利用改进的SRTI法研究中尺度电离层行波扰动

针对现有单站电离层行波扰动指数（Single Receiver TID Index,SRTI）探测中尺度电离层行波扰动时探测周期范围有限的问题,本文提出了一种改进的SRTI方法,以提高探测扰动周期的适用范围.介绍了利用SRTI和改进的SRTI探测中尺度电离层行波扰动的原理,从理论上分析比较了二者探测扰动周期范围的能力,并采用美国加州南部的5个IGS站2012年年积日189的GPS观测数据,对电离层扰动进行了分析.结果显示在21：30—23：00 LT时,扰动观测序列存在周期为15 min和39 min的扰动波,但是现有SRTI方法只探测到了前者,而改进的SRTI法很好地探测到了两个周期的扰动波,表明其对短周期和较长周期的扰动均具有较好的灵敏性.利用改进的SRTI法计算的扰动观测序列,应用傅里叶变换相位差分法估计了电离层扰动的传播参数,其结果总体上与前人研究成果一致,这表明改进的SRTI法完全可以应用于电离层行波扰动的研究中,而且由于计算简单,在处理大量数据时具有一定优势.     

电离层人工调制激发的VLF波在磁层的传播特性及应用研究

电离层人工调制可以激发甚低频（VLF）波,其中向上传播进入磁层的VLF波,不但能够用来研究磁层中的各种物理现象,且具有人工沉降高能粒子,消除辐射带等实际用途.本文使用射线追踪方法,模拟电离层调制激发的VLF波在磁层的传播路径,分析激发纬度和调制频率对传播路径和传播特性的影响;并基于低频波的色散方程和波粒共振条件,分析VLF波传播路径上与磁层高能粒子的最低共振能及其分布.研究表明,VLF波通过在磁层来回反射向更高的L-shell传播,最终稳定在某一L-shell附近.以较低的调制频率或者从较高的纬度激发的VLF波能够传播到更高的L-shell,但是,当激发纬度过高时,低频波也可能不发生磁层反射而直接进入电离层和大气层.低频波在磁层的传播过程中,在较高的纬度或者较低的L-shell能够与较高能量的电子发生共振相互作用,在较高的L-shell并且低纬地区,能够与较低能量的电子发生共振相互作用.共振谐数越高,能发生波粒共振的电子能量越高.     

震前电离层TEC异常探测新方法

本文提出一种利用时间序列法(ARIMA模型)进行震前电离层异常探测的新方法.首先,对比分析了该方法与传统探测方法(四分位距法、滑动时窗法)预测TEC背景值的精度.结果表明,时间序列法预测背景值的精度要明显高于传统方法,且预报背景值的平均偏差要比传统方法小2倍左右,说明传统探测方法预测的背景值具有较大系统偏差.为更准确地探测震前电离层扰动,除了得到准确的参考背景值,还需得到更加合理的探测限值,由此本文提出一种更为合理的限差确定策略.最后,以2012年1月10日苏门答腊岛7.2级地震为例,利用该方法分析了其震前电离层的异常扰动情况,并验证了该方法的有效性,实验结果表明:在震前第13天、第8~9天、第1~2天和地震当天电离层均会发生较为明显的异常.而且,其正异常(观测值高于正常值)一般发生在震中以北,距发震时间相对较远;负异常(观测值低于正常值)则在震中各方向均会出现,且距发震时间较近.同时,通过对异常结果分时段统计,发现在发震时刻前,距发震时刻越近的时段发生异常的频率越高,此规律将会对未来更为准确的预报发震时段提供重要参考.     

磁正午附近极光强度与沉降粒子能量关系的参数模型

极光是日地能量耦合过程中粒子沉降到极区电离层的最直观表现,对于理解地球空间环境及预测空间天气具有重要作用.本文利用2003—2009年的北极黄河站的多波段地面极光观测,结合DMSP卫星粒子沉降探测,对磁正午附近的极光强度与沉降粒子沉降能量之间的关系进行了定量研究.统计结果表明,在10—13磁地方时(MLT)630.0 nm的极光发光占主导,以低能粒子沉降为主;而在13—14MLT,630.0 nm/427.8 nm极光强度比值降低,沉降粒子能量较高.另外,利用极光强度与沉降电子的能通量以及极光强度比值与平均能量之间的函数关系,初步建立了北极黄河站磁正午附近极光强度与沉降粒子能量关系的反演参数模型,为将来空间天气的监测服务.     

化学物质释放激发中低纬扩展F的数值模拟

利用离子和电子动量方程、连续性方程以及电流连续性方程建立了适合描述中低纬spread-F发展的物理模型,并对模型进行了数值求解,讨论了利用H2O释放来激发电离层Rayleigh-Taylor不稳定性的可能性. 结果表明,电离层处于不稳定状态时,H2O在电离层底部释放后,造成电子的大量消耗,增强了峰值高度以下电子的密度梯度,有利于spread-F的发展,在spread-F发展的过程中,释放中心附近会形成电子密度的消耗区,两侧出现密度的增强区;而电离层比较稳定时,初始扰动会逐渐稳定下来,但化学物质释放仍能造成电子较长时间、较大范围的扰动.     

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．     

长偶极大功率可控源电磁波响应特征研究

地球物理学中关于电磁波勘探研究通常采用的是地球半空间模型.然而,对于几十公里的有限长电缆源（长偶极源）,远距离电磁波场探测必须要考虑电离层的影响,它是一个全空间问题.关于包含电离层、空气层和地球介质（我们称“地-电离层”模式）的电磁波场特征的研究在国外较少,国内几乎是空白.本文采用全空间积分方程法首先对小尺度的可控源电磁波场特征进行了研究,由于此时电离层的影响可忽略,它应该和半空间成熟的CSAMT模拟结果一致,对比结果表明,二者是一致的,验证了全空间模拟方法的可靠性和有效性.随后进行了50 km长电缆电离层和空气层高度都为100 km的“地-电离层”模式大尺度电磁波场模拟,以探讨大尺度可控源电磁波场的特征.给定频率的“地-电离层”模式电磁场的衰减曲线表明长电缆远距离电磁波场由于受电离层的作用存在衰减逐渐变小的过渡场和衰减变小的波导场.为了探讨复杂介质“地-电离层”模式电磁波特征,对“地-电离层”模式的典型地盾和地台多层介质模型进行了数值模拟,得到了偶极源长度50 km、电流200A、收发距离远达1600 km和2500 km的合理的电磁场结果.最后,对一简单含油储层结构模型进行了长偶极、大功率、远距离电磁波场响应计算.储层横向不均匀复杂结构模拟的结果表明,考虑电离层和大气层的“地-电离层”模式大尺度深层复杂介质模拟时,电磁场对深部目标体仍有很好的异常响应.     

几种地基GPS区域电离层TEC建模方法的比较及其一致性研究

利用GPS实测资料实现了中国区域电离层电子含量建模,比较和评估了多项式模型、三角级数模型和低阶球函数模型的监测精度及存在的问题。研究表明,在平静电离层的条件下,多项式模型和低阶球函数模型拟合的精度较好,但前者存在明显的边际效应;三角级数模型在用于大区域拟合时精度较差;高纬度地区模型拟合的精度要优于低纬度地区。根据这些模型参数设置的特点以及电离层本身的变化分布规律,分析了这些差异存在的原因。     

局部电离层异常对局域增强系统的影响及其监测方法

传统的局域增强系统认为影响用户和基准站伪距的观测误差是基本相同的,因而可通过伪距差分技术将这部分误差消除,但为发生电离层风暴时,叠加在基准站和用户伪距上的电离层延迟误差将会不同,因此会影响定位结果。本文利用CCDMA算法和DSCMA算法对电离层异常进行探测,并对伪距差分技术进行改进。仿真结果显示,这种方法可有效减小局部电离层异常对CATⅢ飞行阶段的威胁。     

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、400 km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400 km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,400 km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400 km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.