大气潮汐风场诱导中纬突发E层的观测证据及理论模拟分析

统计分析了中纬突发E层的测高仪数据,给出了潮汐风场诱导Es层的观测证据,证实了大气潮汐风场和突发E层的强烈相关性.另外,依据风剪切理论,从连续性方程出发,并结合运动方程,运用特征线方法求解,模拟了Es层在潮汐风场作用下的形成.模拟结果证实了风剪切理论的合理性及潮汐风场导致突发E层形成的可能性.      

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.      

乌鲁木齐地区电离层环境长期变化特性研究

电离层环境变化对电子信息系统具有重要影响,其可能引起短波通信质量下降甚至中断,导致导航信号闪烁和误差增加等. 研究电离层环境特性对于评估空间环境对通信、雷达及导航装备的影响具有重要意义. 本文根据乌鲁木齐电波环境观测站50余年数据,研究了乌鲁木齐地区电离层F层临界频率、F层底高、Es层临界频率的日变化、季节变化和长期变化情况,同时根据HWM07高空风场模型研究了乌鲁木齐地区高空风场的昼夜和季节变化特性.      

Puerto Rico地区偶发E层临界频率特性统计分析

利用Puerto Rico站(18.5°N, 67.2°W) 1997—2013 年的Es临界频率数据, 对该地区Es特性进行了分析. 结果表明: 临界频率 f₀E_s 日均值具有一定的16天周期性变化特征, 其可能是大气行星 波引起的; f₀E_s 随地方时的变化基本上呈一个波峰波谷结构, 波谷 位于06:00LT左右, 波峰位于14:00LT左右, 同时存在午夜和日落后异常高 值现象, 其分别与午夜南向风场减弱和夜间电场变化有关; 通过分析不同强 度Es, 发现潮汐风造成较低强度Es发生率的地方时分布与中等和高强度Es 明 显不同. 这些现象的相关物理机制尚需进一步研究论证.      

用电离层特性参量提取等效风场信息

导出了利用中低纬电离层特性参量获取电离层F层峰区高度上等效风场（包含电场和风场信息在内）的基本方程，并尝试用该方法从电离层特性参量（峰高和临频）提取等效风场信息，利用武汉站DGS-256电离层数字测高仪数据及由美国Massachusetts Lowell大学最新版的剖面反演程序换算得到F层峰高，获得了武汉地区夏季至日点附近，冬季至日点附近，冬季地磁特别宁静的九天和冬季平均等效风场的初步特征，并利用Fejer经验电场模式计算冬季电场引起的垂直漂移，估计电场和风场对武汉地区的垂直等效风场的贡献大小，结果表明：等效风场呈现出白天与夜晚幅度和方向的差异。至日点附近冬季与夏季白天的幅度差异以及明显的凌晨凹陷现象；平均情况下，垂直等效风场幅度和方向的变化主要是由中性风引起，受电场的影响不大。     

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.      

海南地区电离层Es特性研究

利用中国科学院空间科学与应用研究中心海南电离层观测站DPS-4电离层测高仪2002年3月至2005年2月的观测数据,对太阳活动下降期间海南地区上空发生的偶发E层(Es)的逐年变化和季节变化进行了统计分析.主要结果表明,在这3年中海南地区Es事件出现次数逐年增加;Esr,Esq出现最频繁,其次是Esr,而Esc和Esf出现次数较少,出现次数最少的是Esh;Es事件在夏季出现最为频繁,秋季和冬季次之,春季最为稀少;各季节不同类型Es事件的出现率也不同,其中Esl和Esq一般在各季节占主导地位,Esr其次,Esc,Esf和Esh出现次数较少,尤其是Esf在秋季几乎没有出现.这些结果对于进一步研究Es产生的物理机制提供了探测基础,同时对于电离层空间天气预报模型的建立也具有重要的意义.      

Millstone地区垂直等效风场的气候学变化

基于1976---2006年美国Millstone非相干散射雷达的电离层观测数据, 分析了美国Millstone地区不同太阳活动条件下, 包括中性风场和电场漂移共同贡献的垂直等效风场的变化特征. 结果表明, Millstone地区的垂直等效风场表现出比较明显的周日、太阳活动和季节变化特征. 晚间垂直向上的等效风较强, 白天等效风较弱, 甚至接近于零. 在不同太阳活动和季节变化条件下, Millstone地区的等效风场都表现出类似的周日变化特征, 低太阳活动条件下, 晚间表现出较大的向上漂移. 这种周日变化和太阳活动变化特征与Millstone地区受到极区热源驱动大气循环的调制以及离子曳力的增减有关. 春季和秋季有相似的幅度和相位变化趋势, 表现出分点对称性; 冬季晚间向上漂移比夏季弱, 且随着太阳活动增强, 差异更加明显, 这再次体现了极区热源驱动大气循环的影响.      

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.      

太阳和地磁活动对高中低纬度站点Es层的影响

关于地磁和太阳活动对Es层形成的影响,已有研究所得结论不同甚至相互矛盾.为研究太阳和地磁活动对Es层的影响,对4个太阳活动周期（1970-2010年）高中低纬度站点每小时Es层的参数进行了分析.结果表明太阳和地磁活动对Es层形成确实具有影响,而且不同纬度Es层与太阳和地磁活动的相关系数也不相同.同时对Es层各参数对于太阳和地磁活动不同反应的原因进行了解释.      

A Simulation of the Mid-and Low-latitude Ionospheric Electric Fields

A theoretical model of ionospheric electric fields at mid- and low-latitudes is developed. In the geomagnetic dipolar coordinate system, the ionospheric dynamo equations were solved, and the ionospheric electric potential and electric field were derived respectively. Major parameters for the model inputs, such as the neutral winds, the densities and temperatures of electron, ions and neutrals, are obtained from empirical models. The global ionospheric electrical potential and field at mid- and low-latitudes derived from our model are largely in agreement with the results presented by other authors and the empirical model. Using our model, it is found that the diurnal component of the HWM93 wind mainly contributed to the formation of the vertical electric field, while the semidiurnal component mainly contributed to the zonal electric field. Finally, by adjustment of the input F region winds and conductivities, most discrepancies between our model and the empirical one can be eliminated, and it is proved that the F region dynamo is the most significant contribution to the electric fields.      

利用掩星温度数据推算大气月平均纬向风场

为了弥补中高层大气风场探测数据的不足，对2007年COSMIC全球掩星在20～60km高度内的温度数据进行网格化插值，利用梯度风计算方法，计算得到20～60km高度内的月平均纬向风场，分别与ECMWF再分析数据和HWM07模式进行对比分析.结果表明，利用COSMIC温度数据计算得出的纬向风与ECMWF的纬向风十分接近，而与HWM07结果有一定差异，但总体变化趋势一致.与ECMWF再分析数据相比，利用COSMIC温度数据计算的月平均纬向风场平均偏差为-1.50～-0.08m·-1，标准差为1.50～11.95m·-1.与HWM07模式风场相比，利用COSMIC温度计算的月平均纬向风场平均偏差为-0.83～1.21m·-1，标准差为3.69～11.14m·-1.      

Plasma polarization electric field derived from radio sounding of solar wind acceleration region with spacecraft signals

Presented is the analytical approximation of averaged solar wind velocity radial dependence in the solar wind acceleration region at heliolatitudes below 60° under low and moderate solar activity. This empirical approximation is based on the data of radio sounding of the solar corona with radio signals from various spacecraft. Deduced is an equation connecting the solar wind velocity radial dependence and the radial dependence of solar wind plasma polarization electric field intensity. This allows constructing a semi-empirical radial dependence of plasma polarization electric field corresponding to the empirical radial dependence of solar wind velocity. Main properties of the semi-empirical dependence, which is based on radio sounding data, are described.     

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站（39.4°N,116.7°E）流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100km的中间层与低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.      

Vertical plasma transport in the ionosphere over Irkutsk during St. Patrick’s Day geomagnetic storm: Observations and modeling

The St. Patrick’s Day storm being the strongest geomagnetic storm of Solar Cycle 24 caused strong changes in ionospheric and thermospheric dynamics. The paper presents a study of vertical plasma transport in the ionosphere during the St. Patrick’s Day storm with using both observations and modeling. The observations give the ionospheric peak height obtained with the chirp vertical sounding ionosonde and the neutral wind velocities obtained with the Fabry-Perot interferometer. The ionospheric peak height is an indicator of the total vertical plasma transport, while meridional wind and electromagnetic drift are the two main drivers of the vertical plasma transport. The Global Self-consistent Model of the Thermosphere, Ionosphere, and Protonosphere used in this study gives the total set of ionospheric and thermospheric parameters including F2-layer peak height, neutral wind velocities, electric field, and neutral composition. The model/data comparison allows us to obtain two main results. The first one is an estimation of the model prediction possibilities under storm conditions. The second result is an indirect assessment of the neutral wind and electric field contribution into the changes in the ionospheric peak height in the case of the St. Patrick’s Day geomagnetic storm.     

一个低纬电离层理论模式

建立一个改进的低纬F层时变理论模式．采用沿磁力线分布的固定网格点，利用算子分裂方法求解离子连续性和动量方程，给出O＋、N2＋、O2＋和NO＋密度随纬度、高度变化的二维分布．对太阳活动高年的春分季节东亚区赤道异常日变化进行的模拟计算，较好地再现了赤道异常的典型特征．计算结果也表明HWM90模式给出的低纬夜间风速可能偏大；东亚区垂直漂移速度可能比美洲区的要小．     

磁扰期间的三维漂移壳分离

基于磁层粒子动力学理论,首先对比了计算漂移壳分离的引导中心法和磁力线追踪法,计算表明两种方法的计算结果一致.然后分别采用T89c和T96磁层磁场模式,用磁力线追踪法数值计算了不同初始位置(≤9Re)、不同初始投掷角、不同Kp指数和不同太阳风压力下,带电粒子的漂移壳分离.计算结果揭示了漂移壳分离随初始位置、投掷角、Kp指数和太阳风压力的变化.其具体特征如下. (1)随着径向距离的增大,漂移壳分离效应愈加显著,由正午出发的粒子将被稳定捕获,而午夜出发的径向距离≥7Re的部分大投掷角粒子将沿磁层顶逃逸. (2)正午出发的粒子,漂移到午夜时其漂移壳随投掷角减小向外排列;午夜出发的粒子,漂移到正午时其漂移壳随投掷角增大排列; 90°投掷角粒子在磁赤道面的漂移壳沿着磁场等值线排列. (3)漂移壳分离随Kp指数和太阳风压力增大变得显著,且随这两种扰动参数的变化特征和趋势是基本相似的.