基于真实地磁场的中低纬电离层电场理论模式

地磁场作为电离层电动力学过程的背景磁场, 对全球电离层发电机过程以及电离层电场、电流的分布有着决定性的影响. 在研究电离层电场经度结构等精细问题时, 以往模拟中经常采用的偶极场近似过于粗糙和理想化. 基于电离层发电机理论, 通过改进原有电离层电场模式, 在改良的APEX坐标系下发展了一个电离层发电机模式. 该模式较为灵活, 地磁场既可采用较为真实的国际地磁参考场(IGRF)也可采用理想的偶极场, 中性风场和电导率由经验模式的输出参数计算得出. 采用逐线法求解电势的偏微分方程得到中低纬电离层静电势、电场和电流的时空分布. 模式较好的再现了电离层电势、电场和赤道电集流的基本结构和形态, 可应用于中高层大气、电离层电动力学过程的相关研究.     

汶川特大地震前电离层主要参量变化

利用GPS-TEC和厦门电离层测高仪数据, 分析了汶川大地震前我国地区电离层的形态和变化. 其中, 利用JPL提供的电离层TEC地图数据分析发现, 在地震前3天的下午16~18 LT, 汶川以东南约20°范围内的我国地区电离层TEC出现了10~15 TECU的显著增强, 同时在南半球磁力线共轭区也出现了电离层TEC增强现象, 增强幅度约10 TECU, 在此区域外全球其他地区未见明显TEC增加或减少. 从TEC数据中也可以看出在地震前6天(5月6日)我国南方地区发生了电离层TEC减小现象, 与9日出现的电离层TEC增强现象相比, 此次减小的幅度较小(约4 TECU)、区域较大(经度方向约80°), 在南半球磁力线共轭区域未见如此大面积的TEC同步减小现象. 主要分析厦门站数据并参照少数其他台站测高仪资料的监测结果显示, 我国多个电离层垂测站均观测到电离层的异常扰 动. 发现震前3天地震附近地区出现了电离层参量异常增加, 与以往研究发现的震前电离层参量异常减小的结果不一致, 初步分析此次震前震前3天电离层参量异常增加可能与该区域电场突然增加有关, 可能是本次地震的电离层前兆; 震前6天电离层参量的异常减小可能与发生在5月5日的地磁小扰动有关, 具体因素需进一步分析.     

曲靖地区电离层准6日扰动与MLT大气行星波的相关性

利用曲靖地区(25.6°N,103.8°E)2008年9～11月共2个月的MF雷达风场数据和电离层垂直探测数据,分析了中层低热层(MLT)大气行星波,电离层Es和F层的准6日行星波状扰动特性.结果表明,电离层foEs的准6日行星波状扰动与MLT大气纬向风场中的准6日行星波存在紧密相关性,后者通过调制半日潮汐间接影响Es层.电离层F区未出现显著的准6日行星波状扰动.这些结果提供了大气行星波与电离层Es层相互耦合的实验证据,加深了对我国低纬地区电离层空间天气扰动特性的认识.     

电离层与太阳活动性关系

秉含着不同时间尺度的太阳电磁辐射变化无疑会调制电离层. 作为电离层物理的核心 问题之一, 电离层对太阳活动性的依存关系是认知电离层结构与演变的基础. 本文简要地综 述最近一些年在电离层的太阳活动性依赖特性方面取得的进展, 涉及的内容包括: (1) 在太阳 辐射的观测与太阳活动指数方面, 以电离层研究的视角评述了太阳活动指数存在的问题, 统 计证实了太阳活动指数与EUV 辐射通量间的非线性关系, 以及改进太阳活动指数的一些努 力; (2) 阐述了在不同高度电离层的太阳活动性依赖性的工作进展, 特别是最近的统计研究发 现, 随着太阳EUV 辐射通量变化, 电离层电子密度变化趋势与所在纬度、季节、地方时和高 度有关, 可区分为准线性、放大和饱和3 种类型, 取决于不同的主控物理过程; (3) 太阳活动 历史序列和23/24 太阳活动周极低展示出太阳活动性存在极端现象, 讨论了太阳辐射极端条 件下的电离层状态; (4) 在电离层的耀斑响应方面, 对全球观测数据的分析研究揭示出耀斑期 间电离层响应与一些太阳参数的统计关系, 特别是修正了以往关于电离层响应与天顶角无关 的错误论断. 利用电离层模式成功模拟了耀斑期间电离层响应的季节、地方时变化和高度差 异等的观测特征. 以上相关工作有助于理解电离层的基本过程, 并为电离层建模、预报和相 关工程应用提供指导.     

2011年3月11日日本地震震前电离层异常变化分析

以2011年3月11日日本本州东海岸附近海域发生的Mw9.0级地震为背景,利用震中附近GNSS观测站数据计算得到的VTEC和电离层测高仪站的foF2数据,分析了地震前后的电离层异常.发现3月8日存在明显的正异常,且明显的异常持续了6h.进一步分析电离层异常的空间分布后,认为3月8日中午至日落前后发生的电离层正异常很可能是由于孕育地震而引起的.通过给出的3月8日VTEC二维异常分布图发现异常的区域在经度方向跨度有50°,在纬度方向接近20°,长度大致为3:1,电离层VTEC异常峰值出现在15:00~19:00LT之间,峰值点并不位于震中的正上方,而是位于震中偏向赤道方向,在赤道共轭区也存在异常,而在全球其他区域没有显著的异常.为深入分析该天电离层异常的变化情况,采用电离层层析技术重构了震区附近电离层电子密度时空分布,确认3月8日的电离层异常可看作是日本311地震的前兆.     

耀斑的日面位置与电离层SITEC的关系

利用1997－1999年GOES卫星的耀斑观测资料以及国际GPS网的GPS观测资料,对作为耀斑参数之一的耀斑同位置与电离层SITEC的关系进行了分析。结果表明：除了耀斑的X射线最大辐射通量,耀斑日面位置也是影响TEC增幅的一个重要参数。一个X射线最大辐射通量较小但其太阳经度角较小的耀斑对电离层的影响可能会强烈于X射线最大辐射能量较大但其经度角较大的耀斑。当X射线最大辐射通量相近时,耀斑距日面中线的经度角越小,耀斑对电离层的影响越大。     

利用雷暴闪电事件监测电离层D层日间波动

电离层D层探测一直是空间科学领域的难题.目前利用闪电为辐射源来探测D层是近年来国外学者研究的热点.从2011年开始,课题组自行组建了江淮流域6站同步闪电观测站网.基于该站网,本文实现了一种使用负地闪回击甚低频(VLF)辐射信号来探测电离层D层特性波动的方法.给出的一次雷暴过程中计算D层反射高度变化的个例分析结果验证了方法的有效性,同时结果显示:(1)日间电离层D层对负地闪回击VLF信号的等效反射高度基本介于60~75 km,总体上表现出与太阳天顶角一致的变化趋势;(2)D层等效反射高度的短时波动与太阳X射线爆发之间存在显著的负相关关系;(3)比对当地水平面上X射线辐射通量密度的变化曲线与D层反射高度曲线,显示后者相对前者存在3~4min的时间延迟.结果初步展现了具有事件定位和连续波形记录能力的闪电观测站网在电离层D层探测方面的巨大潜力.     

自相关分析法在中国电离层短期预报中的应用

把自相关分析法应用于中国电离层短期预报, 提出了一种简便可行的自相关系数分段预报方法: 对于提前1~4 h的预报采用临频相对变化RDF的自相关系数和“迭代法”, 对于提前4 h以上的预报采用f₀F₂的自相关系数和“一次法”. 利用重庆和广州电离层观测站的数据给出了该方法预报精度的定量估计. 该方法对提前1~4 h的预报有明显的改善, 对提前4 h以上的预报其预报误差趋向饱和, 但仍优于流动月中值法. 该方法还可应用于其他电离层参量的短期预报.     

GPS气象学应用进展及其监测实例分析

全球定位系统 (GPS)作为一种卫星导航和定位系统 ,如今已被广泛应用于气象学以及电离层研究 .由于GPS台站数量多、分布广和全天候观测 ,可以同时观测四颗以上卫星 ,得到四个以上的电离层下点处的垂直TEC(totalelec troncontent)等优点 .本文在启用GPS监测太阳耀斑爆发时电离层TEC变化的相关性及其电离层响应 .     

1997 年11 月6 日大耀斑期间电离层TEC 的GPS 观测结果分析

利用 ＧＰＳ测量电离层 ＴＥＣ方法处理了１９９７年 １１月６日世界时１１：４９耀斑爆发期间地球向日面纬度范围在［Ｎ２８～Ｎ４５］,经度范围在［Ｗ９０～Ｅ７７］的１５个台站的ＧＰＳ观测数据,得到了耀斑期间电离层ＴＥＣ的变化结果．本次耀斑为本太阳活动周开始以来观测到的最强的一次,耀斑的Ｘ射线级别为Ｘ９．４．计算结果表明：在几分钟内耀斑引起了大空间范围的电离层ＴＥＣ增加,ＴＥＣ增加的最大幅度在２．５×１０~１６ｍ~－２以上,ＴＥＣ增幅的大小与星下点的地方时有直接的关系,但增幅并不与当地时１２点对称,地方时上午的电离层ＴＥＣ增幅要比下午的更大些．     

中纬电离层电子密度和垂直漂移速度的潮汐波谱对比分析

利用CHAMP卫星观测数据对全球中纬电离层电子密度(?Ne)和纬向风引起的等离子体漂移速度(?Vz)进行了非迁移潮汐波谱分析,研究发现:D0(DE1)为南(北)半球?Ne和?Vz大尺度一(二)波结构的主导周日非迁移潮汐分量,南半球主导波谱幅度大于北半球;全球电离层-热层模型证实这些主导潮汐分量主要由电离层-热层当地物理过程激发;?Ne和?Vz主导波谱强度的相对强弱程度不同,随季节的变化规律不一致,对太阳活动水平的响应也相反,表明观测到的电子密度的经向差异还来源于除纬向风之外的其他物理过程.     

强磁暴期间场向电流分布及其对行星际条件的响应:CHAMP卫星观测

利用CHAMP卫星磁场测量数据, 研究2003年11月超强磁暴期间顶部电离层全球大尺度场向电流分布特征及行星际条件的控制作用. 结果表明: (1) 磁暴期间场向电流密度比平静期大大增强, 昼与夜及冬与夏半球不对称; (2) 发现沿纬度积分的场向电流密度主要受太阳风动力学压强而不是行星际磁场的控制; (3) 磁暴期间场向电流低纬边界向赤道扩展, 最低可达45°MLat; 向阳侧此扩展直接受南向行星际磁场Bz的控制, 相应的行星际-磁层-电离层作用时间尺度约25 min; 当南向IMF B_z小于−30 nT时, 场向电流朝赤道的扩展出现非线性饱和; 而在背阳侧, 这一扩展及恢复, 比行星际参数的变化滞后约3 h, 但与表征磁层环电流的Sym-H指数几乎同步变化; (4) 磁暴主相期间, 背阳侧强场向电流纬度分布范围达25°以上, 并出现多达10片以上的多电流片结构.     

用偏相关分析电离层NmF2与低层大气等压面高度的相关性

通过建立电离层NmF2与其不同影响因子的多元线性回归模型, 应用偏相关方法分析了1957~2004年中国武汉电离层NmF2与对流层和平流层不同等压面高度的相关联系, 结果表明偏相关方法能够有效剔除太阳活动, 地磁活动以及季节因子的影响, 真实地反映电离层NmF2与低层大气等压面高度的相关性质, 两者在平流层中部有弱的正相关. 通过偏相关系数的对比发现, 电离层NmF2主要受太阳活动和季节因子的影响, 地磁活动的影响很小, 而低层大气等压面高度的影响很微弱. 研究表明偏相关方法是判断电离层与其上下层大气耦合程度的有效工具.     

太阳耀斑和相关电离层吸收事件

利用23周太阳峰期期间南极中山站(不变磁纬74.5°S)成像式宇宙噪声接收机的观测结果, 对由太阳质子和X射线耀斑引起的日侧电离层吸收事件进行了分析, 定量地给出电离层吸收和X射线耀斑强度的对应关系, 同时还利用北极Ny-Alesund(不变磁纬76.08癗)站的观测数据对此关系进行对比研究, 得出了在理论和观测上都较为一致的结论. 同时, 认为M级以上的X射线耀斑才能引起日侧电离层较为明显的吸收.     

末次间冰期黄土高原粉尘事件及其与北大西洋寒冷事件的对比

通过对我国黄土高原 2个末次间冰期剖面的石英粒度分析 ,发现在这一时段由粗颗粒含量增加所指示的重要粉尘堆积事件有九次 :DE1( 70～ 71ka)、DE2 ( 74 5～ 75ka)、DE3( 81 3～ 83ka)、DE4 ( 90～ 91ka)、DE5( 10 1～ 10 2ka)、DE6( 10 6～ 10 6 7ka)、DE7( 110ka)、DE8( 113 5～ 115ka)、DE9( 119～ 12 1 6ka)并且和北大西洋V2 9_191孔有孔虫气候记录在距今 110～ 70ka时段中具有极为相似的变化 ,这表明 ,在末次间冰期中存在东亚季风气候通过西风带以及相关气压系统与极地、北大西洋气候系统的遥相关 .进一步佐证了东亚冬季风气候通过西伯利亚高压与极地、北大西洋冷空气相联系的观点     

行星际激波能量与电离层暴的相关研究

电离层会受到外部能源的扰动,与扫过地球的行星际激波相伴随的电离层暴便是一个明显的例子。由于从行星际到电离层的一系列耦合过程十分复杂,究竟电离层暴参量与相应激波的参量之间存在何种联系,至今尚缺乏认识.为了探讨这一问题,本文分析了1966～1976这11年间卫星在地球轨道附近探测到的行星际激波的资料和同期满洲里的电离层f_0F_2资料,新的结果表明,伴随行星际激波发生的电离层暴均具有相似的形态,其变化幅度与相应激波前后的动能密度跃变正相关,而激波所携带的行星际磁场的方向对此相关关系起着调制作用。     

利用GPS分析电离层波动现象

利用中国境内连续运行的GPS跟踪站提供的高时空分辨率的双频观测数据, 初步分析了2003年11月3日太阳耀斑期间电离层的波动特性. 当天PRN23号GPS卫星的VTEC及其变化率曲线表明, 此次电离层波动基本沿着经线向南运动, 且主要包含了两种频率的运动. 另外, 结合局域面VTEC涨落的谱分析及穿刺点与电离层波动的相对运动分析表明, 中纬度地区, 这两种频率的波动主要体现为周期分别为1小时左右和20~30分钟的运动; 周期为1小时左右的大尺度电离层波动, 其振幅会达到1~2 TECU左右, 速度会达到120~150 m/s, 且波动速度会随着纬度的降低而变快; 周期为20~30分钟的小尺度电离层波动, 其振幅约为0.4~0.7 TECU, 速度在30~40 m/s左右.     

DE3潮汐的全球结构

利用美国卫星TIMED在2002~2006年期间取得的温度数据(L2Aver1.07 SABER/TIMED数据)提取了中间层和低热层(MLT)大气热力潮汐信号, 并且利用Hough模分解(HMD)方法考察了DE3潮汐的全球结构. HMD分析结果显示DE3潮汐主要受前两个Hough模的影响, 而包括衰减模在内的其他Hough模的影响是可以忽略的. 根据HMD分析结果, 给出了MLT区域中DE3潮汐活动的中心高度, 指出其活动的中心主要受第一传播Hough模, (-3, 3)模的控制, 出现在110 km高度, 表现出稳定的单峰年变化(出现在北半球夏季). 还发现(-3, 3)模表现出以2 a为周期的年际变化, 它同时清楚地反映在110 km高度附近DE3潮汐振幅活动中. 在分析时段内, 与(-3, 3)模2 a变化位相一致, DE3潮汐在2002和2004年分别出现显著增强的活动, 其中心振幅达到12 K以上. 分析结果还指出, 在100 km以下高度, 第二传播Hough模, (-3, 4)模, 也起着重要的影响, 使得这里的DE3潮汐活动表现出关于赤道反对称的结构; 另外, (-3, 4)模表现出双峰年变化的特征, 并且在中间层下部区域起着显著的控制作用; 与此对应, 中间层下部的DE3潮汐活动中心出现在冬末春初和秋末冬初两个季节中, 并且交替地出现在赤道以南和赤道以北的热带地区.     

太阳耀斑期间向日面电离层相关扰动现象与分析

利用2000年7月14日太阳大耀斑期间向日面电离层GPS观测资料，对电离层此次耀斑的响应进行了研究，观测到了向日面电离层总电子含量（TEC）时间变化曲线的小同步扰动结构，扰动幅度的量级在10^15m^-2左右。通过与耀斑期间GOES卫星的软X射线辐射通量进行对比，对这些同步扰动结构进行了分析。结果表明，这些同步扰动确实存在于电离层，并与太阳耀斑辐射的演化特点有直接的关系。由软X射线辐射通量没有类似扰动的事实，可以认为该扰动主要是由于耀斑期间远紫外辐射存在的类似扰动引起的，且同步扰动发生的区域主要在电离层F区。     

电离层二阶项延迟对GPS定位影响的分析模型与方法

基于消除电离层一阶项延迟影响后的载波相位Lc线性组合观测量, 建立了电离层二阶项延迟对GPS定位结果影响的定量分析模型. 在此基础上, 利用国际GNSS服务组织WUHN跟踪站连续15 d的观测数据, 分析发现电离层二阶项延迟引起其定位结果规律性向南偏移的现象; 结合武汉地区上空地磁场分布对电离层二阶项延迟的影响规律, 研究表明地磁场是造成电离层二阶项延迟对该区域定位结果产生规律性向南偏移的主要原因之一.