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IGS电离层TEC格网的扰动特征统计分析

电离层总电子含量（TEC）是研究空间天气特性的重要参量,通过分析电离层TEC,可以了解空间环境的变化特征.利用IGS提供的1999—2016年全球电离层TEC格网数据,按照地磁纬度将全球划分为高、中、中低、低磁纬四个区域,计算不同区域的电离层扰动;利用大量统计数据选取电离层扰动事件的判定阈值,分析电离层扰动与太阳活动、时空之间的关系;计算电离层扰动指数与地磁活动之间的相关系数.结果显示:电离层扰动与太阳活动变化具有较强的正相关特性.在太阳活动低年,电离层扰动事件发生的概率约为1.79%,在太阳活动高年发生扰动的概率约为10.18%.在空间分布上,无论是太阳活动高年还是低年,高磁纬地区发生扰动事件的概率均大于其他磁纬出现扰动事件的概率.计算得到的中磁纬和中低磁纬地区电离层扰动指数与全球地磁指数Ap的相关系数分别为0.57和0.56,说明电离层扰动指数与Ap具有较好的相关关系;高磁纬电离层扰动指数与Ap的相关系数为0.44;低磁纬扰动指数与Ap的相关系数为0.39.以上结果表明,不同区域电离层扰动与全球地磁指数Ap的相关性不同,测定区域地磁指数可能会提高与电离层扰动的相关性.      

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。      

磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析

2017年9月8日发生了一次强磁暴，Kp指数最大值达到8.利用区域电离层格网模型（Regional Ionosphere Map，RIM）和区域ROTI（Rate of TEC Index）地图，分析了磁暴期间中国及其周边地区电离层TEC扰动特征和低纬地区电离层不规则体的产生与发展情况，同时利用不同纬度IGS（International GNSS Service）测站BJFS（39.6°N，115.9°E），JFNG（30.5°N，114.5°E）和HKWS（22.4°N，114.3°E）的GPS双频观测值，获取各测站的ROTI和DROT（Standard Deviation of Differential ROT）指数变化趋势.结果表明:此次磁暴发生期间电离层扰动先以正相扰动为主，主要发生在中低纬区域，dTEC（differential TEC）最大值达到14.9TECU，随后电离层正相扰动逐渐衰减，在低纬区域发生电离层负相扰动，dTEC最小值达到-7.2TECU；在12:30UT-13:30UT时段，中国南部低纬地区发生明显的电离层不规则体事件；相比BJFS和JFNG两个测站，位于低纬的HKWS测站的ROTI和DROT指数变化更为剧烈，这表明电离层不规则体结构存在纬度差异.      

模式化分析F区电离层赤道异常槽

利用二维低纬电离层理论时变模式模拟低纬电离层演化，考察影响赤道异常槽位置的物理因素．计算结果显示赤道槽有明显的季节、地方时和经度变化．以１１０°Ｅ为例，北半球夏季期间赤道槽一般在磁倾赤道北侧，最北达３°-３．５°Ｎ，而在北半球冬季期间一般位于磁倾赤道南侧，最南可达４°－５°Ｓ．进一步分析发现，赤道槽季节变化中光化电离率季节改变的影响很小，主要由水平中性风季节变化贡献．计算以８３天为例，白天赤道槽在地理经度１００°Ｅ附近最南，２８５°Ｅ附近最北，与观测特征基本一致．主要是背景大气水平风场的经度差异导致赤道槽位置的经度变化，而非前人认为直接由磁偏角控制的．     

中低纬电离层不同季节地磁暴响应的事例分析

利用中国中低纬台站漠河（53.5°N,122.3°E）、北京（40.3°N,116.2°E）、武汉（30.5°N,114.2°E）和三亚（18.3°N,109.6°E）的电离层观测数据,对比分析了4个台站电离层参数在2015年不同季节4个地磁扰动事件期间的变化特征.结果表明,4个磁暴事件期间电离层的响应特征并不完全一致,有着明显的季节特征,春季、夏季和秋季电离层以负相扰动为主,冬季以正相扰动为主.分析发现,中性成分O/N₂的降低与电离层负相扰动有关,但三亚地区的负相扰动还与扰动发电机电场相关.正相扰动的机制在不同事件中并不相同,穿透电场可能是引起春季磁暴事件期间电离层短时正暴效应的原因,而冬季长时间的正暴效应则是扰动电场和中性风共同作用的结果.      

磁层－电离层电动耦合与中纬地磁指数的变化

本文探讨磁层一电离层耦合过程内中纬地磁指数的变化特点，并与极光电集流和赤道电集流（指数）变化相比较．相关分析和时序叠加分析均表明，高、中、低纬地磁指数变化可归结为磁层一电离层电动耦合的统一物理图象．有Ｒ事件的磁暴主相初期和无Ｒ事件的磁扰期内，赤道电集流和中纬地磁指数的变化各不相同．这再次证明，耦合分析中将磁层源扰动的直接穿透作用与经电离层内动力过程的效应二者加以区分和综合研究是很重要的．     

利用TIE-GCM模式计算电离层电流及夜间电离层磁场

电离层电流产生的磁场是地磁场卫星测绘时需要剔除的干扰源.利用电离层热层模式TIE-GCM计算电离层中的中性风、重力驱动和压强梯度等形成的电离层电流的全球分布,分析电流在特定位置产生的磁场及磁场三分量随纬度的变化规律.结果表明,E层尤其是磁赤道和极区的电流密度较大,可达103nA·m-2量级,F层电流密度量级约为10nA·m-2.在磁静日（Kp≤ 1）夜间22:00LT-04:00LT,电离层电流在中低纬度（南北纬50°之间）产生的磁场量级为几个nT,且磁场的南北向分量和径向分量基本大于东西向分量.通过与CHAMP卫星磁测数据分析比较,发现TIE-GCM模式计算电离层干扰磁场在中低纬度可以取得较好的结果,但在高纬度地区的效果不理想,还需进一步改进模式以提高计算精度.      

磁层-电离层电动耦合与中纬地磁指数的变化

本文探讨磁层一电离层耦合过程内中纬地磁指数的变化特点,并与极光电集流和赤道电集流(指数)变化相比较。相关分析和时序叠加分析均表明,高、中、低纬地磁指数变化可归结为磁层一电离层电动耦合的统一物理图象。有R事件的磁暴主相初期和无R事件的磁扰期内,赤道电集流和中纬地磁指数的变化各不相同。这再次证明,耦合分析中将磁层源扰动的直接穿透作用与经电离层内动力过程的效应二者加以区分和综合研究是很重要的。      

华南地区电离层闪烁与TEC耗空的时间和空间分布统计分析

利用位于赤道异常区的深圳站（22.59°N，113.97°E）2011年1月至2012年12月及2015年1月至2015年12月监测到的GPS-TEC数据，统计分析华南地区电离层闪烁与TEC耗空同时出现、电离层闪烁单独出现和TEC耗空单独出现3种现象的时间和空间分布特性.结果表明:这3种现象均主要发生在春秋季节；闪烁与TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现分别主要发生在纬度为19°-23°N，21°-24°N和24°-26°N的空间区域.探测到闪烁和TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现的时间分别主要分布在20:00LT-22:00LT，21:00LT-23:00LT和22:30LT-23:30LT.闪烁与TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现3种现象的时间和空间分布特性对应了华南地区不规则体和赤道等离子体泡（EPBs）从产生到消失的演变过程.      

电离层等离子体泡的磁场扰动特征与识别

等离子体泡是赤道区电离层常见的密度耗空结构,同时伴随着背景磁场的增强和垂直背景磁场方向上的扰动,这些扰动具有阿尔芬波的特征.本文利用Swarm卫星的标量、矢量磁场以及等离子体观测数据,考察了等离子体泡产生的磁场扰动信号特征,发现磁场强度和平均场向分量的增强均与等离子体泡密度下降有较强的负相关性,说明磁场标量和矢量(平均...     

Possible evidence for small-scale wave seeding of equatorial plasma bubbles

The small-scale wave-like structure (SSWS) of F region bottomside plasma density was proposed to be an important seeding for equatorial plasma bubble (EPB) generation, and employed in theoretical simulations of EPBs in recent years. The seeding role of SSWS, however, is waiting to be demonstrated by observation. Here we present two cases of SSWS and EPB observed by the Fuke all-sky airglow imager (19.3°N, 109.1°E; dip latitude 14.3°N). For each case, the results show that two large-scale wave-like structures (LSWSs) initially appeared around sunset in the longitude regions separated by 3–4°, but EPB irregularities were only generated in one of the LSWSs where SSWSs were seen riding on LSWS. For the other LSWS, no SSWS and EPB irregularities were seen. Considering that the two LSWSs were situated closely in longitude where the amplitude of pre-reversal enhancement of background eastward electric field should be similar, the observation that EPB was only generated in the longitude with simultaneous LSWS and SSWS could provide supporting evidence for SSWS seeding of EPB.     

基于阈值的激光雷达K均值聚类算法

针对同一距离不同目标的激光雷达全波形回波数据聚类准确率低的问题，在分析K均值聚类算法原理的基础上，提出了一种基于阈值的K均值聚类算法。首先，利用强度信息对距离信息进行标定，使用强度信息作为特征进行聚类以区分同距离的不同目标。然后，利用阈值限定聚类中心间的最小距离，提高聚类准确率。最后，搭建了扫描验证平台进行平移和旋转成像，对算法有效性进行验证。通过不同颜色目标和模拟道路回波数据聚类实验表明，在不同阈值的情况下，提出的基于阈值的K均值聚类算法的聚类准确率均在90%以上，相比于无阈值的K均值聚类算法准确率提升10%以上，能够有效进行目标聚类和模拟道路提取。      

Can an impulsive variation of the solar wind plasma pressure trigger a plasma bubble? A case study based on CSES,Swarm and THEMIS data

During the August 25, 2018 geomagnetic storm, the new borne CSES-01 satellite and the Swarm A satellite detected a really large equatorial plasma bubble (EPB) in the post-midnight sector over western Africa. We investigated the features of this deep ionospheric plasma depletion using data from the Langmuir probes on-board CSES-01 and Swarm A satellites, and data from the high-precision magnetometer and the electric field detector instruments on-board CSES-01. Using also plasma and magnetic field data from THEMIS-E satellite we found that, during the passage of the magnetic cloud that drove the geomagnetic storm, an impulsive variation lasting about ten minutes characterized the solar wind (SW) pressure. The analysis of the delay time, between the occurrence of such impulsive variation and the detection of the plasma bubble, suggests a possible link between the SW pressure impulsive variation as identified by THEMIS-E and the generation of the EPB as detected by CSES-01 and Swarm A. We put forward the hypothesis that the SW pressure impulsive variation might have triggered an eastward prompt penetrating electric field that propagated from high to equatorial latitudes, overlapping in the nightside region to the zonal westward electric field, causing either a reduction or an inversion, at the base of the EPB triggering.     

无振荡、无自由参数格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用

从快速、有效地进行空间天气数值预报的需要出发,针对1998年5月份行星际太阳风暴事件,采用全三维流体力学(HD)模型进行数值试验,考察了无振荡、无自由参数(NND)格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用.计算中内边界的密度分布由观测K日冕数据来确定,由此得到的源表面密度分布具有和源表面电流片相似的结构.数值试验表明: 虽然该格式不需要加入人工粘性,但是具有很好的计算稳定性.在扰动计算时激波间断耗散小,在三维任何方向上间断所占的网格数比较少,没有数值色散现象.      

雷暴云准静电场和夜间低电离层的电离

用点电荷模型计算雷暴云突然放电后形成的准静电后形成的准静电场随高度的分布，以E/N（E的电场大小，N为大气密度）为输入参量，在一定条件下，对Boltzmann方程数值求解，计算电离层电子数密度的扰动。计算结果表明，在约70-90km之间，在约放电后的10ms内，准静电场大于中性大气的击穿电场，将引起大气的雪崩电离，从而引起夜间低电离层电子密度的显著增加，但这种电子密度的增加是暂的，在很短的时期内就恢复到平静时的水平，恢复时间随高度的变化而不同。     

镜模波识别方法研究及其在火星磁鞘中的应用

镜模波是温度各向异性等离子体中的一种波动结构,根据磁场和离子分布及波动特性可以进行识别.本文对比了只使用磁场数据与同时使用磁场及离子数据两种识别方法,分析了两类方法的特点.只使用磁场数据的方法基于磁场强度变化大、方向沿背景磁场的特征,通常使用磁场强度的波动幅度ΔB/|B|以及磁场变化方向与背景磁场的夹角θ_min,θ_max作为参数;同时使用磁场及粒子数据的方法利用的是磁场纵波特性、总压平衡和波动在等离子体坐标系下静止的特征.使用两种方法对MAVEN卫星在火星磁鞘内的数据进行识别,结果表明在某些情况下,只使用磁场数据会导致对镜模波的误判.通过研究改变上述参数阈值时识别结果的变化,发现当θ_min> 40°,θ_max < 40°,ΔB/|B|> 80%时,只用磁场数据可取得较好的识别效果.      

带电粒子在中性线磁场中运动的解析轨道

本文我们计算了带电粒子在中性线磁场中运动的解析轨道。其结果是:(1)带电粒子在中性片磁场中的运动是粒子在中性线磁场或在具有北向分量的中性片磁场中的第一级近似形式。(2)带电粒子在中性片磁场中的解析轨道的第三级近似形式与电子计算机计算的数值轨道基本相同。它们仅仅在小扰动区与非小扰动区的交界线上出现一些偏差。(3)带电粒子在整个中性片磁场的运动可以分成三种形式。粒子一方面在垂直于磁场的平面上作闭合的周期性轨道运动, 同时闭合轨道的中心还沿着垂直于磁场平行于中性线方向漂移。另一方面粒子还沿磁力线方向做等速运动。(4)在小扰动区中粒子的闭合轨道是一个圆轨道, 但在非小扰动区中却是一个“8”字形轨道, 其漂移速度与小扰动区漂移方向相反, 其大小也比小扰动区漂移大很多。以上结果本文都给出一个完整的解析形式。      

A new inversion algorithm for HF sky-wave backscatter ionograms

HF sky-wave backscatter sounding system is capable of measuring the large-scale, two-dimensional (2-D) distributions of ionospheric electron density. The leading edge (LE) of a backscatter ionogram (BSI) is widely used for ionospheric inversion since it is hardly affected by any factors other than ionospheric electron density. Traditional BSI inversion methods have failed to distinguish LEs associated with different ionospheric layers, and simply utilize the minimum group path of each operating frequency, which generally corresponds to the LE associated with the F₂ layer. Consequently, while the inversion results can provide accurate profiles of the F region below the F₂ peak, the diagnostics may not be so effective for other ionospheric layers. In order to resolve this issue, we present a new BSI inversion method using LEs associated with different layers, which can further improve the accuracy of electron density distribution, especially the profile of the ionospheric layers below the F₂ region. The efficiency of the algorithm is evaluated by computing the mean and the standard deviation of the differences between inverted parameter values and true values obtained from both vertical and oblique incidence sounding. Test results clearly manifest that the method we have developed outputs more accurate electron density profiles due to improvements to acquire the profiles of the layers below the F₂ region. Our study can further improve the current BSI inversion methods on the reconstruction of 2-D electron density distribution in a vertical plane aligned with the direction of sounding.     

关于冲击波在环形磁场中的传播

本文求解了点源爆炸波在环形磁场中传播的非自型问题。以耀斑引起的击波传播为例讨论了解的应用。从中可以看到,磁场扰动呈U形,主要发生在0.5Re—1.0Re的击波区域;行星际磁场的存在使击波到达1AU的时间延长了几个小时;击波必须具有大于磁截止能量E_M=λ₁S2/4π J₀R时(符号意义见内容)才有可能传播到1AU以远的地方,日冕磁场结构对耀斑击波进入行星际空间的传播有重要作用。