基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:1.电离层E区连续性回波

基于三亚(109.6°E,18.4°N)VHF电离层相干散射雷达观测,分析了我国低纬电离层E区场向不规则结构连续性回波的发生特征.研究结果表明:白天,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至25m/s,多普勒宽度主要分布在20至70m/s;连续性回波的高度大约以1km/h的速度缓慢下降,与偶发E层(Es)底部所在高度(hbEs)有很好的相关性,表明在背景电场影响下,Es经梯度漂移不稳定性产生场向不规则结构,引起E区连续性回波.夜间,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至50m/s,多普勒宽度为20至110m/s,回波在时间-高度-强度图上常呈现多层结构,可能与潮汐引起的多个离子层相关;而E区连续性回波的短暂中断,以及120km以上高E区连续性回波的发生,则可能归因于赤道扩展F极化电场的影响.此外,对E区连续性回波多普勒速度与全天空流星雷达风场观测的比较发现,在100km以下,多普勒速度与子午风场有很好的相关性.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:2.东亚低纬电离层E区准周期回波

中低纬电离层E区不规则体准周期雷达回波现象,在地球不同经度区被观测到并开展了有关研究.本文利用三亚(109.6°E,18.4°N)VHF相干散射雷达2011年2月6日的观测,第一次给出了中国低纬电离层E区准周期回波的发生和变化特征.观测结果表明:准周期回波发生在地方时夜间2100—2200LT的110km高度上,与连续性回波可同时发生;准周期回波斜纹在雷达探测的高度-时间-强度(HTI)图上可延伸5～20km,持续时间为5～15min,回波斜纹高度随时间以20～30m/s下降,斜纹在HTI图上彼此间隔10km和10min左右.此外,雷达回波多普勒谱和雷达干涉分析显示不同高度准周期回波的多普勒速度随高度-时间表现出不同的变化趋势,与回波条纹斜率无明显联系,不同高度准周期回波对应的不规则体在东西方向也表现出截然不同的运动特征.分析结果表明,三亚电离层E区准周期回波的发生可能并不是由散块Es随着中性风周期性的经过雷达探测区域所致,而可能和Es中的扰动结构相关.

基于非相干散射雷达和GPS观测研究Millstone Hill地区等离子体层电子含量

本文尝试结合非相干散射雷达和GPS TEC观测数据提取等离子体层总电子含量(PTEC).我们首先描述所用的技术方法,然后具体利用了Millstone Hill台站的观测数据研究该地区上空等离子体层总电子含量(PTEC)的变化情况.我们采用变化标高的Chapman函数对非相干散射雷达测得的电子浓度剖面数据进行拟合,然后通过对剖面积分得到100km到1000km高度范围的电离层总电子含量.GPS提供的TEC数据为高度达20200km的总电子含量,两者之差可近似看成等离子体层的电子含量.本文分别选取太阳活动高年(2000,2002年)和太阳活动低年(2005,2008年)Millstone Hill台站的静日数据进行研究.结果表明,等离子体层电子含量及其所占GPSTEC的比例具有明显的周日变化.PTEC含量在白天高于夜间,而所占GPS TEC的百分比,夜间明显高于白天.太阳活动高年所选月份等离子体层电子含量在4～14TECU(1TECU=1016el/m2)范围内变化,夜间所占比例可达60%左右.太阳活动低年所选月份等离子体层电子含量在3～7TECU范围内变化,所占比例夜间最高可达80%左右.我们所得到的结果与前人基于其它观测手段所得结果在变化趋势上一致,在量级上也大致相当.因此,这从一个侧面证明了我们所用方法的可靠性.非相干散射雷达能够探测包括F2层峰值以下及以上高度的电子浓度,利用这一设备所观测得到的资料来推算电离层电子含量将比前人基于电离层垂测仪观测资料进行的推算更具真实性,由此得到的等离子体层电子含量也将更为接近真实情况.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站(18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N)VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：3．距离扩展流星尾迹回波

距离扩展流星尾迹回波(RSTE,range spread trail echo)观测通常采用高功率大孔径雷达.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)VHF雷达观测,分析研究了小功率VHF雷达观测的RSTE特征.结果表明,三亚VHF雷达在相干散射模式观测的RSTE,其发生和演化的主要形态特征类似高功率大孔径雷达的观测结果.通过2011年8月期间,三亚VHF雷达相干散射模式观测的RSTE,与同时的全天空流星模式观测的镜面流星尾迹(SE,specular trail echo)数据,统计分析了RSTE和SE随地方时以及高度的变化,发现短持续时间RSTE(小于等于15s)与SE具有类似的时间-高度变化特征,而长持续时间RSTE(大于等于15s)发生的峰值时间,相比SE和短持续时间RSTE向晨侧偏移,且长持续时间RSTE对高度的依赖性比短持续时间RSTE显著.此外,全天空流星模式观测SE的数量远多于相干散射模式观测的RSTE数量,可能与不同模式下的观测角度、波束宽度等因素相关.

不同尺度低纬电离层不规则体漂移特性的观测研究

利用我国三亚站GPS短基线接收机阵以及VHF电离层相干散射雷达多波束扫描模式进行同时观测,对2011年10月22日至29日夜间两种不同尺度电离层不规则体的纬圈漂移速度进行比较研究.结果表明,两种不同手段观测的不同尺度不规则体漂移速度,在大小、变化趋势以及时间范围上基本一致.不规则体产生在20:00LT(LT为北京时)左右,以100～250m/s的速度东向漂移,并且速度幅值起伏较大;在不规则体发展中后期(21:00LT以后),东向漂移速度减低到50～150m/s,并延续至午夜.两种手段观测的漂移速度差异,一个重要原因可能来自于两者观测范围的不同.此外,GPS短基线接收机阵观测的400米尺度电离层不规则体通常比VHF雷达探测到的3米尺度电离层不规则体存在的时间要长.

地球空间环境的野外科学观测研究

地球空间包括地球中高层大气、电离层和磁层,其环境变化深刻影响着人类生活,如空间灾害性事件的发生,可能危害地面电网安全,造成星地无线电通讯中断。在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等部门支持下,北京空间环境国家野外科学观测研究站通过研制和发展一批具有国际先进水平的观测仪器,建立了电离层、中高层大气和地磁等多学科综合观测台链,并开发成功新的探测模式和诊断技术,实现对我国上空多种空间环境参量的科学观测,揭示其区域特征和空间精细结构与变化,推动数据服务于原创科学研究和空间天气预报保障任务。基于观测数据,通过发展理论模式,采用数据分析与数值模拟相结合等研究方法,系统研究了大气层-电离层耦合、磁层-电离层耦合和太阳辐射的光电离光化学3类最为重要的驱动过程对电离层变化性的影响和控制作用。

电离层重力电流与压力梯度电流的模拟研究

风场发电机驱动产生电离层电流,其主要分布在日侧E区.电离层电流会产生显著的地磁扰动,这也是地磁静日(Solar quiet,S_(q))变化的主要来源.但是,电离层区域的其他作用力,包括等离子体重力和压力梯度力,同样能驱动等离子体跨越磁力线,进而影响了电离层电流.本文首先探讨了等离子体重力和压力梯度力在电离层发电机过程中的作用机制,随后利用数值模拟得到重力电流和压力梯度电流.通过分析重力电流和压力梯度电流的时空分布,我们发现它们的分布区域与电离层赤道异常(EIA)重合,重力电流方向是地磁东向的,而压力梯度电流在EIA结构的底部是东向的而顶部是西向的.除此之外,我们发现重力和压力梯度电流的经度分布受到地磁场和潮汐的影响,其中电流强度与磁场强度反相关.

流星不均匀体多波段探测系统与初步观测结果

流星体注入地球空间给地球带来外部物质并影响地球空间环境.为了探知流星体对空间环境的影响,需获取不同类型流星体及其在地球大气中产生系列现象的特征.本文介绍近期研制建设的流星不均匀体多波段探测系统.该系统设计采用光学大范围成像和无线电相控阵雷达与双基地全天空雷达主动探测,实现对不同尺寸流星体坠入地球高空大气/电离层后的烧蚀、蒸发和电离到流星不均匀体产生与演化等系列过程探测.通过开发多种探测模式和相应的数据分析反演算法,获取流星体速度、质量、成分和星际来源、流星等离子体头和等离子体尾迹不均匀体的空间精细结构与演化以及低电离层“瞬时”风场等多参量信息.利用该系统观测数据,对流星体及其产生的流星等离子体头、等离子体尾迹场向和非场向不均匀体、流星闪耀和尘埃不均匀体以及电离层不均匀体等开展了初步研究.

暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.

基于修正Kp指数的中纬区单站电离层暴预报方法研究

对电离层暴进行有效预报具有很重要的实际应用价值,但目前这一工作还存在着许多方面有待改进.本文假设电离层扰动的季节性规律占主导地位,借鉴Kutiev and Muhtarov构建修正K_p指数表示地磁活动的方法,建立了一个适用于中纬地区Yakutsk单台站电离层暴预报的线性经验模型.检验表明,该模型对Yakutsk站夏季和春秋季电离层扰动的预测效果明显优于IRI中的STORM模型,模型改善度平均可达35%左右;能很好地反映磁暴连续发生的情况下δfoF_2分阶段下降的形态;能反映出一定的电离层正相扰动及其持续时间,但是正扰动的预报精度有待进一步提高.

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.

北京地区电离层Chapman标高的统计分析

利用F2层峰值处的Chapman标高Hm可以构建电离层顶部的电子浓度剖面.本文通过对北京站(40.3°N,116.2°E)从2010年1月到2014年5月的电离层频高图人工度量后获得了F2层峰值处的Chapman标高Hm,分析研究了Hm随周日、季节和太阳活动变化,并探讨了Hm与F2层特征参数foF2、hmF2以及IRI底部厚度参数B0的相关性.研究表明,(1)北京地区标高Hm的周日变化明显,在正午左右有最大值,夏季和春秋季的最小值出现在午夜左右,而冬季有两个谷值,在日出后和20∶00LT左右;Hm在日出前有较小的增加,但不是很明显;(2)白天标高Hm有明显的季节变化,夏季最强,冬季最弱,而夜间的季节变化较小;(3)Hm随太阳活动的增强而增大,地磁扰动会引起Hm偏离正常水平;(4)Hm与hmF2相关性很弱,但白天和夜间各自的相关性较强,并且夜间大于白天;Hm与B0有很强的相关性;(5)由IRI2012给出的B0与Hm在冬季的相关性很小,表明IRI模式还需要进一步改进.

1683—1949年中国地磁测量、地磁图和地磁模型的总考评与研究

本文全面系统回顾考察了新中国成立前中国的地磁测量、地磁图和地磁模型研究概况:主要介绍中国人独立进行的地磁测量;评述了1932年山东半岛地磁图,1915.0和1936.0年中国(部分地区)地磁图;1945.0年东亚地磁图;1946.1年四川北碚地区地磁图以及1946.1年四川北碚地区地磁场泰勒多项式模型.并根据1936年地磁数据计算研究了1936.0年中国地磁场的球冠谐模型和曲面Spline模型,以及1900.0—1940.0年5个年代的中国地磁数据集、地磁模型和地磁图.对今后我国地磁测量研究工作给出了几点建议.

行星际-赤道电场穿透效率的数值模拟研究

电场穿透作为强烈地磁活动期间太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的重要形式,近年来一直是空间物理学最为活跃的课题之一.在过去的近40年里人们一直关注于观测证据的寻找以及物理过程的模拟,"电场穿透效率"这一重要定量化指标直到最近几年才得到重视.本文定义赤道电场增量与对应的行星际电场增量的比值为穿透效率,通过数值模拟的方法对穿透效率的地方时变化以及与中性风发电机的关系做了实验性讨论,在一定简化条件下结果表明:(1)不考虑跨极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系,且中性风发电机并不影响电场穿透效率;(2)恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显地方时依赖性.例如对于L=2.6RE,在9LT至23LT之间,穿透效率维持在10%左右;0LT至7LT之间,穿透效率迅速从2%上升至30%后又迅速回落到原始水平,形成尖峰.这些结果基本符合观测特征.

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。

电离层水平电场与风场的耦合模拟研究

设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案,研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异.研究发现,水平电场与风场相互反馈后,风场的变化比电流函数小.经向风在白天有较明显的差异,夜晚的差异比白天小,主要出现在中高纬地区,并随高度的增加而增大,300 km左右达到最大值,其后几乎保持不变.纬向风有与经向风相似的变化,但纬向风耦合前后的差异比经向风小.电流函数在耦合后有较大改变,两个涡旋强度都有较强增加,并且北半球的增强大于南半球,而夜晚差异较小.结果表明,在研究的高度范围内,风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响.

1991~2001年北京十三陵台站地磁数据集

北京十三陵台站(Beijing Ming Tombs station,BMT)位于北京市昌平区十三陵镇德胜口村东北约600米处,隶属中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室,是中国大陆地区最早实现数字化并率先进入国际地磁台网(INTERMAGNET)的观测站。本数据集包含1991~2001年经过预处理后的北京十三陵台站的地磁观测数据,数据内容由磁偏角(D)、水平强度(H)和垂直强度(Z)三个要素的分钟值组成。本数据集可以用来开展地磁场、空间环境和地球各圈层耦合等方面的研究。

北京地区2005年Pc6脉动统计特征及其与TID的关系初探

对北京十三陵地磁台站2005年全年的地磁数据进行了统计分析,总结了该地区Pc6脉动的周期分布和发生率等特征.对Pc6脉动与TID的关系也做了一些尝试性探讨.我们选择北京大学多普勒雷达观测到TID事件同十三陵台站观测到Pc6脉动进行比较研究,在2004年12月23日至2006年3月11日这段时间内,共有42个事件满足要求.经过分析发现TID事件与Pc 6脉动在波动频率和波形上有比较好的相关性,讨论了Pc6脉动与TID可能的诱发源.

基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征

赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.本文利用2010—2021年全球低纬地区GNSS TEC监测仪长期观测数据,分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征.结果表明,全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关,赤道等离子体泡的日发生率与F107指数相关系数接近0.70.经度-60°~-30°在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F107的相关关系有明显的饱和效应.在季节变化方面,经度-60°~-30°赤道等离子体泡主要发生在1—3月和10—12月,其他经度主要发生在分季.不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别,在太阳活动上升期,经度-60°~-30°的10—12月发生率明显高于1—3月;在太阳活动下降期,0°~180°经度区3月分季高于9月分季.此外,地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用,特别是在太阳活动高年、分季.