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.      

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.      

东亚地区Es特性研究

Es是发生在电离层E层高度上的偶发不规则结构,其电子密度最高可达E层背景电子密度的100倍以上. 远东地区是全球Es的高发区,其相关研究具有独特性和典型性,该地区Es形态学特性的深入研究对于探索Es成因及揭示其本质具有重要意义. 本文利用中国电离层垂测网50余年的垂测数据,结合日本垂测网数据对东亚地区Es的强度特性、空间分布特性、日变化、季节变化以及长期变化趋势进行了深入分析,得到一些有意义的结论.      

电离层Es电波传播模型研究

考虑大气折射的影响,对不同高度Es层条件下大圆路径传播距离与仰角的关系进行计算.基于电离层Es电子密度时空分布特点,建立高阶Es反射模型;运用高阶修正贝塞尔函数表示电离层Es电子密度扰动的自相关函数,综合考虑电离层Es各向异性结构的尺度关系,建立高阶Es散射模型.仿真计算Es层VHF斜入射传播衰减与频率、距离的关系.对于反射模型,Es层厚度越厚,电波衰减越大.对于散射模型,Es层不规则体水平尺度相同,垂直水平漂移的尺度越大,衰减越大;而垂直水平漂移的尺度相同,水平尺度越大,衰减越小.无论反射模型还是散射模型,f₀E_s越高,衰减越小;电波工作频率越高,衰减越大.对比建立的模型与VHF链路的测量结果,明确不同强度的电离层Es反射/散射机制,证明了建立模型的正确性.      

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.      

远东地区电离层Es的增强及其相关因素

本文考察了远东地区电离层Es的增强与地磁活动的关系.因采用了时间迭加法和地方磁情指数K,且着重于夜间和变化幅度较大的Es,所以所得结果特征显著.以本文所用的1213次Es增强事件,70%左右的夜间Es在增强前11小时内有K≥4或△K≥2;另外30%左右的夜间Es增加,或出现于磁静日,且与邻近的印度海德拉巴地磁台所记录到的缓始磁暴有关;或发生在全球性大磁暴前.      

中国典型区域Es特性研究

利用中国海口、长春和拉萨三个站1976-1986年一个太阳周的观测数据, 对中国典型区域的Es特性进行了研究. 分析了不同强度Es (f₀E_s > 3, 5, 7, 9MHz)出现概率随本地时、季节以及太阳活动的变化规律, 并对电离层Es遮蔽情况(包括全遮蔽和半遮蔽)进行了系统分析. 研究结果表明, 各种强度的Es出现概率均是白天大于夜间, 夏季高于其他季节, 随太阳活动性变化规律不明显, 地区差异较大, 大部分情况拉萨站Es出现概率最高; 对于全遮蔽和半遮蔽特性, 不同站也表现出不同的分布规律.      

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.      

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.      

武汉上空偶发E层与流星雨的联系

利用全天空流星雷达和数字测高仪联合观测数据,初步分析了武汉(30°32′N,114°22′E)上空2002年3次大的流星雨(英仙座、狮子座、双子座)及2003年象限座流星雨爆发期间Es的出现率变化趋势及其与流星观测量的关系.结果表明,在流星雨爆发时,雷达观测到的流星数目会显著增加;流星雨峰值过后,Es出现率也会增大.流星数和Es出现率间的平均互相关函数有两个峰值,第一个峰值平均出现在流星雨爆发后的第2天前后,第二个峰值平均出现在流星雨后第6天前后.我们认为,第一个峰值对应于流星雨期间的大量流星雨电离产生的Es,第二个峰值对应于流星雨后沉积的金属离子在风剪切作用下形成的Es.     

A comparative sporadic-E layer study between two mid-latitude ionospheric stations

Hourly systematic measurements of the highest frequency reflected by the sporadic-E layer (foEs) recorded from January 1976 to June 2009 at the ionospheric stations of Rome (Italy, 41.8°N, 12.5°E) and Gibilmanna (Italy, 37.9°N, 14.0°E) were considered to carry out a comparative study between the sporadic E layer (Es) over Rome and Gibilmanna. Different statistical analysis were performed taking into account foEs observations near the periods of minimum and maximum solar activity. The results reveal that: (1) independently from the solar activity, Es develops concurrently over extended regions in space, instead of being a spatially limited layer which is transported horizontally by neutral winds over a larger area; especially during summer months, when an Es layer is present at Rome, there is a high probability that an Es layer is also present over Gibilmanna, and vice versa; (2) Es layer lifetimes of 1–5 h were found; in particular, Es layers with lifetimes of 5 h both over Gibilmanna and Rome are observed with highest percentages of occurrence in summer ranging between 80% and 90%, independently from the solar activity; (3) latitudinal effects on Es layer occurrence emerge mostly for low solar activity during winter, equinoctial, and summer months, when Es layers are detected more frequently over Gibilmanna rather than Rome; (4) when the presence of an Es layer over Rome and Gibilmanna is not simultaneous, Es layer appearance both over Rome and Gibilmanna confirms to be a locally confined event, because drifting phenomena from Rome to Gibilmanna or vice versa have not been emphasized.     

Comparison of global morphologies of vertical ion convergence and sporadic E occurrence rate

This study employs the Horizontal Wind model 2014 to calculate the intensity of the Vertical ion convergence (VIC) to examine the role of neutral wind shear in the global distribution of the Es occurrence rate. The global S4 observations from the FORMOSAT-3/COSMIC GPS Occultation Experiment (GOX) are used to derive global information on the Es occurrence. Both the simulation and observation suggest that the Es highly occurs in the mid-latitude regions of the summer hemisphere.     

频高图Es层回波的自动识别

提出了一种基于决策树算法的自动识别Es层回波的方法以提高Es识别效率.通过自适应二值化以及中值滤波算法对频高图进行预处理，并提取有效的Es回波区域.利用Es层在虚高轴分布的规律，通过图像投影的方法选择出特征，将这些特征以及时间信息作为决策树算法的输入；通过人工识别方式为每幅频高图标明是否存在Es回波的标签，与决策树算法的输出进行比较.对训练集进行训练、剪枝，获取最接近人工识别结果的决策树，使用测试集对获取的决策树进行测试验证.本文使用云南普洱站（22.7°N，101.5°E）记录的频高图数据作为训练集，分别使用云南普洱站（22.7°N，101.5°E）和四川乐山站（29.5°N，103.7°E）的频高图数据作为测试集对该方法进行测试验证，结果表明该方法对普洱站和乐山站两地Es二跳回波的识别均具有较高的准确率，分别达到84.2%和82.8%.      

An attempt to study long-term variation of sporadic E layers using neural networks

Strong positive correlation between sporadic E layers and the solar activity and the long-term declining trend of Es were found in this paper. Then the feed-forward back propagation neural networks (NNs) were used to simulate the long-term variation of Es at four stations and predict foEs yearly average values. The inputs used for NNs are the yearly mean values of foEs in the daytime of the past ten years and the yearly averaged data of solar 10.7 cm radio flux (F107) of the present year, and the output is the present yearly mean value of daytime foEs. The outputs of trained NNs have high correlation with the desired values and the foEs yearly mean values predicted by NNs have good agreement with the observed data. The results indicate that NNs can make full use of the observed data to simulate the long variation rule of Es. Also, the results confirm the effect of solar activity on Es.