低纬(海南)地区电离层偶发E层的潮汐类周期研究

基于低纬(海南)台站(19.5°N,109.1°E)电离层测高仪在2004年观测到的偶发E层(Es)临界频率(f₀E_s)和虚高(h'E_s)数据,利用谱分析方法,给出了中国低纬地区Es层在全年和不同季节内的短周期变化特性.对全年数据谱分析表明,Es层除具有非常强的24h周期外,还具有显著的12h和8h周期.对不同季节内两个参数的谱分析进一步表明,8h周期主要出现在f₀E_s参数的春秋分季和夏末及在h'E_s参数的几乎所有季节;6h周期主要出现在f₀E_s参数的11-12月.海南低纬Es层中具有显著的6h和8h周期特性,特别是这两个周期还能同时出现在冬季,这是以往研究中不曾发现的新结果.初步分析认为,Es层的6h和8h周期极可能是分别由1/4日和1/3日潮汐所造成的.      

华南地区电离层闪烁的时空分布特征研究

利用位于赤道异常区的广州(23.17°N, 113.34°E)和茂名(21.45°N, 111.31°E)两台站2011年7月至2012年6月观测到的GPS电离层闪烁数据, 分析比较了这两地电离层闪烁出现的逐月变化及地方时变化和空间分布特征. 结果表明, 中等强度闪烁(S₄ > 0.4)和强闪烁(S₄ > 0.6)的出现均呈现明显季节分布规律, 两站的闪烁活动均表现出春秋强, 冬夏弱的特点, 在时间上主要发生在20:00LT-24:00LT; 从空间分布来看, 两站的闪烁活动在2011年秋季, 闪烁出现的区域比较分散, 而在2012年春季, 主要在两站上空区域出现的闪烁最为频繁.      

玉树地震前的电离层异常现象分析

分析了玉树地震前地基电离层探测临界频率、GPS TEC和卫星探测原位等离子体参量等多个参数的扰动变化信息, 研究了不同高度异常变化的时空关联性. 分析发现, 在地震前一天的4月13日, 多个电离层参量出现同步扰动异常, 电离层临界频率f₀F₂异常相对滑动中值增大40%, 异常空间上存在从震中东南向西南漂移的特性; GPS TEC异常增强15TECU (1TECU=1016m-2)左右, 分布于震中南部经度15°范围内, 且有明显的磁共轭效应; DEMETER观测的原位氧离子密度N_i(O+) 4月13日为1-4月中最强的一天, 异常分布偏向赤道区, 但仅局限在30°-50°左右的经度范围内. 综合三个参量的异常特征发现, 无论是空间的局地性还是时间上的密切关联均反映这次电离层扰动可能与玉树地震孕育有关. 结合其他观测信息, 进一步探讨了这次地震孕育过程的地震电离层耦合机理.      

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.      

基于IRI-2012模型广州地区f_0F_2实测与预测的对比分析

利用广州台站(23.2°N,113.3°E)的实测数据和IRI-2012模型提供的预测数据,对比分析了2013年广州地区f_0F2的变化特征.结果表明,IRI-2012模型能够较好预测该地区f_0F_2的变化趋势,并且CCIR参数得到的预测值比URSI参数更接近实测值;预测值与实测值存在系统偏差,在11:00 LT-06:00 LT时段,观测值均比预测值大,其他时段则相反.在日落后至午夜前时段,预测值与实测值有较大差距.绝对偏差的极值点通常出现在20:00 LT左右,最大超过4 MHz.相对偏差变化比较明显的时段是午夜后至凌晨;在02:00 LT或04:00 LT及06:00 LT附近,可能会出现双误差峰值点,最大超过0.4;但在σ变化很大的20:00 LT附近,相对偏差却变化不大.夜间增强现象会使得偏差增大,导致预测值不能很好反映实测f_0F2的变化.     

重庆与兰州电离层Es出现率的比较研究

对重庆(29.5,106.6)与兰州(36,103.9)f₀E_s>5MHz的Es出现率和E层临界频率f₀E进行了详细对比研究.结果表明:(1)此两地Es出现率的变化特征显著.白天重庆高于兰州;晚上则正相反.(2)出现率的这种变化与Es环境电离密度的变化趋势十分一致.(3)上述特征的形成,除了此两地纬度上的差异外,与兰州地处地磁S_q电流系的焦点很有关系.      

曲靖地区电离层多参数变化特征

利用电波环境观测网曲靖站电离层垂直探测仪数据（2008－2018）,分析了该站电离层多参数（包括f_min,f₀E_s,h'E_s,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂等）随太阳活动、季节、地方时的变化特征。结果表明,f_min,f₀E_s,h'E_s随太阳活动变化不明显,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂与太阳活动变化具有相关性,f₀F₂经常发生日落增强现象,同时各自具有独立性;与拉萨、乌鲁木齐地区f₀F₂,h'F,f₀E_s变化特征对比,发现地方时与月份变化趋势相同,但是极值出现的位置有所不同,这可能与各地区的地理纬度和地形等因素有关;h'F夜间大于白天,在日出日落时段有突然上升现象,冬季的h'F一般都小于其他季节;MUF(3000)F₂与f₀F₂的变化特征相似,白天值高于夜晚值,春秋分季高于夏冬季,太阳活动高年日落后MUF(3000)F₂一直维持较高值并持续到03:00－04:00 LT。      

电离层Es离子分布数值建模

从离子连续性方程和动量方程出发,比较全面地考虑了太阳光电离、星光电离、地冕电离、星际背景电离和流星离子流等电离源,综合分析Es层的主要动力学过程和光化学过程,以风剪切理论为基础,研究中性成分碰撞、电场作用、金属离子作用和分子离子作用等机制对离子分布的影响,建立了一维时变电离层Es物理模型.对离子产生率、垂直方向的离子速度在高度和时间上的变化进行仿真和计算,得到了在电场及风剪切作用下的离子密度剖面24h内的变化规律.根据建立的模型,以昆明相干散射雷达观测的径向风结果作为模型输入参考,仿真并得到了电离层Es电子密度的时空分布,据此反演出电离层Es临界频率f₀E_s.与昆明站电离层测高仪同时间观测的情况进行对比,结果比较一致,验证了建立的Es层物理模型正确性.      

电离层Es对HF和VHF传播信号的影响

Es层是存在于电离层中的电子密度非常高的偶发E层（Sporadic E）,其电子密度可达常规E层的100倍.电离层Es能够反射原本穿透F层的VHF低频段（30~150MHz）无线电波,而且对HF高频段（10~30MHz）无线电波传播具有显著影响.运用垂测和斜测观测数据,研究HF频段Es层电波传播特征,得到了不同类型及不同高度Es层的衰减系数.根据f₀E_s的日变化规律,可得HF频段衰减系数的日变化规律,进而分析并得到Es层对短波传播的影响.不存在电离层Es时,通常无法通过电离层实现VHF超远距离通信.为了对VHF链路通过电离层Es的传播衰减进行定量分析,根据EBU多条链路的观测结果,拟合并建立了电离层Es衰减模型.将该模型、ITU模型和观测数据进行对比,发现本文建立的模型准确度更高.利用建立的模型,对电离层Es不同临频f₀E_s条件下接收信号场强和电压随传播距离的变化进行了计算,结果可为VHF链路设计及建立提供参考.      

基于斜向探测最高可用频率反演电离层参数

提出了一种利用斜向探测F₂层最高可用频率及其对应时延反演传播路径中点临界频率f₀F₂和3000km传输因子M（3000）F₂的新方法.该方法从工程实用角度出发,利用射线传播理论直接反演得到临界频率和3000km传输因子.通过对长春-径阳和新乡-赤峰两条斜向探测链路中点电离层参数的反演分析,验证了方法的稳定性;利用反演结果与北京垂直探测数据对比,验证了方法的准确性;通过与Smith方法的对比,验证了方法的实用性.统计分析显示,此方法具有与Smith方法可比的精度,明显优于参考电离层模型给出的结果,其均方误差为0.48MHz,相对误差为10.50%;具有较好的稳定性,对不同距离的探测链路有较好的适应性,反演精度差异为0.03MHz;具有可操作性强,易于实现的特点.本研究成果可用于短波通信频率实时预报、动态频率管理及其相关领域.      

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.      

北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究

极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12-14日及12月09-11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00UT-02:00UT和2012年12月10日05:00UT-07:30UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.      

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.      

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.      

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。      

IRI-2007预测TEC在广州地区的适用性分析

利用广州站(23.2°N, 113.3°E) GPS双频接收机监测的电离层TEC数据和IRI-2007模型不同电离层输入参数计算得到的TEC预测值, 对比分析了太阳活动低年(2008年)广州地区TEC的变化特征. 结果表明, TEC观测值周日变化在16:00LT左右达到最大值, 而IRI-TEC最大值出现时间较GPS-TEC提前1h左右. TEC季节变化在春秋分较高, 两至季节较低, 表现出明显的半年特性和季节依赖性, 并出现冬季异常现象. IRI-TEC与GPS-TEC在白天具有较好的一致性, 夜间偏差较大. 不同电离层输入参数得到的TEC预测值也相差较大, 选用顶部电子密度参数NeQuick、底部厚度参数B0 Table并用URSI系数计算F₂层峰值参数时, 能较好地反映TEC观测值的变化特征. 在对磁暴的响应上, 预测值无明显变化, 观测值则有比较明显的表现. 通过对比, 初步分析了利用IRI-2007模型预测TEC在广州地区的适用性, 并给出了合理的参数选择方案.      

北美与东亚中纬地区电离层TEC变化的EOF建模和分析

考察了北美(30°N-50°N, 140°W-50°W)与东亚 (42.5°N-57.5°N, 65°E-140°E) 中纬地区电离层总电子含量 (TEC)的变化. TEC数据来自美国喷气动力实验室(JPL)约15年的全球电离层图 (Global Ionospheric Map, GIM)数据. 利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions, EOF)得到上述两地区前三阶本征模及相关时间系数, 分别约占TEC 总变化的99.57%和99.79%. 结果表明, 两地区前三阶EOF分量所表现出的TEC变 化基本一致. 第一阶EOF分量表现为受太阳活动调制的半年变化; 第二阶EOF 分量表现为关于零磁偏线的经向电子浓度东西不对称结构, 计算表明该结构 与受地磁偏角控制的热层纬向水平风引起的等离子体向上漂移密切相关; 第三 阶EOF分量表现为磁倾控制的热层子午向风引起的等离子体向上漂移影响.