临近空间大气密度扰动对高超声速飞行器气动热环境的影响

基于TIMED/SABER 2002—2018年大气密度观测数据，统计分析了20~80 km大气密度扰动对高超声速飞行器飞行热环境的影响。根据驻点热流估算方法给出的大气密度变化量与热流变化量之间的关系，定性和定量分析了不同月份大气密度相对变化量引起的热流变化量在垂直和水平方向的分布特征。研究表明:SABER大气密度月年均值计算的热流相对USSA76在夏季半球中高纬度地区偏高，在冬季半球偏低。在夏季半球高纬度地区约80 km附近存在热流增量的极大值，南半球夏季的极大值高于北半球夏季，尤其在南半球1月份，热流偏高可达32.2%。在经度方向，热流分布在夏季半球差异较小，冬季半球差异较大；考虑真实大气中存在的扰动时，在南半球和北半球夏季80 km附近，SABER大气密度预测的热流分别比USSA76偏高可达40.7%和36.6%。在经度方向，大气扰动引起的热流经向分布差异显著。在飞行器设计时，大气扰动的影响不能忽略；高超声速飞行器飞行应避免在夏季穿越南半球和北半球，规避热流增加带来的风险。      

太阳极紫外辐射对热层大气密度的影响

对2001-2021年SOHO卫星的极紫外辐射测量数据,以及CHAMP,GRACE-A和SWARM-C卫星资料推导出的高分辨率大气密度数据进行统计分析,发现大气密度与极紫外测量值的相关系数大于密度与F10.7指数的相关系数,证实极紫外辐射在不同地方时的影响程度存在显著差异,从而驱动大气密度的周日变化。利用三颗卫星的高度差异揭示极紫外辐射对大气密度的加热效应在350～500 km范围随着高度增加而减弱。统计得到极紫外辐射影响在地方时和纬度上的空间差异：对夏季半球的影响大于冬季半球;在白天,对中纬度地区的影响高于赤道和高纬度地区;在夜间,密度对辐射的斜率在夏季半球高纬度地区存在峰值,在冬季半球中纬度存在谷值,模型DTM2000和NRLMSISE00未能准确刻画。为了改进经验模型,提出基于球谐函数的拟合方法,优于主流模型周日效应采用的表达式,对周日效应建模和修正提供有益借鉴。利用昼夜间能量传输和热层大气经向环流机制探讨了统计结果的物理机制。     

用中低纬度地磁资料确定S_q~e电流体系的焦点

本文分析了S_q~e电流体系与地面磁场的关系,指出用地面磁场的太阳日变化所确定的S_q~e电流体系视焦点与该电流体系真焦点的差异,讨论了用中低纬度地磁资料确定S_q~e电流体系焦点的几种近似方法,并用IGY/C期间全球地磁资料检验了这些方法的有效性和可能误差.     

低纬(海南)电离层等离子体漂移对地磁活动的响应

利用2003-2016年期间子午工程海南站（19.5°N,109.1°E）数字测高仪观测到的电离层等离子体漂移数据,分析了高低两种太阳活动条件下纬向和垂直向漂移对近磁静、中等磁扰和强磁扰三种地磁活动水平的响应特性.结果表明:日间纬向漂移各季节均以西向为主,随地磁活动无明显变化,白天日出附近和夜间漂移在各季节均以东向为主,随地磁活动增强而减弱,减弱程度在分季最大,在夏季最小;日间垂直漂移在零值附近变化,且不受地磁活动和季节影响,日落附近漂移仅在分季受到地磁活动的抑制,午夜前垂直漂移在分季受到抑制,在冬季因强磁扰而反向,夏季无明显规律,子夜至日出后垂直漂移在各季节随地磁活动增强而减小.与赤道区Jicamarca相比,两地漂移对地磁活动的响应相近,但在幅度和相位上存在差异,这可能是两地区的地理位置、背景电场和风场结构等不同造成的.      

Aura/MLS与TIMED/SABER观测全球重力波特性

大气重力波是临近空间环境主要大气波动之一,对全球环流具有重要影响。卫星上搭载的临边探测器能够探测临近空间大气温度,可用于临近空间大气重力波研究。利用2012－2014年Aura的微波临边探测器（MLS）和TIMED的红外临边探测器（SABER）的探测数据,对20~50 km高度的大气重力波扰动分布特征开展了分析研究,两种观测重力波活动基本一致,重力波随季节、纬度及高度的变化显著。冬季半球高纬度重力波扰动较强,赤道和夏季半球近赤道地区上空也存在明显重力波活动区域,夏季半球高纬度重力波扰动最弱。重力波扰动强度随高度增加。TIMED/SABER重力波扰动强度数值比 Aura/MLS略强。      

全球电离层发电机方程的一种数值解法

为了将建立在赤道为对称面假设基础上的二维半球域对称）电离层发电机理论扩展到全球,本文在解发电机方程时,去掉赤道对称面这一假设条件和两极附加的边界条件,使通常的边值问题变成一种“无边界’问题．它更合理地描述了电离层发电机过程,而且可以给出半球发电机理论所不能给出的特征,例如,可以对Ｓｑ电流体系的ＵＴ变化、季节变化、非偶极子地磁场部分的发电机效应等南北半球不对称的情况进行数值计算．计算实例表示,在简单的赤道对称情况下,它可以复现二维半球（对称）发电机模型的结果．在不对称情况下,电流体系的强度、焦点位置、电流方向等显示出较为复杂的变化,而半球发电机理论则无法解释这些特征．     

宇宙线暴时增加及其特征

利用11个地面超中子堆的资料分析了6个不同地磁暴期间由于赤道环电流增强引起的暴时增加,并分析了它们的特征。结果表明,地磁暴愈强,暴时增加愈明显。暴时增加与地磁H分量的变化有很好的负相关,并有明显的纬度效应或与地磁截止刚度有依赖关系。北京地区是暴时增加相当明显的区域。暴时增加还有明显的地方时依赖关系。在白昼一侧的增加更大,表明环电流具有不对称性的特征。      

地磁扰动期间日本Kokubunji站电离层的扰动特征分析

利用日本Kokubunji站(139.5°E,35.5°N)1959年1月到2004年12月共46年的F2层临界频率foF2参数,统计分析了Kokubunji站电离层F2层峰值电子浓度NmF2随地磁活动、太阳活动、季节和地方时变化的形态特征.结果表明,总体来看,磁暴期间Kokubunji站电离层响应以正暴为主,其中在太阳高年夏季为负暴,冬季为正暴,春秋季以负暴为主但幅度较小;在太阳低年夏季以正暴为主,冬季为正暴,春秋季以正暴为主.NmF2扰动与ap指数在夏季太阳高年负相关,在冬季无论太阳高年低年均为正相关,春秋季中4月和9月在太阳高年类似夏季,3月和10月在太阳低年类似冬季.电离层最大负相扰动对最大地磁活动的延迟时间约为12～15 h;正相扰动的延迟时间则分别为3 h和10 h.地磁活跃期间地方时黄昏后到午夜前倾向于正相扰动,清晨倾向于负相扰动.      

太阳活动低年低纬地区VTEC 变化特性分析

利用福州台站(26.1°N, 119.3°E, 磁纬14.4°N)电离层闪烁与TEC监测仪2006-2010年的观测数据, 对该地区垂直总电子含量(VTEC)进行时间变化特性分析. 结果表明, 春秋冬三季的VTEC平均最高值出现在06:00UT, 夏季出现在08:00UT, 所有季节的平均最低值均出现在21:00UT; VTEC变化存在季节异常和弱冬季异常, 春秋季节高, 冬夏季节低, 夏季VTEC比冬季低且最大值出现时间延迟; VTEC在2006-2009年呈现下降的变化趋势, 2010年开始增强, 年际变化与太阳活动及地磁活动变化趋势具有较好的对应关系; VTEC变化与太阳活动存在很好的相关性, 相关系数达到0.5以上, 地磁活动则显示了弱相关的特性; F_10.7与VTEC的相关性随着每天Kp指数总值Σ_kp的增大而减小.      

Physical implications of discrepancy between summer and winter PC indices observed in the course of magnetospheric substorms

The PC index based on a statistically justified relationship between the polar cap magnetic activity and the interplanetary electric field E_KL has been derived as a value standardized for the E_KL intensity regardless of season, UT and hemisphere. As a result, the summer and winter PC indices are consistent with one another under ordinary conditions. Discrepancies between the summer and winter PC indices arising in the course of magnetospheric substorms are analyzed in this paper. It is argued that the channel of enhanced conductivity, formed in the auroral oval owing to intense auroral particle precipitation, strongly improves the conditions for closure of the Region 1 field-aligned currents in the winter dark polar region but only trivially affects the conditions of the Region 1 FAC closure in the summer sunlit ionosphere. Since the coefficients describing the relationship between E_KL and the polar cap magnetic activity were derived for statistically justified (i.e., mean) conditions, their application to such abnormal situation, as intense field-aligned currents in the winter dark polar region, leads to overestimation of the winter PC index. The summer and winter PC indices level off as soon as the intense auroral particle precipitation terminates and the auroral ionosphere in the winter and summer polar caps returns to the ordinary (statistically justified) state.     

1980年中层大气温度波空间特征的初步分析

利用1980年Nimbus-7卫星网络点资料(温度场)对中层大气行星波的空间结构进行诊断和分析后发现,行星波扰动主要集中于冬半球,夏半球及赤道地区上空的扰动则相对较弱,但也不可忽视.冬半球行星波扰动中的瞬变波部分可以跨过赤道向夏半球传播,且传播主要集中于20kin和70km两个高度层附近.波数1冬季以准定常行里波为主,夏季瞬变行星波与准定常行星波波幅相当.行星波扰动的波幅从冬到夏的衰减主要表现在波数1和波数2上,波数3变化不大.      

不同强度磁暴期间热层大气密度响应特征分析

利用CHAMP卫星数据，对2002-2008年12个不同强度磁暴事件期间的热层大气密度变化特征进行分析，并研究对应磁暴期间大气模式NRLMSISE-00分布特征.结果表明，大磁暴期间日侧大气密度峰值从高纬到低纬的时间延迟为2h，中小磁暴期间的延迟时间为3～4h；春秋季暴时大气密度分布基本呈南北对称分布，而夏冬季大气密度的分布是夏半球大于冬半球，春秋季暴时大气密度大于夏冬季；NRLMSISE-00大气模式得到的热层大气密度很好的体现了半球分布以及季节分布的特征，但模式模拟结果偏小；Dst指数峰值比ap指数峰值更能反应大气密度的变化情况.      

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.      

中层大气行星波的跨赤道传播

使用一个全球原始方程半谱模式,模拟了行星波的跨赤道传播。结果指出:冬半球对流层顶附近准定常行星波的幅度起伏和相位变化,可以造成中层大气行星波的跨赤道传播,并且在夏半球形成瞬变行星波。所得结果为中层大气行星波的跨赤道传播、夏半球行星波的形成和南北半球之间的耦合提供了一种物理机制。      

Symmetry and asymmetry of ionospheric weather at magnetic conjugate points for two midlatitude observatories

Variations of the ionospheric weather W-index for two midlatitude observatories, namely, Grahamstown and Hermanus, and their conjugate counterpart locations in Africa are studied for a period from October 2010 to December 2011. The observatories are located in the longitude sector, which has consistent magnetic equator and geographic equator so that geomagnetic latitudes of the line of force are very close to the corresponding geographic latitudes providing opportunity to ignore the impact of the difference of the gravitational field and the geomagnetic field at the conjugate points on the ionosphere structure and dynamics. The ionosondes of Grahamstown and Hermanus provide data of the critical frequency (foF2), and Global Ionospheric Maps (GIM) provide the total electron content (TECgps) along the magnetic field line up to the conjugate point in the opposite hemisphere. The global model of the ionosphere, International Reference Ionosphere, extended to the plasmasphere altitude of 20,200 km (IRI-Plas) is used to deliver the F2 layer peak parameters from TECgps at the magnetic conjugate area. The evidence is obtained that the electron gas heated by day and cooled by night at the summer hemisphere as compared with the opposite features in the conjugate winter hemisphere testifies on a reversal of plasma fluxes along the magnetic field line by the solar terminator. The ionospheric weather W-index is derived from NmF2 (related with foF2) and TECgps data. It is found that symmetry of W-index behavior in the magnetic conjugate hemispheres is dominant for the equinoxes when plasma movement along the magnetic line of force is imposed on symmetrical background electron density and electron content. Asymmetry of the ionospheric storm effects is observed for solstices when the plasma diffuse down more slowly into the colder winter hemisphere than into the warmer summer hemisphere inducing either plasma increase (positive phase) or decrease (negative phase of W-index) in the ionospheric and plasmaspheric plasma density.     

A statistical study of the mid-latitude NmF2 winter anomaly

Hourly values of the F2-layer peak density, NmF2, measured by 62 ionosonde stations from 1957 to 2008 at middle geomagnetic latitudes of the northern and southern hemispheres are used in a statistical study of the F2-region winter anomaly. We analyze a maximum value, R, of the winter/summer geomagnetically quiet daytime NmF2 ratio over each ionosonde for approximately the same winter and summer solar activity conditions. The conditional probability of an occurrence of R in an interval of R, the most frequent value of R, the mean expected value of R, and the conditional probability to observe the F2-region winter anomaly are calculated and studied for low, moderate, and high solar activity conditions. It is found that northern hemisphere stations show significant cross-correlations of winter anomaly statistics with geomagnetic latitude for moderate and high solar activities.     

AIRS观测资料研究全球平流层重力波特性

利用2012—2014年1月和7月AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）第79通道的观测数据，分析了平流层重力波活动强弱的全球分布以及重力波发生频率的全球分布；分析了重力波活动随纬度和经度的变化特征，给出了重力波活动在全球范围内的热点区域及其活动强度；对比了白天与夜间的重力波活动强度及发生频率.研究表明重力波活动强度呈现出随纬度变化的特征，在低纬度地区（0°—30°），冬季半球重力波活动强度低，夏季半球重力波活动高；在中高纬度地区，冬季半球重力波活动强度高而夏季半球重力波活动强度低.在1月，全球重力波活动有4个突出的热点区域，分别为50°N附近欧洲大陆与大西洋交接地带、北美洲与大西洋交接地，20°S附近南美洲与大西洋交接地区、非洲与印度洋交接地区.在7月，重力波活动突出的地方为巴塔哥尼亚至南极半岛地区，以及50°S和75°E附近的印度洋区域.重力波活动强度在夜间大于白天，但是夜间的强重力波活动区域小于白天.      

Hemisphere-coupled modeling of nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbances

Nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbances (MSTIDs), which have tilted frontal structures in the midlatitude ionosphere, are investigated by the midlatitude ionosphere electrodynamics coupling (MIECO) model in this study. It has been proposed that the electrodynamic coupling between the E and F regions plays an important role in generating MSTIDs within a few hours. An intriguing aspect of MSTIDs is that they were simultaneously observed at magnetic conjugate locations in the Northern and Southern Hemispheres. In order to study the hemisphere-coupled electrodynamics, the MIECO model has been upgraded to consist of two simulation domains for both hemispheres in which the electrostatic potential is solved by considering electrodynamics in both hemispheres. The simultaneous occurrence of MSTIDs at the magnetic conjugate stations has clearly been reproduced when the F-region neutral wind satisfies the unstable condition in both hemispheres and a sporadic-E layer is given only at the Northern (summer) Hemisphere. Even if the unstable condition is satisfied in the summer hemisphere, an unfavorable F-region neutral wind in the winter hemisphere largely suppresses the growth of MSTIDs in both hemispheres.