电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.     

1989年3月8日—20日与地磁急始相伴的突发电离层振荡

1989年3月太阳强烈活动期间,武汉电离层观象台用高频多普勒阵,对电离层扰动进行了连续监测。3月8日—20日共出现五次地磁急始(SC),在多普勒图上出现五次与SC相伴的,在文献中叫SCF或SCFD的频移变化。本文认为这是一种突发电离层振荡(SIO),当太阳风激波阵面冲击磁层时,所产生的电场和磁场变化使电离层和     

耗散大气中水平不均匀风场对内重力波传播的影响

采用包括耗散的射线跟踪方法，计算了在水平不均匀风场作用下，不同尺度重力波从对流层直至220km观测高度的传播，结果表明，垂直于重力波传播方向的风以及风剪切能够引起波射线的折射，从而导致重力波明显偏离初始传播方向.在强顺风场作用下，由于风场引起的捕获，大量重力波不能传播到观测高度.由于风场引起的多普勒频移，小周期的重力波在弱顺风条件下能够传播到观测高度.由于反射作用，强逆风场不支持周期低于约18min的较高频重力波的传播.而在弱逆风作用下，大部分中尺度范围重力波都能够传播到观测高度.本文统计了武汉电离层观象台的TID观测数据随热层风场的分布，统计结果与模拟结果符合较好.     

海南三亚地区S4指数与C/N、ROTI的比较分析

本文通过利用海南三亚站（1834°N, 10962°E）GPS闪烁/TEC接收机2004年8月到2005年7月间观测数据，在对三亚地区闪烁初步统计分析的基础上，比较分析了观测数据中S₄（幅度闪烁指数）和C/N（载噪比），S₄和ROTI（TEC变化率标准差）的关系，同时对2004年11月7日的闪烁事件进行了具体的分析. 通过比较分析得出：（1）三亚地区全年的闪烁强度具有明显的半年变化，在春秋季出现全年闪烁强度的最大值；（2）S₄与C/N具有很好的负相关性；（3）ROTI可以作为由小尺度不规则结构引起闪烁出现的指示剂.     

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.     

电离层频高图参数的实时自动度量与分析

电离层特征参数的实时获取和分析是电离层空间天气监测预报的重要内容.本文针对电离层频高图参数的实时自动度量和分析问题,提出了一种基于电子浓度高度剖面经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, 简称EOF)分析的频高图参数自动度量方法,并将该方法应用到位于北京空间环境观测站(40.3°N,116.2°E)的CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)数字测高仪观测频高图的实时自动度量和分析上.结果表明,该方法具有较好的可靠性和通用性,能实时自动度量频高图的有关参数并反映相关的电离层变化,可作为电离层空间天气实时监测分析的一种有效手段.     

欧洲地区电离层峰值电子密度逐日变化的相关距离研究

本文采用欧洲22个台站的电离层F^₂层峰值电子密度N_mF^₂,分析了其逐日变化分量的相关距离S,着重研究了S的周日变化、季节变化及其随太阳活动和地磁活动的变化.首先用指数型函数模式来拟合任意两站间电离层逐日变化的相关系数R随间距d的变化,由此估算出逐日变化的相关距离S.详细研究了S在不同的季节（春季、夏季、秋季和冬季）,不同的地磁活动（平静和扰动）及不同的太阳活动（低、中和高）随世界时的变化（周日变化）.结果表明：（１）S的范围一般为400～1600 km;（２）S值在白天比夜间大;（３）S值具有季节变化,夏季最大,冬季最小,春秋季差异不大;（４）S值在地磁扰动时比平静时大;（５）当太阳活动低时,S值在日落到正午间要比太阳活动中或高时明显偏小,而在正午到日落间则与太阳活动中或高时差异不大.根据以上结果,我们认为：（１） 太阳辐射对电离层逐日变化的影响是大尺度的,并在白天和太阳活动高时大于晚上和太阳活动低时;（２） 地磁活动的影响也是大尺度的;（３）气象活动的影响是相对小尺度的,且逐日变化具有季节性.本文从相关尺度分析的角度,证实了电离层逐日变化来源于太阳辐射、地磁活动和气象活动因素的论断.     

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.     

与日夜交替线移动相关的中尺度电离层扰动GPS网观测

本文选取由国际GPS服务中心(IGS)提供的北美中纬度地区GPS网TEC观测数据,通过多通道最大熵频谱分析方法研究了2005年（太阳活动低年）地磁活动平静期间日出和日落时由于日夜交替线的移动而激发的中尺度电离层扰动(MSTID),并统计分析其季节变化特性.结果表明：(1) 日出或日落期间,在中纬度地区经常观测到由日夜交替线移动激发的中尺度电离层扰动.扰动主要沿日夜交替线运动方向传播,平均持续时间约2～3 h;振幅在0.2～0.8 TECU之间,水平波长,水平相速度和周期分别为300±150 km,150±80 m/s和25±15 min;(2) 由日夜交替线移动激发的中尺度电离层扰动在春秋分出现率较少;在夏季,扰动在黄昏时出现率达最大值,在日出后少量出现;而冬季则日出后的扰动效应更为明显.分析表明,在中纬地区,这种扰动出现率随季节的变化与不同季节的日出日落时刻太阳EUV辐射通量变化过程的快慢,以及电离层中离子损失过程快慢有关.     

全球电离层TEC起伏特性分析

利用全球电离层TEC地图（GIMs）数据,在已经建立TEC气候学模式的基础上,计算了1998年以来固定UT时间的全球TEC起伏指数σDGEC．采用偏相关分析方法对σDGEC与太阳活动（F107指数）及其起伏（dF107）、地磁活动（Ap指数）、季节变化因子（太阳偏置角）等因素,以及上述因素的非线性组合等的相关性进行分析,发现σDGEC与F107、Ap指数具有最强的相关性,与F107指数和半年变化因子的交叉项F107×S、F107指数的二次方具有较好的相关性,同时,与F107指数与年变化因子的交叉项F107×A及F107扰动指数偏离值（dF107）的二次方也具有一定的相关性．据此,以这些因子作为驱动量,建立了σDGEC的多元回归模型．鉴于σDGEC反映全球范围内电离层TEC起伏的平均特性,并与太阳活动F107指数、地磁活动Ap指数具有良好的相关性,为此我们建议,将全球TEC相对起伏指数σDGEC作为描述全球电离层扰动状态及电离层天气特征的一个新参量．