一种基于LEO卫星信标的电离层层析成像新算法

LEO卫星信标是电离层监测的重要手段之一. 利用电离层层析成像算法, LEO卫星信标能够实现区域电离层电子密度的快速重构. 针对LEO卫星信标的特点, 本文提出了一种函数基模型与像素基模型组合的电离层层析成像新算法. 选择差分相对电离层总电子含量作为输入数据源, 先通过函数基模型法获取电离层电子密度初始分布, 再利用像素基模型法对初始分布进行二次迭代重构, 该方法可有效降低电离层层析成像对背景电离层模型的依赖, 同时能够实现电离层小尺度扰动结构的有效反演. 利用数值仿真方法及低纬度电离层层析成像网的实测数据的反演结果验证了本文提出的新算法的可行性和可靠性.     

磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程

本文用行星际和地面磁场以及电离层资料,讨论了三次磁暴期间高、中纬电离层电场对太阳风和磁层内变化的响应。 分析表明,当IMF的Bx分量由北向转为南向时,太阳风驱动的磁层对流变化能直接反映出高纬电离层电位的变化。但持续南向的Bx再次增强时,太阳风输入的主要能量耗损于内磁层过程;电离层的响应表现为一个弛豫过程。当Bx由南转北时,环电流的消失对电离层的作用同样有弛豫的特点。此时,驱动电位已撤消,环电流是维持电离层电位的唯一外源。 本文用电路类比及简单模式法结论对上述几种实测情况进行了讨论。     

A study on three-dimensional structures of the ionospheric dynamo currents induced by the neutral winds simulated by the Kyushu-GCM

Three-dimensional structures of the ionospheric dynamo currents are examined using the neutral winds in a general circulation model of the middle atmosphere at Kyushu University. A quasi-three-dimensional ionospheric dynamo model is constructed assuming an infinite parallel conductivity in the ionosphere. This model is able to simulate both the equatorial electrojet and the global Sq current system successfully. The simulated results reveal that the equatorial electrojet is confined in quite narrow latitudes around the equator accompanied with meridional current circulations and satisfies a non-divergent structure mainly within the E region. A vertically stratified double layered structure is seen in the east–west current density near the focus latitude of the global Sq current system. It is shown that the stratified structure mainly consists of the east–west Hall current associated with the eastward wind of zonal wavenumbers 1 and 2 in the lower altitudes and the westward wind of zonal wavenumber 2 in the upper altitudes. The day-to-day variation of the neutral winds can significantly vary the induced ionospheric dynamo current system, which is recognized as changes of the focus latitude and/or the maximum value of the equatorial electrojet.     

Equatorial and low latitude ionosphere during intense geomagnetic storms

An investigation is made in order to analyse the role of neutral gas composition in the equatorial and low latitude ionosphere during intense geomagnetic storms. To this end data taken by the Dynamic Explorer 2 satellite at 280–300 km (molecular nitrogen N₂ and atomic oxygen O concentrations, electron density and vertical plasma drifts) are used. The sudden commencements of the events considered occurred at 11:38 UT on March 1, 1982, 18:41 UT on November 20, 1982 and 16:14 UT on February 4, 1983. Vertical plasma drifts are the most important contributor to the initial storm time response of the equatorial F region. Neutral composition changes (expressed as an increase in the molecular species, mainly N₂) possibly play a predominant role in the equatorial and low latitude (10–20°) decreases of electron density at heights near F2-region maximum during the main and recovery phases of intense geomagnetic storms. Delayed increases of electron density observed at daytime during the recovery phase may be also attributed to increases in atomic oxygen. At low latitudes possibly a combined effect of O increase and upward plasma drift due to enhanced equatorward winds is the responsible mechanism for the maintenance of enhanced electron density values.     

顾及电离层变化的层析反演新算法

区别于以往GPS电离层层析研究主要关注迭代模型的思路,本文从两方面入手提高GPS电离层层析迭代算法的反演精度:一方面,顾及传统电离层层析迭代模型仅与对电子密度误差起放大作用的GPS射线截距权重相关的不足,提出考虑层析像素格网中的电子密度对GPS TEC的贡献建立新的迭代模型,在不同电子密度像素格网内重新分配GPS TEC 实测值与其反演值之间的差距;另一方面,顾及电离层层析迭代算法中松弛因子对反演结果的影响,提出考虑电子密度变化构造新的松弛因子,抑制传播噪声对电子密度反演精度的影响.实验结果显示,相对于传统代数重构算法(ART),新方法反演的电离层电子密度剖面更接近于电离层测高仪观测的电子密度剖面,提高了电子密度反演精度.     

基于改进型图像信息方法的汶川地震前电离层参量时空特征研究

震前加速破坏阶段地壳岩石破裂过程中可能辐射电磁信号,提取与之相关的电磁信号异常有助于认识地震孕育及破坏过程,从而为防震减灾提供支持.本文提出了改进型图像信息方法(Modified Pattern Informatics Method,MPI方法),并用于汶川地震前电离层参量时空特征信息的提取.通过分析对比处理前后的DEMETER电磁卫星时空图像可以发现,原始时空图像一般存在季节性和空间性的变化规律,较难获得有意义的信息;而采用MPI方法处理后,则发现汶川大地震前,电离层参量存在明显的异常变化.从而,证明了MPI方法具有消除背景趋势、突出短期变化的能力,可以有效地提取强震相关的电磁前兆信息.     

1989年3月特强磁暴期间的电离层暴

用欧亚大陆地面电离层垂测站资料考察1989年3月12～16日磁暴期间的电离层暴形态及其发展变化. 特强磁暴引发的电离层暴是全球性的,但自磁层沉降的高能粒子对热层低部的加热程度及区域分布不同,因而各经度链区域内电离层暴的特征也有所差异. 本文研究表明,与理论推断对照,欧洲地区内F2层最大电子密度NmaxF2(或f0F2)并不出现正暴现象,而负暴自高纬向低纬的发展则与典型的热层环流结果相符. 此外,此磁暴过程期间在中低纬区存在明显的波动过程. 在亚洲高纬地区,磁暴初期13日有约10 h的正暴,而负暴过程则与欧洲地区类似,但不太清晰;且无波动现象. 磁暴期间,同一经度链的中低纬地区,夜间常发生多站同时的h′F突增. 本文再次证实这是一般磁暴期间常出现的普遍现象.     

武昌同步卫星信号振幅闪烁功率谱

本文利用自制的微机数据采集与分析系统,处理了1985年12月至1986年6月在武昌接收日本ETS-Ⅱ卫星信标136MHz信号所观测到的振幅闪烁。共分析了133例闪烁功率谱得出,谱指数随闪烁指数S_4的增加有增大的趋势,平均谱指数值为3.1;大多数的对数功率谱曲线都在低频部分平坦或以略小于1的斜率上升,而在高频部分以-2.5～-4.0的斜率迅速下降;有1 3例功率谱在高频部分发生“折断”现象,即负幂律谱有两个谱指数,发生折断的频率fb约为0.07Hz,相应的电离层不规则结构的空间尺度约为280m。     

利用GPS监测电离层不均匀结构探讨

利用上海地区GPS综合应用网提供的高时空分辨率的双频GPS观测资料,研究了该区域内一电离层不均匀体的产生、消亡过程.首先,采用Kalman滤波的方法改善双频伪距之差的观测精度,并利用参数估计的方法计算该时段内相应的硬件延迟.再根据电离层单层模型,利用GPS双频观测量、测站位置和GPS精密星历,求出GPS信号穿刺点的坐标和垂直方向电离层的电子含量;然后内插并获取其等值线图.等值线图随时间的变化表明,受等离子体湍流的影响,2003年9月8日北京时间9时40分左右在38°N、118°E左右产生了一电离层不均匀体,其尺度大约在50km左右,生存时间大约为5min.受地球重力场和高空风场的影响,该不均匀体向东北方向扩散.然后,利用大气扩散模型,按扩散方程计算分析了该不均匀体可能发生的电离层层区.理论计算表明,该不均匀体发生在电离层扩展F区,高度在350km左右.     

电离层Alfven谐振器对地面观测到的地磁信号的影响初步研究

本文研究了0.1~10 Hz频率范围内的ULF波从磁层到地面的传播,得到了解析解,分析了电离层Alfven谐振器、磁倾角、电离层电导率、以及波频率对地面观测到的地磁信号的影响.数值结果表明:在磁层中剪切波在竖直方向有明显的谐振结构;地面观测到的信号在IAR谐振频率出现极大值,其谐振频率随磁倾角的增大而增大;电离层电导率的变化可以改变IAR的谐振频率,并能改变波的透射,从而影响地面地磁信号的频谱.