基于多种观测手段的东亚低纬电离层不规则体事件分析

利用海南台站（19.5°N,109.1°E,dip:13.6°N）和磁赤道区的多种地基和天基观测数据,对2011年11月20日观测到的电离层不规则体事件进行了分析.海南台站VHF雷达、电离层闪烁和数字测高仪的综合观测结果表明,当天日落附近发生了强的电离层不规则体事件,主要表现为雷达羽和强闪烁的形态.结合磁赤道区GPS和C/NOFS卫星观测结果进行分析可知,海南台站日落附近出现的雷达羽和强闪烁与南海磁赤道区产生的主等离子体泡存在明显联系.      

基于多仪器观测的中国中纬区域MSTID长距离传播事件研究

电离层等离子体不规则结构通常会影响星地卫星的通信、导航及定位等,因此研究不规则体的结构特征和演化过程具有非常重要的科学意义和应用价值。中尺度电离层行进式扰动（MSTID）是一种常发于F层的电离层扰动,其演化过程十分复杂。本文利用伊春和兴隆台站全天空气辉成像仪、Swarm卫星、佳木斯高频雷达以及漠河和十三陵台站数字测高仪观测数据,对2018年10月17日夜间出现在中国东北区域上空的MSTID事件进行分析。该MSTID事件传播时间较长,在气辉观测中持续时间超过4 h（12:02－16:23 UT）,其波长范围为176.3～322.5 km,波速范围为67.0～154.1 m·s–1。研究结果显示,该MSTID可能产生于较高的纬度,自东北向西南往中纬传播,依次经过伊春和兴隆台站的气辉观测区域。      

低纬电离层等离子体块相关等离子体泡演化期间的虚高变化

针对东亚地区地磁低纬度南北半球Vanimo台站(地理2.7°S,141.3°E;地磁11.2°S,146.2°W)和海南台站(地理19.5°N,109.1°E;地磁9.1°N,179.1°W)上空的3个电离层等离子体块与等离子体泡相关联的事件,利用地面台站的电离层测高仪连续观测数据,研究等离子体泡演化期间的电离层虚高变...     

2006年4月5日中等强度磁暴期间观测到的大经度范围等离子体泡

利用分布在70°E～210°E和20°S～40°N之间的GPS台站的数据,分析了2006年4月5日夜间(中等强度磁暴期间)观测到的电离层等离子体泡的特性.结果表明,本次事件中,等离子体泡大约发生在当地日落后1～1.5 h;空间范围为经度90°E～160°E,纬度12°S～33°N.这是第一次利用地基设备观测到如此大经度范围内的等离子体泡.等离子体泡在南半球出现较早,并且存活时间较长.在其产生的过程中,在约1100 km高度上,映射到磁赤道向上的运动速度约为300m/s,并且等离子体泡在高度上有倾斜.东向电场的存在,对激发等离子体泡起到了一定的作用.      

VHF/UHF振幅闪烁和VHF快速法拉弟旋转起伏

本文利用1988年9月至1989年5月在武昌(114.4°E,30.6°N)同时接收日本ETS-Ⅱ卫星(130.0°E)发出的VHF(136MHz)信标信号和苏联静止站-T卫星(99.0°E)发出的UHP(714MHz)广播电视信号时获得的观测记录,对夜间出现的双频(VHF/UHF)闪烁和VHF快速(每分钟大于5次的起伏)法拉弟旋转起伏(以下用FRF表示法拉弟旋转起伏)进行了统计分析,结果发现在临近太阳黑子最大年份观测到的双频夜间闪烁主要为急始型,呈赤道特性,且在临近二分点的月份里有最大出现率,秋季更为明显;伴随VHF振幅闪烁出现的快速FRF常与UHF振幅闪烁共存,以及产生这种现象的不规则体由西向东漂移,东-西向的漂移速度分量,在子夜前为140m/s,在子夜后为90m/s。      

夏季强对流活动对东亚低纬电离层不规则体影响的事件分析

利用海南台站和东南亚地区的多种地基和天基观测手段,对2014年7月28日夜间观测到的东亚低纬F区不规则体事件的时空变化及其物理过程进行分析。结果表明,海南台站观测到了罕见的长时间持续的F区电离层不规则体,不同手段观测到的电离层不规则体存在明显的形态差异。不同台站观测到的电离层不规则体活动存在明显的差异。海南台站经度区南北异常峰附近的TEC起伏活动在日落后至午夜附近明显增强,在午夜后明显减弱。C/NOFS卫星轨迹午夜后逐渐接近于磁赤道,且处于较低高度上,几乎总会观测到弱等离子体扰动/泡的发生,与该区域地基观测的弱电离层不规则体活动存在明显的联系。SWARM卫星在黎明海南台站附近经度区仍观测到较强的赤道异常双峰结构,且西侧异常峰区附近仍存在明显的等离子体密度耗空/泡结构。海南台站西侧磁赤道区附近（中南半岛）强对流活动（MCC）激发的重力波种子扰动对东亚低纬区等离子体泡及准周期结构的产生发挥了重要作用。      

海口上空中高层大气强烈的突发钠层观测

海南激光雷达站（20°N,110°E）2011年11月2日观测到强烈的突发钠层（SSL）.该SSL峰值密度达37087cm-3,半峰全宽仅为0.9km.对该SSL发生前后的钠层峰值密度和高度特性进行分析.统计激光雷达2010年5月至2013年12月共计377天观测到的SSL事件222次,其中仅有1次SSL峰值密度超过30000cm-3.对比距离最近的海南儋州（19.5°N,109.1°E）测高仪和VHF雷达观测到的突发E层（Es）事件,分析事件的相关性.Es最低高度与SSL峰值高度差均在5km以内,约有75%的Es与SSL时间差在±30min之内.实验中使用continuum的Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生589nm激光,能量为45mJ,使用直径为1000mm的望远镜接收钠层的光子回波.      

基于海南VHF雷达观测的低纬E区场向不规则体研究

利用海南VHF雷达（19.5°N,109.1°E;磁纬8.1°N）在2011年7月15—22日期间的连续观测数据,对东亚低纬3m尺度电离层场向不规则体（FAI）特性进行了分析. 主要结果表明,在整个观测期间,E区场向不规则体几乎每天发生,既可发生于夜间,也可发生于白天,且存在各种不同结构. 根据E区场向不规则体发生的时间及形态,可将其分为三种结构类型:低部连续型结构、上部下降型结构以及白天连续型结构. 这些低纬E区场向不规则体的回波谱特性与赤道电集流（EEJ）和中纬区E区场向不规则体中的2型回波相类似,但其随时间的变化与后两者存在明显差异,且与其他低纬区E区场向不规则体回波存在不同程度的差异.      

海南地区电离层不规则体纬向漂移速度的观测和研究

根据中国海南富克(19.3°N,109.1°E)三点GPS观测系统2007年3月至11月的观测数据,利用互相关方法分析了三站闪烁信号的时间延迟,得出了不规则体纬向漂移的基本特征.在中国海南地区,闪烁主要发生在春秋季节,夜间不规则体的纬向漂移速度以东向为主,大小在50～150 m/s之间;平均东向漂移速度随时间呈下降趋势.另外,在闪烁刚发生时,不规则体纬向速度起伏较大,这可能与不规则体的随机起伏以及等离子体泡产生时垂直速度较大有关.中国海南地区不规则体纬向漂移速度的这些基本特征与低纬其他地区的测量结果较为一致.     

海南VHF雷达观测到的低纬F区电离层场向不规则体事件分析

中国海南VHF雷达具有快速扫描观测及对电离层不规则体进行二维成像的能力.采用时间序列上的连续观测,可以获得场向不规则体发展变化的一系列二维空间图像.本文对海南VHF雷达2011年10月27日夜间观测到的电离层不规则体事件进行分析,主要结果表明,本次观测到的不规则体可分为三个阶段.在初步形成阶段,不规则体开始出现时非常微弱,发展变化很慢,主要表现为向上可扩展,持续时间约14min.在扩大增强阶段,不规则体快速向上并向两侧扩展,持续时间约14min;不规则体强度前期迅速增大,后期略有减弱,空间尺度达200km以上.在东漂离开阶段,不规则体强度进一步减弱,扩展面积达到最大,主要表现为东向漂移,持续时间近30min.这次观测首次给出了海南地区上空电离层不规则体的形成和发展过程.结合其他台站的观测进行对比分析发现,海南观测到的雷达羽与其他地区的雷达羽具有明显不同,海南地区的雷达羽特性及其对应的物理过程有待进一步观测研究.      

2010年海口上空突发钠层事件观测

使用钠荧光激光雷达观测2010年低纬度地区海口(20.0°N, 110.3°E)上空突发钠层事件. 2010年总计观测时间为458h, 观测到突发钠层事件38次, 即每观测12h有1次突发钠层事件发生. 结合武汉上空突发钠层数据, 对比巴西低纬度地区数据, 揭示低纬度地区突发钠层频发现象. 观测到2010年12月30日突发钠层峰值时刻钠层密度廓线具有很好的空间对称性. 分析了距海口激光雷达西南约160km中国海南澹州(19.5°N, 109.1°E)的测高仪数据, 检测了13对突发钠层和电离层偶发事件, 结果表明突发钠层与Es有很强的相关性. 通过 分析低纬度地区上空突发钠层峰值径迹平均速度发现, 大多数突发钠层峰值向 下运动.      

武汉突发E层的季节变化及其与中层风的关系

通过对2018年武汉站（114.61°E,30.53°N）数字测高仪记录的数据统计分析,研究武汉地区突发E层的特征。研究发现:2018年武汉地区电离层突发E层的临界频率在夏季最高,在冬季有一个次增强现象,在春秋季较低;在正午前最大,在日落后出现小幅度提升,在日出前最低。利用指定动态全球大气气候扩展模型SD-WACCM-X模拟出2018年武汉上空90～140 km高度的平均风场,探讨突发E层与背景风之间的关系,揭示突发E层的形成机制。结果表明,半日潮汐分量可能诱导突发E层临界频率的半日变化,周日潮汐分量诱导突发E层临界频率的周日变化;突发E层的强度可能与纬向风场120 km高度处的风剪切有关。      

一种全天空气辉成像仪数据预处理方法和初步结果

大气重力波是大气中的基本波动形式之一,在中高层大气动力和热力学过程中起着十分重要的作用.全天空气辉成像仪是一种以大气气辉辐射为示踪物,能够有效对大气重力波成像的仪器.本文针对中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室中高层大气组自主研制的全天空气辉成像仪所观测的数据,提出了一种气辉图像预处理方法,进行平场校正、方位校正、星光去除和坐标映射等数据订正.利用该方法处理2015年5月17日21:00BLT至次日05:00BLT西宁台站（36.6°N,101.7°E）的OH气辉数据,发现一次重力波事件,分析并获得了该重力波的水平波长、观测水平相速度和传播方向（分别为17.72km,47m·s-1,339°）.研究结果表明该方法是可行的.      

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250\,km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s-1.      

星载全球大气波动成像仪研究

在卫星上对中间层顶区域的气辉辐射成像观测, 对于全球大气波动的监测和研究具有重要的意义. 利用TDICCD对O₂A (0-0)气辉进行成像观测, 计算了曝光积分时间、信噪比和能达到的最高空间分辨率, 分析了地球自转对空间分辨率的影响, 在此基础上提出一种星载全球大气波动成像仪方案, 该方案可以观测垂直波长大于10km的大气波动, 最高水平分辨率可以达到0.33km.      

Adelaide地区大气重力波的气辉观测

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995-2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉探测到48个重力波事件,利用OI气辉探测到29个重力波事件,这些重力波的周期和水平相速度分别集中在68 min和36 m/s左右,具有东南向的优势传播方向,平均仰角为8°～10°,接近水平方向传播;(2)通过OH气辉和OI气辉观测到了同一个重力波事件,并根据两个高度上观测到的扰动相位差判断该重力波为上行波.      

昆明上空电离层D区电子密度季节变化的首次观测分析

通过分析2008年8月至2009年7月昆明站(25.6°N, 103.8°E) 中频(MF)雷达观测数据, 研究了太阳活动低年电离层D区电子密度的季节变化特性,发现D区电子密度主要呈现半年变化特征, 即在春秋季电子密度较大, 而在夏冬季则较小, 这与国际参考电离层(IRI)预测的年变化趋势不一致, 但与昆明站电离层测高仪的最低回波频率f_min的观测结果相符. 同时比较了D区电子密度半年变化与纬向风半年变化的关系, 发现二者之间保持了非常一致的变化趋势并对这种一致性的内在原因进行了分析.      

基于FY-3C掩星数据偶发E层的研究

利用FY-3C极轨卫星提供的2014年6月至2015年5月的GPS无线电掩星数据,统计分析了全球范围内抽样频率为50 Hz的C/A码SNR扰动情况,进而对偶发E层进行了研究.结果表明:偶发E层在夏季半球中纬地区的扰动强度远远大于冬季半球同一纬度地区的扰动强度,偶发E层在纬度40°附近扰动明显增强;在E层100 km高度附近,Es层在10:00 LT和22:00 LT达到峰值;Es层在夏季半球的出现率明显高于冬季半球;FY-3C卫星的掩星观测结果与COSMIC系统的观测结果较一致,可以利用FY-3C卫星的掩星数据研究电离层偶发E层等的变化.      

GSO卫星系统布设中的通信干扰评估方法

针对地球静止轨道（GSO）卫星系统在卫星和地球站布设中的同频干扰评估问题，设计了地球站及卫星的全球分布对下行和上行通信链路的干扰评估场景，以及考虑波束业务特征影响的多条链路的集总干扰场景，构建了不同场景下的干扰评估和分析计算的模型，提出了一种基于干扰函数极值的评估方法。所提方法通过建立干扰系统地球站的随机分布集合和受扰系统的干扰函数，结合国际电联（ITU）提供的全球地形数据、天线波束参数、电磁波传播模型，能够实现对2个GSO卫星系统间的卫星轨位和地球站布设的定量化计算分析。采用所提方法对位于47°E±6°的GSO卫星系统、位于（23°N，26°E）地球站的同向下行链路，以及位于（23°N，26°E）的地球站对26°E±6°的GSO卫星系统的同向上行链路的干扰情况进行了定量化计算。结果表明:在卫星轨位间隔为2°时的干扰噪声比值为-12.29 dB，与ITU建议书中规定的-12.2 dB的限值之间的误差为0.7%，证明了所提方法的有效性和可行性。所提方法还可以统计GSO卫星系统在任意角度间隔和全球布设场景下的干扰分布情况，对于干扰评估和规避措施的制定具有一定的借鉴意义。      

夜侧极区电离层对流对行星际激波的响应

利用超级双子极光雷达网（Super Dual Aurora Radar Network,SuperDARN）高频雷达、北半球IMAGE地磁台链以及南极中山站的极光观测数据,研究电离层对流对2012年7月14日一个行星际激波扰动事件的响应.在18:10UT行星际激波到达地球并与磁层相互作用触发地磁急始和磁层亚暴,SuperDARN雷达观测到北半球夜侧极区电离层对流显著增强,观测视野覆盖黄河站的Hankasalmi雷达观测到从激波到达地球至18:33UT,电离层F层出现剧烈扰动,雷达回波数明显增多,并出现局部对流速度反转现象.18:33UT之后,观测到F层出现三块速度高达600m·s-1的逆阳运动不规则体.而与Hankasalmi雷达地磁共轭的南半球Kerguelen雷达探测到的回波主要来自E层,回波数量几乎无变化,但是Kerguelen雷达观测视野内的中山站全天空光学成像仪观测到极光活动显著增强.南北半球夜侧电离层观测结果的差异,主要是由于它们分别处于极夜和极昼.