声重波激发的赤道 Spread—F 不稳定性

本文导出了声重波扰动与赤道电离层扩展F层相互作用的基本方程,并对数值模拟结果进行了讨论。结果表明当声重波扰动与Kavleigh-Taylor不稳定性共同作用于赤道F层时,将导致大尺度波状结构的Spread-F.其特征为以一定速度漂移的准周期不规则性,发展到后期伴有羽柱形状的bubble(电子密度低区)产生。这种现状的bubble可上升至F层顶部并发生倾斜。声重波波矢量的方向决定着羽柱的倾斜方向。这些结果与实验观测特征相符,说明声重波扰动不仅是大尺度Saread-F的触发源,而且对其整个形态发展过程起着重要的作用。      

声重波激发的ESF的波长效应

通过对赤道地区声重波激发的Ｓｐｒｅａｄ－Ｔ扰动的非线性制约方程的拓扑特性,在不同扰动波长和扰动振幅的条件一进行数值计算,以及对原始非线性方程组在不同参数范围内进行数值模拟,显示了声重波的垂直扰动分量对ＥＳＦ演化的影响,为赤道地区Ｓｐｒｅａｄ－Ｆ形态的多样性提供了一种非线性的解释。     

极光带电急流产生声重波的效率

对大气中声重波的产生源的效率作了分析计算。结果显示,不同源的效率相差很大,而且还随频率、离原的距离和方向,以及不同的波动参量而变。对于极光带电急流产生声重波的源,即洛伦兹力和焦耳加热两个源来说,产生近场声重波的效率以洛伦兹为高、对于沿极光带电急流平面的运场区声重波而言,焦耳加热的效率高得多。但对垂直于极为带电流平面的速度波动则洛伦兹力的产生效率高得多;对于沿极光带电急流平面的法向的远场区内的所有声重波参量而言,洛地兹力的产生效率高得多。      

基于伴随理论的Spread-F最优初值扰动提取研究及数值模拟

通过讨论Spread-F扰动初值对于研究R-T不稳定性的必要性,分析初值扰动提取在人工诱导电离层方面的重要作用, 首次提出了应用伴随理论将电离层不稳定性基本方程与Spread-F观测资料相结合提取其扰动初值的方法. 推导了电离层不稳定性方程的伴随模式并进行数值模拟实验, 结果表明电离层不稳定性方程能够较好描述 Spread-F的发展过程; 伴随模式在利用不同迭代初值以及不同时刻观测资料进行反演时, 均能得到较为理想的结果, 表明利用伴随模式反演电离层 Spread-F初始扰动是可行的.      

中高层大气对低层大气脉冲扰动的响应

从基本的大气运动方程出发,采用二维全隐欧拉格式(FICE)建立极坐标下二维声重波传播的数值模式.对小振幅高斯形态声重波传播过程的模拟结果表明,该数值模式能够再现声重波波包向上的稳定传播过程.应用此数值模式模拟了在没有背景风场和存在背景风场条件下中高层大气对10km高空处近似脉冲点源扰动的响应过程,获得了中高层大气对低层大气脉冲扰动响应的图像.结果表明,电离层高度对重力波扰动的响应不但出现在激发源激发之后,还与激发源具有较大距离,扰动的幅度随高度的增大而增大;有背景风时,顺风情况下重力波波动传播路径较逆风情况下平缓,且传播的水平距离比逆风情况下远,波动的振幅较逆风情况下弱,逆向背景风场能够加速重力波向上传播.同时,模拟还表明脉冲扰动正上方可以激发产生一种以6 min为主要周期,具有声学分支特性的快速波动.本文模拟的扰动结果与2004年12月26日苏门答腊-安达曼地震引起的电离层TEC扰动具有类似的图像.      

我国中部地区电离层扰动时空尺度的统计分析

将最大熵动态互普方法用于高频多普勒台阵数据处理，从覆盖太阳活动高、低年份的高频多普勒台阵观测数据中，得出了中国中部地区电离层声重波扰动的传播方向、时空尺度等参量之间的统计分布特性，进而探讨了有关扰动源的情况，结果表明，极区源和局地源两种不同的激发源所激发的声波，分别反映了电离层扰动的全球传播和地区特性两种不同的特征。     

声重波在垂直切变风场中的传播与演变

本文根据时空变化风场中声重波演变的基本方程,详细讨论了声重波的基本参量在垂直切变风场中的变化方式。结果表明,沿群路径上波长、相速和传播方向的变化取决于风场的垂直结构以及波风之间的相对方位。声重波扰动动能的变化与波空间尺度的变化存在一定的关系。对于上行重力波分支,波包动能的增加伴随着波长变长,波包动能减小伴随着波长变短;对于上行的声波分支,情况则相反。文中还讨论了常定的声重波波列在垂直切变风场中的传播问题,分析表明,声重波能量密度增加伴随着本征频率减小,能量密度减小伴随着本征频率增加。      

强震前异常电场激发声重波对电离层的影响

震前地震孕育期地表异常增强的电场,通过大气电导率传输到电离层高度.该异常电场通过非稳态局部加热,可以在电离层高度激发声重波.基于该理论,利用一维时变中纬电离层物理模型,模拟了该扰动源对电离层电子密度的影响.结果表明,重力波引起的中性风速度扰动对电离层电子密度分布影响甚微,该机理无法解释震前电离层异常扰动现象.      

低热层臭氧含量振荡和温度起伏间的耦合关系

本文求出了声重波传播过程中,低热层臭氧含量振荡和温度场起伏间的耦合关系。首次揭示出其正负相关性的内在原因和判据——动力扰动尺度。在中小尺度声重波扰动范围内,臭氧含量振荡与温度场起伏是正相关的,且相关幅度可达或超过7;而在大尺度或行星尺度波范围内,则一般为负相关。此发现可解释低热层中臭氧含量快速变化及臭氧含量长时间纬圈平均值变化与温度场成负相关的观测事实。本文还在声重波尺度范围内比较了线性和非线性理论的结果,结果表明两者没有太大的差异。     

有限β等离子体中密度和磁场不均匀驱动的动理学Alfven波

在分析有限β等离子体中的密度、磁场不均匀引起的漂移波不稳定性的基础上，剖析了漂移波不稳定性对动理学Alfven波激发的作用．动理学理论能正确地处理有限拉莫半径效应和波粒共振相互作用，本文根据带电粒子在电磁场中的运动特性，采用Vlasov方程描述离子运动，运用漂移动理学方程对电子运动进行描述．密度不均匀和磁场不均匀对产生漂移不稳定性的对比分析表明：在有限β等离子体中，密度不均匀比磁场不均匀更易激发漂移不稳定性，且密度不均匀激发漂移不稳定性中的能量转换和转移更为强烈．这种能量的转换为动理学Alfven波的激发提供了物理基础．所得数值解表明：动理学Alfven波在磁层中能广泛地被激发产生，特别是在磁层空间的极尖区、磁层顶和等离子体片边界层等具有明显的不均匀性区域中更容易被激发产生．本文的研究结果进一步表明动理学Alfven波对磁层空间中能量传输具有重要作用．     

电离层TEC日落阶段涨落异常增强现象研究

重点报道了一种TEC信距测量的夜间抖动异常现象，分析了这种现象的观测特征，指出了夜间GPS伪距观测是的异常抖动，特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的乐是个别的偶然现象，在考察了周围环境之后初步排除了这种现象是由周围地物引起的可能性，而进一步与电离层不均匀体（Spread-F)的特征，特别是它发生率最大的地方时进行比较，认为这是一种电离层效应，由大尺度的电离层不规则结构造成的散射很可能是这种夜间散开的主要原因。本文仅就单站GPS观测资料认证了这种夜间强烈抖动的存在，分析了北京上空电离层中发生的不均匀体或各种扰动对GPS信号的可能影响及其观测特征，指出了夜间GPS伪距观测量的异常抖动，特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的现象，可以用于电离层不规则结构的研究。由于GPS设备比较简便，数据量大，精度高，适用于各种环境等特点，我们发展的单站数据分析方法可能会对研究电离层TEC夜间涨落异常增加现象，包括地域，时间上的统计特性比较有利。     

赤道地区和中纬度地区扩展F的特点和比较

通过数值模拟研究了赤道地区和中纬度地区扩展F的触发机制间的联系,发现相同的触发机制在不同纬度的条件下所演化出的结构形态不相同,因此观测上会有所不同;研究了西向电场在赤道地区的作用,发现在适合的电离层参数组合下会产生观测到的电离层F区顶部扰动出现率高于底部扰动出现率的状况;在数值模拟的基础上提出了一个中纬度地区电波散射的模型,用以解释观测到的中纬度地区电波散射的出现率高于线性理论预期的现象.      

Ground and satellite-based observations of ionospheric plasma bubbles and blobs at 5.65° latitude in the Brazilian sector

This investigation uses simultaneous observations from all-sky imager system and an ionosonde collocated at Araguatins (5.65° S, 48.07° W and dip-latitude of 4.17° S), a near-equatorial region in Brazil. These simultaneous observations were used to investigate the occurrence of plasma bubbles and blobs in the field of the imaging system and their association with atypical range Spread-F signature in ionograms. Also, in-situ observation of plasma density from Swarm satellites were used to support the ground-based observations. Using a few cases, a methodology will be established to identify in the plasma blobs (atypical ESF) in the ionograms when there is the simultaneous observation of plasma bubbles and blobs in the field of view of the ionosonde. For this purpose, simultaneous sequence of OI 630.0 nm nightglow images and ionograms are presented for different case studies; 1. when there is the absence of a plasma bubble or blob, 2. when there is only the occurrence of plasma bubbles and 3. when there is the occurrence of plasma bubbles and blobs, in order to compare traces in the ionogram in all these case studies. With these we can cover all kinds of signatures in the ionograms corresponding to no irregularities, plasma bubbles only and plasma bubbles-blobs. These OI 630.0 nm nightglow and ionograms recorded simultaneously make it possible to establish a novel methodology to recognize in ionograms cases when there is the occurrence of Spread-F signature associated with bubble-blob in the FOV of the ionosonde.     

磁暴对海南地区电离层扩展F的影响

利用2002年2月至2007年12月海南地区DPS-4测高仪观测数据, 用统计分析方法研究了磁暴对电离层扩展F的影响. 结果认为磁暴从整体上抑制了扩展F现象的发生. 但若把扩展F分为不同类型, 则结果却有所不同. 对于频率型(FSF), 在2002年和2003年磁暴对其有促发作用, 在2004---2007年有抑制作用; 对于区域型(RSF), 在2002---2005年磁暴对其有抑制作用, 在2006年和2007年, 对其有弱促发作用; 对于混合型(MSF), 在2002年磁暴对其有抑制作用, 在2003年和2004年有促发作用, 从2005年开始, 磁暴对其有抑制作用; 对于强区域型 (SSF), 在2002---2004年磁暴对其有抑制作用, 在2005年和2006年有促发作用, 2007年有弱抑制作用.      

A method for automatic detection of equatorial spread-F in ionograms

A method is presented for automatic detection of spread-F. The method is based on an image recognition technique and is applied to ionograms recorded at the ionospheric station of Tucumán (26.9°S, 294.6°E). The performance achieved is statistically evaluated and demonstrated with significant examples. The proposed method improves Autoscala's ability to reject ionograms with insufficient information, including those featuring Spread-F. Automatic identification of cases of spread-F is of additional interest in Space Weather applications, when it helps detect degraded radio propagation conditions.The present data analysis is a retrospective study but forms the basis for real-time application as an extension of Autoscala’s capabilities.     

Predicting the probability of occurrence of spread-F over Brazil using neural networks

The probability of occurrence of spread-F can be modeled and predicted using neural networks (NNs). This paper presents a feasibility study into the development of a NN based model for the prediction of the probability of occurrence of spread-F over selected equatorial stations within the Brazilian sector. The input space included the day number (seasonal variation), hour (diurnal variation), sunspot number (measure of the solar activity), magnetic index (measure of the magnetic activity) and magnetic position. Twelve years of spread-F data from Brazil (covering the period 1978–1989) measured at the equatorial site Fortaleza (3.9°S, 38.45°W) and low latitude site Cachoeira Paulista (22.6°S, 45.0°W) are used in the development of an input space and NN architecture for the model. Spread-F data that is believed to be related to plasma bubble developments (range spread-F) was used in the development of the model. The model results show the probability of spread-F occurrence as a function of local time, season and latitude. Results from the Brazilian Sector NN (BSNN) based model are presented in this paper, as well as a comparative analysis with a Brazilian model developed for the same purpose.     

中层大气受迫 Rossby 波包的非线性相互作用Ⅰ.理论分析

本文研究了中层大气受迫Rossby波包非线性三波相互作用问题。理论分析得出,如果仅有最大波长或最小波长的波包受外源作用,系统仅能维持受迫波包的运动,平衡状态下外源能量不向另两个波包传递;仅有中等波长波包受外源作用时,随着外源强度的增加,系统的平衡态会发生分岔,并且在分岔点以后,中等波长波包的波幅不再增大,但大气高度愈高该振幅饱和值愈大,外源增大的能量全部通过非线性相互作用馈送给其他两个波包,从而外源可以维持三个波包的长期等幅运动。本文还给出了系统中有两个受迫Rossby波包时系统的平衡态和稳定性条件,这时无论三个波包的尺度关系如何,外源能量均能在三个波包之间传递,因此外源也可以维持三个波包的运动。进一步的结果和波包的演化过程将通过数值计算给出。      

Occurrence of Ionospheric irregularities over Brazil and Africa during the 2019 Antarctic minor sudden stratospheric warming

The influence of sudden stratospheric warming (SSW) on the ionosphere and ionospheric irregularities has been studied extensively over the years. However, majority of these investigations have been conducted using warming events originating from the northern hemisphere. Only a few studies have been done on ionospheric variations due to the Antarctic SSW events and to the best of our knowledge, there have not been any studies on southern hemisphere SSW and the occurrence of ionospheric irregularities. In this study, the occurrence of ionospheric irregularities during the 2019 minor Southern hemisphere (SH)/Antarctic SSW is investigated. The event occurs in a relatively calm solar and geomagnetic activity period which makes it possible to identify the effects of SSW on the occurrence of irregularities. Three ionosondes located in different latitudinal regions in Brazil as well as a network of ground-based GPS receiver stations located in both Brazil and Africa were used for this undertaking. Complimentary data from the same ionosonde stations using the same months from 2017 and 2018 were also used. On average more Spread-F was observed in 2019 than in 2017 or 2018 at all stations. ROT observations showed more occurrence in the Brazil sectors followed by West Africa and thenEast Africa. It was observed that the occurrence frequency decreased between 8% and 46 % from the pre-SSW phase to ascending/peak phases and from 2018 to 2019 for the peak phase.