冬夏典型地磁-电离层暴期间太平洋区域F层行为

本文在前人已公布的暴时电离层动态资料的基础上, 进行了太平洋地区冬至与夏至期间电子总量和F层特征的分析研究, 取得了新的结果.认为在磁暴主相出现之时, 以电子总量为表征的电离层暴达到最明显的程度.以F层为代表的电离层的行为强烈地受控于经度(暴时)、纬度、地磁格局和季节(南北半球)的缔合关系;并且电子总浓度的消长关系需从电离增长率(磁壳层收缩)-电离消矢率(损失系数加大)-电离迁移率(磁共轭迁移和电离峰谷异动)作统一考虑.文中提出了较合理的电离层暴区划意见并讨论了暴情倒相问题.      

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.      

返回散射电离图的前沿提取方法

提出了返回散射电离图前沿提取的方法. 其中, 一层电离图前沿和两层电离图下面一层前沿是在消除干扰和噪声后的电离图上采用边缘识别方法进行提取的, 两层电离图上面一层前沿则是在仅经过干扰抑制的电离图上采用基于高斯型加权系数的能量梯度算法进行提取的. 本文提出的前沿提取方法准确率较高, 并且易于实现, 已在工程中得到应用.      

E10.7指数在软X射线谱段的修正应用

表征EUV辐射通量的E10.7指数在越来越多的研究和应用中被用来代替传统的F10.7指数.X射线对地球D层和E层的电离起着重要作用,但由于D层观测数据的不足和E层电离源的多样性,难以被用来考虑X射线对电离层的影响.火星电离层下层的电离源几乎是单一的软X射线,这为研究X射线对电离层的作用提供了可能性.通过研究火星电离层下层的峰值电子浓度对E10.7的依赖关系,发现即便经过必要的修正,这种关系对不同的观测时段并不具备一致性.通过理论推导和数据分析,得到了一种特别用于描述太阳软X射线辐射通量的新指数,即Xs指数,用来替代E10.7指数.Xs指数在描述火星电离层下层对太阳辐射的依赖关系时,不同的观测时段有很好的一致性,表明Xs指数在表征太阳软X射线辐射强度方面比E10.7指数更加合适.      

日照边缘区域电离层对耀斑的响应特点研究

利用MSIS模型和背景太阳辐射谱模型,在一定大耀斑辐射谱假设的前提下,计算了耀斑期间日照边缘区域的电子产生率,分析了这一区域电离层电子密度的变化特点.结果表明,大耀斑期间在日照边缘区域,甚至大于太阳天顶角90°的区域都有明显的电子产生率的增加.从不同太阳天顶角处的电子产生率剖面的形态来看,随着天顶角的增加最大电离率减少,但高度增加.计算还显示了在太阳天顶角小于90°的区域内电子产生率的垂直分布有明显的双峰结构,这种结构对应着电离层的E区和F区,但在天顶角大于90°区域,F区的电子产生率要大得多.考虑到离子和电子的复合过程,这一区域的总电子含量的增加主要产生在高F区.      

用斜探测电离图(P-f)作频率预报

本文分析了斜探测电离图(P-f)。在对测得的电离图判读的基础上给出了最高观测频率MOF的日变化曲线,它可看作为电离层准实时频率预报曲线。图中同时提供了几个重要的电离层预报参数,如MOF、LOF、MUF及E_s的影响等。文章最后把斜测电离图与同时测得的返回散射电离图(在同一张电离图上)结合起来,给出了最佳工作频率窗口,其结果可以作为(在固定线路上)修正长期预报的依据,因为长期预报是用垂测数据经换算得到的。      

极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性研究

利用第23太阳活动周DMSP F12,F13和F15卫星数据,分别对南北半球极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性进行了研究.结果表明,南北半球上行事件对太阳活动的响应特征基本一致,即高（低）太阳活动时,离子上行通量以及上行数密度较大（小）,但是上行速度及上行发生率较低（高）.以南半球高纬为例,计算得到离子上行通量、数密度、速度及发生率在高低太阳活动条件下的比值分别约为2.26,3.35,0.71,0.51.对离子上行太阳活动依赖性的可能原因进行了分析.不同太阳活动水平下,光致电离及高能粒子沉降的差异会导致电离层离子密度的不同,而电离层离子密度的变化会改变离子elax-elax中性大气之间的碰撞频率,这是影响离子上行发生率的一个重要原因.      

非相干雷达探测低电离层的结果分析

位于波多黎各的Arecibo非相干雷达可以获得低电离层电子和离子密度, 利用此非相干雷达数据对中纬度低电离层的运动特征进行研究. 得到了电子密度随时间和高度的变化 情况, 结果显著呈现出周日变化特征, 并分析了电子密度随高度的变化规律. 进一步对数据进行频谱分析, 深入研究低电离层电子密度的周日变化效应. 得到电子密度的高度剖面, 发现从F层底部到E层有明显的等离子体沉降. 低电离层的层结构特征及电子密度变化表明, 在该区域还存在不同程度的等离子体扰动, 由此对低电离层的作用因素 进行分析, 认为大气潮汐或声重波可能对低电离层产生扰动, 即低电离层与大气存在一定程度的耦合作用.      

利用电离层参量推断电子浓度剖面的一种简单方法

由武汉电离层观象台实测的电离层F2层临界频率foF2、3000km传播因子M(3000)F2的月中值资料，统计分析分别得出它们的经验模式，模式结果能够较好地再现这些参数的观测值．利用foF2、M(3000)F2以及TEC的经验模式，获得F2层的峰值参数，输入到电子浓度的Chapman α函数中，推断出了电子浓度的高度剖面；将剖面在一定的高度范围内积分，得到该区域内的电子含量并与实际观测TEC相比较，结果表明，在100-1000km高度范围内积分的电子含量与观测结果能够较好的符合．     

NeQuick模式在亚太地区扇区电离层参数f0F2的预测能力

利用亚洲、澳大利亚地区8个电离层观测台站的F2层临界频率f0F2的历史观测数据,考察了NeQuick模式预报电离层基本参数f0F2在亚太扇区的适应性.对比分析表明,此模式能比较好地预测各地的F2层临界频率,其绝对误差在南半球各站相对北半球各站较大,太阳活动高年相对太阳活动低年较大,春秋季相对夏冬季较大.其误差均方根在太阳活动高年相对太阳活动低年较大.      

电离层虚高的高精度测量与分析

为了提高电离层虚高测量精度,介绍了利用电离层回波相位实现高精度虚高测量的方法,并以CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪为研究平台,进行组合脉冲控制和回波相位测量分析,开展了一系列虚高测量实验,并与传统的利用回波时间延迟的虚高测量方法进行了分析比较.实验结果表明,基于回波相位的测量分析方法与回波时延测量分析方法相比,其虚高测量精度高一个量级以上,这对精确反演电离层峰下电子浓度剖面及研究电离层精细结构具有重要意义.      

电离层薄层高度对电离层模型化的影响

利用IRI2012模型分析了电离层薄层高度的时空变化规律,提出了基于应用中STEC的电离层改正误差分析理论,分析了电离层薄层高度变化的相关影响.结果表明,电离层薄层高度变化对电离层穿刺点位置、投影映射函数值、电离层建模结果、电离层模型精化和电离层模型精度评估结果的影响较大.高度截止角为10°时,电离层薄层高度变化导致电离层穿刺点的经纬度差异最大可达3.2°,投影映射函数最高可引入约15.46%的误差,电离层建模结果差异和建模实用误差最高分别达9.71%,3.64%,采用不同薄层高度数据的电离层模型参数拟合和模型精化结果最大可引入约9.26%的误差,采用不同电离层薄层高度数据进行模型精度评定时最大可引入约9.62%的误差.根据这些研究结果可知:在实际应用中应采用电离层薄层高度模型,并选取较大的卫星高度截止角来减小薄层高度变化引入的误差;采用固定高度时,区域电离层建模采用与实际电离层薄层一致的固定高度;进行精度评估时,参考数据的电离层薄层高度与需要精度评估的电离层模型薄层高度相等.      

A new method for improving the performance of an ionospheric model developed by multi-instrument measurements based on artificial neural network

There are remarkable ionospheric discrepancies between space-borne (COSMIC) measurements and ground-based (ionosonde) observations, the discrepancies could decrease the accuracies of the ionospheric model developed by multi-source data seriously. To reduce the discrepancies between two observational systems, the peak frequency (foF2) and peak height (hmF2) derived from the COSMIC and ionosonde data are used to develop the ionospheric models by an artificial neural network (ANN) method, respectively. The averaged root-mean-square errors (RMSEs) of COSPF (COSMIC peak frequency model), COSPH (COSMIC peak height model), IONOPF (Ionosonde peak frequency model) and IONOPH (Ionosonde peak height model) are 0.58 MHz, 19.59 km, 0.92 MHz and 23.40 km, respectively. The results indicate that the discrepancies between these models are dependent on universal time, geographic latitude and seasons. The peak frequencies measured by COSMIC are generally larger than ionosonde’s observations in the nighttime or middle-latitudes with the amplitude of lower than 25%, while the averaged peak height derived from COSMIC is smaller than ionosonde’s data in the polar regions. The differences between ANN-based maps and references show that the discrepancies between two ionospheric detecting techniques are proportional to the intensity of solar radiation. Besides, a new method based on the ANN technique is proposed to reduce the discrepancies for improving ionospheric models developed by multiple measurements, the results indicate that the RMSEs of ANN models optimized by the method are 14–25% lower than the models without the application of the method. Furthermore, the ionospheric model built by the multiple measurements with the application of the method is more powerful in capturing the ionospheric dynamic physics features, such as equatorial ionization, Weddell Sea, mid-latitude summer nighttime and winter anomalies. In conclusion, the new method is significant in improving the accuracy and physical characteristics of an ionospheric model based on multi-source observations.     

星载单频GPS数据的电离层延迟改正方法分析

利用C/A码单点定位对LEO(Low Earth Orbit)卫星上的电离层延迟改正方法——"电离层比例因子法"进行了分析研究.计算的CHAMP卫星的轨道结果表明:采用电子密度峰值高度(hmF2,F2 region maximum electron density height)平均值和瞬时值计算的电离层比例因子α变化范围分别为0.3~0.4和0.2~0.65之间,两者最大差异可达0.3,相比较而言,hmF2瞬时值的结果更加合理,并且相应的大地高H方向的系统偏差要降低0.05~0.3m左右;与双频无电离层组合的普通单点定位结果相比表明该方法能较好地消除电离层一阶项所引入的H方向上的系统偏差;该方法适用的LEO卫星轨道高度范围大致在200~ 600km之间,当轨道高度超过700km时,该方法并不适用.     

Histogram-based ionogram displays and their application to autoscaling

A simple method is described for displaying and auto scaling the basic ionogram parameters foF2 and h’F2 as well as some additional layer parameters from digital ionograms. The technique employed is based on forming frequency and height histograms in each ionogram. This technique has now been applied specifically to ionograms produced by the IPS5D ionosonde developed and operated by the Australian Space Weather Service (SWS). The SWS ionograms are archived in a cleaned format and readily available from the SWS internet site. However, the method is applicable to any ionosonde which produces ionograms in a digital format at a useful signal-to-noise level. The most novel feature of the technique for autoscaling is its simplicity and the avoidance of the mathematical imaging and line fitting techniques often used. The program arose from the necessity to display many days of ionogram output to allow the location of specific types of ionospheric event such as ionospheric storms, travelling ionospheric disturbances and repetitive ionospheric height changes for further investigation and measurement. Examples and applications of the method are given including the removal of sporadic E and spread F.     

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。     

高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数。在数字测高仪探测中，高分辩率的多普勒频移一般在漂移测量中获得，但这种测量方式探测的频点少，不能获得扰动的高度剖面；而在频高图模式下，虽然工作的频点多，能够获得电子浓度的高度剖面的信息，但探测的多普勒频移的分辩率低，无法用来精确检测电离层扰动。实际的电离层高频回波一般为窄带信号，由此本文中提出了一种新的分析方法，利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据，通过反傅里叶变换还原成时域信号，采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差，获得高精度多普勒频高图。作为实例，利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据，得到了多频点的多普勒频移曲线。结果表明：在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图，这在电离层扰动探测和研究中很在意义。     

匹配滤波方法在非相干散射雷达测量空间碎片中的应用

利用2010年3月25日欧洲非相干散射雷达的常规电离层探测数据, 分析了实测数据中接收功率突变的现象. 高度发生在500 km以上的功率突变一般不是由于地球物理影响产生的, 而要归因于卫星或空间碎片. 采用匹配滤波方法实现了对空间碎片的探测和提取, 利用相干积累的方法提高了信噪比, 共获得363个碎片, 得到了碎片随高度和时间的分布. 结果表明, 碎片高度分布主要集中在800 km左右, 与欧洲非相干散射组织现有的碎片数据具有一致性.      

Research on the disturbance of ballistic missile to ionosphere by using 3D ray tracing method

This study uses the 3D ray tracing to analyse ionospheric disturbance generated by a ballistic missile plume (which was simulated in our previous work). Ray tracing results show that the 6 MHz radio waves are completely reflected by the ionosphere and cannot reach the ionospheric disturbance zone. The 8 MHz radio waves partially penetrate the ionospheric disturbance zone, producing a focusing effect. Most of the 10 MHz radio waves pass through the ionosphere and the disturbance zone. The focusing effect and focus height are reduced. In the height range 65̃400 km, the ray absorption loss of reflection is greater than the transmitted ray. When the ray is reflected multiple times in the cavity formed by the plume, ray absorption loss greatly increases.     

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.