基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年) CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析, 得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量. 研究结果表明, ρ受太阳活动影响较大, 其太阳周变化分量与F10.7指数变化之间的相关系数可高达94.5 %; ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小, 且在中高纬地区, 南半球的值明显大于北半球的值, 在低纬地区则出现基本对称的双峰分布, 即赤道质量密度异常(EMA)结构. 在ρ的年变化中, 呈现出明显的季节变化, 即夏季低冬季高; 同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强, 随纬度增加而增强. 将本文结果与经验模式NRLMSISE00在观测条件下的输出数据进行对比, 发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致, 但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小, 年变化幅度略大, 且NRLMSISE00模式不能再现EMA结构. 研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.      

电离层N_mF_2的准27天变化

利用1969-1980年期间东亚和澳大利亚扇区不同地磁纬度11个台站的电离层垂直探测数据,采用带通滤波的方法,分析了白天NmF2的准27天变化特征及其与太阳活动指数F10.7的相关关系.结果表明,在大多数年里,太阳活动指数F10.7和NmF2的短周期(2～70天)频谱中,27天周期附近都出现明显的极大值;在27天波段,F10.7和NmF2的标准偏差有逐年变化特征,F10.7的平均标准偏差为10.9%,NmF2 的标准偏差随地磁纬度变化,赤道地区最小,纬度越高标准偏差越大,11个站的平均标准偏差为8.2%;在27天波段,NmF2与F10.7存在显著的相关,在0.05的显著水平下,显著相关的概率在90%以上;NmF2相对于F10.7的准27天变化平均滞后2天左右;从总体上看,太阳EUV辐射的准27天变化是造成NmF2准27天变化的主要原因.     

大气对可见光和近红外遥感数据的影响

本文讨论了总辐照度、大气透过率和程辐射亮度对遥感数据的影响。导出了不同高度的程辐射亮度表达式。给出了三个不同地区上述三参数在可见和近红外光谱区不同波段的观测结果。用相应的大气模式计算了不同高度的大气透过率及程辐射亮度。预计了0.4—0.5,0.5—0.6,0.6—0.7,0.7—1.1微米波段在不同大气条件和不同高度遥感器接收到的总辐射亮度、目标物本征辐射亮度和程辐射亮度。给出了总辐射亮度随程辐射亮度和目标物反射率的变化关系。分析了这些数据与大气条件的关系。     

2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化

在第23至第24太阳活动周的峰年之间,太阳活动谷年具有持续时间长,极低F_10.7太阳辐射通量（低至65）和超长期的零太阳黑子数记录等特点,因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会.尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性.本文利用高度650 km以上星载大气密度探测器2007—2009年的连续探测数据进行分析,结果表明,在太阳辐射通量F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对F_10.7的起伏具有更显著的响应变化.当F_10.7由70降至65时,日均大气密度会有4～5倍的显著降变,远大于通常大气模式中的降变值.同样在F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变,当日K_p指数之和由23增至30时,较高热层大气密度则会有80%～160%的强增变.     

太阳活动与热层大气密度的相关性研究

为分析太阳活动对热层大气的影响,使用250km,400km,550km高度处热层大气密度与太阳F_10.7指数数据,研究了二者的周期变化及相关关系. 结果表明,热层大气密度的变化与太阳活动呈现相似的变化趋势;两者均具有显著的27天及11年周期变化特征,热层大气密度还存在7～11天及0.5年和1年的变化特征,且高度越高越明显;热层大气密度对太阳活动的最佳响应滞后为3天,无论何种地磁活动水平下,400km高度处相关性高于250km,550km处相关性最小,且太阳活动下降相期间高于上升相;250km,400km和550km高度处热层大气密度和太阳活动的统计结果分别为饱和、线性和放大关系;高度越高的热层大气密度对太阳活动响应越敏感.      

太阳活动与全球气候变化

太阳不断向地球辐射电磁波和粒子, 太阳辐射是地球气候系统最主要的能量来源. 地球气候系统对太阳活动的响应是一个复杂的过程, 包括辐射过程、动力学过程以及微观物理过程等. 根据太阳辐射的卫星观测结果和重建结果, 例举了古气候、温度、大气环流和云量等方面太阳影响气候的观测证据, 论述了太阳影响气候的三种可能机制, 即太阳总辐射变化可以影响地表温度, 并通过海-气耦合改变大气环流; 太阳紫外辐射通过调制平流层的温度和风场影响下面的对流层; 太阳通过行星际磁场调制银河宇宙线, 而银河宇宙线通过电离大气影响云量, 进而改变地球的能量收支.      

Chapman函数在实际模式大气中的数值积分计算

本文对Chapman阳光掠射函数[Ch(z_p,χ)]进行了数值积分,求得了其在实际模式大气中随观测高度z_p及天顶角χ的变化.计算并讨论了低热层高温度梯度、分子与湍流扩散、重力场及太阳活动对 Ch(z_p,χ)的影响.结果表明,在150 km以下,Ch(z_p,χ)与前人用等标高模式及等标高梯度模式的计算结果差别较大.其中高温度梯度的影响起主导作用.特别是太阳活动对Chapman函数影响较显著,高年与低年之间可变化10—40％(在大天顶角时),这有可能推动热层大气中辐射-光化学-动力学耦合关系的变化.     

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.      

太阳微波爆发动态频谱仪

介绍了北京天文台已投入观测的1.0—20GHz,2.6—3.8GHz太阳射电频谱仪及1999年投入观测的5.2—76GHz太阳射电频谱仪。它们是第23周太阳活动峰年我国太阳物理界的重要观测设备已投入观测的频谱仪获得不同类型的太阳射电爆发资料分别为171个和146个,这些事件在时间和频率上有丰富的幅度和结构的变化。不同太阳射电爆发反映太阳大气不同高度上耀斑的时间和空间的演化过程,为研究不同大气高度中耀斑物理动力学过程、能量释放、粒子加速提供了更多的依据。      

太阳周期活动对低高度内辐射带高能质子的影响

利用NOAA-15卫星1998年到2011年近13年的高能质子全向通量观测资料, 分析了一个太阳活动周内, 低高度内辐射带高能质子通量的分布变化特性及其物理原因, 比较了观测结果与AP8模型的不同. 研究表明, 低高度内辐射带高能质子通量与太阳活动水平的反相关关系与磁壳参数L值及磁场B值有关; L值越低, B值越大的空间点, 其高能质子通量与太阳活动水平的反向相关性越明显. 高能质子通量随太阳活动水平的变化存在明显滞后现象, L值越高、 B值越小的空间点, 滞后现象就越明显, 滞后严重时可以达到一年左右的时间; 这种滞后现象反映出低高度内辐射带高能质子的源与损失达到平衡是一个中长期过程. 通过与AP8模型计算结果的比较分析可以看出, 利用AP8模型时, 仅考虑地磁场长期变化对质子通量的影响可能会夸大低高度内辐射带局部高能质子通量的增强.      

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F10.7响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间（1996—2008年）400km高度上的大气密度,并统计分析大气密度对太阳辐射指数FF_10.7的响应.结果表明,在第23太阳活动周内,大气密度的变化趋势与太阳辐射指数FF_10.7的变化趋势基本一致,但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数FF_10.7的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4,而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍,而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与FF_10.7指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区,太阳辐射高年大气密度与FF_10.7指数的相关系数比低年的大.不同纬度上,大气密度与太阳辐射指数FF_10.7的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.      

Solar EUV and decimetric indices and thermospheric models

Data bases and limits of applicability of existing empirical thermospheric models are reviewed by using these models together with solar EUV irradiance data in studying the solar activity effect on composition, density and temperature. For two rather short aeronomy missions of the AEROS A and B satellites solar EUV indices as proposed by Schmidtke are used in comparison with the 10.7 cm solar flux F in determining the solar activity effect in in-situ composition measurements sampled by the same satellites at 250, 310 and 380 km altitude. No advantage of solar EUV indices over F could be determined.     

Plasma transport process in the equatorial/low-latitude ionosphere

The behaviour of the equatorial/low-latitude ionosphere and the transport processes during magnetic disturbed and quiet periods of a high solar activity year, 2014, in the American sector are investigated. Parameters used include vertical drift (Vz), transport term (W), NmF2, hmF2 and scale-height (H). The F2 plasma variations followed the diurnal local solar pattern, being higher at daytime. The sunset maximum and sunrise minimum peaks of hmF2 were directly opposite to the scale height (H) pattern. The plasma distribution was basically controlled by combined actions of the electrodynamic convection/thermospheric composition, which is geomagnetic activity dependent. The annual, semi-annual and winter-anomalies of the F2 parameters were higher at the dip equator in comparison with the low-latitude. The Vz pre-reversal peak magnitude coincided with hmF2 peak and the effects are more pronounced during geomagnetic disturbed conditions. The transport term pattern was similar to that of the scale height and it is suggested as a proxy parameter for quantifying low-latitude plasma irregularities and distribution of thermospheric composition.     

Distinct EUV minimum of the solar irradiance (16–40 nm) observed by SolACES spectrometers onboard the International Space Station (ISS) in August/September 2009

In the field of terrestrial climatology the continuous monitoring of the solar irradiance with highest possible accuracy is an important goal. SolACES as a part of the ESA mission SOLAR on the ISS is measuring the short-wavelength solar EUV irradiance from 16–150 nm. This data will be made available to the scientific community to investigate the impact of the solar irradiance variability on the Earth’s climate as well as the thermospheric/ionospheric interactions that are pursued in the TIGER program. Since the successful launch with the shuttle mission STS-122 on February 7th, 2008, SolACES initially recorded the low EUV irradiance during the extended solar activity minimum. Thereafter it has been observing the EUV irradiance during the increasing solar activity with enhanced intensity and changing spectral composition. SolACES consists of three grazing incidence planar grating spectrometers. In addition there are two three-signal ionisation chambers, each with exchangeable band-pass filters to determine the absolute EUV fluxes repeatedly during the mission. One important problem of space-borne instrumentation recording the solar EUV irradiance is the degradation of the spectrometer sensitivity. The two double ionisation chambers of SolACES, which could be re-filled with three different gases for each recording, allow the recalibration of the efficiencies of the three SolACES spectrometers from time to time.     

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.     

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。     

Non-axisymmetrical distributions of solar magnetic activity and irradiance

Active longitudes play an important role in spatial organization of solar activity. These zones associated with complexes of solar activity may persist for 20–40 consecutive rotations, and may be caused by large-scale non-axisymmetrical components of the global magnetic field. These zones of the field concentrations are 20°–40° wide and during subsequent rotations tend to reappear at constant longitude or drift slightly eastward or westward. Since the magnetic field is the principle source of the variations of radiation on the solar surface the active longitudes affect the solar irradiance received at the Earth. In this paper I study connections between the active longitudes and irradiance variations using VIRGO/SOHO, KPO and WSO data, which covered the transition period from solar cycle 22 to cycle 23 and rising phase of cycle 23. The result of this investigation is that active longitudes are associated with increases of the total solar irradiance and are prime sources of enhanced EUV radiation and coronal heating.     

第23太阳活动周太阳极紫外辐射与磁暴相关性分析

统计第23个太阳活动周内中等及以上强度（Dst_min<-50nT）的磁暴事件,线性拟合分析磁暴主相DDst_min和达到DDst_min前一个表征太阳极紫外辐射强度的F_10.7之间的相关性.结果表明:随着太阳极紫外辐射增强,DDst_min<-50nT的磁暴出现的总数增多,在弱、中等和强太阳极紫外辐射条件下,其数量分别为56,84和85;随着太阳极紫外辐射增强,强磁暴（-200nT ≤ Dst_min<-100nT）和大磁暴（Dst_min<-200nT）发生的数量和相对发生率呈增长趋势,尤其是大磁暴数目（1,4,12）和相对发生率（1.79%,4.76%,14.12%）明显呈增长趋势;大磁暴（|Dst_min|）与太阳极紫外辐射（F_10.7）之间存在中度正相关关系,其相关系数为0.532,并且主要体现在大磁暴（|Dst_min|）与强太阳极紫外辐射（F_10.7）之间的中度正相关性,其相关系数为0.582.大磁暴与强太阳极紫外辐射之间的相关性可为空间天气预报提供参考依据.