中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI,对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9h(10.5h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.

基于IRI模式的电离层预报模型建立

电离层内部带电粒子运动和变化状态受太阳辐射与地磁场作用的影响,服从物理规律的约束,常规数学逼近方法进行电离层预报缺乏物理机制的支持。由于断电断网等不可预计因素的影响,地面全球导航卫星系统(GNSS)连续观测站数据容易出现中断,从而影响对电离层的监测,并进一步影响改正数播发。为了在GNSS连续观测站数据缺失的情况下,重现电离层误差延迟,填补观测数据空白,本文提出了一种基于物理模式的电离层总电子密度高精度时域预报方案,并通过模拟实验验证了基于物理模式的电离层时序预报方式相较于传统数学方法的优势。实验结果表明,基于IRI的电子浓度总含量(TEC)预报误差基本上都小于多项式计算的TEC预报误差的50%,且随着IGR权重的增加,基于IRI的TEC预报误差也逐渐变小,与模拟的TEC真值更加接近;通过对比拟合时段和预报时段与原始IRI2016模型的计算结果,发现更新后IG_(12)指数驱动下的IRI2016模型计算的TEC精度得到了明显提高,计算残差标准差精度上午时段在低纬度和中纬度地区分别提高了83.9%和49.8%,下午时段在低纬度和中纬度地区分别提高了63.0%和60.6%,与GNSS TEC的整体符合情况更好,从而验证了基于IRI模式建立的电离层预报模型在中国中、低纬度地区具有较高的应用精度。

四川芦山7.0级地震前后电离层TEC扰动分析

针对2013-04-20四川芦山7.0级地震,利用CODE提供的全球IONEX TEC数据和IRI提供的TEC数据,在排除太阳活动和地磁干扰的情况下,采用四分位法,对IONEX TEC数据和IONEX TEC与IRI TEC的差值数据进行处理,发现地震前后电离层TEC均出现异常扰动现象。全球电离层TEC扰动存在自西向东移动的趋势,同时也发现了扰动存在赤道对称的现象。

一种基于白谱法的电离层天气扰动指数

基于一种电离层扰动提取方法一白谱法,利用IGS提供的电离层TEC网格数据,获得电离层J_s真指数、J_r指数和J_p指数,分别反映单站、纬度圈(沿经度积分)及行星际尺度下的电离层天气扰动状态.在2015年3月的一次磁暴过程中,J_s指数、J_r指数及J_p指数均很好地反映出电离层响应地磁暴的过程,磁暴前后J_p指数与Dst指数相关系数达到-0.72;J_s图从二维角度很好地表征了电离层天气的扰动过程.在此基础上,统计分析了2011—2014年J_p指数与Dst指数的相关性,结果表明:限定J_p≥2,J_P指数与对应时间Dst指数的相关系数为-0.67;限定J_p≥3,二者相关系数更高,达到-0.87.通过分析不同J_p指数阈值下不同等级磁暴的次数,发现J_p指数可以很好地反映磁暴下的电离层整体扰动,为指示电离层天气状态提供了可能的参数.

基于IGS数据分析台风“利奇马”引起的电离层TEC扰动

文中利用国际GNSS服务(IGS)提供的全球电离层地图(GIM)格网电离层资料,借助滑动四分位距法,研究了2019年台风"利奇马"期间电离层电子浓度总含量(TEC)的异常变化情况.对台风"利奇马"期间电离层TEC时序变化及区域空间变化进行分析,发现在台风发生前第5天,电离层TEC出现了正异常变化;台风登陆后第二天,台风影响区域上空电离层TEC异常由正异常变化为负异常再变化为正异常,正异常最大值达8 TECU,负异常最大值达6 TECU,且最大异常点并不在风眼处,而是在风眼的西南侧,此异常可能与台风登陆期间台风风速及风向变化有关.

基于GPS TEC的尼泊尔MW7.8地震同震电离层扰动研究

基于GPS数据对2015年尼泊尔M W7.8地震引起的同震电离层扰动进行统计与FFT频谱分析,探究地震电离层TEC扰动传播的时空特性。结果表明,震后5 min起出现明显的TEC扰动异常现象,持续时间超过6 min,呈现增大-减小-增大的变化趋势;扰动由震中向东、东北等方向传播,速率分别为2336.36 m/s和455.52~937.64 m/s;扰动的中心频率为3~7 mHz,符合瑞利波与声波引发的扰动频段。

2012年北大北京本校站电离层TEC和闪烁指数集

电离层总电子含量(TEC)和闪烁指数是电离层形态学研究的重要参数。基于二者描述电离层状态,对电离层研究有十分重要的意义。2012年北大北京本校站(116.30°E,39.99°N)电离层TEC和闪烁指数是根据GPS伪距及载波相位观测数据、信号功率、信噪比获得的。该数据集包含电离层垂直TEC、幅度闪烁指数和相位闪烁指数。通过这一数据可以得到电离层TEC同太阳活动、磁暴、电离层暴之间的关系,以及电离层不规则体的逐日变化和暴时特征。本数据集能够为我国众多空间环境相关的研究与工程项目提供数据保障。

地震期间电离层扰动现象研究

介绍了大量的关于地震电离层扰动现象研究的最新进展,研究表明地震发生前的几天或者几个小时电离层扰动被观测到,电离层前兆是确实存在.但要将震前的电离层扰动作为地震短临预报的工具,还有许多值得我们去深入研究和解决的问题.应用空间技术开展大区域范围内电离层参数的实时观测,如用地震电磁卫星、GPS台网、并和地面电离层垂测仪观测相结合,建立“电离层地震前兆监测系统”,无疑会加速这项研究的进程.

2003年10月29～31日太阳耀斑对中国大陆电离层扰动的GPS监测与分析

利用“中国地壳运动观测网络”工程中28个GPS基准站和中国周边地区10个IGS站的GPS观测数据,研究了2003年10月29日～31日期间,X10级太阳耀斑引起的中国大陆电离层总电子含量(TEC)的变化特征,分析了本次太阳磁暴对我国不同地区电离层的影响。结果表明,太阳耀斑对中国大陆电离层的影响从29日中午10～11时开始,其影响强度与纬度有关,纬度越低,影响越大,且自东向西移动,TEC最大值达到120TECU,峰值比正常情况下高40多个TECU;且下午电离层对耀斑的响应强烈。

中国6.0级以上地震临震电离层扰动时空分布特征研究

基于GPS TEC数据,对1998年11月1日—2010年12月31日中国大陆M_s≥6.0地震临震电离层扰动进行了研究.分析发现,震中上空及周围的东、南、西、北4个方向震前15天到地震当天时序变化趋势较相似,5个方向都观测到了震前3—5天负异常稍高于正异常的现象.按震中±10°、±20°、±30°不同空间尺度分析震前0—15天TEC变化,研究表明临震电离层异常最明显的区域并不位于震中的正上空,而是向磁赤道方向偏移,空间影响尺度大约为±15°左右;正异常在震前14天、10天震中西南方向出现不同程度的高值区,负异常在震前5天震中东南方向较明显.最后,应用静电场假设对这些现象进行了解释.

汶川地震同震电离层扰动研究

利用中国大陆陆态观测网(CMONOC)的下关、昆明和庐州GPS台站,对汶川地震引起的同震电离层扰动(CID)进行研究。通过对GPS原始观测数据进行处理证实汶川地震存在5个明显的同震电离层扰动(CID)现象。根据GPS TEC时间序列和走时,得到在电离层高度CID的水平传播速度为1.1km/s,属于震中区地表抬升引起的声波在电离层中传播速度;同时,也得到次一级CID传播速度接近0.7km/s,认为可能是重力波。在此基础上,利用射线追踪模型寻找震中位置发现,当CID水平传播速度为1000m/s时,发震时刻对应的标准偏差能达到最小值19.55s,相应的CID起源位置是30.8°N,103.15°E,距离实际震中西南方向33.6km。

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.

利用陆态网络实时监测电离层TEC及在地震监测中的应用分析

中国大陆构造环境监测网络(陆态网络)是中国最大的GPS综合服务网络,该网络包括260个分布全国的GPS基准站。本文首先介绍了利用GPS研究电离层TEC的基本原理与方法,然后阐述了陆态网络电离层TEC监测系统的数据处理及产品发布的详细流程,最后分析了震前电离层异常现象与地震发生的耦合关系,并利用陆态网络电离层TEC监测系统的产品分析了四川省芦山7.0级地震的同震电离层扰动现象。

0418号台风“艾利”对电离层电子浓度总含量的扰动分析

使用差值和滑动均值法并结合小波滤噪分析,讨论了典型台风期间电离层TEC的扰动响应,并对台风登陆点以及参考点的电离层TEC变化情况进行了分析。结果表明:(1)TEC所表现出来的经度效应相对较小,纬度效应较大;台风对电离层的扰动在台风形成为热带风暴开始就形成,扰动在数值上是较小的;(2)用小波去噪的方法结合差值法和滑动均值方法表明,台风对电离层TEC的影响在台风登陆并达到台风量级以及台风风速达到最大这两个阶段最明显;台风在登陆期间TEC增大,在风速到达最大阶段,TEC降到最小;(3)另外从参考点分析中发现,正是由于TEC经度效应相对较小,从而使得用差值法分析TEC微小扰动有一定的合理性,可为寻找TEC具体扰动时段作参考。

低纬电离层TEC起伏与相位闪烁的统计特征

穿过电离层不规则体传播后的无线电波,其振幅和相位出现快速随机起伏,即电离层闪烁.为了量化电离层不规则体和相位闪烁的强度,本文提出用TEC起伏δTEC作为特征参量,并用δTEC的标准差构建一种新指数σtec.文中证明指数σtec与相位闪烁指数完全等效.在电离层强闪烁期间,经常出现信号短暂失锁和周跳,导致TEC值突跳和不连续.为此,本文设计了一种周跳检测与校正的批处理算法,用于消除TEC值突跳.在此基础上,利用位于我国中南部电离层闪烁监测台网2012—2015年的观测数据,考察了GPS信号相位闪烁和不规则体的统计特征.结果表明,我国低纬电离层不规则体和相位闪烁与振幅闪烁随地方时和月份变化的特征类似,一天之中主要出现在日落后至黎明前,一年之中,春季不规则体出现最频繁、秋季次之,呈现春秋不对称性,冬夏季出现很少.此外,我们还比较分析了指数S4与σtec的联系,两者之间显著正相关表明,小于第一菲涅尔带尺度的小尺度不规则体和大于第一菲涅尔带尺度的大尺度不规则体一般同时存在.

两次强震前华南地区电离层TEC异常特征研究

基于广州GPS-TEC监测网的VTEC数据,用连续15天的平均值和标准差作为参考,分析了华南地区电离层VTEC异常在2006年12月26日台湾南部恒春海域7.2级地震和2008年5月12日汶川8级地震前的活动特征。结果发现:强震前8天内,华南地区电离层连续出现异常扰动。在此基础上,分析了两次强震前华南地区电离层VTEC的异常响应特征,并和相关文献提到的强震前VTEC异常特征进行了对比,进而对地震引起电离层扰动的机理作了初步的讨论。

太阳活动低年广州地区地磁扰动与电离层闪烁的统计特征分析

基于肇庆地磁台的地磁监测数据和广州气象卫星地面站建立的华南地区GPS电离层闪烁监测网的监测数据,统计分析了2008年7月至2010年7月太阳活动低年期间广州地区地磁扰动与电离层闪烁的关系.用肇庆台地磁水平分量H的变化量换算出肇庆地磁指数K,以此来代表广州地区地磁扰动情况.分析结果表明,磁暴/强地磁扰动对广州地区电离层闪烁的发生总体表现为抑制作用,电离层闪烁主要发生在低K值期间,而在K≥4时电离层闪烁的发生呈下降趋势.电离层闪烁发生率随季节和地磁活动的变化规律表现在,春季的弱闪烁发生率、夜间中等以上闪烁发生率和夏季中等以上闪烁的发生率明显与地磁活动指数K相关,即随K指数的增大而减小;在秋季和冬季闪烁发生率与K指数变化无明显关系.同时还综合分析了地磁与太阳活动的变化对电离层活动的影响,广州地区闪烁主要发生在太阳活动较低的磁静日期间.

磁暴与电离层总电子含量扰动相关关系的统计研究

利用1996～2004年中纬度地区的地磁和电离层总电子含量（TEC）数据，对发生的119次磁暴期间电离层TEC扰动与地磁扰动的相关关系进行统计研究，详细分析磁暴期间TEC发生扰动的频次以及TEC扰动与磁暴发生的先后关系，不同磁暴强度与TEC扰动频次的相关性以及磁暴发生的季节、地方时与TEC扰动频次的相关性。结果表明：有99．1％的磁暴会伴随发生TEC扰动，其中TEC超前扰动占71．4％，TEC滞后扰动占27．7％；急始磁暴与TEC超前扰动的相关性为80％，TEC负相扰动与超前扰动的相关性为100％；中烈磁暴和强烈磁暴下TEC发生扰动的概率为100％，磁暴和TEC扰动在秋季出现的频次最高，在春季出现的频次最低；磁暴次数年变化与TEC扰动次数年变化的相关系数为0．7632，日变化相关系数为0．7399。

GNSS三维电离层层析算法及电离层扰动研究

电离层总电子含量（total electron content,TEC）是一个重要的电离层物理参量,对电离层物理的理论研究以及电波传播的应用研究有着十分重要的意义.然而,在理论和应用研究过程中,基于单层假设的电离层TEC空间分布只能反映电离层的水平结构,而难以反映电离层的垂直结构.

2018年8月磁暴期间北斗GEO卫星电离层TEC时空变化分析

基于北斗GEO卫星独有的静地特性,本文利用其观测数据提取电离层TEC进行磁暴期间电离层TEC时空变化研究。同时利用全球电离层格网图GIM值进行试验对比,结果表明:北斗GEO卫星提取的TEC与GIM模型值变化趋势一致,并且前者可更有效地监测电离层的细微扰动变化。在此次磁暴发生期间,亚太地区电离层TEC变化及扰动响应特征在纬度方向差异明显。其中南北半球较高纬度区域,电离层TEC在磁暴主相阶段主要表现为正响应扰动,而赤道及北半球较低纬度区域,电离层TEC在磁暴主相及恢复相阶段均产生了强度更大、持续时间更长的正响应扰动。结合现有研究,认为造成此次电离层异常扰动的激励因素主要为东向快速穿透电场的增强及热层中性成分的变化。试验结果也证明了GEO卫星可以精准有效地监测在磁暴发生时电离层TEC的变化规律及不同空间位置处TEC产生的扰动响应特征。