中国南京地区L波段电离层闪烁初步统计分析

利用南京地区2008年11月至2009年l0月电离层闪烁监测数据,统计分析了该地区一年间L波段电离层幅度闪烁发生率的逐日变化、逐月变化、地方时变化和空间分布等特征.统计结果表明,在此期间,南京地区L波段电离层幅度闪烁活动比较平静,主要以0.1<S_4<0.2的闪烁为主,S_4>0.2的闪烁很少发生.不同强度幅度闪烁表现出一致的时间变化和空间分布特征,2008年11月为最小,2009年6月、8至10月闪烁发生率都有明显的增强,在10月达到最大,在8月和10月的S_4>0.2的闪烁主要出现于正午到日落前这段时间;对于闪烁的空间分布,单站一年数据统计显示,测站北向闪烁的发生频率高于南向,但该统计结果需要更多的数据样本进行进一步的验证.

数值模拟日侧磁场重联对极盖等离子体云块形成的影响

极盖等离子体云块是极区空间天气重要现象之一,其形成过程是当前重要研究课题.观测表明,日侧磁场重联对应的极区电离层高速流可能对舌状等离子体(TOI)形成"切割"作用,最终形成极盖等离子体云块.伴随磁场重联,同时存在极光粒子沉降,会引起F层等离子体密度的增大,阻碍"切割"效应.本文利用耦合极区电离层模型,模拟研究电场和软电子沉降共同作用下F层等离子体密度的演化.结果表明,在局部电离层电场大于一定数值(80mV)的情况下,"切割"效应能有效发生.并详细分析了"切割"效应发生时等离子体各参量的演化过程,对"切割"效应的内在物理过程进行了探讨.

太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO密度的影响研究

利用SNOE卫星1998年3月11日至2000年9月30日共计935天观测的NO密度和太阳软X射线数据,分析了低热层NO的时空分布特征及其对太阳和地磁活动的响应,得出了以下结论:NO密度从96.67km开始增加,大约在105～110km高度达到最大,随后开始减小;同一高度处一般夏季期间最大,冬季次之,春秋分季最小;密度峰值大小变化范围约为(0.5～1.5)×108 mol/cm3,峰值高度基本分布在107km和113km高度处,且不随太阳活动变化,平均值约为107km;NO密度与太阳软X射线及地磁Ap指数的相关系数在不同高度存在0、1和2天的最佳延迟时间,而同太阳软X射线的统计关系在不同高度和季节存在"线性"、"放大"和"饱和"现象;从统计和事件分析结果来看,太阳活动对磁赤道地区低热层NO密度的气候尺度变化的影响远大于地磁活动,但地磁活动对NO短期变化贡献非常明显.

南极中山站F-lacuna特征分析

F-lacuna是高纬极区电离层测高仪频高图上经常出现的一种F层回波描迹部分或全部消失的现象,直接影响电离层参数的标定,其表征的电离层物理过程尚未定论.利用南极中山站测高仪频高图数据,本文统计分析了Flacuna在不同太阳风速度水平下的发生频率,主要对2012年2月15日一次F2-lacuna观测实例的粒子沉降及电离层特性进行了分析.观测特征表明,F2-lacuna发生期间,电离层电子总含量TEC明显减小,昭和站SuperDARN高频雷达观测到的中山站上空电离层Bragg后向散射增强,但对应来自磁层的电子和离子沉降并不明显.这可能是由磁层亚暴引起的极区电离层电流体系扰动,触发电离层F-B不稳定性,产生沿场向排列的小尺度不规则体,其热效应导致F2层密度减小,F2-lacuna出现.

磁暴对赤道地区L波段电离层闪烁的影响研究

利用赤道地区Vamimo站闪烁数据,选取两次典型大磁暴时段重点分析,对比磁暴发生前、发生时以及发生后连续几天电离层幅度闪烁强度和发生率的变化,引入瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor,R-T不稳定性)线性增长率γ_0,对磁暴影响闪烁的机制进行初步探讨.结果表明,磁暴可能触发闪烁发生,也可能抑制闪烁发生,这既与观测季节有关,也与磁暴不同发展阶段的地方时有关.触发发生于闪烁少发季节磁暴主相所在的午夜至黎明时段,可能是磁层穿透电离层的东向电场所致;抑制发生于闪烁多发季节磁暴恢复相所在的午夜前时段,可能是西向电场作用的结果.磁暴发生时的电场变化可能是抑制或触发闪烁的主导因素,但仍需进一步分析研究.

武汉站第23周电离层TEC与太阳及地磁活动的相关性分析

利用武汉电离层观测站1997-2007年电离层TEC资料,采用连续小波变换和交叉小波以及小波相干方法,分析了该站电离层TEC的周期变化特征以及与太阳和地磁活动之间的关系.分析结果表明,武汉站TEC变化的长期趋势主要随太阳活动的强弱而变化;在局部时域上分别存在128～256 d,256～512 d和512d～1024 d的周期尺度,且与同时期的太阳黑子数和地磁Dst指数的周期特征存在很好的对应关系;太阳黑子数在512～1024 d周期尺度上超前TEC变化约1/6个周期;在准半年的周期尺度上武汉站TEC与地磁Dst指数几乎呈反相位变化,但TEC对Dst指数的这种响应仅在太阳活动高年存在,具体机理尚需进一步分析研究.

基于IRI背景场的单站电离层TEC地图重构技术

为了有效解决电离层TEC观测数据稀疏时重构问题,引入IRI-2007作为背景场,利用反距离加权法和克里格方法重构了电离层TEC地图,使用交叉检验方法检验了引入背景场前后的重构精度.结果表明,引入背景场后,一方面有效地控制了边缘地区的发散现象,另一方面重构网格点上绝对误差在-0.25～0.25 TECU之间的比例分别提高了约70%和100%,误差统计基本呈正态分布.

120°E赤道电离异常区电子浓度总含量分析与预测

基于国际全球定位服务中心(International GPS Service,IGS)提供的120°E上空1999—2009年IONEX格式电离层电子浓度总含量(TEC)资料,分析赤道电离异常驼峰区TEC峰值Inc和Isc的年变化和季节变化以及与太阳、地磁活动的相关性.在11年时间尺度上,Inc和Isc与太阳辐射P指数的日均值有较好的相关性(r=0.90和r=0.84),而与地磁活动指数Dst、Kp和Ap日均值的相关性均不好.驼峰区TEC峰值Inc和Isc都是在北半球春、秋季出现极大值,而且冬季值大于夏季值,即Inc呈现"半年异常"和"冬季异常"现象,我们认为Inc和Isc相似的半年变化特征是与赤道上空电离层电急流相关的东向电场半年变化导致的.利用支持向量回归方法构建了EIA指数的预报模型,预报试验结果表明,该预报模型能较准确地描述Inc和Isc的变化,对南北驼峰TEC峰值预报的平均相对误差分别为22.96%和10.2%.基于支持向量机回归的预测方法为赤道电离异常特征指数预报的实现提供一条有效方法途径和好的应用前景.

基于小波与交叉小波分析的太阳黑子与宇宙线相关性研究

利用小波分析和交叉小波分析方法,根据太阳黑子数以及Huancayo和Climax两个测站的月均宇宙线数据,分析了两个测站的月均宇宙线周期变化,同时利用太阳黑子数R_(12)对Climax站宇宙线流量进行预测研究小波分析结果表明,太阳黑子与宇宙线除存在显著的11年周期外,太阳活动高年期间还存在1～6个月尺度的周期特性,在第22太阳周活动高年时还出现了6～8和1～22个月的变化周期;交叉小波分析结果表明,在130个月左右的周期上宇宙线与太阳黑子具有显著的负相关性,并且宇宙线的变化滞后太阳黑子约8个月;分别采用预测时刻和8个月前的太阳黑子数,预测相对误差为3.8912%和3.2386%.本文方法同样适用于估算其他空间天气参量之间的周期和相关性,提高各种空间天气参量的预测或预报精度.

利用人工神经网络提前1h预报电离层TEC

提出了一种利用人工神经网络提前1 h预报电离层TEC的简便方法.考虑到实际工程应用要求,没有使用其他空间天气参数,而是选择电离层TEC观测数据本身作为输入参数.输入参数为当前时刻TEC、一阶差分、相对差分和时间,输出参数为预报时刻TEC.利用文中介绍的GPS/TEC处理方法解算厦门站2004年电离层TEC观测数据,对预报方法进行评估,全年平均相对误差为9.3744%,预报结果与观测值相关性达到了0.96678.结果表明,利用人工神经网络方法提前1 h预报电离层TEC有很好的应用前景.

化学物质SF_6和H_2O释放扰动电离层比较研究

基于包含扩散方程和离子化学反应方程.的化学物质释放二维动力学模型,利用有限元方法进行了数值模拟,并比较了两类性质不同的气体(SF6和H2O)的扰动特性,结果表明:1)与H2O相比,SF6的扩散速度较慢,反应速率较快,对电离层影响的程度和区域更大更广,更能有效地造成电离层"空洞";2)10kg的H2O,SF6,H2和CO2分别在电离层高度释放,在10min内SF6对电离层临界频率的影响幅度最大,H2O,H2和CO2的影响依次减弱.

相似预报法在电离层TEC短期预报中的应用

引入相似离度衡量样本间的相似程度,并利用相似预报法对厦门一个GPS台站2004年电离层TEC观测数据进行了24 h预报试验.结果表明,预报相对误差与地磁活动水平密切相关,地磁扰动条件下相对误差明显高于地磁平静时刻;预报相对平均误差为18.022%,地磁扰动时为44.896%,地磁平静条件下为11.676%;预报相对误差在10%,20%,30%,40%以内的累积比例分别为38.209%,65.075%,84.984%,90.448%.如果使用中纬地区或地磁平静期间的电离层TEC数据,预报效果会更好.

太阳活动对赤道电离层闪烁影响的初步研究

利用赤道地区瓦尼莫(Vanimo)站太阳活动高年到低年(2000-2009)L波段电离层闪烁数据,分析了闪烁随太阳活动从高年到低年的形态特征,统计研究了太阳黑子数与闪烁发生率相关性,并初步探讨了太阳活动影响闪烁的机制。统计研究结果表明:太阳活动中、高年期间,闪烁发生率有明显的季节、月、地方时变化规律;低年闪烁表现平静,以弱闪烁为主,且无明显规律;太阳黑子对闪烁发生率表现出一定调制作用,随着黑子数从高年到低年的减少,闪烁发生率呈下降趋势,中、强闪烁表现的更为突出。说明太阳活动对中、强闪烁的影响比弱闪烁更明显,但其影响机制仍须大量统计分析和理论研究的进一步揭示。

第23太阳活动周武汉站电离层TEC特征分析

利用武汉站(30.5°N,114.4°E)1997年1月1日至2007年12月31日电离层TEC、太阳黑子数及地磁指数等资料.分析了第23周武汉站TEC的周日变化、季节变化、半年变化以及与太阳活动的相关性等特征;以2006年4月13-1 7日发生的磁暴为例,讨论了武汉站TEC对磁暴的响应以及可能的机理.结果表明.武汉站电离层TEC在太阳活动高、低年均呈典型的周日变化特征;冬季异常和半年异常特征明显,且受太阳活动强弱影响;TEC和太阳黑子数年均值相关系数为0.9611;TEC对磁暴的响应可能是由磁层穿透电场和中性风共同作用导致的,具体影响机制有待深入研究.

H_2释放扰动电离层的数值模拟

由于电离层中分子性离子与电子的复合要比氧离子与电子的复合快得多,因此H2在电离层高度释放可有效地引起电子的消耗。本文基于一个包括中性气体扩散方程和离子化学反应方程的二维动力学模型,对H2在电离层高度释放过程进行了数值模拟研究,并分析了不同释放条件下的电子扰动特性。结果表明:1)500mol H2释放后,迅速向周围空间扩散,释放中心处的电子密度30s内下降了近4%,F2层临界频率下降了1%左右;2)在不同高度处释放H2时,最大的电子密度相对变化率并不是在峰值高度附近处释放时出现的;3)释放化学物质的量越多,电子密度的扰动幅度也越大,但两者之间并不存在线性关系;4)相同量的H2在电离层峰值高度处释放,白天的电子密度扰动幅度要大于夜间的扰动幅度。

大功率无线电波斜向加热低电离层

基于电子能量方程、连续性方程建立了大功率无线电波斜向加热低电离层的物理模型,数值计算了加热前后电离层电子温度和密度的变化,并对比了不同加热条件下的电离层扰动幅度。结果表明:1)大功率电波斜向射入电离层后,与等离子体相互作用,能够有效造成电子温度和密度的扰动,为达到与垂直加热相同的扰动幅度,需要更高的入射功率;2)在其他相同条件下,入射频率越高,造成的电子温度扰动幅度越小;X波模加热造成的扰动幅度大于O波模,在电离层传播时X波模要比O波模容易吸收;3)入射仰角越高,加热的扰动幅度越大,在垂直加热时电子温度的最大扰动幅度可达45%,而以45°仰角入射时最大幅度约为18%。

IRI、NeQuick和Klobuchar模式比较研究

本文介绍了三种常见的电离层经验模式:IRI、NeQuick和Klobuchar,并且利用Jason-1卫星上搭载的高度计探测到的太平洋上空2006年电离层延迟数据,对这三个模式在低纬、中高纬地区模拟电离层TEC的精度进行了比较研究,结果表明:NeQuick、IRI-2007模式可以较好地模拟出白天电离层TEC位于赤道两侧的双峰结构,但不能得到精确的峰值大小和位置信息;三个模式在中高纬地区的模拟精度指标几乎全面高于低纬地区,其中,IRI模式在中高纬地区精度较高,相关性达到0.82022,标准差为3.0844TECU,NeQuick和Klobuchar模式模拟精度相当;整体比较,IRI-2007模式自相关系数为0.81016,NeQuick模式为0.70717,Klobuchar模式也达到了0.6878,说明这三个模式都能较好地模拟出电离层TEC的背景特征.总体上,IRI-2007模式精度最高,可以更有效地修正电离层延迟误差.

Athens地区电离层TEC、N_mF_2以及板厚

本文使用Athens站2001—2005年间电离层GPS/TEC和foF2数据,分析了TEC、NmF2和电离层板厚τ日变化、季节变化特征以及与太阳活动的统计关系,得到以下结论:电离层TEC和NmF2具有相似的日变化特征,最大值出现在14∶00LT;TEC在2001和2002年白天出现"冬季异常"现象,NmF2在2001—2005年白天均出现该现象;电离层板厚τ主要分布在200～600km,存在黎明峰和日落峰双峰结构,黎明峰一般出现在5∶00—6∶00LT,日落峰结构一般从日落后开始出现,在午夜前达到极大值;14∶00LT和2∶00LT时刻TEC、NmF2同太阳活动的关系呈现"线性"、"饱和"以及"放大"趋势,而τ则出现正、负及不明显的线性关系;最后,我们分析认为黎明峰归因于电离层TEC增加以及NmF2的减少,而日落峰主要是由TEC减少速度低于NmF2造成的.

大功率无线电波加热低电离层

等离子体对大功率电波的欧姆耗散会使电子温度升高,进而导致电子密度和其他等离子体参数改变,实现电离层的地面人工变态.本文基于大功率无线电波与低电离层相互作用的自洽模型,分析了不同入射条件下电离层参数的变化,主要结论如下:电离层D区是电波的主要吸收区,并且其吸收强度随入射频率的升高而降低,当入射频率为6 MHz(有效入射功率为200 MW)时电子温度的最大增幅约为520 K,电子密度最大增幅为7300 cm^(-3)左右;电子温度达到饱和所需时间小于电子密度的饱和时间,前者具有μs量级,后者具有ms量级;停止加热后,电子温度和密度迅速恢复到初始状态,恢复时间均小于各自的饱和时间,但量级相当;入射功率越高,电子温度和密度的增幅越大,并且饱和时间也越长,在相同入射条件下,夜晚的饱和时间要大于白天.

基于South Pole站和McMurdo站的极区电离层闪烁统计特性

利用South Pole和Mc Murdo两站2013年12月至2014年11月期间的电离层相位闪烁数据,统计分析了两站电离层相位闪烁发生率的周日分布和季节分布。统计结果表明,两站的相位闪烁发生率在季节分布上,春秋季明显大于夏冬季;在周日分布上呈双峰结构。在磁中午附近和磁子夜后有较大的闪烁发生率。磁中午附近是因为极隙区的软电子沉降和电离层对流导致的电离层不均匀性,造成较强的无线电波闪烁;磁子夜附近闪烁增强可能是穿越极盖区的等离子体云破碎造成较大密度梯度导致。总体上说,Mc Murdo站的闪烁发生率高于South Pole站,这可能是因为它们所处的磁纬不同所致。