天地基综合观测的东日本大地震电离层异常分析

介绍了地震电离层前兆的主要特性,并给出了掩星电离层电子密度峰值位置的标高估计技术。利用天地基电离层观测数据,综合分析了2011年3月11日日本9.0级大地震发生前的电离层异常变化,发现地震前3天内电离层f0F2异常扰动、相对垂直总电子含量(VTEC)扰动以及电子密度峰值处标高(Hs)增加等多种异常现象。分析了地磁活动和太阳活动等因素后,认为其可能与地震有一定关联,表明电离层异常变化对于地震短期预报具有重要参考意义。     

汶川8级地震前电磁扰动与电磁立体监测体系

研究分析了在2008年5月12日四川汶川8.0级地震前出现的地面电磁与电离层中观测到的中、短临电磁异常,其中距离震中最近的郫县台地电阻率显示了2年左右的趋势下降异常,下降幅度7.2%,同时多台电阻率观测在震前1个月左右显示短临突变异常;震前18天地磁垂直分量出现低点位移,分界线两侧的低点时间超过2h;震前3天即5月9日,地磁低点位移、利用GPS反演得到的电离层总电子含量(TEC)、电离层测高仪得到的foF2和电磁卫星监测的离子密度和温度等均观测到局部电磁扰动现象,多数异常幅度超过50%.汶川8.0级地震前各种电磁观测技术记录到的明显异常现象,揭示了电磁学科在地震预报研究领域巨大的潜力,加强天-地一体化的立体电磁监测对地震预报水平的提高是非常必要的.     

汶川地震前羊八井中子-μ子望远镜计数率异常

利用在西藏羊八井新建中子-μ子望远镜的观测数据,研究分析了在2008年5月12日四川汶川8.0地震期间宇宙线高能粒子偏离正常背景的异常变化。中子-μ子望远镜的中子监测器经过消除背景场和气压修正后震前5天特别是5月9日出现计数率降低异常。在地震发生前5天左右,μ子望远镜各方向计数率出现日变化异常。这些宇宙线异常现象,与其它观测资料,例如地磁低点位移、电离层总电子含量TEC、电离层测高仪得到的foF2和电磁卫星监测的离子密度和温度等,在时空分布上有较好的一致性。这是继羊八井中子监测器观测到震前宇宙线异常现象后,利用另一种宇宙线观测手段观测到的震前宇宙线异常现象。     

中国大陆14次强震前电离层异常统计分析

地震电离层扰动规律统计分析对开展地震监测、预测意义重大。利用四分位数法对中国大陆地区14次Ms≥7.0地震前电离层foF2进行了统计,进一步证实了地震电离层异常的存在,并分析了地震电离层异常扰动的时间、空间分布规律以及扰动形态特点,给出电离层foF2扰动与地震各要素之间的关系。统计结果表明:85.7%(12次)的地震在震前出现电离层异常,并且大部分分布在震前7天以内的11∶00LT～17∶00LT;此外,电离层foF2扰动幅度与即将发生的地震震级、震源深度、震中距离存在不同程度的相关性。     

2016—2017年北天山地区两次6级地震前地电场异常

地下介质在应力积累过程中，会导致岩体裂隙结构变化，从而使得大地电场E_T的优势方位角发生变化.文中收集了2016年到2017年的数据，利用大地电场优势方位角方法，提取与分析了北天山地区2016年12月8日呼图壁6.2级和2017年8月9日精河6.6级地震前地电场异常，探讨这两次6级地震前的地电场异常表现特征.结果表明:这两次地震前，震中周围的乌鲁木齐、克拉玛依台均显示出显著的地电场异常，即岩体裂隙优势方位角异常；异常特征以突跳和偏转为主；岩体裂隙结构发生异常时间上存在准同步性，表现出短临异常信息.因此，地电场岩体裂隙优势方位角方法短期内具有一定的预报效能，可为今后利用地电场方法预测地震积累经验和震例.     

汶川8级地震前空间电离层VLF电场异常现象

基于法国DEMETER卫星记录的空间电场频谱资料,提取分析了汶川地震前可能存在的电场异常信息.首先利用轨道的重访特性分析了四川汶川8级地震前震中上空固定纬度点(31°N)的VLF电场信号2年多的正常频谱变化背景,结果显示1～6月各频点变化比较稳定,但在7～10月份各频点谱值扰动比较剧烈,存在整体幅度上升或者下降的现象,因此电场可能存在年周期变化.在背景分析的基础上,收集了2008年4月1日～5月12日震中区上空2000 km范围内所有夜间的降轨轨道在北纬31°记录的电场所有频点资料,计算结果显示震前1周内即5月6～10日相对4月份呈现明显的电场能量增强现象,增强幅度达到3σ,频率集中分布在2～6kHz范围内,异常区域的空间统计分布反映该电场增强现象位于震中以南较大范围内.这次异常发生在空间电磁活动平静时期,可能与汶川地震的孕育过程有关.最后讨论了空间地震电场异常的可能形成机理,对地震电离层耦合机理的深入认识还需要地基和空间的联合立体观测来支持.     

单站测量电离层不均匀体水平尺度方法研究

提出了利用单台垂测仪测量电离层不均匀体水平尺度的方法.通过建立电离层不均匀体垂直反射物理模型,将整个电离层不均匀体划分成多个小的反射源.每个反射源分别反射回波到地面垂测点,从反射回波的Doppler谱提取各个反射源回波信号的波前相位信息;利用测得的相位信息通过相位干涉仪原理测量各个反射源的回波方位;结合垂测仪测得的电离层不均匀体的高度信息就能够得到各个反射源的空间分布情况,进而得到整个等离子不均匀体的水平尺度.文中还对实地观测结果进行了分析.     

时-空变化的背景电离层对星载合成孔径雷达方位向成像的影响分析

对于星载合成孔径雷达(SAR)成像,方位向信号的相关性可能会因时-空变化的背景电离层而遭到破坏,特别是对于低波段系统。该文将孔径内方位时变的斜距电子总量(STEC)归结于3个因素:垂向电子总量(VTEC)的时间变化、空间变化以及电磁波传播路径的变化,分别分析了每个因素造成的时变STEC各阶系数。该文建立了统一的分析模型,即时变STEC影响下的SAR方位向信号3阶泰勒展开模型,推导了方位向偏移和相位误差解析表达式,并基于此得到了不同星载SAR系统的时变STEC各阶系数容限。利用实测的VTEC数据以及国际参考电离层(IRI)模型,开展了信号级仿真。数值分析和信号级仿真的结果表明,对于低轨P波段SAR系统,空变VTEC与传播路径变化是导致方位时变STEC的主要因素;而对于中高轨SAR系统,时变VTEC是导致方位时变STEC的主要因素。随着载频的下降与合成孔径时间的增加,方位向成像性能更加容易受到方位时变STEC的影响。     

时-空变化的背景电离层对星载合成孔径雷达方位向成像的影响分析

对于星载合成孔径雷达(SAR)成像,方位向信号的相关性可能会因时-空变化的背景电离层而遭到破坏,特别是对于低波段系统.该文将孔径内方位时变的斜距电子总量(STEC)归结于3个因素:垂向电子总量(VTEC)的时间变化、空间变化以及电磁波传播路径的变化,分别分析了每个因素造成的时变STEC各阶系数.该文建立了统一的分析模型,即时变STEC影响下的SAR方位向信号3阶泰勒展开模型,推导了方位向偏移和相位误差解析表达式,并基于此得到了不同星载SAR系统的时变STEC各阶系数容限.利用实测的VTEC数据以及国际参考电离层(IRI)模型,开展了信号级仿真.数值分析和信号级仿真的结果表明,对于低轨P波段SAR系统,空变VTEC与传播路径变化是导致方位时变STEC的主要因素;而对于中高轨SAR系统,时变VTEC是导致方位时变STEC的主要因素.随着载频的下降与合成孔径时间的增加,方位向成像性能更加容易受到方位时变STEC的影响.     

2020年6月21日日环食电离层Es响应研究

为研究日环食期间电离层Es演化过程,利用VHF相干散射雷达和便携式垂测仪在2020年6月21日日环食期间开展联合观测试验,得到日环食期间h′Es和f_oEs均呈现出先降低再增强的变化形态.分析表明,该演化过程类似于快速日出日落对电离层Es的影响,其成因是日环食期间太阳活动作为辐射源经历了快速减弱、复原的一个过程.本次试验观测结果对研究和完善电离层Es形成机制、机理有重要意义.     

一种可选的电离层TEC区域重构方法

电离层总电子含量(total electron content, TEC)区域重构常采用克里金空间插值方法,该方法基于电离层TEC数据的位置关系及相关性等特征,同时满足空间加权估计的无偏性和最优性特征,因此被广泛应用.但克里金空间插值方法拟合变异函数时,传统理论变异函数模型面临函数曲线固定、空间细节变化无法反映以及模型选取人为主观等问题.为解决上述问题,文中提出一种可选的电离层TEC区域重构方法,从TEC数据的空间变化特征出发,采用最小二乘支持向量机（least squares support vector machine, LS-SVM）拟合实验变异函数,能够更精确地刻画变异函数,反映电离层TEC空间变化趋势.为验证本方法的准确性,选用中国陆态网地基GNSS台站三组不同时刻穿刺点垂直TEC (vertical TEC, VTEC)值作为实测数据,同时选用普通克里金空间插值方法中的指数理论变异函数模型、球状理论变异函数模型以及LS-SVM理论变异函数模型进行实验对比.三组实验结果表明,本文方法计算的均方根误差(root mean squared error, RMSE)分别为1.54 ...     

电离层多普勒频移的预测

超视距雷达工作在短波波段,通过电离层的折射,可探测到常规雷达无法探测到的地平线以下的远距离目标。但雷达电波经电离层折射,探测结果必然受到电离层的影响,其主要特征之一是回波谱中常伴随多普勒(Doppler)频移。文中简单描述电离层Doppler频移的产生机制,并在已预测电离层信道参数的基础上利用数字射线追踪技术对E层、F2层的高频天波Doppler频移进行预测。     

地震ELF/SLF辐射源在地面及电离层中产生的场

针对地震电磁辐射与传播,将地下辐射源理想化为水平ELF/SLF电偶极子,传播介质理想化为地层-大气层-电离层三层平面分层介质,其中地层和电离层都看作均匀有耗介质.在此物理模型下,导出了电磁场在大气层和电离层中的积分表达式,更由留数定理得出了电磁场的级数表达式.计算结果表明:ELF/SLF电波从辐射源出发后,首先以最短的垂直向上路径渗透出地层进入大气层,然后在地-电离层波导中以若干个"波模"叠加的方式向外传播到达大气层中的接收点,并进一步渗透电离层被卫星上的接收点接收.     

Global satellite monitoring of the atmosphere and ionosphere

The possibilities of monitoring the atmosphere and ionosphere along satellite-to-satellite radio occultation paths are considered. A relation between the amplitude and the phase of the signal sounding the medium is substantiated. Owing to this relation, it is possible to separate the influence of layered and wave structures from the influence of turbulence in the atmosphere and ionosphere. The possibility to observe internal atmospheric waves on the basis of radio-hologram analysis is shown. A relation between solar activity and the presence of sporadic layers in the lower ionosphere on the one hand and changes in the amplitude and phase of radio waves on a satellite-to-satellite path on the other hand is revealed. Examples of vertical profiles of the atmospheric temperature and the electron density in the lower ionosphere are presented. These data are based on the results of radio occultation experiments performed during different space missions.     

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.     

一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层层析成像新算法

电离层层析成像(computerized ionospheric tomography, CIT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一.针对单独使用地基GNSS进行三维CIT的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的三维CIT方法,其综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的代数重建迭代(algebraic reconstruction technique, ART)算法结合地基GNSS TEC数据进行CIT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及全球电离层无线电观测网(global ionospheric radio observatory, GIRO)测高仪数据实现了中国及周边区域三维CIT,分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CIT获取的TEC和电子密度进行评估.TEC精度评估结果表明,CIT算法的TEC平均误差和标准差相比IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行C...     

基于GPS层析反演和斜向返回探测反演的电离层二维电子密度重构

GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演可以给出电离层大尺度2维电子浓度分布,该文基于3次电离层垂测、GPS层析探测和斜向返回探测的实验结果,比较了GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演得到的大尺度电子密度2维分布。结果表明GPS层析和电离层斜向返回探测都能较好地重构电离层电子密度分布,反映电离层大尺度的空间结构。通过和电离层垂测结果的比较,表明GPS层析和斜向返回探测反演得到电离层F2层最大电子密度和峰高具有较好的精度。