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.      

地磁场与电离层异常现象及其与地震的关系

利用中国地磁台网与电离层台站资料,总结了大地震前出现的地磁低点位移、地磁日变异常及电离层f0F2(F2层临界频率)异常现象.对比研究了1997年11月8日玛尼7.5级与2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震前磁场与电离层异常分布及特征.结果显示,两次巨大地震前磁场与电离层短临异常时空分布特征有较好的一致性,震中周围出现日变异常、拉萨台出现电离层f0F2明显异常;震前约1个月出现地磁低点位移,其突变分界线通过震中地区.      

电离层暴时经验模型STORM在中国区域的适应性研究

利用中国区域内9个垂测站1976---1987年一个太阳活动周期的电离层暴时f0F2数据, 统计分析了电离层暴事件的等级, 以及不同等级的电离层暴随季节和地磁纬度的分布特征. 研究发现, 中小型电离层暴在春秋季发生的概率较大, 不同季节的发生次数与地磁纬度具有明显的关系. 利用STORM模型对电离层暴时f0F2和大型及特大型电离层暴时f0F2的预测值与月中值进行了比较. 结果表明, 除了冬季误差增大外, 发生电离层暴时STORM模型能够有效地改善月中值模型. 增加中国的暴时数据, 并提高对冬季的暴时参数f0F2的预测是改善STORM模型的重要因素. 建立合适的暴时指数来预测f0F2是未来研究的重点.      

利用神经网络预报中国地区电离层f0F2

利用神经网络技术并考虑太阳和地磁活动对电离层的影响,提出了一种提前5 h预报中国地区电离层临界频率f0F2的方法.网络输入包括时间、季节、地理纬度、太阳天顶角、最近一天的12个观测值(F-23,F-22,F-21,F-20,F-19,F-18,F-5,F-4,F-3,F-2,F-1,F0)和前30天滑动平均值(A-24,A-23,A-22,A-4,A-3A-2,A-1,A0),网络输出分别为未来5 h的f0F2值F+1,F+2,F+3,F+4,F+5.选取乌鲁木齐、长春、重庆和广州站1958-1968年间的数据训练网络,利用中国9个电离层站的历史数据检验网络,根据均方根误差衡量网络性能的好坏.结果表明,神经网络的预报结果能较好地符合实测数据.这说明利用神经网络实现中国地区电离层f0F2的时空预报是可行的.     

中纬度观测的电离层F区经度效应及其模式计算

利用1956—1994年期间分别在长春和乌鲁木齐两观测站上观测的f0F2和f0F1月中值,定量分析了两站上观测的经度效应,讨论了产生两站上经度效应的可能物理机制,并与国际参考电离层模式的结果进行了比较．     

南极长城站电离层变化的数值模拟

南极长城站夏季电离层日变化具有Weddell海异常现象．本文利用一个一维时变理论模式，对长城站夏季电离层f0F2和hm日变化进行了数值模拟.我们讨论了中性风和顶部输运通量对f0F2和hm的影响，认为模拟计算得到的f0F2值比实测值要大的一个主要原因是国际参考电离层给出的上边界值偏大.文章最后介绍了一个获得实际的f0F2和hm的方法.     

利用F_(10.7)短期预报电离层F_0F_2

通过对电离层历史数据和太阳射电流量F10.7的回归分析,提出了一种单站电离层f0F2的短期预报方法,以F10.7的流动平均值fc为输入,以未米3天的f0F2为输出,分别利用中国地区8个台站的数据进行检验,分析不同太阳活动水平、季节以及地方时预报误差的分布特征.结果表明,该方法能有效地预测未来1～3天的f0F2.该方法还可应用于其他电离层参量的短期预报.     

电离层数字测高仪被动接收观测模式研究

利用CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪平台,实现了新的电离层数字测高仪被动接收观测模式.利用新开发的观测模式,在观测台站开展了一系列实验观测研究,经过信号处理和信息提取,获得了电离层特征参量f0F2回归方程,高频信道背景噪声分布,电离层D层对电波的吸收等电离层探测信息.实验观测结果表明,所获取的f0F2与主动探测结果相关性在0.84以上,高频信道背景噪声分布以及电离层D层吸收状况与电离层实际分析结果相吻合.     

基于电离层暴时f_0F_2经验模型Kalman滤波短期预报

利用时间累积地磁指数印ap(T),建立了强地磁扰动条件下电离层f0F2与月中值相对偏差经验模型.该经验模型只在春秋季节和夏季特强地磁扰动条件ap(T)>100,即时间累积地磁指数大于100时达到理想精度.尝试利用气象预报中常用的Kalman滤波方法对模型的系数进行实时修正,以提高预报精度,并对长春站1986-1995年近一个太阳周f0F2数据进行提前一小时预报试验.冬季预报均方根误差为0.76MHz,春秋季节为0.68MHz,夏季为0.61MHz.在特强地磁扰动条件下,预测误差在0.87～1.43MHz之间.该预报方法同时与包含暴时修正模型STORM的国际参考电离层IRI2001进行了比较,展示了Kalman滤波方法实时修正模型系数的能力和良好的应用前景.     

利用神经网络预报电离层f0F2

由中国武汉电离层台站和澳大利亚Hobart台站的电离层F2层临界频率(f0F2)的资料,利用三层前向反馈神经网络(BP网络),提出一种提前24h预测f0F2的方法,该方法以前5天观测的f0F2数据拟合的5个系数以及太阳活动参数作为输入,以当天24 h的f0F2作为输出对网络进行训练,训练好的网络可以实现对f0F2提前24 h的预报.预测结果显示,利用神经网络预测的f0F2与实际观测结果变化趋势较一致,并且比IRI的计算结果更加准确.误差分析表明,在南半球Hobart(-42.9°,147.3°)台站比中国武汉站(30.4°,114.3°)的结果要好,在低年比高年要好,在冬夏季节比春秋季节稍好.本文说明利用神经网络对电离层参量进行预报是一种切实可行的方法.     

1958年7月8日磁暴的电离层响应

本文用遍布全球的52个电离层垂测台站资料,研究1958年7月8日磁暴期间全球电离层扰动的发展变化;各扇区的响应特性;扰动的传播轨迹及速度等。获得以下结果:1.几大扇区的电离层扰动始于南北两极,美洲扇区除具这一特征外,其赤道地区在磁暴急始后不久,出现一个扰动中心,邻近区域的扰动受其控制。2.扰动由高纬向低纬发展,由扰动中心向外传播。3.扰动峰面几乎与地磁力线垂直,即扰动沿磁力线方向发展,其传播速度大约在150—600m/s范围。     

2000年4月6-8日磁暴期间电离层TEC观测研究

利用北京、乌鲁木齐、武汉GPS观测数据计算的垂直总电子含量，分析了发生于2000年4月6-8日磁暴期间观测区域的电离层状态。结果表明，在4月7日北京时间0200-0700之间，在中、低纬地区出现了较弱的电离层负相暴，与前一日相比，最大TEC之差在-8TECU左右；在北京时间0700之后，在较高纬度地区开始出现强列的电离层负相暴，并且该负相暴随着时间逐渐增强；但在北京时间0700-0900之间，在低纬地区出现了电离层正相暴。在定时间内较高纬度地区的负相暴逐渐增强并向南移动而低纬地区的正相暴经历了增强到减弱的过程。     

武汉地区电离层电子浓度总含量的统计经验模式研究

由武汉电离层观象台一个太阳黑子周期（1980-1990年）的实测电离层电子浓度总含量（TEC）资料，统计分析得出了武汉地区的一个TEC经验模式，模式很好地再现了武汉地区的TEC观测值，其预测误差在太阳活动高年稍太，低年较小；在春秋两季稍大，冬夏两季较小；在当地时间白天和傍晚稍大，夜间和早晨较小。此外，与国际参考电离层模式IRI的计算结果比较，本模式预测的TEC值更接近于实际观测结果，同时，本文也初步探讨了TEC的半年变化特征和冬季异常现象。     

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。     

电离层参数的混沌特性及可预报的时间尺度

本文用相空间重构方法，把电离层参数的时变序列重构一个ｍ维相空间，研究相点之间的距离关系，提取关联维数和Ｌｙａｐｕｎｏｖ特征指数，从而揭示电离层参数的混沌特性，及参数的最大可预报时间尺度。     

1995年10月24日日食电离层效应的模式化研究

利用一个二维纬电离层理论模式模拟１９９５年１０月２４日日全食条件下东亚低纬电离层演变,探索低纬日食电离层效应。模式计算结果显示：日食散间日食区电离层电子与离子光致电离产生率减少使得Ｅ－Ｆ１区电离层光食效应显著,而较高部份电离层对日食影响的响应延迟。     

宇宙噪声的电离层闪烁与电离层不规则结构的结构参数

利用宇宙噪声是均匀的。各向同性的背景电磁辐射的假设,对电子密度涨落空间分布波数谱为负幂律函数的电离层不规则结构,用射线光学方法导出了闪烁功率谱的表示式。与射电星和轨道人造卫星信标的电离层闪烁相比,减少了因相对运动弓队的变量。用数值计算方法研究了电离层不规则结构的结构参量L_y、l_y、p、η对功率谱的影响。与实测资料比较,发现电离层吸收事件期间且Riometer记录的闪烁资料中,60%以上相应的不规则结构有L_y>103,η>η₀(0.2<η₀<0.5).      

中纬电离层暴时形态的理论模式研究

结合观测结果对中纬电离层暴时形态进行理论模式研究.分析了两次电离层暴变事件中影响其基本形态的原子－分子含量比、上部输运通量和中性风等因素的行为,发现在这两次具有不同特点的事件中,中性风较为平稳,而原子－分子含量比和耦合输运通量的相对作用则各不相同.      

电离层闪烁谱特征分析

本文给出了斜入射和不均匀体各向异性情形下的闪烁强度时间频谱的理论表达式。得出在各向异性不均匀介质中传播的信号,其闪烁谱在低频端既有下降的,又有平坦的,具体视传播的几何条件而定,其中传播角的影响尤为显著。据此,较好地解释了在广州、武昌、新乡等地观测到的ETS～Ⅱ卫星VHF信号闪烁谱在低频端的不同特征。      

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。