中尺度电离层扰动的统计色散特性

利用Millstone Hill(288.5E,42.6N)地区的数字测高仪漂移模观测数据,统计分析了中尺度电离层行扰(TID)的色散特性.分析结果表明,该地区的TID在扰动频率-相速度平面的分布中存在若干明显的扰动出现率峰值.比较相应的理论研究结果发现,观测到的TID大都可以用不同的受导重力波传播模式加以解释: 频率较高的TID可以用地面和热层底部维持的各阶完全制导模解释,频率相对较低的TID可以用传统理论给出的由热层底部陡峭的温度梯度维持的L₁模和我们新近提出的由热层背景风场所维持的各阶导管模解释.      

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.      

用经验模式参数研究电离层发电机效应

本文利用MSIS-86和IRI-86模式的基本参数,求得热层风系和电导率的三维分布;继而从发电机理论得到了电离层电位及层电流密度在北半球的分布和变化。本研究将大量数据统计平均的大气模式参数与热层、电离层理论研究联系了起来。     

基于电子密度同化的热层大气密度预报方法

采用热层电离层耦合模式TIEGCM和集合卡尔曼滤波同化方法,利用同化COSMIC电离层掩星电子密度数据优化热层电离层参量,并将模式预报的大气密度与CHAMP卫星大气密度数据进行对比,分别开展模拟和实测数据的同化预报实验.在模拟数据同化实验中,状态向量包含温度、风场和离子成分的实验结果表明,仅优化温度即可达到最优的热层大气密度预报效果.在实测数据同化实验中,将温度作为状态向量参数,优化结果表明,循环同化过程中模式预报的大气密度相对偏差的均方根误差在48h内从38%减小到27%,同化稳定时间至少需要30h.预报过程中大气密度预报效果的改善持续时间为34h.这表明电子密度同化能够改善热层大气密度的预报精度,设计的实验方案合理可行,可获得较长的预报时效.      

中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验

介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N, 112°E) 法 布里-珀罗干涉仪(FPI) 的基本 构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况. 岢 岚观测站FPI可以观测892.0 (OH)nm, 557.7 (OI)nm和630.0 (OI)nm 波 长处气辉谱线的多普勒移动, 分别计算对应87km, 97km和250km高度处 的大气风速和大气温度, 可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动 情况. 采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验, 对FPI测风数据质量进行验证. 结果显示, 岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据 在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致, 风速变化幅度有季节性差异, 数据质 量控制方法有效, 测风误差在87km高度处为5.7m·s-1, 97km处 为1.3m·s-1, 250km处为4.1m·s-1, 测风数据 通过了可靠性检验.      

负相电离层骚扰及其日地相关关系

本文对1965—1982年, 我国境内的满州里(49°35′N, 117°27′E), 北京(40°00′N, 116°18′E), 重庆(29°30′N, 106°25′E), 广州(23°09′N, 113°21′E)和海口(20°00′N, 110°20′E)等五个电离层观测站的负相电离层骚扰形态, 用世界资料中心A出版的太阳地球物理资料中的太阳耀斑、射电、地磁和北京地磁台的地磁观测报告等资料与电离层骚扰的相关关系进行了分析研究.所得到的电离层骚扰形态变化规律和日地相关规律的结果对预报电离层骚扰是有益的.      

一种电离层物理模型及其在F1谷区形成讨论中的应用

在电离层F区考虑了三种中性成分的4种离子(O~+、No~+、N_2~+和O_2~+),从严格的电子和离子密度连续方程出发,由中性风所满足的动力学方程和离子运动方程解出水平中性风,从而得到离子垂直漂移速度,由此建立了一种电离层的物理模式;并用此模式,针对我国中、低纬(116°E,30°N)地区,讨论了光化学作用对F_1层的影响和动力学效应在F层中的作用。着重讨论由水平中性风引起的离子垂直漂移运动对F_1谷区的影响。结果表明:在光化平衡模式下,E区明显形成。在太阳活动低年夏季可产生明显的F_1“凸缘”。但仅靠光化平衡作用不能产生深的F_1谷区,也不能解释F_2层的形成;双极扩散是F_2层形成的主要机制;中性风的因素对E层影响不大,却可以在太阳活动低年夏季产生谷深在0.05—0.1的深F_1谷区。用此模式还计算了F_1谷区日变化,结果表明:中性风影响模式能较好地反映我国中低纬地区F_1谷区变化的地域特征。     

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。      

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...     

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.      

Nighttime thermospheric meridional neutral winds inferred from ionospheric h′F and hpF2 data

Nighttime thermospheric meridional winds aligned to the magnetic meridian have been inferred using h′F and hpF2 ionosonde data taken from two equatorial stations, Manaus (2.9°S, 60.0°W, dip latitude 6.0°N) and Palmas (10.17°S, 48.2°W, dip latitude 6.2°S), and one low-latitude station, Sao Jose dos Campos (23.21°S, 45.86°W, dip latitude 17.26°S), during geomagnetic quiet days of August and September, 2002. Using an extension of the ionospheric servo model and a simple formulation of the diffusive vertical drift velocity, the magnetic meridional component of the thermospheric neutral winds is inferred, respectively, at the peak (hpF2) and at the base (h′F) heights of the F region over Sao Jose dos Campos. An approach has been included in the models to derive the effects of the electrodynamic drift over Sao Jose dos Campos from the time derivative of hpF2 and h′F observed at the equatorial stations. The magnetic meridional winds inferred from the two methods, for the months of August and September, are compared with winds calculated using the HWM-90 model and with measurements from Fabry–Perot technique. The results show varying agreements and disagreements. Meridional winds calculated from hpF2 ionospheric data (servo model) may produce errors of about 59 m/s, whereas the method calculated from the F-region base height (h′F) ionospheric data gives errors of about 69 m/s during the occurrence of equatorial spread-F.     

Mathematical modeling of plasma drifts over equatorial low latitude regions

This paper presents a mathematical model to simulate ionospheric plasma drifts at equatorial low latitude regions by coupling of E- and F-regions. The governing non-linear differential equations (of elliptic and parabolic nature) are solved numerically through finite-difference schemes and obtained neutral winds and electric fields. The temperature and electron density profiles are generated utilizing MSIS-86 atmospheric model. The continuity equation is employed to obtain night-time E-region density profile using measured ionograms at Trivandrum (India). The computed vertical and zonal plasma drifts are comparable with measured Jacamarca plasma drifts with little variations during noon and evening times. The plasma drifts at Trivandrum (8.5° N, 76.5° E, dip 0.5° N) are compared with those of Jicamarca (12° S, 76.9° W, dip 2° N). Neutral wind simulations of present model agree well with those of horizontal wind model (HWM-93). The post-sunset enhancement and its reversal are also discussed.     

电离层水平电场与风场的耦合模拟研究

设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案,研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异. 研究发现,水平电场与风场相互反馈后,风场的变化比电流函数小. 经向风在白天有较明显的差异,夜晚的差异比白天小,主要出现在中高纬地区,并随高度的增加而增大,300km左右达到最大值,其后几乎保持不变. 纬向风有与经向风相似的变化,但纬向风耦合前后的差异比经向风小. 电流函数在耦合后有较大改变,两个涡旋强度都有较强增加,并且北半球的增强大于南半球,而夜晚差异较小. 结果表明,在研究的高度范围内,风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响.      

基于中国岢岚地区法布里-珀罗干涉仪的风场及行星波观测特征

利用中国岢岚站（38.7°N,111.6°W）法布里-珀罗干涉仪2013年7月至2014年11月的水平风场数据,对87,97,250km风场长期变化和行星波特征进行了研究.通过分析年振荡（AO）和半年振荡（SAO）振幅相位,将午夜风场与HWM07数据对比发现:87km和97km处FPI纬向风变化趋势与HWM07相近,而经向风相位落后于HWM07,从振幅上看,HWM07振幅偏大;250km处风场月变化大,FPI与HWM07差异大,HWM07模式的准确性需进一步考虑太阳活动和行星际磁场的影响.利用Lomb-Scargle功率谱以及最小二乘谐波拟合提取了三个高度的行星波振幅,其特征表明87km和97km处纬向风16日波秋季及冬春季活动强,而6.5日波最强振幅出现在春季和秋季,在中间层顶附近两种行星波活动均较弱;250km处经向行星波活动略强于纬向,经向风不同周期带的行星波最强振幅主要出现在5-9月,与电离层f₀F₂振荡特性的研究结果一致.      

120°E附近电离层赤道异常峰运动

本文研究了120°E北半球五个电离层站之f_oF₂的变化。指出了赤道异常北峰的运动规律:（1）日出-“日当头”时段,该峰向赤道运动,午后时段则向极运动。（2）运动的反向时间随太阳的最小天顶角的大小而变化,随太阳活动而变化。（3）向极运动主要受电离输运过程所支配,向赤道运动主要为光电离过程所支配。（4）120°E附近电离层赤道异常北峰上午段在海南岛附近,下午段在广州附近。      

A numerical study of noontime bite-outs in F2-region electron density

Noontime bite-outs in ionospheric F₂-region electron density in the geomagnetic equatorial, low, and middle latitudes have been reproduced in this study using the Thermosphere Ionosphere Electrodynamic General Circulation Model (TIEGCM). The different driving mechanisms of F₂-region noontime bite-outs at different latitudes were further verified by modeling simulation. In the geomagnetic equator, the upward ExB plasma drifts are the main process to produce the noontime bite-outs in ionospheric electron density. In the geomagnetic low latitudes, both the electrical fields and poleward meridional winds play a crucial role in forming the noontime bite-outs. In contrast to the case at the geomagnetic equator, a weaker fountain effect might be an favorable condition for the noontime bite-outs to occur at low latitudes. For geomagnetic middle latitudes, an upward plasma flux and poleward meridional winds are the dominated drivers in producing the noontime bite-outs. Modeling results show that a large upward plasma flux and poleward meridional winds make the noontime bite-outs to occur and observable over middle latitudes.     

Thermospheric winds over Abuja during solar minimum period

Monthly variations of averaged nighttime thermospheric winds have been investigated over Abuja, Nigeria (Geographic: 9.06°N, 7.5°E; Geomagnetic: 1.60°S). The reports are based on Fabry-Perot interferometer measurements of Doppler shifts and Doppler broadening of the 630.0 nm spectral emission. The results were obtained during a period of weak solar activity with the solar flux (F10.7) typically below 70 solar flux units. Inspection of the average monthly thermospheric winds from October 2017 to December 2017 found December meridional winds to be more equatorward than the October and November winds. Zonal winds are eastward with pre-midnight maximum speeds going above 100 m/s. Compared to Jicamarca zonal winds in the Peruvian sector for the same month of October, the magnitude of maximum Abuja zonal wind speed is weaker. We compare the observed diurnal variation with the recently updated Horizontal wind model (HWM 14). Most of the observational features of thermospheric wind diurnal variation are captured in the model variation. The HWM14 generally showed good agreement with the Abuja October and November zonal wind observations but overestimates the December meridional winds. Expected longer period analysis of the results from Abuja will stimulate a better understanding of wind climatology over the West African sector.     

Modeling of ionospheric parameter variations in East Asia during the moderate geomagnetic disturbances

The results of modeling of ionospheric disturbances observed in the East Asian region during moderate storms are presented. The numerical model for ionosphere–plasmasphere coupling developed at the ISTP SB RAS is used to interpret the data of observations at ionospheric stations located in the longitudinal sector of 90–130°E at latitudes from auroral zone to equator. There is obtained a reasonable agreement between measurements and modeling results for winter and equinox. In the summer ionosphere, at the background of high ionization by the solar EUV radiation in the quiet geomagnetic period the meridional thermospheric wind strongly impacts the electron concentration in the middle and auroral ionosphere. The consistent calculations of the thermospheric wind permit to obtain the model results which are closer to summer observations. The actual information about the space-time variations of thermosphere and magnetosphere parameters should be taken into account during storms.     

中纬电离层暴负相的开始时间与磁暴主相开始时间的对应关系及其理论模式

本文分析了满洲里、Freiburg、Billerica三个站的电离层暴负相开始时间与磁暴主相开始时间的相关关系,并且提出了一个电离层暴负相开始时间的计算模式。假定在磁暴主相开始时,在极光椭圆上空出现了含有较多分子的气体。气体被热层风携带,同时向外膨胀。当富含分子的气体到达台站上空时,负相电离层暴就开始了。计算结果与满洲里。Freiburg和Billerica三个站的统计结果相符合。