1993年9月12—14日磁暴期间磁层-电离层耦合分析

采用具有明确物理意义的多个地磁指数，以及地面台站链观测的地磁和电离层参数，对一次典型磁暴期内从极光区到赤道附近电离层电流、电场演化发展的耦合过程作了具体分析．结果表明，地磁指数和观测参数能较好地说明磁层－电离层耦合理论结果的主要特征．

太阳风-磁层-电离层耦合过程中的能量收支

太阳风向磁层-电离层(Magnetosphere and Ionosphere,MI)系统输入能量,而输入的能量随后在MI系统中消耗.本文从能量守恒原理出发,讨论太阳风-磁层-电离层(SMI)耦合过程中的能流路径和能量收支的定量关系.主要讨论9个问题:(1)太阳风向MI系统的能量输入,(2)MI系统对能量输入的响应,(3)环电流的能量消耗,(4)极区电离层焦耳加热的能量消耗,(5)极光粒子沉降的能量消耗,(6)磁尾能量的消耗、储存以及返回下游太阳风,(7)平静期间的能量积累与释放,(8)能量在不同能汇中的分配,(9)评价能量函数的准则和方法.

地-电离层耦合地震电磁观测系统

强地震前，在震区产生先兆电磁现象已经得到了越来越多的测量记录证实，地面直接电磁辐射异常和电离层异常扰动是地震前最显著的前兆现象，而且具有较稳定的时间尺度。除了卫星观测方法外，地震先兆电磁信息的观测方法有多种。根据接收的信号来源途径不同，地面观测方法可划分为：①被动观测：在地面观测附近孕震区直接辐射的ULF／ELF／VLF的电磁波;

基于短波段电离层探测数据分析地下核爆引起的电离层扰动

同全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)获取电离层总电子含量(total electron content, TEC)数据相比,传统的电离层垂测、斜测等短波段数据具有特征参数丰富、高度分辨率高、历史数据多等优点。为利用电离层垂测和斜测数据,研究地下核爆引起的电离层扰动。利用2016年1月6日朝鲜地下核试验当天的斜测、垂测数据分析电离层扰动现象。结果表明,本次地下核爆造成的行波电离层扰动为小尺度电离层扰动,传播速度为150.3~158.7 m/s。同时核爆发生后0.5 h在距离爆点421.4 km处,观测到F2层临界频率(critical frequency of the F2layer, foF2)较月中值增加了0.7 MHz,较1月5日、1月7日在协调世界时(coordinated universal time, UTC)2:00 UTC的增加了0.5 MHz,极有可能是地下核爆通过岩石圈-大气圈-电离层圈耦合机制造成电离层电子浓度增加。本文分析结果与其他文献资料非常吻合。由此可见,基于短波段电离层探测方式感知电离层扰动从而实现地下核爆炸事件的监测,是一种有效的核爆电离层效应监测手段,可与其他直接监测手段相印证,提高核爆事件监测能力。

电离层－热层耦合系统中由中性风引起的F区运动

利用一种时变电离层剖面的数值模型，研究电离层最大电子浓度所在高度对热层子午风变化的响应．对武昌（３０．５°Ｎ，１１４．４°Ｅ）和Ｗａｋｋａｎａｉ（４５．４°Ｎ，１４１．７°Ｅ）讨论三种不同类型的风场对峰高的控制作用．结果表明：（１）峰高对中性风的响应过程，存在南北方向不对称性、日夜不对称性和纬度差异．在真实背景大气下，热层与电离层通过风场强烈耦合．（２）由伺服理论推算的风场基本上是合理可靠的．（３）水平风模式ＨＷＭ－９０在所关心的地区，大致能反映实际子午风状况，但合理程度不及伺服理论的风场．

电离层对台风响应的全过程的特例研究

作为特例研究,本文对1988年和1990年两次强台风影响期间的电离层多普勒记录及相应的台风资料进行了细致的相关分析,目的是利用多普勒记录的连续性优点来了解电离层对登陆(或近海)强台风通过声重波响应的演化全过程.分析表明,在这两次台风影响期间,电离层形态中除有明显的波状扰动(中尺度声重波)出现外,还有一些值得注意的新现象:波动的时间演化表现出明显的幅度逐渐增加以及频率由高频向低频转变,在振幅很大的情况下日落后同时出现扩展F(Spread-F)现象,显示了声重波在激发电离层不规则结构方面的种子作用.这一演化过程与电离层中TIDs的线性传播理论一致,文中开展了对这一现象的非线性数值模拟,模拟结果基本上也与上述观测现象相吻合.

不同地磁活动水平下电离层H＋上行的半球对比研究

使用FAST/TEAMS仪器在第23太阳活动周下降相的数据,从地磁活动水平的角度,分别分析在磁静日(Kp≤2+)和磁扰日(Kp≥3+)时南(SH)、北半球(NH)高纬(>50°)电离层H+的上行强度,计算其上行率和净上行积分能通量,以期得到H+上行的长期水平并分析地磁扰动期间南、北半球离子上行强度的异同.研究结果表明,磁扰期间上行强度显著加强,平静期南、北半球的平均上行率分别是~15%和~20%,而磁扰期的平均上行率分别增强了1.45倍和1.04倍,磁扰期间南半球上行强度的增长更显著;平静期南半球的上行强度小于北半球,但磁扰期两个半球的上行强度相当;磁午夜和黎明区间受地磁扰动的影响最显著,其磁扰期与平静期上行率的比值(S/Q)最大,同时南半球在各个地方时区间的S/Q值均大于北半球;另外,我们发现磁扰期间的上行率在极光椭圆带下边界附近增幅最明显,而积分通量在上边界附近增加显著.上行源区以平静期的源区为中心从日侧极尖区扩展到磁午夜、且向低磁纬延伸,同时,极尖区上行源区在磁扰期有向晨侧偏移的趋势.

利用中国GPS站网对地震波引发的大尺度电离层扰动的观测

地震瑞利波在沿地表传输时衰减很慢,其能量在远离震中的区域仍然能够激发大气和电离层扰动.本文利用中国境内的GPS接收机网络观测电离层总电子含量(total electron content,TEC),分析了2011年日本地震后在中国区域上空产生的电离层扰动.研究发现,瑞利波的能量从地面经大气耦合传输到电离层高度,导致在中国区域上空电离层出现与瑞利波传播同步的TEC扰动.利用中东部的稠密接收机网络,还揭示了扰动的大尺度二维空间结构:瑞利波经过后产生的TEC扰动呈条带状,在中纬度地区沿西北—东南方向排列,而在低纬度大致为东西方向.条带的转向可能与地磁场作用下的中性-离子耦合过程有关,大气波动导致的等离子扰动倾向于沿磁力线方向(向南)传播,从而形成垂直磁力线方向(东西)的波前结构.这是首次在远离震中的区域使用GPS站网研究地震波耦合电离层扰动的大尺度二维空间结构.

子午面内时变电离层模型及其边界条件

子午面内时变电离层模型（ＴＤＩＭＭＰ）既可以以给定的热层背景为输入，也可与子午面内热层环流模型（ＴＣＭＭＰ）耦合使用。该模型根据Ｃｈａｐｍａｎ基础理论，考虑了波长在１００ｍｎ以下共３５个谱段的太阳辐射和４种光化反应，得到Ｏ＋、Ｎｏ＋、Ｏ＋和Ｎ＋等４种离子的浓度和离子的运动矢量速度，进而根据准中性条件得到电子浓度．其计算网格可以根据具体问题的需要进行调节．通过使用５种不同的边界条件进行实验，发现二维电离层模型的数值模拟结果（特别是电离层的纬向结构）对边界条件的依赖性很强，这与单点或一维（沿高度方向）模型几乎不受边界条件影响的情况完全不同．在根据实验结果选定的合适的边界条件下，ＴＤＩＭＭＰ给出了与实测符合得十分好的电离层状态和结构，表明ＴＤＩＭＭＰ是一个适用于电离层中、大尺度现象研究的模型。

半球功率输入和高纬电离层电导

综述和介绍了由TIROS—NOAA系列卫星资料制定高纬沉降粒子能流和电离层积分电导经验模式的方法，绘制了不同粒子沉降活动的Pedersen和Hall电导在磁纬-磁地方时坐标内的等值线分布图．同时给出了不同季节内受太阳电磁辐射控制的电导等值线分布．具体地分析了电导经验模式与磁层-电离层耦合过程的内在联系。

对流电场产生电离层扰动的典型事例

用欧空局ＥＩＳＣＡＴ极光区非相干散射雷达观测资料、南极中山站电离层垂测站和我国１２０°Ｅ电离层站链ｆ０Ｆ２资料，分析了１９９１年５月２～３日一次主要由磁层对流引起的电离层扰动过程。从形态特征上看，它与热层中性大气参与的动力耦合过程明显地不同。对照比较表明，这是一次典型的磁层－电离层电动耦合事例。全球地磁站网资料从另一侧面证实，本文讨论的耦合机制是正确的。

岩石圈-大气层-电离层电磁波导特征值问题研究

岩石圈-大气层-电离层耦合（Lithosphere—Atmosphere-Ionosphere Coupling）的研究，是揭示地震孕育和发生过程中出现于地面、大气层和电离层的各种异常现象及其产生机理的基础，对深刻认识震前异常物理现象，改善地震监测方法和地震短临预报等方面有本质上的重要性。目前国内外有关研究人员针对“岩石圈-大气层-电离层耦合”这一课题进行了大量的基础研究和应用研究工作并取得了瞩目的成果，

2018年8月5日印度尼西亚地震震前电离层异常特征

基于2018年8月5日印度尼西亚地震震中(116.45°E,8.33°S)附近的澳大利亚达尔文站和位于震中磁力线共轭区域的武汉站的电离层测高仪观测数据,以及相同区域全球卫星导航系统接收机的观测数据,对该地震震前的电离层异常扰动特征进行了分析。结果显示,震前同时观测到了电离层F2层临界频率(foF2)和总电子含量(TEC)时间序列的异常。基于岩石圈-大气层-电离层直流电场耦合模式和美国国家大气研究中心的热层-电离层环流耦合模式(NCAR/HAO TIEGCM)对震前震中及其对应磁力线共轭点区域的电子密度异常进行了模拟,模拟结果表明,在地震异常电场的作用下,地震区域及其对应半球的磁共轭区域的TEC和电离层F2层峰值电子密度NmF2发生了明显扰动。

EISCAT雷达观测到的极区电离层等离子体反常对流

综合分析EISCAT雷达与卫星当地测量数据 ,并利用磁层磁场模式对磁力线进行追踪 ,研究了发生在极光椭圆朝极盖边界附近电离层中 ,一例反常的背离太阳流动的强等离子体对流事件 ,及相关的太阳风 -磁层 -电离层耦合过程 .结果表明 ,磁暴期间IMFBz 指向南时观测到这一反常高速对流 ,及其相应的等离子体性态特征 。

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应。此模型在110—610 km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解。研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态。较高的O^+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度。不同边界O^+上行速度对应的温度高度剖面完全不同。200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O^+速度的影响。对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议。

大气波动监测仪在岩石圈-大气层-电离层研究中的应用

针对北京大学空间物理与应用技术研究所研制的两台大气波动监测仪近三年的观测数据,对这一时段内所观测到的重力波和次声波周期尺度扰动的形态特征、谱结构特征及其在时间分布上的统计特征进行了分析.给出了几例雷暴、地震等事件中观测到的大气扰动,并揭示了这些事件期间观测到的与地面大气扰动周期尺度相类似的电离层扰动.结果表明,北京大学研制的大气波动监测仪可有效记录到地面的微弱大气扰动,观测数据可用于进行岩石圈-大气层-电离层之间的耦合研究.

中纬度电离层f_oF_2潮汐的变化特性

本文通过对1960年以来全球磁纬度40°N至50°N内测高仪台站的观测数据进行研究,提取了电离层F2层临界频率(foF2)的潮汐,揭示了其变化特征及可能的形成原因.研究发现,周日和半日的迁移潮汐分量(即DW1和SW2)强度最大,并且显示出明显的年变化和半年变化.周日潮汐的3波分量(即DE3)作为典型的非迁移潮汐分量,相对较弱,显示出微弱的半年变化.在冬季,DW1和SW2与太阳活动指数(F107)呈现正相关性,其相关系数分别大于0.88和0.65.相反,在夏季,DW1和SW2与太阳活动指数呈现负相关性,特别是SW2,其相关系数在6月份达到-0.72.在相对于纬向均值的归一化处理之后,上述潮汐强度和太阳活动指数之间的正/负相关性被显著增强/削弱.其中,归一化后的夏季DW1和SW2与太阳活动指数的相关系数达到-0.8.更加深入的讨论显示出上传的大气潮汐波动可能是电离层潮汐除了太阳辐射之外的重要驱动源,并且这种驱动机制在SW2中更加强烈.

用高分辨率地磁资料考察磁层耦合的特征

用取自１００°Ｅ和３００°Ｅ的两条地磁经度链附近１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁资料，分析了１９９４年１１月２６日磁暴期间的磁扰特征，由Ｈ和ｚ分量演变得知。一区和二区场向电流的变化发展是碰层－电离层电动耦合中的重要过程，它们对于极光区和中低纬区电离层的作用效果有很大差异二在不同经度链上的影响也有所不同．耦合能量和二区场向电流的屏蔽效应使极光区电离层扰动电流突增，并使夜间中低纬区出现短时间的东向电流成分增加，其持续时间约为０．５ｈ．中低纬区夜间的东向电场又可通过Ｅ×Ｂ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体，从而出现同一经度链附近的多站ｈ’Ｆ同时突增现象．

浅谈极区空间物理学的科学革命

极区空间物理学重要的研究方向之一是剖析南北两极的热层、电离层和磁层的耦合问题。本文简明扼要地描述了极区空间物理学的一场革命——即理论框架的革新。这场科学革命是用磁流体力学理论取代电机工程理论,目前进行得比较缓慢,但将在今后的30~50年彻底改变人们对于热层-电离层-磁层的认知。

极区电离层O^+上行的时空分布:平静期FAST卫星观测

分析FAST卫星能量离子测量数据,首次得到2000～4200km高度范围平静期电离层O+上行的时空分布图像.结果表明,磁正午前的极尖/极隙区是低能O+上行发生最频繁的区域;黎明前等离子体对流的低纬边界区域是高能O+上行发生率最高区.无论能量高低,在平静极光椭圆边界之外的较低纬度宽阔时区上存在较频繁的O+上行.午夜前21:00～22:00MLT极光椭圆带的上行O+携有较强的能通量,其中高能O+在靠近极盖边界处上行能通量特别强.在所分析的2000～4200km高度范围,上行O+离子锥发生率显著高于离子束;离子束在3000km高度以下极少出现,而离子锥较均匀地在各高度都有发生.