基于掩星观测的全球低纬地区电离层不均匀体形态分析

基于气象、电离层和气候星座观测系统（Constellation ObservingSystem for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC）掩星闪烁指数观测数据,将遮掩点的位置作为电离层不均匀体出现的位置,对比分析了电离层E区不均匀体和F区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化. 发现E区闪烁主要出现于夏季半球的中纬地区;而F区闪烁主要出现于春秋季的磁赤道和低纬地区,受到地磁场的强烈控制. 除季节因素外,太阳活动对E区闪烁的影响并不是基本的,而赤道异常和赤道附近的F区闪烁受到太阳活动的显著控制:相比太阳活动低年,高年的F区闪烁强度更大,且扩展至更高的纬度. 地磁扰动时,中低纬地区电离层E区闪烁的全球分布与地磁平静时相似,但是闪烁的强度总体上略有增加,尤其是凌晨时段（00:00—06:00LT）;中低纬地区电离层F区闪烁的全球分布也与地磁平静时相似,但是闪烁强度明显增加,且扩展至更高的纬度,尤其是00:00—06:00LT及18:00—24:00LT的太平洋扇区. 两者对比表明,电离层F区闪烁对地磁活动更为敏感. 将COSMIC掩星与天基原位观测的闪烁出现率结果进行对比,发现掩星手段不仅可以反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征,包括它随季节/经度、地方时、太阳活动和地磁纬度的变化,而且可以反映电离层不均匀体随高度的变化,这是以往的观测手段难以拥有的.     

2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析

利用28个全球定位系统(Global Positioning System, GPS)观测站获取的电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)测量数据, 分析了2004年11月一次强磁暴期间的中国中低纬地区电离层TEC暴扰动特性, 结果表明:电离层TEC以正相暴扰动响应为主, 中纬地区的暴变扰动要强于低纬, 以北纬35°附近扰动最为强烈; 暴时电离层空间相关性变强, 电离层相关距离由宁静日的约5 500 km提升到暴变日的约8 000 km; 在8日的主暴扰动期间, 发现伴有自东北向西南的电离层TEC暴扰动传播, 自东向西的经向传播速度约为120 m/s, 要高于纬向传播.初步探讨表明, 向赤道中性风、日侧东向急剧穿透电场以及喷泉效应等可能是导致此次电离层TEC正相暴在北纬35°附近扰动最为强烈的关键因素, 也进一步揭示了电离层与太阳风、磁层之间以及电离层不同纬度区之间有着复杂的耦合过程.     

中低纬等离子体泡的非线性数值模拟

在一维密度扰动的假定下,考虑不同的初始背景电场条件,对太阳高年的春季期间的赤道以及中低纬地区电离层F区的等离子体不稳定性进行了非线性数值模拟研究。结果表明:在没有背景电场作用时,只有磁赤道地区的密度扰动能发展成等离子体泡,并上升到F层峰以上;中低纬地区的密度扰动需要在背景电场的作用下才能进一步发展成等离子体泡;随着纬度增大,等离子体不稳定性发展所需要的背景电场越强,这意味着导致磁赤道和中低纬地区的等离子体泡形成的等离子体不稳定性不同。     

不同波长初始电子密度扰动对扩展F触发效应对比研究

基于适合描述中低纬电离层扩展F发展的控制方程组, 首次对比分析了不同波长初始电子密度扰动对电离层Spread-F的触发影响, 讨论了电离层泡状结构和块状结构不规则体对不同电子密度扰动波长的响应效果.结果发现:无论是以泡状结构为主体还是以块状结构为主体的不规则体, 短波长扰动相对于长波长扰动更有利于Spread-F的激发; 当初始电子密度减弱扰动存在于一侧, 而增强扰动存在于另一侧时, 与只存在一种情况相比, 泡状结构和块状结构同时出现, 能够增进彼此的扰动幅度, 并且泡状结构不规则体的抬升速度大于块状结构; 相同电离层背景下, 初始扰动所引起的泡状不规则体和块状不规则体不一定都能得到抬升和发展, 两者发展趋势并不一致.     

一种暴时电离层f0F2的经验预报方法

利用地磁指数Dst和AE以及电离层临界频率f0F2,通过分析磁扰期间成分扰动带的赤道向传播以及低纬穿透电场引起的等离子体漂移对电离层的影响,同时考虑地方时效应,提出一种提前1小时预报暴时电离层f0F2的经验方法,并对2004～2005年10次磁暴期间的预报结果进行检验.结果表明,该方法能较好地预测中低纬电离层暴的演化,甚至能捕捉部分正负相交替出现的扰动,但对部分重复出现的正扰动尚有待改进.方法在磁暴事件中和暴日的平均预报误差低于国际参考电离层(IRI)中用于暴时修正的STORM模型,因而更具有实用性.     

一种暴时电离层f_oF_2的经验预报方法

利用地磁指数Dst和AE以及电离层临界频率f0F2,通过分析磁扰期间成分扰动带的赤道向传播以及低纬穿透电场引起的等离子体漂移对电离层的影响,同时考虑地方时效应,提出一种提前1小时预报暴时电离层f0F2的经验方法,并对2004～2005年10次磁暴期间的预报结果进行检验.结果表明,该方法能较好地预测中低纬电离层暴的演化,甚至能捕捉部分正负相交替出现的扰动,但对部分重复出现的正扰动尚有待改进.方法在磁暴事件中和暴日的平均预报误差低于国际参考电离层(IRI)中用于暴时修正的STORM模型,因而更具有实用性.     

磁暴期内中低纬电离层扰动实例分析

用四个经度链附近电离层垂测资料，分析1986年2月6－10日磁暴期间的电离层扰动现象。磁层－电离层间电动耦合的东向电场是造成多站f0F2同时突增的主要机制。扰动的赤道电集流使'喷泉效应'增强对赤道异常驼峰区f0F2增高也起重要作用。磁暴后期，电离层扰动发电机电流系在低纬区的西向电流、电场使F层电子密度下降，而赤道区'喷泉效应'减弱的结果则是驼峰区各站f0F2明显下降的原因。     

海南地区电离层漂移对F10.7响应的分析研究

根据海南地区2002年3月～2004年3月期间的电离层等离子体漂移观测数据,分析了东亚低纬地区(海南)电离层等离子体漂移对太阳F10.7指数的响应特性.结果表明:(1)F10.7指数的强弱对垂直漂移速度的影响在春秋季最大,夏季次之,冬季影响较小;一天中又以日出日落附近影响最为显著,夜间次之,日间最小.(2)F10.7指数强弱对经向漂移没有显著的影响.(3)晚间东向漂移随F10.7增大而增强,日间F10.7弱时有强的西向漂移.(4)与赤道地区(Jicamarca 站)相比较,东亚低纬度地区电离层漂移对F10.7的响应有着较大的差异.     

利用COSMIC掩星数据分析电离层扩展F层现象

利用2009年的COSMIC掩星观测数据,分析电离层扩展F层不均匀结构引起的GPS卫星C/A码信噪比闪烁,研究全球范围内扩展F层的出现随地理位置、地方时变化的统计特征。初步分析结果表明,扩展F层在3月份主要出现在低纬地区和两极地区,主要发生在地方时日落至午夜之间,有时可延至午夜后数小时。本文结果和以往利用其他观测手段获得的结果较为一致,说明GPS掩星技术可以作为观测全球扩展F层的一种有效手段。     

电离层扰动与磁层耦合

本文通过两个事例分析表明，磁暴期间磁层对流和沉降粒子的增强不仅对极光区了层扰动形态有控制作用，而且也会引起继后的中低纬及赤道电脑层同纬区低热层大气受热后，Ｆ层抬升和中性大气成分变化导致的电子密度正、负扰会向低纬扩展；在Ｅ层高度上，扰动发电机对赤道区喷泉效应的抑制使驼峰区扰动更为突出。这些过程均使中低纬电离层ｆ０Ｆ２和ｈｍＦ变化中出现相应特征。地面电离层垂测站在夜间常能观测到多站几乎同时的ｈｍＦ上升     

基于2007-2013年COSMIC掩星数据的电离层振幅闪烁研究

利用2007-2013年的COSMIC掩星数据，分析了E区与F区电离层闪烁的变化特征.发现用闪烁出现频次、闪烁发生率以及闪烁强度来表征的电离层闪烁出现规律比较相似.E区电离层闪烁在夏季半球的中纬地区最强，其次是春秋季的低纬地区和冬季半球.就经度分布来说，春秋季E区电离层闪烁呈四波结构.对F区电离层闪烁来说:南美-大西洋扇区在12月至点最为显著；非洲和太平洋扇区在6月至点最为显著；大西洋扇区在春秋分季最为显著.极区也出现中等强度的闪烁，尤其在南半球的90°E~180°E扇区较为显著.高纬E区电离层闪烁强度随太阳活动的增强而增强，而低纬和南半球的中纬E区闪烁随太阳活动的增强而减弱.高纬和低纬F区闪烁随太阳活动的增强而增强，而中纬F区电离层闪烁对太阳活动无显著依赖关系.对于赤道区来说，北半球60°W~60°E经度区闪烁强度随太阳活动的变化最为显著，其次是南半球60°E~210°E附近；而对于高纬地区来说，F区闪烁强度随太阳活动的变化最为显著的区域在南半球60°E~210°E附近.     

电离层中ELF辐射源向下传播衰减理论分析

利用大功率高频（HF）电波调制加热电离层可在电离层中有效形成辐射源,并用于辐射ELF电磁波.本文基于磁流体力学的基本方程通过对电离层中极低频（ELF）辐射源的辐射场分析,获得ELF电磁波在电离层中传播的色散关系式,建立电离层中的ELF辐射源向下传播衰减模型.并依据建立的传播衰减模型,分析不同纬度地区传播衰减的差异,以及传输频率和背景电离层参数对传播衰减的影响.     

Auroral and polar-cap ionospheric effects on radio propagation

Disturbances in the auroral and polar-cap ionosphere can have profound effects on radio signals traversing the high-latitude ionosphere (defined here as that latitudinal region poleward of approximately 55° corrected geomagnetic latitude). Some effects of the high-latitude ionosphere on polar radio paths were documented as early as the 1930s, but intensive investigations of this ionospheric global region started during the International Geophysical Year (IGY) 1957-1959. Starting in the mid-1960s it was realized that high-latitude ionospheric anomalies could affect radio signals from ELF through VHF on terrestrial and earth-space paths, especially during sunspot maximum, disturbed periods. A considerable effort has been made in the last two decades to model and predict the salient parameters of the auroral and polar-cap ionosphere. A somewhat lesser effort has been devoted to develop HF propagation programs which included high-latitude ionospheric effects. Salient past results are briefly reviewed, and developments in this field for the period 1970-91 are presented     

磁暴期间低纬电离层效应的数值模拟

利用改进的时变二维电离层物理模式对一次超强磁暴期间低纬电离层效应进行了数值模拟研究。2000年7月15-16日超强磁暴期间,ROCSAT-1卫星、DMSP卫星、GPS/TEC等在美洲扇区观测到赤道附近沿纬度扩展深度耗空的等离子体槽和出现在中纬度的SED现象。将暴时由ROCSAT-1卫星实测赤道区纬圈电场和由HWM-07/DWM-07模型预测的水平风等作为物理模式的驱动力输入,对美洲扇区低纬电离层的暴时响应特征进行了数值模拟。模拟结果表明:在磁暴主相期间,模式给出了与DMSP卫星观测数据比较一致的结果;并清楚地重现了暴时赤道电离层异常的演化过程。     

基于抛物方程的短波电离层传播数值模拟研究

短波电离层传播损耗的计算对电离层基础研究与短波通信、天波超视距雷达等应用有重要意义，以往主要采用半经验模型.文中基于电磁波传播的抛物方程方法，实现对短波电离层传播损耗空间分布的数值计算，该方法可同时考虑电磁波传播的折射、反射、绕射和吸收等效应.根据电子浓度剖面数据，仿真计算了不同频点和天线波束宽度情况下的电离层传播损耗，从折射效应引起的传播模式、反射点高度、地面落区位置方面，与射线描迹结果进行对比，两者具有一致性.此外，进一步仿真分析了电离层的吸收效应.研究结果初步表明了抛物方程方法预测电离层传播的有效性及其强大的功能.     

Maximum likelihood coordinate registration for over-the-horizonradar

Over-the-horizon radar exploits the refractive and multipath nature of high-frequency propagation through the ionosphere to achieve wide-area surveillance. The coordinate registration process converts the group delays and azimuths (i.e., slant coordinates) from a set of multipath target returns to an estimate of its location (i.e., ground coordinates). This is performed by associating the target returns with ray modes determined using a computational electromagnetic propagation model. Not surprisingly, errors in the estimates of down-range ionosphere parameters can seriously degrade the accuracy of the target location estimate. The coordinate registration method presented is designed to achieve improved accuracy by employing a statistical model for uncertainties in the ionosphere. Modeling down-range ionospheric parameters as random variables with known statistics facilitates maximum likelihood (ML) target location estimation, which is more robust to errors in the measured ionospheric conditions. The statistics of down-range ionospheric parameters can be determined using current and historical soundings of the ionosphere. ML target localization consists of determining the most likely target ground coordinates over an ensemble of ionospheric conditions consistent with the data. For greater computational efficiency, the likelihood function is approximated by a hidden Markov model (HMM) for the probability of a sequence of observed slant coordinates given a hypothesized target location. The parameters of the HMM are determined via Monte Carlo execution of a ray tracing propagation model for random realizations of the ionosphere. A simulation study performed using a random ionospheric model derived from ionogram measurements made at Wallops Island suggests that the ML method can potentially achieve average absolute miss distances as much as five times better than a conventional coordinate registration technique     

计算电离层VLF波传输特性的时域有限差分算法

在星载甚低频( VLF)通信技术中,研究甚低频信号在电离层中的传输特性具有重要意义。现有的利用时域有限差分( FDTD)算法研究电离层传输特性大多基于高频脉冲信号,且传播模型相对粗略,计算存在一定误差。为此,建立了更为精确的电离层各向异性传播模型,对常规的FDTD算法引入变步长因子,并用该算法对VLF波在电离层中的场强衰减进行了数值计算,研究了昼夜变化及频率对其传输特性的影响。仿真结果与卫星实测数据对比表明：与常规的FDTD算法以及全波分析方法相比,引入变步长因子的FDTD算法精度更高;在VLF频段,降低频率有利于电磁波穿透电离层,且白天的衰减明显大于夜间;VLF波在射入电离层并穿透D层时衰减严重(30~40 dB),约为F1层中衰减的3倍。     

穿过电离层电子密度不均匀体的脉冲平均到达时间

本文利用前向多重散射理论的新进展，推导了穿过电离层电子密度不均匀体脉冲平均到达时间的理论计算公式，其中包括背景介质折射效应的贡献、色散效应的贡献、电离层电子密度不均匀体的散射效应的贡献和色散效应的贡献，在水平分层背景电离层和高频近似的情况下，给出了背景电离层折射效应、一阶色散效应、电子密度不均匀体的散射效应和一阶色散效应对对称脉冲平均到达时间影响的计算公式。针对特定的电离层情况，分别计算了上述几种     

TIEGCM与IRI在中国垂测站的预测性能比较

TIEGCM（Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model）是NCAR/HAO（The High Altitude Observatory at the National Center for Atmospheric Research）开发的一个三维时变全球尺度电离层-热层耦合数值模式.我们将该模式的输出参数h_mF₂与经验模式国际参考电离层（International Reference Ionosphere,IRI）-2016的结果以及中国地区12个电离层测高仪的h_mF₂观测数据进行了对比,给出了TIEGCM模式在地磁活动平静条件下中国区域不同季节的预测性能分析.总体来看,TIEGCM模式在所有观测站都表现良好,一定程度上能很好地进行中国区域电离层h_mF₂参量研究.且TIEGCM模拟电离层变化的性能比IRI要高25%左右,能在一定程度上进行电离层半年异常和赤道异常模拟.但无论是与IRI模型还是与观测相比,TIEGCM模式均存在一定的误差.并且误差在低纬地区以及日出日落时段波动较大,这些结果为我们以后进行潜在的模式精度控制提供了理论依据.     

基于GNSS的武汉区域电离层TEC建模

为研究适用于区域电离层总电子含量(total electron content, TEC)建模的方法和估计策略,对传统单层假设下的几种建模方法和估计策略进行了比较分析. 基于我国中纬度武汉地区17个连续运行参考站的数据进行TEC建模,建模方法分别采用4×3阶多项式模型、2阶多项式模型、4阶球谐级数模型,估计策略使用分段常数估计策略和分段线性估计策略. 在传统单层假设的基础上,本文还提出了三层电离层TEC模型,该模型可以分别给出底部电离层、峰高电离层和顶部电离层的TEC. 研究结果表明,几种模型的天顶方向总电子含量拟合效果和欧洲轨道确定中心公布的电离层格网地图均具有较好的一致性,其中4阶球谐级数模型和分段线性估计策略效果最佳. 通过三层电离层模型,可以得到TEC与电离层高度之间的关系,多层电离层模型对空间目标监视和低轨卫星航天测控具有重要应用价值.