基于高频相干散射雷达网的中纬度电离层动力学过程研究

中纬度电离层衔接极区和低纬度电离层,是电离层高中低纬耦合与扰动传播的重要区域,其电离层动力学过程尤为复杂。欧美国家依靠布设的高频相干散射雷达网对欧美扇区中纬度电离层动力学过程开展了大量研究,但对亚洲扇区中纬度电离层环境变化特征及机制尚缺乏深入研究,电离层扰动从极区向中低纬度地区的传播特征及其动力学过程和扇区异同性并不明确。基于此,回顾国际超级双极光雷达网的发展历程,总结基于高频相干散射雷达网研究中纬度电离层动力学过程的国际、国内研究现状和发展趋势,凝练我国高频相干散射雷达网建设完成之后的重点研究方向。

中山站高频雷达观测结果初步分析

中山站高频相干散射雷达于2010年4月建成投入观测,并加盟SuperDARN雷达观测网,成为中国探测电离层对流的重要手段。首先简要介绍中山站高频雷达的工作原理及工作模式,然后利用该雷达第一年的观测数据,给出了每个波束观测的电离层回波总数随距离和回波强度、多普勒速度及谱宽的分布以及电离层回波发生率随频率的变化特性。观测结果和射线追踪的模拟计算表明,由于波束指向不同,电波矢量方向与地磁场形成正交条件的区域有所不同,因此会造成不同频率下,不同波束观测的电离层回波发生率的差别。

VHF雷达空域干涉法探测曲靖电离层E区场向不规则体精细结构

针对VHF相干散射雷达传统观测方式的探测能力局限,构建了空域干涉法探测实验系统,其具备对电离层场向不规则体(field-aligned irregularity,FAI)三维精细结构探测能力.结合曲靖E区FAI干涉探测实验数据,实现了对系统相位偏差校正及回波三维空间位置精确获取,得到了不规则体云团的三维精细结构以及漂移运动过程,包括FAI回波散射点的三维空间位置以及FAI云团的三维空间外尺度、漂移运动轨迹和漂移速度等.探测实例结果表明:其东西、南北和高度向分布范围分别为-35~20 km、85~120 km和95~130 km,对应的三维外尺度分别为23.8 km、7.6 km和7.6 km;东西向漂移速度要大于其他两个方向,并呈现出5~6 min的准周期回波特征.

极区电离层对流速度的浅层神经网络建模与分析

电离层对流是太阳风与地球磁场相互作用下驱动的磁层大尺度对流循环与对流电场在极区电离层的映射,与行星际磁场-地球磁场耦合系统息息相关.本文基于SuperDARN(Super Dual Aurora Radar Network)分布在北半球的23部高频相干散射雷达获取到的二维电离层对流速度对其进行建模研究.模型输入为行星际磁场三分量、太阳风速度、太阳风密度和地磁指数六个空间物理参数,模型输出为二维对流速度.模型选择两种广泛应用于空间物理建模的浅层神经网络即广义回归神经网络(General Regression Neural Network,GRNN)和误差反向传播(Back Propagation,BP)神经网络.实验结果显示,GRNN模型和BP模型的速度幅值均方根误差分别为174.96 m·s^(-1)和234.21 m·s^(-1),速度方向角均方根误差分别达到62.30°和88.07°,相比于对流速度最大值2000 m·s^(-1)和360°的方向角范围来说,其误差是可以接受的.外推性实验结果显示,在第24个太阳周期时,GRNN模型和BP模型的速度幅值均方根误差分别为305.35 m·s^(-1)和738.15 m·s^(-1),速度方向角均方根误差分别为82.01°和90.56°.实验结果表明,GRNN在时间外推性上的效果优于BP神经网络,更适用于预测对流速度.我们发现在四种典型空间环境条件下,利用GRNN模型预测的瞬时对流速度来构建的全域对流模式与现有统计模型构建的对流模式相似,从而验证预测的对流速度可以用于分析瞬时极区电离层对流.