一次强磁暴期间全球电离层扰动研究

利用IGS台网观测数据,以总电子含量TEC、TEC的变化率ROT及其标准差ROTI作为表征电离层不规则结构和扰动的特征参量,研究发生在2004年11月上旬的一次强磁暴期间全球电离层扰动的分布以及扰动的传播.分析结果表明,在磁暴急始和初相阶段,全球电离层相对平静,没有显著扰动发生;不规则体和扰动主要发生在磁暴主相极大前后,并且在日落后几小时开始出现,持续到午夜之后.第一个主相极大期间,强扰动和不规则体主要出现在美洲扇区的中低纬度带;第三个主相极大期间,强扰动和不规则体主要出现在亚太扇区的中低纬度带.     

超强磁暴期间中低纬电离层扰动的统计分析

利用1957-2005年72次超强磁暴期间的电离层观测数据,分析了北半球120°E附近中低纬电离层的扰动特征.结果表明,电离层的扰动形态随磁暴发生季节和开始时间的不同而异.在冬季,负相扰动主要发生在中纬,低纬以正相扰动为主,分界线在满洲里和北京之间;在中纬,下午开始的磁暴所引起的电离层扰动持续时间较长,而在低纬,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长.夏季超强磁暴所引起的电离层扰动以负相为主,下午开始的磁暴所引起的扰动最强,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长.在分季,虽然各台站电离层仍以负扰动为主,但扰动强度和持续时间随磁暴开始时间不同有明显差异.分析表明,上述电离层扰动特征与暴时环流的影响密切相关.     

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。     

磁暴期间长城站电离层扰动及中性风分析

本文分析了磁暴期间南极长城站的电离层扰动性质性。采用一个半经验模式利用垂测数据计算了磁暴效应引起的有效应引起的有效热层子午向中性风。发现暴时有效中性风对电离层正相扰动的形式起主要作用，并对长城站电离层正负相扰动的可能机制进行了分析。     

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.     

低纬电离层闪烁与扩散F

同步卫星４ＧＨＺ电视信号和ＶＨＦ信标信号电离层闪烁与其附近的电离层扩散Ｆ资料进行比较，说明低纬电离层闪烁与扩散Ｆ有关正相关关系。     

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。     

基于多手段观测的海口站电离层闪烁对地磁暴响应研究

联合利用CHAMP卫星等离子体密度就位观测数据和海口站GPS电离层闪烁监测仪数据，分析了2004年1月、2月和11月三次地磁暴期间海口站的电离层闪烁特征.我们发现海口站电离层对3次磁暴事件的响应特征明显不同.就磁暴期间B_z分量和Dst指数的观测值来说，2004年11月的磁暴事件最强，其次是1月的，2月的最弱.而地基闪烁监测仪的观测结果表明:1月磁暴事件期间，L波段电离层闪烁最强，闪烁指数S₄最大值接近于1.0，闪烁出现率的最大值超过80%；2月磁暴事件期间，电离层闪烁持续时间最长，S₄最大值接近于1.0，闪烁出现率的最大值接近63%；11月磁暴主相和恢复相期间，无电离层闪烁现象出现.CHAMP卫星和地面闪烁监测仪观测到的结果一致，表明多重尺度的电离层不均匀体通常同时存在，但是小尺度的电离层不规则体通常会先消失.对比上述三次实验的观测结果，我们推断造成电离层响应特征差异的原因与环电流的影响有关，Aarons准则可较好地解释电离层对3次磁暴事件的响应.同时跨赤道风场可能也有贡献，它通过增加沿场向积分的Pedersen电导率，降低了R-T不稳定性，从而抑制了电离层闪烁的发生.     

4GHz卫星电视信号低纬电离层闪烁特性

我们用同步卫星４ＧＨｚ广播电视信号作源研究电离层闪烁特性。广州站太阳黑子活动高年（１９９０，１９９１）两年实验结果表明：我们得到的低纬电离层闪烁特性与国外用信标作源得的类似结果一致，这为开展大区域电离层闪烁研究提供了条件。     

海南地区电离层闪烁监测及初步统计分析

介绍了中国在极区的电离层闪烁观测研究工作, 通过对Sodankylä和Tromsø两个观测站2004年3月至2008年9月期间的电离层闪烁观测数据的统计分析, 给出了太阳活动低年该地区电离层闪烁的变化特征:随着太阳活动程度的降低, 闪烁事件明显减少; 由于极区与低纬地区电离层闪烁产生机制不同, 极区闪烁形态主要表现为相位闪烁, 幅度闪烁很少; 极区闪烁不只是发生在地方时的晚上, 白天也会有闪烁出现; 并且, 极区闪烁对季节没有明显的依赖关系, 可发生在任何季节; 但是, 极区闪烁事件对地磁活动存在明显的响应.     

武汉与桂林L-波段电波闪烁与TEC起伏特征比较

分析比较了位于赤道异常区的桂林和武汉两地观测到的GPS信号闪烁与TEC起伏的统计特征,包括两地闪烁活动随地方时变化特性和空间分布以及闪烁与TEC起伏的关联.统计分析表明:L-波段振幅与相位闪烁活动主要发生在夜间,最大振幅闪烁出现率在午夜及其前后数小时,表现出对地方时的强依赖性;武汉闪烁出现率峰值出现时间平均比桂林滞后约1至2小时;闪烁出现率逐日变化幅度很大,倾向于间歇性出现;两地发生闪烁的空间区域都相对集中于方位偏南、卫星仰角50°以下的区域;伴随振幅闪烁活动及其强度的增强,都出现明显的TEC的耗空和ROT的快速起伏,ROTI指数也明显增强,统计分析得到,两地的S4和ROTI呈显著正相关.     

谱特征选择对电离层闪烁事件识别的影响分析

对闪烁事件进行快速有效识别是GNSS应用的重要需求,为此利用不同时期、不同区域、不同系统信号测量,比较分析了利用机器学习方法基于不同信号功率谱参数进行闪烁事件识别的性能。分析的不同情形中,闪烁识别模型精度最高可达98.5%,最低为91.3%,其精度均可优于90%,表明利用闪烁信号功率谱特征可建立闪烁事件的有效识别方法。进一步分析指出,降低截止频率有助于提高闪烁识别模型的精度,这表明基于谱特征进行闪烁事件识别的主要依据是Fresnel频率附近一定频谱范围内存在谱强度显著降低这一特征。这个结论也从谱分析角度说明了利用高精度GNSS参考站接收机常规观测(1 Hz)进行闪烁事件识别的可能。对闪烁功率谱进行拟合,并利用拟合的谱特征参数建立识别模型,可进一步提高闪烁事件识别精度,并减少模型所需参数。

     

暴时行星际穿透电场与电离层效应的卫星观测

联合利用Geotail卫星、ROCSAT-1卫星和DMSP卫星等观测数据,分析了2000年7月15-16日超强磁暴期间行星际穿透电场的特征及低纬电离层响应。研究得到以下主要结果:1)磁暴主相期间,位于近地太阳风中的Geotail卫星观测到行星际电场晨昏分量迅速增强达60 mV/m,与此同时,ROCSAT-1卫星在低纬电离层中几乎即时地观测到垂直于磁场的离子向上漂移速度达300 m/s以上,表征行星际电场穿透至低纬电离层。分析表明:在正午和黄昏扇区穿透电场为东向,引起低纬电离层离子向上漂移,穿透效率约为13-19%;而在午夜前扇区,穿透电场极性相反,使离子向下漂移,穿透效率高达30%;行星际电场穿透持续时间达3小时以上。2)磁暴期间,低纬电离层发生剧烈变化。GPS/TEC观测显示美洲扇区黄昏附近的中纬度电离层发生SED现象、同时DMSP卫星观测到纬度范围大大扩展的电子密度深度耗空的赤道区等离子体槽、ROCSAT-1卫星观测到暴时离子密度变化呈现较复杂的图像。     

低纬地区暴时电离层电子柱含量扰动变化研究

利用双频GPS接收机的观测数据研究了低纬度(海南,19.5°N,109.1°E)地区电离层电子柱含量(Total Electron Content,TEC)在2012年7月15-17日磁暴期间的扰动变化特征.在该磁暴期间的15、16日分别观测到了电离层正、负相暴,电离层垂直柱电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)变化非常大,与宁静期间平均值相比,幅度可达35 TECU;16日与15日相比,VTEC最大变化幅度为45 TECU.这是目前观测到的电离层负相暴期间TEC变化幅度最大的现象.这次观测到的电离层正负相暴期间TEC扰动变化现象极可能分别是由渗透电场和扰动发电机电场所致.     

极区电离层闪烁特征初步分析

介绍了中国在极区的电离层闪烁观测研究工作,通过对Sodankyl(a)和Tromsφ两个观测站2004年3月至2008年9月期间的电离层闪烁观测数据的统计分析,给出了太阳活动低年该地区电离层闪烁的变化特征:随着太阳活动程度的降低,闪烁事件明显减少;由于极区与低纬地区电离层闪烁产生机制不同,极区闪烁形态主要表现为相位闪烁,幅度闪烁很少;极区闪烁不只是发生在地方时的晚上,白天也会有闪烁出现;并且,极区闪烁对季节没有明显的依赖关系,可发生在任何季节;但是,极区闪烁事件对地磁活动存在明显的响应.     

GPS TEC硬件偏差估计方法的有效性

以我国GPS广域差分系统(WAAS)电离层误差改正问题为背景，利用分布在不同纬度上的8个GPS台站2000年2日到60日连续59天的观测数据，评估了典型的GPS TEC硬件偏差求解方法的精度和有效性。结果表明，采用同样的求解方法，处理磁暴期间以及磁纬较低台站的数据得出的结果的稳定性明显下降。因此，在求解GPS TEC硬件偏差值时，审慎选择所利用的观测数据和方法是十分必要的。     

多站多路径GPS信号研究低纬电离层不均匀体

发展了GPS信号的多站多路径监测方法,对我国低纬地区电离层不均匀体特性进行了研究.多站观测统计分析表明,尽管太阳活动已下降到中等程度,但电离层闪烁现象在位于赤道异常区的海口、广州等低纬地区仍经常发生,尤其在二分季前后闪烁发生率明显增大,且闪烁强度较大;通过GPS信号的多站多路径监测还发现,电离层不均匀体在东经105°～120°间,北纬27°以南区域出现频繁,而且在北纬23°以北区域的不均匀体易衰减并首先消失,在北纬20°～23°间区域内则会持续较长时间;进一步分析其闪烁功率谱,计算出了不均匀体的东向平均漂移速度.