中低纬Spread-F的数值模拟

本文导出了中低纬地区电离层F区中的Rayleigh-Taylor不稳定性的线性增长率,并对一些典型情况进行了数值模拟研究.结果表明,Ravleigh-Taylor不稳定性的线性增长率随纬度的增加而降低,在中纬度地区,如果没有合适的东西向水平外电场,纯Rayleiyh-Taylor模难于增长,初始扰动将被稳定化.在这些区域,线性增长率的表达式还表明,外电场导致的E×B模的增长率虽然随纬度的增加而减小,但其减小的速率慢于R-T模增长率的减小.非线性的数值模拟则显示,中纬非线性E×B漂移不能象在赤道地区那样使电子密度减小的区域抬升到F区顶部以上,亦即在中纬地区,F顶部以上通常不出现电离层泡,但在F区较低部分可以演化出较大范围的电子密度增强区,这与中低纬地区Spread-F的某些观测特征一致.这说明Rayleigh-Taylor不稳定性与东向水平外电场一起可以成为导致中纬Spread-F发展的一种机制.

中性风在中低纬Spread-F中的作用

讨论了中低纬度电离层F区中有碰撞的Rayleigh-Taylor不稳定性的线性增长率,着重考察背景中性风对增长率的影响,首先建立了适合于描述中低纬地区R-T不稳定性的基本方程,其中包括背景中性风和电场。在此基础上导出了色散关系和不稳定性增长率γ。结果表明,γ随纬度增加而逐渐减小,虽然东西方向和垂直向下的中性风分量有利于不稳定性增长,但在比30度更高的纬度,正常的背景中性风很难使γ为正值,除非存在合适的东西方向电场,亦即电场在中纬度Spread F的形成方面起着重要的作用。文中还根据比较合乎实际的电离层电子密度分布模式估算了线性增长率γ的季节变化。

声重波激发的赤道 Spread—F 不稳定性

本文导出了声重波扰动与赤道电离层扩展Ｆ层相互作用的基本方程，并对数值模拟结果进行了讨论．结果表明当声重波扰动与Ｋａｖｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性共同作用于赤道Ｆ层时，将导致大尺度波状结构的Ｓｐｒｅａｄ－Ｆ．其特征为以一定速度漂移的准周期不规则性，发展到后期伴有羽柱形状的ｂｕｂｂｌｅ（电子密度低区）产生．这种现状的ｂｕｂｂｌｅ可上升至Ｆ层顶部并发生倾斜．声重波波矢量的方向决定着羽柱的倾斜方向．这些结果与实验观测特征相符，说明声重波扰动不仅是大尺度Ｓａｒｅａｄ－Ｆ的触发源，而且对其整个形态发展过程起着重要的作用．

声重波激发的赤道Spread—F的拓扑特性研究

本文对声重波激发的Spread-F扰动的非线性制约方程的拓扑特性进行了定性讨论和数值计算．研究了Spread-F的混沌特征及参数范围．结果表明声重波在不同条件时对Spread-F的激发作用有本质的不同．

Spread-F的经度效应

从三维地理坐标系出发建立模型 ,考虑了地磁倾角和偏角的影响 ,研究Spread F现象的全球分布特点 ,是对以前的研究从赤道地区向中、低纬度地区的推广。从该三维模型中可以看到地磁场的大小和位型的影响 (包括磁倾角和磁偏角的效应 )。由于地磁位型的不同 ,发生率的分布并不具有经度对称性 ,即使在磁赤道附近也如此。在某些特殊的经度和纬度地区 ,会达到发生率的峰值。

基于长短期记忆网络的扩展F事件短临预测

考虑到我国区域电离层扩展F发生的物理机制和相关因素以及观测数据的可获取性,利用适宜于时间序列预测的长短期记忆网络建立了我国不同区域电离层扩展F事件的预测模型,对未来3 h是否会发生扩展F事件进行预测.以处于我国典型纬度地区的满洲里、北京、海口站为例,利用2015和2016年测试数据集对模型预测精度进行了检验,满洲里、北京、海口站平均准确率分别为92.4%、95.3%、96.0%,平均精确率分别为75.0%、61.2%、62.6%,平均召回率分别为73.0%、50.6%、31.5%.由此可见:在某些情况下,比如在低纬度地区的海口站,模型的召回率较低;除此之外,所建立的扩展F模型在多数情况下具有较高的预测能力.

基于伴随理论的Spread-F最优初值扰动提取研究及数值模拟

通过讨论Spread-F扰动初值对于研究R-T不稳定性的必要性,分析初值扰动提取在人工诱导电离层方面的重要作用,首次提出了应用伴随理论将电离层不稳定性基本方程与Spread-F观测资料相结合提取其扰动初值的方法.推导了电离层不稳定性方程的伴随模式并进行数值模拟实验,结果表明电离层不稳定性方程能够较好描述Spread-F的发展过程;伴随模式在利用不同迭代初值以及不同时刻观测资料进行反演时,均能得到较为理想的结果,表明利用伴随模式反演电离层Spread-F初始扰动是可行的.

Statistical analysis and model of spread F occurrence in China

The spread F data obtained over Lanzhou (36.1°N,103.9°E),Chongqing (29.5°N,106.4°E) and Haikou (20.0°N,110.3°E) of China during the period from 1978 to 1997 are used to analyze the occurrence characteristics.The statistical results show that the post midnight spread F occurrence is maximum during the summer solstice months of the lower solar activity period,while post sunset spread F is dominant in equinoxes of higher solar activity period over Haikou station.Over Chongqing and Lanzhou stations,spread F mostly occurs at post midnight and relates negatively with solar activity.Using regression method and Fourier expansion,the preliminary single-station model of spread F occurrence is established and the accuracy of the model is evaluated.

海南地区扩展F的季节变化研究

对2002年3月～2005年2月期间海南地区DPS-4测高仪观测到的扩展F资料按照频率、区域、混合和强区域扩展等四种类型进行了分析研究。结果表明:在太阳活动高年(2002年),频率扩展不够活跃;区域扩展主要活跃在夏末秋初的7、8和9月份;混合扩展主要活跃在春季的3月份;强区域型扩展则主要活跃在春秋季的3、4和9月份。在太阳活动中年(2003和2004年),频率扩展主要活跃在夏初的5、6月份;区域扩展主要活跃在2004年的秋季9月份,而2003年各季均不够活跃;混合扩展主要活跃在2003年冬季的12、1(2004)月份和2004年的夏季6、7月份;强区域型扩展则主要活跃在2003年秋季的10月份和2004年春季3、4月份以及夏末深秋的8、10月份。海南地区扩展F的特性与巴西Paulista台站的观测结果相比较主要在季节变化上有很大的不同,与印度Ahmedabad台站的观测结果相比较则主要在季节出现率上有较大的差异。

电离层高频多普勒记录在扩展-F研究中的应用

本文通过观测实例探讨并论证了电离层高频多普勒观测在扩展-F研究中的应用.实例和相应分析表明:首先,由于高频多普勒记录的时间连续性,有利于从观测角度了解扩展-F的时间演化过程;其次,高频多普勒偏移对不规则结构造成的回波弥散、对不同尺度行进电离层扰动(TID)以及耀斑引起的突然频率偏移(SFD)效应都很敏感,这些现象在记录上出现的时间关系有利于了解扩展-F的触发因素或扩展-F与其他电离层背景扰动之间的联系或相互作用;最后,高频多普勒记录对于持续时间较长(几小时以上)或很短(小于1小时)的扩展-F都能够完整地反映,不会产生因为观测间歇形成的缺失,也可以有效区分究竟是连续一次还是一段时间内断续的扩展-F现象.高频多普勒观测有其自身的优点同时也具有一定的局限性,本文对其局限性诸如缺乏空间分辨率等也做了分析.指出发挥高频多普勒观测的优势,综合应用多种资料,通过不同手段的数据分析和比较,可以更好地为电离层扰动的物理机制和预报研究提供正确的观测依据.

IRI-2007对扩展F的预测与观测比较研究

通过对赤道地区两台站的扩展F实际观测值与IRI-2007模型预测值的比较,研究了该模型预测结果的地域局限性和预测的准确度.该模型建立在美洲扇区赤道附近台站资料基础上,本文选取非洲扇区大体同纬度两个台站资料进行对比研究.统计结果表明,无论在发生概率日均值的年变化趋势上,还是在扩展F发生率年均值随地方时变化以及随太阳活动的统计中,都存在着明显的差异;而对非洲两站实测值的分析和IRI-2007模型对南美巴西地区的预测又分别与当前已有的研究结果相符.分析结果表明,(1)建立在巴西台站数据基础上的IRI-2007模型的统计建模极具参考价值;(2)赤道和低纬度电离层扩展F现象有强烈的经度效应,在该模型建模方法基础上,结合不同扇区实际资料的统计,能改进该模型全球应用的普适性; (3)IRI-2007模型能正确反映巴西地区扩展F的发生概率,用该模型和其他扇区不同条件下的实测值对比,提供了一个细致研究扩展F经度效应的基础,有利于确认导致扩展F发生的基本条件和多种影响因素的具体作用.

海南地区强磁暴期间强区域扩展F事件研究

利用2004年海南DPS-4数字测高仪观测到的强区域扩展F(SSF)数据,分析研究了5个强磁暴(Dst<-100 nT)事件期间海南SSF的响应特征.结果发现,在海南地区,5个强磁暴事件中有3个磁暴Dst最小值位于2200—0200 LT之间,在磁暴主相及恢复相初期均出现了SSF现象,这种触发作用可能源于磁层直接渗透电场的作用,而另两个磁暴Dst最小值均发生在白天,一个SSF现象出现在磁暴的恢复相晚间,另一个SSF现象出现在超强磁暴的初相晚间,后者可能由该超强磁暴的急始造成的直接渗透电场所触发;5个强磁暴期间发生的SSF现象或者仅出现在午夜前,或者先出现在午夜前并持续到午夜后;同时,还就这些观测结果与Dabas等人有关磁暴对ESF影响的结论进行对比和讨论.

中、低纬度地区电离层不同层结间的耦合对夜晚F区不规则结构的影响

电离层不规则结构的形成和演化与电离层等离子体不稳定性密切相关 .长期以来 ,在中低纬区扩展 -F现象的研究中 ,没有考虑电离层上下层结之间的相互作用 .本文从理论上全面探讨了在中纬度地区 ,E区可变的Pedersen电导率和Hall电导率 ,与F区可变的Pedersen电导率的共同作用对F区梯度漂移不稳定性的影响 ,导出了存在这种耦合时电离层梯度漂移不稳定性的统一表达式 .这一耦合理论不但解释了实际观测中发现的 ,在某些地方电离层F区顶部的不稳定性发生率要高于F区底部这一现象 ;同时还表明 ,电离层E区与F区的耦合对F区夜晚梯度漂移不稳定性的形成不仅会有阻碍作用 ,同时还使得中、低纬度地区的扰动增长具有了方向的选择性 .该理论的一个重要结论是 ,F区中某一地区能否发展出梯度漂移不稳定性 ,并不完全由当地电离层F区的状态决定 ,同一根磁力线连接的、位于不同纬度地区的E区层结对其发展和演化也会有相当大的影响 .

化学物质释放激发中低纬扩展F的数值模拟

利用离子和电子动量方程、连续性方程以及电流连续性方程建立了适合描述中低纬spread-F发展的物理模型,并对模型进行了数值求解,讨论了利用H2O释放来激发电离层Rayleigh-Taylor不稳定性的可能性.结果表明,电离层处于不稳定状态时,H2O在电离层底部释放后,造成电子的大量消耗,增强了峰值高度以下电子的密度梯度,有利于spread-F的发展,在spread-F发展的过程中,释放中心附近会形成电子密度的消耗区,两侧出现密度的增强区;而电离层比较稳定时,初始扰动会逐渐稳定下来,但化学物质释放仍能造成电子较长时间、较大范围的扰动.

太阳高年期间海南电离层扩展F出现的起始时间研究

电离层扩展F与电离层闪烁现象密切相关,它们出现的起始时间存在着很大程度上的一致性,因此研究电离层扩展F出现的起始时间将对闪烁预报模型的建立具有重要的应用价值。将太阳高年(2002年3月—2003年2月)期间海南地区DPS-4测高仪观测到的扩展F按照频率、区域、混合和强区域扩展等分为四种类型,对其出现的起始时间进行了分析研究。结果表明:频率扩展和混合扩展的起始时间分别集中在0200LT—0800LT和0000LT—0600LT;而区域扩展和强区域扩展出现的起始时间分别集中在2000LT—0200LT和2000LT—2200LT。

赤道地区和中纬度地区扩展F的特点和比较

通过数值模拟研究了赤道地区和中纬度地区扩展F的触发机制间的联系，发现相同的触发机制在不同纬度的条件下所演化出的结构形态不相同，因此观测上会有所不同；研究了西向电场在赤道地区的作用，发现在适合的电高层参数组合下会产生观测到的电高层F区顶部挑动出现率高于底部扰动出现率的状况；在数值模拟的基础上提出了一个中纬度地区电波散射的模型，用以解释观测到的中纬度地区电波散射的出现率高于线性理论预期的现象．

中纬地区日间类扩展F不规则结构的观测研究

基于高频多普勒观测,研究中纬地区日间类扩展F现象及其与其他电离层扰动现象的关联.结果表明:日间类扩展F具有出现时间覆盖面广、持续时间长、与其他电离层扰动相互伴随等特征;形态特征表现为回波弥散(与夜间扩展F相似),弥散回波的频移多倾向于正向偏移,有时与行进电离层扰动(TIDs)相互伴随.日间类扩展F现象虽然是偶发事件,且发生率极低,但其出现时间及区域的广泛性充分体现了该现象对空间天气及空间环境的影响具有不可忽视的重要性.

中国低纬地区行星波扰动观测及其对SF的影响

为研究在日落后反转增强(PRE)期间行进式行星波电离层扰动(TPWIDs)对F层的调制机制以及对扩展F(SF)形成和发展的作用,利用三亚地区DPS-4D数字测高仪2012年探测的34080张数字频高图数据,获取了电离层特性参数-真高,以真高的逐日变化表征行进式行星波扰动,分析了中国低纬地区SF高发季节中行星波扰动特性,并研究了行星波扰动时的不同相位对SF产生和发展的影响.结果表明:地磁平静时期,在PRE期间,TPWID行星波扰动调制着PRE时期的电场强度,根据其相位的不同能导致F层的高度上抬或下降;日落后F层高度的变化控制着SF的发生,在三亚地区真高阈值大约为250 km,即当PRE导致F层高度上抬到大于250 km时,有利于SF产生;并且在分点季节(3月,4月,9月和10月),TPWID行星波相位也调制着SF的开始时间,即TPWID相位越大,SF发生的越早,TPWID相位越小,SF发生的越晚甚至不发生.

海南地区扩展F统计特性及行星波扰动观测

为研究中国低纬地区扩展F(SF)的发生时间和季节特性以及行星波扰动对其影响,利用2013年海南三亚综合观测站DPS-4D数字测高仪观测到的电离层频高图数据,统计分析了扩展F的开始和持续时间及其季节变化;提取了电离层虚高,从虚高的逐日变化中获取了F层上抬时间和行星波扰动特征,并对上抬期间电离层F层最小虚高(h'F)、临界频率(fo F2)等参数进行了小波分析.结果表明:海南地区扩展F类型主要为RSF,其季节性最大值(51%)出现在分点季,RSF在日落后和午夜后均有发生,而FSF主要在夏季午夜后出现;海南地区电离层虚高在日落后反转增强(PRE)期间有明显上抬现象,电离层特征参数中存在周期为准2d、5d以及10d的行星波扰动,它通过调制电离层F区发电机电场的方式激励扩展F的发生和发展.

大西洋低纬度Acsension IS台站强区域型扩展F发生率统计研究

使用位于南半球大西洋的低纬度Acsension IS台站(7.9°S,345.6°E;磁纬2.3°S)的DPS型数字测高仪在2004年探测的扩展F数据,对该台站上空的电离层扩展F、特别是强区域型扩展F的发生率特性进行统计研究。结果表明:探测到的扩展F类型是频率型(FSF)、区域型(RSF)、强区域型(SSF)和混合型(MSF),没有探测到歧型。各种类型扩展F的月变化不同,RSF与SSF的月发生率大致在1~3月和10~12月较高,在5~8月明显降低;不过SSF在7月和9月发生率也较高。各季节SSF占扩展F出现时间的比例在春秋季和夏季高(约30%),在冬季低(5%)。扩展F发生率峰值的地方时出现的顺序依次是RSF、SSF、FSF和MSF。通过将Ascension IS台站的扩展F,特别是SSF的变化规律与其他台站的结果进行比较,发现Acsension IS台站的扩展F,特别是SSF发生率的季节变化与其他经度地区台站以往的结果不完全相同,显示了电离层现象的区域变化特性,并说明SSF应被当做低纬度电离层一种独立的扩展F类型进行研究。