地球空间环境的野外科学观测研究

地球空间包括地球中高层大气、电离层和磁层,其环境变化深刻影响着人类生活,如空间灾害性事件的发生,可能危害地面电网安全,造成星地无线电通讯中断。在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等部门支持下,北京空间环境国家野外科学观测研究站通过研制和发展一批具有国际先进水平的观测仪器,建立了电离层、中高层大气和地磁等多学科综合观测台链,并开发成功新的探测模式和诊断技术,实现对我国上空多种空间环境参量的科学观测,揭示其区域特征和空间精细结构与变化,推动数据服务于原创科学研究和空间天气预报保障任务。基于观测数据,通过发展理论模式,采用数据分析与数值模拟相结合等研究方法,系统研究了大气层-电离层耦合、磁层-电离层耦合和太阳辐射的光电离光化学3类最为重要的驱动过程对电离层变化性的影响和控制作用。

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.

基于非相干散射雷达和GPS观测研究Millstone Hill地区等离子体层电子含量

本文尝试结合非相干散射雷达和GPS TEC观测数据提取等离子体层总电子含量(PTEC).我们首先描述所用的技术方法,然后具体利用了Millstone Hill台站的观测数据研究该地区上空等离子体层总电子含量(PTEC)的变化情况.我们采用变化标高的Chapman函数对非相干散射雷达测得的电子浓度剖面数据进行拟合,然后通过对剖面积分得到100km到1000km高度范围的电离层总电子含量.GPS提供的TEC数据为高度达20200km的总电子含量,两者之差可近似看成等离子体层的电子含量.本文分别选取太阳活动高年(2000,2002年)和太阳活动低年(2005,2008年)Millstone Hill台站的静日数据进行研究.结果表明,等离子体层电子含量及其所占GPSTEC的比例具有明显的周日变化.PTEC含量在白天高于夜间,而所占GPS TEC的百分比,夜间明显高于白天.太阳活动高年所选月份等离子体层电子含量在4～14TECU(1TECU=1016el/m2)范围内变化,夜间所占比例可达60%左右.太阳活动低年所选月份等离子体层电子含量在3～7TECU范围内变化,所占比例夜间最高可达80%左右.我们所得到的结果与前人基于其它观测手段所得结果在变化趋势上一致,在量级上也大致相当.因此,这从一个侧面证明了我们所用方法的可靠性.非相干散射雷达能够探测包括F2层峰值以下及以上高度的电子浓度,利用这一设备所观测得到的资料来推算电离层电子含量将比前人基于电离层垂测仪观测资料进行的推算更具真实性,由此得到的等离子体层电子含量也将更为接近真实情况.

1683—1949年中国地磁测量、地磁图和地磁模型的总考评与研究

本文全面系统回顾考察了新中国成立前中国的地磁测量、地磁图和地磁模型研究概况:主要介绍中国人独立进行的地磁测量;评述了1932年山东半岛地磁图,1915.0和1936.0年中国(部分地区)地磁图;1945.0年东亚地磁图;1946.1年四川北碚地区地磁图以及1946.1年四川北碚地区地磁场泰勒多项式模型.并根据1936年地磁数据计算研究了1936.0年中国地磁场的球冠谐模型和曲面Spline模型,以及1900.0—1940.0年5个年代的中国地磁数据集、地磁模型和地磁图.对今后我国地磁测量研究工作给出了几点建议.

行星际-赤道电场穿透效率的数值模拟研究

电场穿透作为强烈地磁活动期间太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的重要形式,近年来一直是空间物理学最为活跃的课题之一.在过去的近40年里人们一直关注于观测证据的寻找以及物理过程的模拟,"电场穿透效率"这一重要定量化指标直到最近几年才得到重视.本文定义赤道电场增量与对应的行星际电场增量的比值为穿透效率,通过数值模拟的方法对穿透效率的地方时变化以及与中性风发电机的关系做了实验性讨论,在一定简化条件下结果表明:(1)不考虑跨极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系,且中性风发电机并不影响电场穿透效率;(2)恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显地方时依赖性.例如对于L=2.6RE,在9LT至23LT之间,穿透效率维持在10%左右;0LT至7LT之间,穿透效率迅速从2%上升至30%后又迅速回落到原始水平,形成尖峰.这些结果基本符合观测特征.

电离层水平电场与风场的耦合模拟研究

设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案,研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异.研究发现,水平电场与风场相互反馈后,风场的变化比电流函数小.经向风在白天有较明显的差异,夜晚的差异比白天小,主要出现在中高纬地区,并随高度的增加而增大,300 km左右达到最大值,其后几乎保持不变.纬向风有与经向风相似的变化,但纬向风耦合前后的差异比经向风小.电流函数在耦合后有较大改变,两个涡旋强度都有较强增加,并且北半球的增强大于南半球,而夜晚差异较小.结果表明,在研究的高度范围内,风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响.

全天空流星雷达相位差监测分析方法研究

介绍了一种直接利用流星观测数据,根据流星的时空分布特性和天线的空间布阵关系建立数学模型,对全天空流星雷达各天线通道的相位差进行监测分析和估算的新方法.通过分析全天空流星雷达的流星观测数据,获得了流星时空分布特性,天线阵相位差变化对流星空间分布的影响,特别是流星高度分布的标准差特性与各天线相位差的关系.在此基础上,模拟研究了利用流星高度分布的标准差来估算天线相位差的偏差,并应用于中国三亚地区全天空流星雷达进行相位差监测分析和校正.结果表明,新方法无需任何附加硬件,通过日常观测数据就能对某一通道的相位差变化或多个通道的相位差变化进行估算和分析,相位差监测精度优于2°.对这些相位差变化进行校正,可有效提高全天空流星雷达对流星的定位测量精度.

长时间流星不均匀体母体特征个例研究

流星体坠入地球大气烧蚀电离产生流星等离子体尾迹,在等离子体不稳定性过程作用下产生流星不均匀体.利用光学视频和无线电雷达在低纬三亚开展流星体烧蚀和流星不均匀体综合探测结果,发展了一种获取流星不均匀体母体(流星体)特征参数的方法,并对2015年12月双子座流星雨期间观测的一次长持续时间流星不均匀体事例进行了分析,得到了其母体速度、质量和轨道等特征,结果显示产生这次流星不均匀体的流星体速度和轨道等具有双子座流星特点.该方法可应用于流星不均匀体及其母体特征研究.

基于三亚非相干散射雷达的月球正面南北半球拼接成像研究

当使用地基雷达并应用距离多普勒算法对月球正面进行成像时,不可避免会遇到“南北模糊”问题.这是由于距离多普勒成像算法对旋转的天体进行成像时,位于视赤道共轭的两点的回波在距离多普勒图像中是重叠在一起无法分辨的.针对该问题并基于三亚非相干散射雷达我们提出了一种解决方案,即月球正面南北半球拼接成像技术.该技术通过将波束指向调整到特定位置,对月球正面南北半球分开照射的方法进行两次独立的实验,最后将正面南北半球图像拼接的方法得到完整的月球成像图.实验结果证明该技术可以得到较为理想的图像,但仍然存在一些不足需要改进.

2002年10月Millstone Hill地区电离层暴时特性研究

磁暴期间电离层行为是电离层物理的重要研究内容.本文利用美国Millstone Hill非相干散射雷达以及GPS-TEC数据资料,分析了2002年10月13-17日和22-26日磁暴事件期间电离层电子密度响应在不同高度存在的差异.结果表明:正、负相暴电子密度的变化幅度随高度变化趋势相同,但不同高度上响应的时间、相位和幅度存在差异;负相暴最大变化幅度所在高度值同静时峰高值非常吻合,二者有很好的线性关系,但正相暴最大变化幅度所在高度值同静时峰高值无关,波动较大,意味着电离层正相暴响应更易到达各个高度上;特别地,22-26日负相暴在能量初次耦合进入电离层时高高度有极小的变化,其最大绝对变化量仅为低高度的4%.大气成分和风场的共同作用是两次负相暴发生的主要原因,但前者成分效应明显,后者动力学作用明显,有时甚至700km以上电离层的贡献也是不可忽略的.

磁静日电离层电势分布的形态学研究

利用理论模式GCITEM,在国际地磁参考场(IGRF)下,模拟了地磁平静条件下的电离层发电机主导的中低纬电离层电势分布,研究了太阳活动、季节、世界时和低层大气潮汐对电离层电势的调节作用。结果表明,各种条件下中低纬电势全局分布基本一致,都具有两个正电势峰值(源)和一个负电荷峰值(汇);电势分布存在明显的季节和世界时差异;中低纬电离层电势峰值差随着太阳活动的增强明显增加,并在一定太阳活动高值后趋于饱和;周日迁移潮主要影响赤道地区,导致电势峰值差增加,而半周日迁移潮主要影响中纬度地区,导致电势峰值差减小。

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.

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.

地球主磁场模型

主磁场建模是一项综合性的研究工作,它涉及主磁场理论、磁场测量、数据同化、模型表达、模型解释以及模型运用等多方面的研究.本文综述了近五十年来德国、丹麦和美英各国研究者提出的数十个地球主磁场模型,回顾了主磁场模型研究方面的进展,概述了模型的描述以及建模的理论基础和方法.

北京地区电离层Chapman标高的统计分析

利用F2层峰值处的Chapman标高Hm可以构建电离层顶部的电子浓度剖面.本文通过对北京站(40.3°N,116.2°E)从2010年1月到2014年5月的电离层频高图人工度量后获得了F2层峰值处的Chapman标高Hm,分析研究了Hm随周日、季节和太阳活动变化,并探讨了Hm与F2层特征参数foF2、hmF2以及IRI底部厚度参数B0的相关性.研究表明,(1)北京地区标高Hm的周日变化明显,在正午左右有最大值,夏季和春秋季的最小值出现在午夜左右,而冬季有两个谷值,在日出后和20∶00LT左右;Hm在日出前有较小的增加,但不是很明显;(2)白天标高Hm有明显的季节变化,夏季最强,冬季最弱,而夜间的季节变化较小;(3)Hm随太阳活动的增强而增大,地磁扰动会引起Hm偏离正常水平;(4)Hm与hmF2相关性很弱,但白天和夜间各自的相关性较强,并且夜间大于白天;Hm与B0有很强的相关性;(5)由IRI2012给出的B0与Hm在冬季的相关性很小,表明IRI模式还需要进一步改进.

1991~2001年北京十三陵台站地磁数据集

北京十三陵台站(Beijing Ming Tombs station,BMT)位于北京市昌平区十三陵镇德胜口村东北约600米处,隶属中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室,是中国大陆地区最早实现数字化并率先进入国际地磁台网(INTERMAGNET)的观测站。本数据集包含1991~2001年经过预处理后的北京十三陵台站的地磁观测数据,数据内容由磁偏角(D)、水平强度(H)和垂直强度(Z)三个要素的分钟值组成。本数据集可以用来开展地磁场、空间环境和地球各圈层耦合等方面的研究。

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.

北京地区2005年Pc6脉动统计特征及其与TID的关系初探

对北京十三陵地磁台站2005年全年的地磁数据进行了统计分析,总结了该地区Pc6脉动的周期分布和发生率等特征.对Pc6脉动与TID的关系也做了一些尝试性探讨.我们选择北京大学多普勒雷达观测到TID事件同十三陵台站观测到Pc6脉动进行比较研究,在2004年12月23日至2006年3月11日这段时间内,共有42个事件满足要求.经过分析发现TID事件与Pc 6脉动在波动频率和波形上有比较好的相关性,讨论了Pc6脉动与TID可能的诱发源.

敏捷数字电离层测高仪系统研制及初步观测

在小型天线和低发射功率条件下,保证电离层测高仪观测数据质量和提高观测速度一直是电离层垂测的技术难点.针对这一问题,基于新近发展的高速数字芯片和射频器件,采用窄带跟踪滤波、脉冲压缩、编码复用和天线均衡匹配等技术,设计和研制一种敏捷数字电离层测高仪.该系统采用数米高的小型收发天线和便携式主机系统,配置任意频率扫描方式频高图、高分辨率多普勒频高图和斜向探测等多种工作模式,具有可流动观测布站、系统参数灵活捷变及适合快速电离层扰动探测等能力.敏捷数字电离层测高仪为组网观测获得大范围电离层时空变化和电离层快速扰动及传播提供了一种有效的探测手段.