MSIS-86和IRI-86模式的扩展应用

本文简要地介绍了MSIS-86和IRI-86两个模式,并用此两模式所给的参数推算出热层中性大气风系、碰撞频率和电离层电导率的时空分布。      

上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标. 磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测. 其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键. 根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.      

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.      

电离层－热层耦合系统中由中性风引起的F区运动

利用一种时变电离层剖面的数值模型,研究电离层最大电子浓度所在高度对热层子午风变化的响应。对武昌(30.5°N,114.4°E)和Wakkanai(45.4°N,141.7°E)讨论三种不同类型的风场对峰高的控制作用。结果表明:(1)峰高对中性风的响应过程,存在南北方向不对称性、日夜不对称性和纬度差异。在真实背景大气下,热层与电离层通过风场强烈耦合。(2)由伺服理论推算的风场基本上是合理可靠的。(3)水平风模式HWM-90在所关心的地区,大致能反映实际子午风状况,但合理程度不及伺服理论的风场。      

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.      

磁暴期间中纬度电离层剖面结构变化的数值模拟

利用电离层理论模型模拟了磁暴期间热层大气温度、成分、中性风和电场扰动对电离层电子密度剖面结构，特别是峰值密度和峰值高度变化的影响，结果表明，热层大气温度变化所引起光化反应系数的改变对电离层剖面结构影响不大；热层大气成分特别是Ｎ２／Ｏ的变化能有效地引起密度剖面变化，Ｎ２增加足以使峰值密度产生所观测到的负相暴；由中性风和电场引起等离子体漂移是峰值高度ｈｍＦ２变化的主要原因，但对电子密度的影响不足以抵消     

全球电离层对2000年4月6-7日磁暴事件的响应

利用分布于全球的电离层台站的测高仪观测数据,对扰动期间,foF2值与其宁静期间参考值进行比较,研究了2000年4月6—7日磁暴期间全球不同区域电离层的响应形态,并通过对比磁扰期间NmF2的变化与由MSISR90经验模式估算的中性大气浓度比(no／nN2)的变化,探讨了本次事件期间的电离层暴扰动机制．结果表明,在磁暴主相和恢复相早期,出现了全球性的电离层F2层负相暴效应．最大负相暴效应出现在磁暴恢复相早期,即电离层暴恢复相开始时间滞后于磁暴恢复相开始时间．在磁暴恢复相后期,一些台站出现正相扰动．研究结果表明,本次事件期间的电离层暴主要是由磁暴活动而诱发的热层暴环流引起的．     

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.      

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。      

TIEGCM集合卡尔曼滤波同化模型设计及初步试验

选择参数化的电离层热层理论模型TIEGCM作为背景模型,基于COSMIC掩星观测的电子密度廓线数据,应用集合卡尔曼滤波方法建立全球电离层电子密度同化模型,实现了全球电离层的电子密度同化.同化结果表明,该同化模型能将观测资料有效同化到背景模式中,获得全球三维电离层电子密度.与背景模式相比,同化得到的电子密度相对于观测值的偏差显著下降.对于有同化和无同化参与的试验,N_mF₂的标准偏差分别降低约60%和20%.此外,分组同化与同时同化的结果对比显示,平均偏差改善基本一致,同时同化后的标准偏差在峰值高度以上略有减小.      

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.     

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.     

On the effect of near-equatorial thunderstorms on the global distribution of ionospheric potential

We develop our earlier attempts to perform an indirect quantitative examination of the hypothesis that electric currents flowing up from thunderstorms to the ionosphere (also known as Wilson currents) charge the ionosphere to a large positive potential with respect to the Earth. First, we take the electrostatic potential arising from the interaction of the solar wind with the Earth’s magnetosphere derived from an experimental data-based model of the high-latitude field-aligned currents. We then obtain the global distribution of ionospheric potential, utilizing a thin shell model, based on integration along field lines of the current continuity equation with a realistic model of ionospheric conductivity. Next, we include additional upward currents to simulate the effect of the three main thunderstorm regions over equatorial Asia/Oceania, Africa and the Americas. We compare the local time variation of the eastward electric field in the ionosphere produced by these three equatorial sources separately, and seek to understand the substantial differences between them. Finally, we examine the variation with local time of the eastward electric field in the ionosphere at low latitudes.     

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.      

利用卫星两行轨道根数反演热层密度

两行轨道根数（TLEs）是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道参数,通过求解大气阻力微分方程,可反演出热层大气密度. 本文选取近圆轨道CHAMP卫星和椭圆轨道Explorer8卫星,以两行轨道根数数据为基础,计算反弹道系数,并根据不同轨道特征采用两种不同反演方法对热层大气密度进行研究. 结果表明,这两种方法反演得到的大气密度与实测值均符合较好,其中CHAMP卫星的反演结果和经验模式值相对于实测值的误差分别为7.94%和13.94%,Explorer8卫星的误差分别为9.04%和14.32%. 相比模式值,利用两行轨道根数数据反演的热层大气密度更接近于实测值,说明该方法可以作为获取大量可靠大气密度数据的一种有效途径.      

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

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.