流星不均匀体多波段探测系统与初步观测结果

流星体注入地球空间给地球带来外部物质并影响地球空间环境.为了探知流星体对空间环境的影响,需获取不同类型流星体及其在地球大气中产生系列现象的特征.本文介绍近期研制建设的流星不均匀体多波段探测系统.该系统设计采用光学大范围成像和无线电相控阵雷达与双基地全天空雷达主动探测,实现对不同尺寸流星体坠入地球高空大气/电离层后的烧蚀、蒸发和电离到流星不均匀体产生与演化等系列过程探测.通过开发多种探测模式和相应的数据分析反演算法,获取流星体速度、质量、成分和星际来源、流星等离子体头和等离子体尾迹不均匀体的空间精细结构与演化以及低电离层“瞬时”风场等多参量信息.利用该系统观测数据,对流星体及其产生的流星等离子体头、等离子体尾迹场向和非场向不均匀体、流星闪耀和尘埃不均匀体以及电离层不均匀体等开展了初步研究.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:2.东亚低纬电离层E区准周期回波

中低纬电离层E区不规则体准周期雷达回波现象,在地球不同经度区被观测到并开展了有关研究.本文利用三亚(109.6°E,18.4°N)VHF相干散射雷达2011年2月6日的观测,第一次给出了中国低纬电离层E区准周期回波的发生和变化特征.观测结果表明:准周期回波发生在地方时夜间2100—2200LT的110km高度上,与连续性回波可同时发生;准周期回波斜纹在雷达探测的高度-时间-强度(HTI)图上可延伸5～20km,持续时间为5～15min,回波斜纹高度随时间以20～30m/s下降,斜纹在HTI图上彼此间隔10km和10min左右.此外,雷达回波多普勒谱和雷达干涉分析显示不同高度准周期回波的多普勒速度随高度-时间表现出不同的变化趋势,与回波条纹斜率无明显联系,不同高度准周期回波对应的不规则体在东西方向也表现出截然不同的运动特征.分析结果表明,三亚电离层E区准周期回波的发生可能并不是由散块Es随着中性风周期性的经过雷达探测区域所致,而可能和Es中的扰动结构相关.

GPS电离层闪烁实时监测系统的设计与实现

给出了一种用于电离层闪烁测量和显示的GPS电离层闪烁实时监测系统,它既能实时监测分析GPS信号的幅度闪烁和相位闪烁指数,也能自动存储闪烁发生时间段内的原始幅度和相位数据,用于对闪烁事件的详细分析。此外,对电离层闪烁的测量原理和闪烁指数的计算也作了详细讨论,这对利用我国北斗卫星信号测量电离层闪烁也具有指导意义。

基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数值同化现报预报系统的构建--以中国及周边地区为例的观测系统模拟试验

本文给出了一个基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数据同化系统的初步构建和试验结果.我们选择中国及周边地区部分涉及电离层观测的台站(包括子午工程台站、中国地壳形变网和部分IGS台站)作为观测系统进行模拟试验,背景场利用IRI模式,观测值则由NeQuick模式计算得到.我们的同化结果表明,采用Kalman滤波算法,把部分斜TEC同化到背景模式当中,能够获得较好的同化结果,说明我们设计的算法可行、所选择的各种参数比较合理,采用Gauss-Markov假设进行短期预报也取得了较合理的结果.本项研究经过进一步的改进和完善,可以用来对中国地区的电离层进行现报和短期预报,一方面满足相关空间工程应用,另一方面可以提升现有观测系统的科学意义.

暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.

海南三亚地区S_4指数与C/N、ROTI的比较分析

本文通过利用海南三亚站(18.34°N,109.62°E)GPS闪烁/TEC接收机2004年8月到2005年7月间观测数据,在对三亚地区闪烁初步统计分析的基础上,比较分析了观测数据中S4(幅度闪烁指数)和C/N(载噪比),S4和ROTI(TEC变化率标准差)的关系,同时对2004年11月7日的闪烁事件进行了具体的分析.通过比较分析得出:(1)三亚地区全年的闪烁强度具有明显的半年变化,在春秋季出现全年闪烁强度的最大值;(2)S4与C/N具有很好的负相关性;(3)ROTI可以作为由小尺度不规则结构引起闪烁出现的指示剂.

中国电离层TEC现报系统

作为最重要的电离层参量之一,电离层电子浓度总含量(TEC)可以通过当前广泛使用的全球定位系统(GPS)的信标进行观测.我们在我国北起漠河、经北京和武汉、南到三亚四个观测站建立了GPS接收站,经单站数据处理后将原始的单站GPS TEC观测数据上载到北京数据处理中心;采用我们发展的经验基函数模式算法,用实测数据估算格点TEC并提供给用户,同时生成覆盖中国疆域的TEC地图并在因特网上实时发布.这一电离层TEC现报系统是我国首个类似的技术系统,在观测站布局和TEC地图算法上有所创新.该系统已用于实时监测我国电离层环境,并可为我国卫星定位导航和测控等技术系统的电波修正提供实测电离层数据.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:1.电离层E区连续性回波

基于三亚(109.6°E,18.4°N)VHF电离层相干散射雷达观测,分析了我国低纬电离层E区场向不规则结构连续性回波的发生特征.研究结果表明:白天,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至25m/s,多普勒宽度主要分布在20至70m/s;连续性回波的高度大约以1km/h的速度缓慢下降,与偶发E层(Es)底部所在高度(hbEs)有很好的相关性,表明在背景电场影响下,Es经梯度漂移不稳定性产生场向不规则结构,引起E区连续性回波.夜间,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至50m/s,多普勒宽度为20至110m/s,回波在时间-高度-强度图上常呈现多层结构,可能与潮汐引起的多个离子层相关;而E区连续性回波的短暂中断,以及120km以上高E区连续性回波的发生,则可能归因于赤道扩展F极化电场的影响.此外,对E区连续性回波多普勒速度与全天空流星雷达风场观测的比较发现,在100km以下,多普勒速度与子午风场有很好的相关性.

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区(北京、武汉、邵阳和三亚)的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站(18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N)VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：3．距离扩展流星尾迹回波

距离扩展流星尾迹回波(RSTE,range spread trail echo)观测通常采用高功率大孔径雷达.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)VHF雷达观测,分析研究了小功率VHF雷达观测的RSTE特征.结果表明,三亚VHF雷达在相干散射模式观测的RSTE,其发生和演化的主要形态特征类似高功率大孔径雷达的观测结果.通过2011年8月期间,三亚VHF雷达相干散射模式观测的RSTE,与同时的全天空流星模式观测的镜面流星尾迹(SE,specular trail echo)数据,统计分析了RSTE和SE随地方时以及高度的变化,发现短持续时间RSTE(小于等于15s)与SE具有类似的时间-高度变化特征,而长持续时间RSTE(大于等于15s)发生的峰值时间,相比SE和短持续时间RSTE向晨侧偏移,且长持续时间RSTE对高度的依赖性比短持续时间RSTE显著.此外,全天空流星模式观测SE的数量远多于相干散射模式观测的RSTE数量,可能与不同模式下的观测角度、波束宽度等因素相关.

海南地区电离层闪烁观测与GISM模式预测的比较分析

为了获得全球电离层闪烁模式GISM在中国低纬地区预测的精度和可靠性,利用海南三亚GPS电离层闪烁监测系统一年的观测数据与模式预测结果进行对比分析.结果表明,在太阳活动低年,GISM能较好地反映海南地区电离层闪烁的季节变化、日变化和空间分布特性;对于季节变化,模式与观测结果在中等强度闪烁条件下较为相符,而在强闪烁和弱闪烁条件下有不同程度的偏差;模式预测的闪烁日变化与实际观测基本一致,但在闪烁发生率出现最大值的时间上模式预测要滞后约1h左右;在电离层闪烁发生率的空间分布上,模式预测与实际观测较为相符,即海南地区南面电离层闪烁发生率高于北面.

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。

2014年黑龙江漠河站电离层数字测高仪数据集

电离层测高仪是最常用的地基电离层观测设备之一。子午工程中,中国科学院地质与地球物理研究所在黑龙江漠河台站(122.3°E,53.5°N)建成了我国最北端的电离层数字测高仪,不间断地积累电离层常规探测数据,有力地支撑了我国电离层区域特性和扰动传播的观测研究。本数据集包含2014年全年漠河站DPS4D电离层数字测高仪观测的原始电离层频高图数据和自动度量分析的电离层参数数据。本数据集原始观测精确可靠、数据记录完整连续,可为中纬电离层空间天气学和气候学研究提供重要数据支持。

基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征

赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.本文利用2010—2021年全球低纬地区GNSS TEC监测仪长期观测数据,分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征.结果表明,全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关,赤道等离子体泡的日发生率与F107指数相关系数接近0.70.经度-60°~-30°在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F107的相关关系有明显的饱和效应.在季节变化方面,经度-60°~-30°赤道等离子体泡主要发生在1—3月和10—12月,其他经度主要发生在分季.不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别,在太阳活动上升期,经度-60°~-30°的10—12月发生率明显高于1—3月;在太阳活动下降期,0°~180°经度区3月分季高于9月分季.此外,地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用,特别是在太阳活动高年、分季.

北京上空中小尺度电离层扰动特征

本文采用电离层测高仪数据对北京上空中小尺度电离层扰动进行了事例分析和统计研究.利用PDI电离层测高仪的快速扰动探测数据,分析了2017年11月13日北京上空典型的中小尺度电离层扰动事件.结果表明,电离层测高仪直接观测的电离层频高图上的V形(或U形)下降结构,是中等尺度电离层扰动的一种“显式”特征.小尺度电离层扰动主要出现于较低的高度,并不伴随着电离层频高图上显著的异常结构.通过统计2010—2021年电离层频高图数据中的电离层异常描迹事件,分析了北京上空中等尺度电离层扰动的发生率特征.以这些特殊描迹为特征的电离层扰动主要是白天现象,且冬季的发生率显著高于其他季节.其发生率与太阳活动呈反相关,即太阳活动较强时中等尺度电离层扰动的发生率较低,与地磁活动的相关性尚不十分明确.

2018年黑龙江漠河站全天空无线电流星雷达数据集

漠河站(53.5°N,122.3°E)全天空无线电流星雷达为宽波束全天空干涉雷达,通过流星体进入地球大气烧蚀后的流星尾迹对电波的反射回波,探测流星体信息及70-110公里高度区域大气信息。本数据集包含2018年全年漠河站全天空无线电流星雷达观测的雷达观测数据和雷达分析数据。雷达观测数据包含流星尾迹的距离、到达角、径向速度、回波信号强度及衰减时间和扩散系数等参量;雷达分析数据是由雷达观测数据经分析处理后得到的大气风场数据。漠河站流星雷达数据集可以用来开展中层低热层区域大气动力学以及中性大气与电离层耦合等方面的研究。

1960年武汉站电离层测高仪数据集

电离层垂直探测是电离层观测历史最为悠久,至今仍发挥重要作用的地面常规探测手段。武汉站是中国最早开始常规电离层垂直探测研究的台站,不间断地积累电离层垂直探测数据,有力地支撑了我国电离层区域特性和扰动传播的观测研究。1957–1991年,武汉站电离层垂直自动探测是以胶卷为存储介质。本文选择以1960年为代表,介绍武汉站电离层胶片频高图数字化图像和电离层参数数据。本数据集原始观测精确可靠、数据记录完整连续,可为电离层赤道异常北驼峰以北地区电离层空间天气学和气候学研究提供重要数据支持。

流星频谱提取方法的研究与实现

通过流星频谱获取流星体特性,分析流星体对地球空间环境的影响是目前空间环境探测领域的热点课题.为了从流星视频观测数据中提取出流星频谱,研究了流星频谱的提取方法,通过去背景场、图像变换、频谱配准、波长定标等步骤成功提取出流星频谱.为实现海量流星视频数据的自动化处理,在该方法基础上,研制出了一款集成度高的频谱处理程序.使用该方法处理了北京空间环境国家野外观测站记录的频谱视频数据,结果表明:所提取的观测频谱与标准频谱相比具有较好的一致性,验证了该方法的有效性.利用新开发的程序处理了流星视频观测数据,准确地提取出流星频谱,为进一步分析流星体的组成以及研究流星体对地球空间环境的影响和太阳系的起源与变化提供了新的线索.

基于陆态网络GPS数据的电离层空间天气监测与研究

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础.