)得出背景参数,数值计算了大功率无线电波加热南京地区低电离层的电子温度和电子密度扰动幅度,并对比了不同加热条件下的电离层扰动效应.结果表明,大功率无线电波入射到电离层后,与等离子体相互作用,能够有效造成电子温度的升高而产生电子温度扰动;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,导致电子密度扰动;电子温度和电子密度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动逐渐趋于饱和;电子温度扰动的弛豫时间尺度为微秒量级,电子密度扰动的弛豫时间尺度为毫秒量级;在欠密加热条件下,X波模比O波模更容易吸收.     

电离层加热实验中超强电子密度增强特征

2011年11月利用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)的大功率加热设备和诊断设施开展了挪威高纬度地区电离层加热实验. 在此次加热实验中, UHF雷达探测到了十分明显的电子密度增强现象, 反射高度附近电子密度最大增幅可达269.3%, 而在远离谐振区的300~500 km及以上高度的增幅也可达30%~50%. 通过对加热前后离子线谱和数据残差的对比分析, 表明300~500 km的电子密度增强是真实可信的, 在如此大的空间范围出现增幅如此大的电子密度增强特征实属罕见. 另外通过对等离子体线谱的分析, 得到了等离子体线双谐振峰结构, 本文利用电子的速度分布函数和等离子体线谱之间的关系, 对加热实验中观测到的等离子体线谱进行了仿真, 提出了超热电子是引起本次电子密度增强的可能机制. 并利用仿真中所使用的超热电子速度参数对超热电子的电离能力、横向和纵向自由程进行了计算, 最终验证了所提出的物理机制的合理性.     

利用气辉测量结果研究高频电波加热电离层实验中电子能量分布

研究了高频电波加热电离层实验期间电子能量分布函数,利用美国HAARP和欧洲EISCAT实验中630.0 nm、557.7 nm与844.6 nm等气辉辐射测量结果,给出了在红光与绿光强度比值小于10和比值大于等于10两种情况下电子能量分布函数表达式,在3~100 eV电子能量范围内,分段幂指数因子随电子能量的增加而下降,并利用获得电子能量分布函数对其他电离层加热期间气辉辐射进行计算,红光与绿光辐射强度之比与实验测量结果相符,从而验证了获得的电子能量分布函数.     

曲靖非相干散射雷达功率剖面的初步观测与分析

介绍了非相干散射雷达功率剖面与电离层电子密度剖面之间的关系,给出了曲靖非相干散射雷达功率剖面的一些观测结果,结合电离层垂直探测数据,初步介绍了曲靖非相干散射雷达在夜间电离层波状扰动、低纬电离层异常区北驼峰位置、电离层电子密度日落增强和暴时变化等观测研究中的应用.本文结果丰富了对我国曲靖地区电离层空间天气特性的认识,显示了该雷达在我国低纬电离层空间天气观测研究中的良好应用前景.     

2013年平流层爆发性增温期间高纬电离层半日潮汐波研究

基于Sondrestrom站(67°N, 51°W)非相干散射雷达观测数据, 研究了2013年平流层爆发性增温(SSW)事件发生后高纬地区电离层F层和E层半日潮汐波.同时, 对1月非SSW发生期间和不同太阳活动期间高纬电离层中的半日潮汐波进行了统计分析, 并和2013年SSW事件发生后的结果进行了比较.研究发现, SSW发生后F层经向风中的半日潮汐波有显著增强, 其振幅大于80 m·s^-1的时间持续了至少60 h, 最大值达到109 m·s^-1.在180~330 km范围内, 半日潮汐波振幅平均大了24 m·s^-1.在E层高度上, 经向风中的半日潮汐波也在SSW发生后迅速增强, 最大值达到109 m·s^-1, 在108~117 km范围内, 其振幅平均大了33 m·s^-1.在E层纬向风中, 半日潮汐波振幅在120 km处连续超过36 h的时间内大于70 m·s^-1, 最大值达到92 m·s^-1.不同太阳活动期间的半日潮汐波统计结果显示, 和低太阳活动期间相比, 高太阳活动期间半日潮汐波在F层和E层平均增强14 m·s^-1.这明显小于SSW期间24和33 m·s^-1的增幅, 表明高太阳活动不是2013年SSW期间高纬电离层半日潮汐波增强的主要原因.我们的研究表明2013年高纬电离层半日潮汐波的增强很可能是受到SSW事件的影响.

     

大功率电波加热电离层中热自聚焦不稳定性的理论研究和数值模拟

本文首先从电子密度及电子温度的输运方程和考虑自作用时的电磁波波动方程出发, 利用简正模展开的方法推导出泵波在反射区域激发出热自聚焦不稳定性(thermal self-focusing instabilities, TSFI)所需电场阈值以及其增长率的完整数学表达式, 并估算了TSFI激发阈值及所对应的有效辐射功率(ERP)的量级.随后利用三维垂直加热的理论模型, 结合国际参考电离层(IRI-2012)和中性大气模型(MSIS-E-00)给出的背景参数, 数值模拟了大功率高频泵波加热电离层时泵波反射区域电子密度及电子温度因TSFI而产生的变化及发展的过程, 并对比分析了不同背景参数对较热效果的影响.结果表明:当高频泵波的加热阈值达到或超过百毫伏每米的量级时, 即可激发TSFI, 发展出大尺度电子密度及温度不均匀体, 这些不均匀体内的密度耗空约为4%~10%, 而电子温度剧烈增长, 到达背景温度值的1.6~2.1倍;且在相当的加热条件下, 背景电子温度越低、电子密度越小, 加热效果越显著;电子密度及电子温度的扰动幅度随着加热时间的推移而逐渐减小, 即扰动逐渐趋于饱和, 且电子温度要快于电子密度达到饱和状态.本文还对泵波反射高度处的电子密度及电子温度变化率进行采样并求得其功率谱密度, 分析结果表明:TSFI发展出的大尺度不均匀体满足幂律谱结构, 谱指数随着加热的进行逐渐趋于稳定, 白天与夜间的幂律谱指数区别不大, 但电子密度与电子温度的幂律谱有所区别.     

电离层层析重构的一种新算法

自适应联合迭代重构算法是电离层层析成像中一种收敛速度较快的反演算法.然而,在电离层电子密度重构过程中,该方法对迭代初值的精度要求较高.针对上述问题,本文提出了一种约束自适应联合迭代重构算法,该方法通过附加合理的平滑约束,减弱了没有观测信息的格网对迭代初值精度的依赖性,有效地提高了反演结果精度.数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法的可行性和在重构精度上的优越性.