中低纬电离层现象2014
我国电离层闪烁初步观测结果
第１９卷增刊２００４年１０月电波科学学报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１９，Ｓｕｐ．Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００４我国电离层闪烁初步观测结果陈丽甄卫民马宝田（中国电波传播研究所青岛分所，ｃｈｅｎｌｉ．ｑｄ＠１６３．ｃｏｒｎｃｒｉｒｐ—ｚｗｍ＠１６３．ｃｏｍ，山东青岛２６６０７１）摘要电离层闪烁观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础。
本文中利用自行研制的电离层闪烁监测仪，开展了在我国中低纬地区的闪烁观测，初步的结果表明电离层闪烁在中低纬地区发生频繁，且对ＵＨＦ频段通信卫星的影响十分严重。
关键词电离层闪烁，观更’通信影响１引言２电离层闪烁监测仪的简介电离层闪烁的效应之一是导致信号幅度的衰落，使信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。
这种现象在低纬度地区的夜间尤为频繁，影响也最严重。
我国长江（上海、武汉、重庆）以南的低纬度地区，特别是台湾、福建、广东、广西、海南及南海地区都是电离层闪烁的高发区，对通信的影响也比较严重。
通过对ＵＨＦ频段用户的调研得知，信号在夜间经常出现干扰（特别是在南方地区）甚至出现信号中断的现象。
进行电离层闪烁的观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础。
我们利用自行研制的电离层闪烁监测仪，建立了覆盖我国中低纬重点地区的电离层闪烁监测网，开展了电离层闪烁的观测。
电离层闪烁监测仪分为Ｌ频段和ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪，都是由工控计算机、卫星信号采集测量单元、接收天线及运行于主机的监控软件组成，如图１。
Ｌ频段电离层闪烁监测仪监测ＧＰＳ卫星信号，ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪监测某ＵＨＦ频段卫星信号。
卫星信号监测仪以工控机为中心，卫星信号采集板以２０Ｈｚ的频率监测卫星信号强度的变化，并通过串行数据端口将实时测得的信号送至计算机，由实时监测软件求出信号的平均值、增强最大值、衰落最小值及闪烁指数，并完成相关的显示、存贮、回放、闪烁判别等功能。
仪器在使用中无需人工干预，全天候工作，具有全自动功能。
2014大气分层
对流层 平流层 热 层
例、下图示意大气垂直分层，读图回答（1） ～（3）题。（往届高考题） (1) 图中正确表示大 气层气温垂直变化 的曲线是 ( B ) A. ① B. ② C. ③ D. (2) 对短波通信具有 重要意义的电离层 位于 ( D ) A.Ⅰ层顶部 B.Ⅱ层底部 C.Ⅱ层中部 D. Ⅲ层
逆温的分类
锋面逆温：
思考:锋面附近垂直方向气温 随高度变化曲线图为:
地形逆温：
山坡冷气流向山底滑 落,导致空气上热下冷
当暖空气水平移动到冷的地面或水面上及寒流流经的地区， 平流逆温： 会发生接触冷却的作用。越近地表降温越快。
辐射逆温： 地面辐射冷却,在晴朗无云或少云的夜晚，地面辐射冷却快，离
地面越近，降温越快，空气越冷,导致逆温
图中气温分布异常的是①②③中的？判断的理由是？ ②；随高度的上升气温升高 该城市工业高度集中，汽车数以百计，当天发生了重大的烟雾事件，造成这 一事件的人为原因是？气象原因是？地形原因是？ 大量污染物的排放；逆温现象；盆地
(2010山东)上图为北半球中纬度某地某日5次观测到的近地面气温垂直分布示意 图。由图中信息可分析出 A．5时、20时大气较稳定 B．12时、15时出现逆温现象 C．大气热量直接来自太阳辐射 D．气温日较差自下而上增大
四、逆温的影响
1.利：
①可以抑制沙尘暴的发生，因为沙尘暴发生的条件是大风、沙尘、 强对流运动。 ②逆温出现在高空，对飞机的飞行极为有利。因为飞机在飞行中不 会有大的颠簸，飞行平稳。同时，万里晴空提高了能见度，使飞行 更加安全。
③作为气候资源利用：逆温的下部光热条件适中，一般以发展喜温 凉的作物和蔬菜为主；逆温带的中部逆温现象强烈，冬暖夏凉，一 般以发展果树和冬季蔬菜基地为主；逆温带上部降水充裕，以发展 林、草和药材为宜。
中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性研究的开题报告
中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性研究的开题报告题目：中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性研究一、研究背景电离层是指地球大气层中电离气体层，是大气层中具有电离现象的部分。
电离层的特点是空间电荷分布不均匀，边界不清晰，而且存在不规则体结构。
不规则体是指电离层中由于等离子体密度不均而形成的非均匀结构，它的存在对无线通信、导航系统、卫星通信等技术应用产生很大影响。
因此，对不规则体的性质进行研究具有十分重要的意义。
二、研究内容本次研究旨在探究中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性，通过收集、分析、处理和对比低纬电离层温度、气压、电子密度和离子流动速度等数据，建立低纬电离层不规则体漂移模型和闪烁模型，进一步研究不规则体对卫星通信和导航系统的影响。
具体目标包括：1. 收集低纬地区的电离层数据，如电子密度、温度、流动速度等，并通过相关分析工具进行处理，得出低纬电离层不规则体的漂移、速度和密度等数据。
2. 根据低纬电离层不规则体的漂移和密度数据，建立不规则体漂移模型，预测不规则体漂移路径和速度变化情况。
3. 分析不规则体对卫星通信和导航系统的影响，建立闪烁模型，预测卫星通信和导航系统在不规则体影响下的误差范围。
4. 对模型进行验证和修正，提高模型的准确性和可靠性。
三、研究方法本研究采用理论分析与实验观测相结合的方法。
理论分析部分主要包括不规则体漂移模型和闪烁模型的建立，以及预测和验证模型的过程；实验观测部分则主要基于电离层探测仪、GNSS接收机等装置，收集低纬电离层的相关数据。
在实验研究过程中，根据不同的研究目的和需求，采用不同的观测方法和设备，例如探空仪、声波雷达、EISCAT天气雷达等。
四、研究意义本研究将从理论和实验两个方面深入研究中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性，对完善不规则体漂移和闪烁预报体系，提高卫星通信和导航系统的精度和可靠性，有重要的理论和现实意义。
同时，本研究可为电离层物理、大气物理等领域的相关研究提供参考和支持。
一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型
一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型张红波;王飞飞;徐良;盛冬生;刘玉梅【摘要】通过分析2010年至2017年期间的中国低纬地区海口站(20°N,110°E)特高频(ultra high frequency,UHF)电离层闪烁,发现绝大部分年份中春分前后电离层闪烁事件发生概率高于秋分前后,综合电离层垂测观测数据,认为主要原因是春秋分背景电离层电子密度和h'F日落增强现象的不对称性.最后基于电离层闪烁月发生概率统计数据,及其与季节和太阳活动的相关性,建立了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化统计模型.此模型能够较好地表征电离层闪烁发生概率的季节变化特性,具有重要应用价值.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】6页(P180-185)【关键词】春秋分不对称性;电离层闪烁;发生概率;季节变化;经验模型【作者】张红波;王飞飞;徐良;盛冬生;刘玉梅【作者单位】中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107;武汉大学电子信息学院,武汉430079;中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107【正文语种】中文【中图分类】P352引言鉴于电离层闪烁对星地链路的卫星通信、雷达、导航等系统具有显著影响,开展电离层闪烁事件不良影响减缓技术研发是低频段合成孔径雷达 (synthetic aperture radar, SAR)等前沿技术的重要研究内容之一. 电离层闪烁发生概率预测模型是星地链路电离层闪烁影响分析和应对措施研究的重要基础工具. 目前电离层闪烁发生概率气候学模型主要是美国全球电离层闪烁发生概率预报模型 (wide band model,WBMOD),其在欧洲的全球生物量普查卫星中极化P频段合成孔径雷达(polarimetric P-band synthetic aperture radar,P-SAR)的电离层闪烁减缓技术研究中发挥重要作用[1]. 国内诸多学者也在持续开展电离层闪烁发生概率模型研究[2-5],但均未提出考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型. 文献[6]和文献[7]分别利用2013和2014年电离层垂测临频数据foF2仅给出了一种表征春秋分不对称性的指数. 本文利用2010—2017年特高频 (ultra high frequency,UHF)电离层闪烁观测数据给出了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型.1 观测数据UHF频段电离层闪烁指数S4观测数据由部署于中国低纬地区海口站(20°N, 110°E)的一台自主研制UHF频段电离层闪烁监测仪获取. 该仪器以20 Hz采样率实时记录我国一颗静轨通信卫星的380 MHz信号的原始幅度数据,经数据处理后获得采样间隔为1 min的电离层闪烁指数S4, 数据年限为2010—2017. foF2观测数据则由同站址部署的一台自主研制电离层垂测仪获取,采样间隔为1 h, 数据年限为2010—2017.电离层闪烁事件定义为连续15 min内有10个以上S4大于0.2. UHF频段电离层闪烁月发生概率定义为发生电离层闪烁天数/本月观测天数×100%. foF2月平均值定义为每月同一时刻foF2全部观测数据的平均值.2 发生概率季节变化特性分析2.1 季节变化特性2010—2017年海口站UHF频段电离层闪烁月发生概率统计结果如图1所示. 从图1可以看出,海口站电离层闪烁月发生概率存在明显的季节变化和年变化. 为了分析季节变化和年变化趋势,以季节为统计周期,给出了四季的最大电离层闪烁月发生概率. 图2给出了2010—2017年春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—2月)的最大电离层闪烁月发生概率统计结果. 从图1和图2均可以看出春季和秋季电离层闪烁最多,夏季和冬季电离层闪烁较少. 对比春季和秋季数据后,发现除了2011年外,春季电离层闪烁发生概率均高于秋季,即春秋季不对称. 对于夏季和冬季而言,太阳活动上升年间,夏季电离层闪烁发生概率高于冬季,其余时间则相反.图2显示春季电离层闪烁月发生概率与年平均太阳黑子数呈正相关,即随着太阳活动的增加,春季电离层闪烁月发生概率会增大.秋季、夏季和冬季也与年平均太阳黑子数呈正相关,但可能受其他因素影响,使得其存在异常变化,比如2011年的秋季电离层闪烁月发生概率就出现异常.图1 2010—2017年海口站UHF频段电离层闪烁月发生概率Fig.1 Occurrence of UHF band ionospheric scintillations recorded at Haikou station from 2010 to 2017图2 2010—2017年四季电离层闪烁月发生概率最大值Fig.2 Maximum monthly occurrence of ionspheric scintillation in four seasons from 2010 to 2017基于本地F2层日落后时间(定义为地空无线电链路穿刺点(高度350 km)对应星下点的太阳天顶角为107°时的本地时间),将每个季节同一小时内电离层闪烁指数组成统计分析数据集,对该数据集进行发生概率统计. 图3给出了2010年、2011年和2013年的不同季节内电离层闪烁发生概率的日变化分布图. 春季电离层闪烁发生概率在日落后2～4 h最大,同时日落后5～6 h内(午夜后)又存在第二个发生概率较大的时段.(a) 2010(b) 2011(c) 2013图3 不同年份不同季节的电离层闪烁发生率的日变化分布Fig.3 Diurnal variation of ionospheric scintillation occurrence in different seasons in different years2.2 春秋分不对称性分析在电离层闪烁春秋分发生概率不对称性分析方面,Nishioka认为春秋分不对称可能是由积分电导率的春秋分不对称引起的[8]. Maruyama指出跨赤道经向风是春秋分不对称性的重要成因[9]. Sripathi基于全球紫外成像 (global ultra violet imager,GUVI)卫星的2004—2005年观测数据分析了F2层峰值电子密度沿纬度变化特性,发现春分前后南北半球驼峰区峰值电子密度对称,而秋分前后则对称性较差,从而推出背景电子密度可能在电离层闪烁发生概率春秋分不对称性方面起重要作用[10].为了深入理解中国低纬地区电离层闪烁发生概率春秋分不对称性的物理机理及其控制要素,本文分析了2010—2017年海口站月平均临频(foF2)和月平均最小虚高(h′F) 观测数据,foF2数据可以描述F2层峰值电子密度的变化,h′F在夜间表示F层底高(F层O模最小虚高),在白天表示F1层底高(F1层O模最小虚高). 图4给出了2010、2011和2013年海口站月平均foF2数据,图中垂直黑虚线对应本地时20:00LT的月平均foF2数据. 2012和2014—2017年月平均foF2数据的春秋季节变化特性与2013年一致.从图4可以看出,2010和2013年F2层日落时刻(20:00LT)的foF2是春分月份高于秋分月份,而2011年的foF2则相反. 由于foF2与背景电离层电子密度成正比,这意味着日落时刻的F2峰值电子密度呈现相同关系. 从图5可以看出,2011年h′F 在秋分季节(10月)日落增强现象明显强于同年的春分季节,而2013年h′F在春分季节(4月)日落增强现象明显强于同年的秋分季节.(a) 2010(b) 2011(c) 2013图4 不同年份海口站月平均foF2观测数据Fig.4 Monthly mean foF2 of Haikou station in different years(a) 2011(b) 2013图5 不同年份海口站月平均h′F观测数据Fig.5 Monthly mean h′F of Haikou station in 2011 and 2013等离子体泡或羽状烟云类F层不规则体的主要发生机制是广义瑞利-泰勒不稳定性,其增长率γ正比于垂直电离梯度∂N/∂h,向上为正. 增强的电离层电子密度,往往导致更大的垂直电离梯度值,进而更容易出现电离层闪烁,这与观测结果相吻合. h′F日落增强现象主要由磁赤道东向电场翻转前增强现象(pre-reversal enhancement,PRE)引起的,当F层底高增加时,也将有利于不稳定性增长[11]. 因此,综合上述分析可推断春秋分背景电离层电子密度和h′F日落增强现象的不对称性可能是造成中国地区电离层闪烁发生概率春秋分不对称的重要原因. 对于2011年电离层闪烁秋季比春季多的现象,分析发现广州站(23°N,113°E)电离层闪烁秋季也比春季多,综合分析海口站背景电离层电子密度和h′F日落增强现象,以及广州站电离层闪烁观测数据后,认为2011年属于春秋分不对称现象的年度异常,其内在电离层物理现象有待于进一步研究.3 发生概率季节变化模型季节变化模型可看做最大电离层闪烁发生概率值的季节变化调制系数,因此,电离层闪烁发生概率模型常将最大电离层闪烁发生概率值和季节变化调制系数均作为乘法因子之一进行建模. 最大电离层闪烁发生概率值建模可采取四维数字地图形式,即由经度、纬度、太阳黑子数和最大发生概率值四个维度构成的栅格数据. 本文主要是建立一种季节变化模型,季节变化模型包含两个子模型:春秋分不对称系数子模型,以及地磁子午面与晨昏线之间夹角变化子模型.3.1 春秋分不对称系数子模型由于春秋分前后的最大电离层闪烁月发生概率不对称,因此,季节变化模型还需要分析与建立春秋分前后最大电离层闪烁月发生概率的相关关系.由于仅有2011年一个年度异常现象,建模暂时不考虑该数据. 通过分析发现,春秋分不对称系数(秋季与春季之间的最大电离层闪烁月发生概率之比)与太阳黑子数存在较好的相关性,如图6所示. 可用高斯函数对春秋分不对称系数与太阳黑子数之间的函数关系fAS(RSN)进行拟合,图6同时给出了春秋分不对称系数与太阳黑子数之间的函数拟合结果,拟合均方根误差为0.09. 具体拟合结果如下:fAS(RSN)=(1)式中,RSN为年平均太阳黑子数.图6 秋季与春季不对称性系数对太阳黑子数的拟合结果Fig.6 Fitting result of equinoctial asymmetry coefficients vs sunspot number3.2 地磁子午面与晨昏线之间夹角变化子模型文献[12]指出,日落后与电离层等离子体泡发生相关的瑞利-泰勒不稳定性增长率在场向积分佩德森(Pedersen)电导率经向梯度最大的日子里最大,该时间和地磁子午面与晨昏线之间夹角相关. 当地磁子午面与晨昏线重合时,由此形成的磁赤道电离层条件最适宜等离子体泡发生与发展演化. 定义经过本地350 km高磁力线的磁赤道点的地磁子午面与晨昏线之间的夹角为季节变化控制参数φT. 采用参考文献[2]中电离层不均匀体强度函数形式,并利用中国海口站观测数据参与最优参数估计,建立了归一化季节变化调制系数随地磁子午面与晨昏线之间夹角变化的函数关系fSEASON(φT):(2)fS1(φT)=(3)fS2(φT)=(4)fS3(φT)=(5)fS4(φT)=(6)式中:d为φT所对应的年积日;dVE为春分日对应的年积日;dJS为夏至日对应的年积日;dAE为秋分日对应的年积日;WH=16-0.01×min(150,RSN);WL=13.0.图7给出了归一化季节变化调制系数函数fSEASON(φT)拟合结果与观测数据对比结果,图中曲线为函数计算结果,拟合均方根误差为0.10. 整体而言,建立的季节变化模型能够较好地表征电离层闪烁发生概率的季节变化特性.图7 归一化季节变化调制系数与观测数据对比结果Fig.7 Comparison of the normalizing seasonal variation coefficients with observations4 结论1) 基于中国低纬地区海口站8年的UHF频段电离层闪烁观测数据分析发现,电离层闪烁事件发生概率绝大部分年份中春分季节高于秋分季节．2) 对比电离层垂测观测数据后发现,电离层闪烁发生概率春秋分不对称性与背景电离层电子密度和h′F日落增强现象的春秋分不对称性具有强相关性,说明背景电离层电子密度和PRE对电离层闪烁能否发生具有重要影响．3) 建立了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化统计模型,数据拟合误差较小. 目前该模型适用于中国低纬地区(经度范围60°E～160°E),未来可拓展至其他低纬地区[7]. 该模型对于建立全球中低纬地区电离层闪烁发生概率预测模型具有重要应用价值.参考文献【相关文献】[1] KIM J S, PAPATHANASSIOU K. Study of ionospheric mitigation schemes and their consequences for biomass product quality [R]. ESA/ESTEC Technical Report, 2012.[2] SECAN J A, BUSSEY R M, and FREMOUW E J. An improved model of equatorial scintillation[J]. Radio science,1995, 30: 607-617. DOI:10.1029/94RS03172.[3] 侍颢, 张东和, 郝永强, 等. 中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究[J]. 地球物理学报, 2014, 57(3): 691-702.SHI H, ZHANG D H, HAO Y Q, et al. Modeling study of the effect of ionospheric scintillation at low latitudes in China[J]. Chinese journal of geophysics, 2014, 57(3): 691-702. (in Chinese).[4] 刘钝, 闫永宝, 郭珊, 等. 电离层闪烁模型中的不均匀体强度建模[J].电波科学学报, 2016, 31(3): 432-437.LIU D, YAN Y B, GUO S, et al. Irregularity strength modeling in ionospheric scintillation model[J]. Chinese journel of radio science, 2016, 31(3): 432-437.(in Chinese)[5] 竹永梦, 邹玉华, 王书艳. 低纬地区L波段电离层闪烁预报方法[J]. 桂林电子科技大学学报, 2017, 37(4):298-301.ZHU Y M, ZOU Y H, WANG S Y. A prediction method of L-band ionospheric scintillations in low latitude region[J]. 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我国中低纬地区电离层扩展F的统计特征及预测模型研究
我国中低纬地区电离层扩展F的统计特征及预测模型研究我国中低纬地区电离层扩展F的统计特征及预测模型研究一、引言电离层是地球大气层中电离气体区域，具有广泛的应用价值，其中电离层F区是电离层中最重要的区域之一。
电离层F区的扩展现象对于无线电通信和卫星导航等技术设备都会产生重要的影响。
因此，研究和预测电离层F区的扩展特征具有重要的意义。
二、电离层F区的基本特征电离层F区是位于电离层中较高纬度的区域，其特征主要有以下几个方面：1. 季节性差异较大。
电离层F区的扩展现象在不同季节会有明显的变化，夏季和冬季的电离层F区扩展特征差异较大。
2. 日变化规律明显。
电离层F区的扩展现象在一天中呈现出显著的日变化规律，一般在夜晚达到峰值。
3. 空间特性差异较大。
电离层F区的扩展程度与地球磁场、地理位置等因素有关，在不同地区表现出差异性。
三、电离层F区扩展特征的统计分析为了深入了解电离层F区的扩展特征，我们对我国中低纬地区的电离层F区数据进行了统计分析。
研究发现，电离层F区的扩展程度在不同季节和地区之间存在明显的差异。
具体来说，夏季和冬季的电离层F区扩展程度较大，而春季和秋季较小。
此外，我国中低纬地区的电离层F区扩展程度普遍较高，这可能与该地区的地理位置和地球磁场强度等因素有关。
四、电离层F区扩展特征的预测模型为了更好地预测电离层F区的扩展特征，我们建立了一种基于机器学习算法的预测模型。
首先，收集了大量的历史电离层F 区数据作为训练集。
然后，利用机器学习算法对数据进行处理和分析，得到了一组预测模型。
最后，通过对预测模型进行验证和优化，得到了一种较为准确的电离层F区扩展特征预测模型。
五、预测模型的应用与评价我们将该预测模型应用于我国中低纬地区的电离层F区数据，并与其他已有的预测模型进行了比较。
结果显示，我们的预测模型在准确性和稳定性方面都有较好的表现，能够较为准确地预测电离层F区的扩展特征。
六、结论本研究对我国中低纬地区电离层F区的扩展特征进行了统计分析，并建立了一种准确率较高的预测模型。
中国大陆14次强震前电离层异常统计分析
中国大陆14次强震前电离层异常统计分析徐彤;胡艳莉;吴健;李春斌;吴振森;索玉成;冯健【摘要】The statistical analysis of seismo-ionospheric perturbation is of significance to earthquake monitoring and prediction.We investigate the pre-earthquake ionosphere foF2 associated with 14 Ms≥7.0 earthquakes that occurred in Chinese subcontinent by quartile method,which confirms the existence of seismo-ionospheric perturbation.We analyze the distribution and morphology of these ionospheric disturbances to obtain the connection between the ionospheric disturbances and the earthquakes.Results show that the ionospheric anomalies appear prevailingly during 11∶00LT～17∶00LT within 7 days prior to 85.7%（12 earthquakes） of the 14 earthquakes.In addition,the ionospheric abnormal amplitude has some relationship with the magnitude,depth and distanceof the forthcoming earthquake.%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。
中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究
中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究侍颢;张东和;郝永强;肖佐【摘要】GPS(Global Positioning System)周跳是一种GPS信号异常现象.研究发现一定仰角以上的GPS周跳与电离层闪烁有关,是强电离层闪烁造成的GPS载波信号短时失锁现象,因此其可作为表征电离层闪烁效应的参量.本文通过分析由中国低纬度地区GPS台站原始观测数据提取的GPS周跳发生率与地方时、季节、太阳活动以及磁活动之间的关系,开展电离层闪烁效应与这几种参量之间关系的模式化研究.研究结果表明:(1)周跳发生率存在着地方时分布,发生时段主要在日落19:00LT后到午夜02:00LT之前,发生次数在22:00LT左右达到极大,然后缓慢减少,这一变化特点可以用自变量为地方时的Chapman函数形式来描述;(2)周跳发生率存在年变化特点,主要发生在年积日45～135天(春分季节)和225～315天(秋分季节),可以通过高斯函数来描述每个分季闪烁效应的变化特点;(3)可以利用太阳辐射指数F10.7作为描述周跳随太阳活动周变化的参量,根据周跳随太阳活动周的变化特点,我们使用一个以F10.7为自变量的三次函数来描述这种变化;(4)电离层闪烁与磁活动的关系比较复杂,由于大多数情况下表现为磁活动对电离层闪烁的抑制作用,在本研究中使用一个以地磁活动指数Ap为自变量的的平方根函数来拟合这种变化.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2014(057)003【总页数】12页(P691-702)【关键词】电离层闪烁;GPS;周跳;电离层不均匀结构【作者】侍颢;张东和;郝永强;肖佐【作者单位】北京大学地球物理系,北京 100871;北京大学地球物理系,北京100871;北京大学地球物理系,北京 100871;北京大学地球物理系,北京 100871【正文语种】中文【中图分类】P3521 引言电离层中的不均匀结构使传播其中的无线电波的相位和强度出现闪烁现象，从而降低星地通讯链路的传播质量，在强闪烁情况下甚至造成无线电通讯系统无法正常工作，是重要的电离层天气现象（Afraimovich et al.，2003；Skone and de Jong，2000）.由于这一现象的危害性，从星地通讯得到应用以来，研究者们针对电离层闪烁现象开展了大量的观测研究工作，内容涉及电离层闪烁的观测、电离层闪烁的时空形态特征、电离层闪烁的效应、电离层不均匀结构的产生机理、以及电离层闪烁的预报等（Conker et al.，2003；Mendillo et al.，1992，2001；Nicollsand Kelley，2005；Sahai et al.，1998；张天华和肖佐，2000）.在这些研究内容中，电离层闪烁的观测是基础，传统的电离层闪烁研究依赖的观测手段包括电离层测高仪、基于卫星信标信号的闪烁接收机以及雷达方法（Abdu et al.，1998，2003；Abdu，2012；Afraimovich et al.，2002；Chen et al.，2006）.除了这些方法外，卫星实地电离层探测是电离层闪烁研究的重要补充（Ko and Yeh，2010）.电离层闪烁主要发生在地球低纬度地区和高纬度地区（Kelley，2009）.在低纬度地区，电离层闪烁发生率具有时间变化特点.在地方时变化上，其主要发生在日落以后到日出之前.电离层闪烁也存在明显的季节依赖性，但这种季节依赖性特点与经度有关，美洲—大西洋扇区电离层闪烁的季节依赖性特点与亚洲—太平洋扇区的季节依赖特点明显不同（Basu et al.，2006）.电离层闪烁的发生率和强度还存在着明显的太阳活动周变化特点，太阳活动高年的电离层闪烁发生率要远大于太阳活动低年（Zhang et al.，2010a）.另外电离层闪烁具有很强的日－日变化特征，这一特征增加了电离层闪烁预报的难度.除了这些时间变化特征外，电离层闪烁与磁活动的关系也是电离层闪烁研究的一个值得关注的问题.在高纬地区，电离层闪烁发生率和强度与磁活动正相关（Skone et al.，2008），而在低纬度地区，闪烁与磁活动的关系比较复杂，表现为在有些磁暴期间电离层闪烁发生率和强度会得到增强，但有些磁暴期间电离层闪烁的发生率和强度会降低（Li et al.，2009，2010；Zhang et al.，2012）.电离层闪烁的观测是研究电离层闪烁形态和认识电离层闪烁机理的基础，但由于电离层闪烁观测台站分布不均，对电离层闪烁的认识在全球范围内是不均衡的.美洲地区的电离层闪烁研究不论从研究的深度还是时间跨度来看都领先于世界其他地区.在亚洲扇区，印度和日本扇区的电离层闪烁研究开展的相对较多（Rama et al.，2006）.中国扇区的电离层闪烁研究始于20世纪70年代，但由于观测手段有限，研究相对偏少（Xu and Yeh，1993）.GPS是当今电离层研究的常规手段之一，20世纪90年代中期，基于商业GPS接收机改造的专业电离层闪烁监测仪研制成功，通过这一手段，研究者们开展了大量电离层闪烁研究（Beach and Kintner，2001；Van Dierendonck et al.，1993）.此外，除了传统的通过测量GPS载波信号的强度和相位来获得电离层闪烁指数外，通过双频GPS接收机输出的观测量也可获得一些能够反映电离层闪烁信息的参量.例如，利用GPS数据提取的星地链路电离层总电子含量的时间微分量ROT（the Rate Of change of TEC），通过GPS数据周跳检测方法提取的GPS数据周跳信息等（Aarons et al.，1996；Zhang et al.，2010b）.中国从2003年开始进行基于GPS载波信号的电离层闪烁观测，部分研究部门在低纬地区架设了一些电离层闪烁监测仪，利用这些数据开展了针对中国扇区的电离层闪烁形态分析工作，促进了中国扇区电离层闪烁时空变化规律的认识（尚社平等，2005；王斯宇等，2010；徐继生等，2007），但由于台站所属机构、接收机类型和观测模式等方面的原因，目前整合这些数据建立电离层闪烁模式的条件还不够成熟.比较而言，常规GPS观测数据的空间分辨率高，这类数据相对更容易获取.我们在前期工作中开展了利用低纬度地区GPS观测数据提取电离层闪烁效应信息（周跳）的方法和基于GPS常规数据的电离层闪烁效应研究，利用这些闪烁造成的周跳信息可以开展电离层闪烁效应模式研究，获得一种与实际应用紧密相关的电离层闪烁效应模式（Zhang et al.，2010a，2010b）.本研究将通过分析由电离层闪烁造成的GPS周跳发生率的时空变化特点来研究电离层闪烁效应的规律，开展中国赤道异常峰附近电离层闪烁效应模式化研究.2 数据与方法本文使用的GPS数据所属台站分布在中国低纬度地区，时间从1999年到2005年.台站隶属于中国地震局地壳形变监测网，所有台站的接收机型号和配置一致，均为Ashtech Z－XII3型高精度双频GPS接收机，天线为可抑制多径效应的扼流圈天线，接收机采用半无码方式工作，采样时间间隔为30s.表1给出了这些台站的位置信息.表1 本文用到的GPS台站的站名及其地理、地磁经纬度Table 1 Names，geographical and geomagnetic coordinates of the GPS stations used inthis paper台站名地理纬度／（°）地理经度／（°）地磁纬度／（°）地磁经度／（°）LUZH 28.9 105.4 17.5 175.6 XIAM 24.5 118.113.2187.3 GUAN23.2113.3 11.8 183.2 QION 19.0 109.8 7.6 179.7周跳现象表现为在一个观测历元内GPS接收机对载波相位的短时失锁.由于周跳会破坏GPS数据的连续性，影响GPS的定位精度，从GPS投入运行以来，GPS领域各研究团体研制了多种周跳检测和修复方法.最常见的方法包括电离层三差法、宽巷组合法、卡尔曼滤波法、以及高可靠性的DIA（Detection，Identification，and Adaptation）方法等（Blewitt，1990；Chen et al.，2006；Collin and Warrant，1995；Gao and Li，1999；Teunissen，1990）.本研究使用的周跳提取方法为DIA方法，将这一方法应用于各台站的GPS原始观测数据，可以获得电离层闪烁效应周跳数据库.为了便于对周跳产生的原因以及周跳发生的时空特点进行分析，每条周跳事件记录中还增加了周跳发生时刻的卫星仰角和方位角，周跳发生时刻星地连线与电离层球层交叉点IPP（Ionosphere Pierce Point）的经纬度等信息.在使用周跳现象进行电离层闪烁效应研究时，有三个问题需要说明.GPS有两个载波频率（L1，L2），由于载波L2信号的带宽更窄，更容易受到环境因素的影响（Hofmann et al.，1993；Misra and Enge，2001），因此在研究电离层闪烁对GPS信号的影响时，载波信号L2更便于反映电离层闪烁的效应.在本研究中，我们选用L2的周跳数据作为电离层闪烁效应研究数据库.另外，研究发现，并不是所有周跳都与电离层闪烁有关.当卫星仰角比较低时，电波的多径效应会明显增加，这也会造成周跳的发生.而在相对较高的仰角情况下，GPS周跳现象基本上是电离层闪烁引起的.为了更加明确地给出电离层闪烁效应规律，在进行周跳时间依赖性分析前，需要将周跳数据库中低仰角周跳事件剔除，在本研究中，我们将卫星最小仰角限定为25°.最后一个需要说明的问题是周跳和闪烁强度的关系，GPS系统在设计时已经考虑到了电离层闪烁的影响，因此，只有闪烁强度达到一定程度时，GPS接收机才可能发生周跳现象.因此本文所给出的周跳发生率反映的应该是一定强度以上的电离层闪烁的出现规律.图1给出了2003年在中国海南富克镇（19.3°N，109.1°E）观测的电离层闪烁发生率与同年厦门和广州GPS周跳发生率的关系，从图中可以看到，周跳发生率与强闪烁发生率的相关性更好.3 周跳发生率的统计形态特征利用GPS数据，我们对中国地区的电离层闪烁造成的周跳事件进行了统计分析，结果表明，电离层周跳的时空分布规律与中国低纬度地区的电离层闪烁具有很强的关联性，周跳数据可以作为描述电离层闪烁的一个补充参量（Zhang et al.，2007，2010b）.下面将对周跳发生率与地方时、季节、太阳活动性以及磁活动的关系进行归纳，作为下一步电离层闪烁效应模式化的基础.3.1 周跳的地方时变化地方时变化是低纬度地区电离层闪烁的重要特征之一，由于日落后电离层E区电子与分子性离子的复合速度要远大于电离层F区电子与原子性离子的复合速度，造成日落后电子密度剖面不稳定，具备造成引起电波闪烁的电离层不均匀结构发生的背景条件.图2是中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率的地方时变化.从图中可以看到，虽然不同台站的周跳发生次数差别很大，但在地方时分布上规律基本一致.在19∶00LT后，周跳发生次数开始增加，在夜间22∶00L T附近周跳发生次数达到最大，然后周跳次数逐渐减少，在午夜后周跳发生的很少，在02∶00LT 以后几乎没有周跳发生.图1 2003年海南富克镇电离层不同强度闪烁月发生率与厦门和广州GPS周跳月发生率的比较Fig.1 The comparison between the monthly occurrence of amplitude scintillation observed at FUKE，HAINAN and Cycle Slip occurrence derived from XIAM and GUAN stations图2 2001年中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率随地方时的变化Fig.2 The stacked occurrence of the GPS Cycle Slips in each 15minutes of a dayat 4low latitude stations in China in 2001低纬度地区的电离层闪烁主要发生在赤道异常峰附近区域，比赤道异常峰纬度更高的区域上电离层闪烁发生率会快速下降.到了中纬度地区，电离层闪烁很少发生，一般认为该区域观测到的电离层闪烁主要是电离层赤道异常峰区域或者是极区的电离层不均匀结构沿着磁力线扩散到中纬的结果，而这种不均匀结构向中纬度漂移的情况一般都发生在磁活动期间.从图2可以看到，GPS观测数据中，在赤道异常峰附近分布的GPS台站出现周跳的次数要明显多于位于赤道异常峰外侧的LUZH台站.图3是LUZH台站和QION台站在2001年发生的周跳事件的空间分布情况，从图中可以明显看到，周跳发生区域主要在LUZH台站以南、QION台站以北，也就是赤道异常峰出现的区域.3.2 季节变化低纬度电离层闪烁季节变化的一个重要特征是它的经度差异，美洲扇区与东亚—太平洋扇区的电离层闪烁季节变化规律明显不同，前者闪烁主要发生在10月到来年的3月之间，12月到1月闪烁发生次数和强度最大，而后者闪烁主要发生在两分季附近，也就是2月到4月间和8月到10月间，其中3月和10月闪烁发生次数和强度最大（Zhang et al.，2010b）.图4给出了2001年4个台站GPS周跳发生次数随年积日的变化.从图中可以看到，这4个台站的周跳主要发生在两分季附近，这种分布规律与太平洋扇区电离层闪烁发生率随季节的变化规律一致.说明在中国扇区闪烁的季节依赖特点与太平洋扇区一致.另外，从图中还可以看到，周跳的日－日变化是非常明显的，即使在周跳多发月份，也不是所有日期周跳发生次数都多，不同日期的周跳发生次数差别比较明显，这是电离层闪烁预报的难点之一. 图3 两台站在2001年发生的GPS周跳次数随方位角分布Fig.3 The distribution of the occurrence of the GPS Cycle Slips versus azimuth angle at two stations in 2001图4 2001年中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率随年积日DOY（Day of Year）的变化Fig.4 Daily occurrence of the GPS Cycle Slips at 4low latitude stations in China in 20013.3 太阳活动周变化电离层闪烁与太阳活动周的相关性表现在太阳活动高年电离层闪烁发生率和闪烁强度大，而太阳活动低年电离层闪烁发生率和强度小.图5为XIAM和GUAN两个GPS台站数据获得的1999年到2005年间周跳发生次数的分布规律，除了前面提到的季节依赖特点之外，其太阳活动周依赖性也非常明显，总的来看依赖关系与电离层闪烁规律类似.从图5可以看到，周跳发生次数与太阳活动指数的关系并不是线性的，在2002年到2003年之间，也就是太阳活动性处于下降阶段的时候，由于电离层闪烁造成的周跳现象急剧减少，2003年以后周跳就很少发生，这一特征在图5a中表现得更为明显.我们认为出现这一现象的原因与GPS接收机对信号强度的设计域值有关.强闪烁更容易造成GPS周跳的发生，而当闪烁强度降到一定程度时，其闪烁已不足以造成GPS系统周跳现象的发生.3.4 磁活动变化图5 1999年到2005年间（a）XIAM台站GPS周跳半年总数，（b下）XIAM 和（c）GUAN两个台站的GPS周跳日发生次数及其与（b上，细线）太阳F10.7（10－22 W·m－2·Hz－1）指数及（b上，粗线）年滑动平均的比较Fig.5 （a）Semi－annual sum of the GPS Cycle Slip occurrence at XIAM station from 1999to 2005.Daily occurrence of the GPS Cycle Slips at（b down）XIAM and（c）GUAN stations from 1999to 2005，and comparing with（b up，thin line）the solar F10.7（10－22 W·m－2·Hz－1）index and（b up，thick line）its annual slip average磁活动期间的电离层闪烁形态是电离层闪烁研究中的一个重要内容，由于磁活动期间空间环境变化过程的复杂性，对这期间的电离层闪烁规律以及机理的认识还不够完善.从形态上来看，磁活动期间的电离层闪烁存在着增加、减少和没变化这三种情况.但从统计上来看，强磁活动期间电离层闪烁的减少，也就是抑制事件要大于其他两种情况.从电离层不均匀结构的激发机制来看，有多种物理因素影响到不均匀结构的产生与发展，这些因素包括电离层电子密度剖面、电离层电场、电离层电导率、风场、磁场等参数，这些参数在磁活动期间都会发生一定的变化，而这些因素中，有些对电离层不均匀结构的产生与发展起促进作用，有些对电离层不均匀结构的产生起抑制作用.造成磁活动期间电离层闪烁形态变化不确定的原因与磁活动期间这些物理因素的变化有关，电离层不均匀结构是这些物理因素综合作用的结果.图6是2001年周跳发生次数与地磁活动指数Ap之间的关系，从图中虚线框中的部分可以看到，强磁活动期间的周跳发生次数一般很少，但也不排除磁活动期间周跳发生次数增加的情况.要揭示磁活动期间电离层闪烁的发生规律，对一些磁活动期间空间环境参数与电离层闪烁的个例分析是必要的.4 闪烁效应模式化根据上面的分析，可以发现，周跳随着以下几个因素有规律的变化：地方时、季节、太阳活动以及磁活动.因此我们在模式化时可以根据这几个因素分别计算其影响，然后综合这几个方面的因子，计算出模式的系数项，即可完成初步的电离层效应模式.公式（1）给出了闪烁每15min间隔的发生率的计算公式，对15min间隔的闪烁发生率进行积分，即可得到日发生率，即公式（2）.下面我们对各个因素分别进行模式化计算.4.1 地方时因子的模式化从图2的周跳的地方时变化规律可以看到，周跳主要发生在19∶00LT以后到午夜02∶00LT之间，在周跳发生率增加过程中，发现周跳在开始出现到周跳发生率最大之间的增加速度很快，而在最大值处到午夜两点之间的下降速度要缓慢得多.我们发现这种变化规律与电离层电子产生率随高度的变化类似，因此针对周跳的地方时变化，我们采用电离层电子产生率的函数曲线形式来拟合，只是这时的自变量是地方时.具体公式形式如下：电离层闪烁效应的地方时因子模式化工作就是确定相应的时间参考值tM和系数Ht，并进行归一化.通过分析实测数据，tM被定在21∶00LT处，即tM＝21，24小时制下 Ht＝1，公式（5）是相应的获得的拟合公式，其中h为24小时制地方时，sgn为符号函数.图7是归一化后用Chapman函数拟合出来的地方时变化趋势.4.2 季节因子的模式化根据周跳的年变化特点，周跳的年积日覆盖范围大致为45～135天（春分季节）和225～315天（秋分季节），每个分季闪烁效应的变化趋势可以用一个高斯函数来描述，高斯函数的幅度由太阳活动指数和地磁活动指数来调制.需要指出的是，高斯函数并不能反映闪烁效应的日－日变化特征，这一点由太阳活动和地磁活动指数的日－日变化来反映.通过计算，高斯函数的半高宽为55.根据以上原则对闪烁的季节效应进行模式化，公式（7）为归一化的季节因子模式化公式其中d为年积日.图8为公式（4）的图形表示.4.3 太阳活动因子的模式化图6 2002年地磁（a）Ap指数与（b）XIAM和（c）GUAN台站的GPS周跳日发生次数分布规律的比较Fig.6 The（a）Apindex comparing with daily occurrence of the GPS Cycle Slips at（b）XIAM and（c）GUAN stations in2002图7 使用Chapman函数拟合的GPS周跳发生率地方时变化趋势Fig.7 The daily trend of the GPS Cycle Slip occurrence in each 15minutes，modeled by using the Chapman function图8 使用Gauss函数拟合的GPS周跳发生率季节变化趋势Fig.8 The seasonal trend of the GPS Cycle Slip occurrence，modeled by using the Gauss function周跳表现出的电离层闪烁效应的太阳活动周变化特征主要包括两个方面.首先，从长期趋势看，周跳发生次数具有太阳活动周依赖性，但与太阳活动强度并不是线性相关的.再就是2002年下半年周跳发生次数锐减，2003年以后周跳发生次数很少.从图5中可以看出，直接用F10.7指数不能反映这种突然减少现象，我们试图用一个与F10.7指数有关的函数来反映这种特征.图9给出了关于F10.7指数年平均值的四种函数随太阳活动周的变化，分别对应1到4次幂形式.通过与周跳发生次数随太阳活动周变化的相关性分析，我们选择图9中第3种函数来描述电离层闪烁效应的太阳活动周影响.函数表示为如下形式：其中4.4 地磁因子的模式化电离层闪烁与地磁扰动的关系一直是电离层研究者关注的问题.磁活动与电离层闪烁之间有很多不确定性因素，这说明控制电离层闪烁发展或者抑制因素的复杂性.从强磁活动期间周跳的统计结果来看，可以归纳以下三点：第一，强磁活动期间的周跳发生次数要少于地磁平静期；第二，对单个事件的分析表明部分情况下地磁具有抑制周跳发生的趋势，但也有磁活动期间周跳发生率明显增多的情况；第三，大的周跳发生次数基本上都发生在Ap指数小于20的情况.要搞清楚这些关系，更全面的空间环境以及电离层形态数据是必要的.图10给出了地磁指数与周跳发生次数的关系，从图中可以看到，磁活动对周跳发生次数，也就是电离层闪烁的抑制作用特征更加明显，在对磁活动对电离层闪烁效应的模式化中，这种抑制作用应该首先体现.通过分析，作为初步的探索，我们给出如下地磁因子的模式化公式最后，使用XIAM站1999年到2005年的周跳发生率的数据，对模式中的常数项进行拟合得到由（11）式的数值与地方时因子相乘之后，对一天24 h积分得到4.5 模式化计算结果与分析对于上述系数以及各因素对应的子式，我们使用F10.7原始数值、21天滑动平均以及183天滑动平均分别作为太阳影响因素的输入量，Ap指数作为磁活动影响因素的输入量，计算得到的结果如图11所示.由图可见，使用F10.7原始数值进行计算，在F10.7数值较大的情况下，模型会过高估计周跳的发生率，使用21天滑动平均计算得到的结果能够部分地反映周跳发生率的日－日变化情况，但仍存在过高估计周跳发生率的情况，而使用183天滑动平均计算得到的周跳发生率日－日变化虽不明显，但总体趋势仍与实际情况符合较好.图9 关于F10.7指数年平均值的四组函数，分别对应1到4次幂形式Fig.9 Four functions on the annual mean F10.7index，corresponding the forms from first to fourth power图10 2002年XIAM站GPS周跳发生次数与地磁指数Ap的比较Fig.10 Theoccurrence of the GPS Cycle Slips at XIAM station versus geomagnetic Apindex in 2002图11 使用（a）F10.7原始数据，（b）F10.7的21天滑动平均，（c）F10.7的183天滑动平均输入模型计算1999年至2005年XIAM站的周跳日发生率Fig.11 Modeled daily occurrence of the GPS Cycle Slips at XIAM station from 1999to 2005，inputting with（a）the original F10.7index，（b）21－day slip average of the F10.7index，（c）183－day slip average of theF10.7index表2是对模型计算精度的整体评估，表中给出了模型使用不同F10.7参量的计算结果与XIAM和GUAN台站之间的相关系数.使用原始F10.7计算的结果与实测数据的相关系数最小，约为0.5，使用F10.7的21天滑动平均计算的结果有所改善，相关系数约为0.55，使用183天滑动平均计算的结果则有明显的改善，相关系数约0.6.表2 模型计算的1999—2005年周跳发生率与实测数据的相关系数Table 2 The correlation coefficients between modeling and observation of GPS Cycle Slip daily occurrence，using three different types of F10.7as input相关系数F10.7原始数据 21天滑动平均 183天滑动平均XIAM 0.5 0.55 0.58 GUAN 0.51 0.56 0.61表3中列出了模型使用183天滑动平均F10.7计算的结果与实测数据之间的详细比较结果.这里我们将日周跳计数大于等于25记为闪烁日，表中所分析的对象为模型对于闪烁日的预报精度（准确率：Acc%；误报率：Mis%）.其中式中的Accuracy＿Count为模型预报的闪烁日与实际闪烁日相符的天数，Cycle＿Slip＿Day＿Count为实际的闪烁日天数，Miss＿Count为模型预报的闪烁日与实际闪烁日不相符的天数，Quiet＿Day＿Count为非闪烁日的天数.结果表明，模型对于闪烁日的预报准确率约为80%，而误报率约为20%.另外，由于我们选择的进行模式化的参数为GPS周跳，该参数是一种效应参数，可以理解为是电离层闪烁效应的一种示踪量.它与电离层闪烁有直接的关系，但不能全面描述电离层闪烁强度分布的连续变化.可以将周跳的统计分布规律理解为电离层闪烁大于一定强度的电离层闪烁的分布规律.可以从在地方时变化上周跳主要发生在午夜前，以及在2003年以后周跳很少发生这两个方面看出这一点.因此本文开展的电离层闪烁效应模式化研究结果描述的是电离层强闪烁统计规律，进一步的工作就是通过与具体电离层强闪烁数据的相关分析，修正模式的系数.表3 XIAM站与GUAN站使用183天滑动平均的F10.7作为输入，在2000—2002年间对闪烁日的预报准确率比较Table 3 Prediction accuracy for days of 2000to 2002that GPS Cycle Slip counts≥25by using slip 183day average of F10.7for modeling at XIAM and GUAN station注：CS为实测天数，Mod为预报天数，Acc为命中天数，Acc%为准确率，Mis%为误报率.XIAM 183天滑动平均天滑动平均CS Mod Acc Acc% Mis% CS Mod Acc Acc% Mis%GUAN 183 2000 60 126 48 80.0 25.5 76 126 62 81.5 22.1200173 109 53 72.6 19.173 109 57 78.0 17.8 2002 73 115 60 82.118.8 90 115 70 77.7 16.35 结论针对周跳发生率的统计分析表明，周跳发生率具有明显的时间变化特点，这些特点与中国低纬度地区的闪烁发生率的时间变化特点是一致的，可以作为闪烁效应数据开展电离层闪烁效应模式化工作.从建模过程中开展的工作来看，闪烁效应的计算模式基本考虑了影响电离层闪烁效应的各种参数，以地方时、年积日、F10.7、Ap 指数为输入参数，能够在一定程度上反映电离层闪烁效应的规律.研究结果表明：（1）周跳发生率存在着地方时分布，周跳主要发生在日落19∶00LT后到午夜。
地球空间电场2014分析
地球外层空间中 电场的特征
❖ 地球空间中的极化电场
电离层极化电场主要由电离层发电机产生。原理如下： 在 80 至 160km 高度之间，由于太阳辐射电离的作用，白天存 在一个平行于地表的良导电层。垂直于磁力线的电流只能在 这个平行于地表的导电层中流动。考虑磁赤道附近的情况， 地磁场和垂直于地磁场的电场如果都平行于这个导电层，则 产生的电流垂直于这个导电层。在这个导电层之下是电绝缘 的中性大气，不能形成电流回路。因此，垂直于这个导电层 的电流将在导电层的上下界面积累电荷，从而产生极化电场。 平衡时，极化电场使得垂直导电层的总电流为零。
电流密度 j 表征空间电流，电导率 表征地球空间介质的导电性能。
电流密度与电导率一起，通过欧姆定律， j E ，也能表征空间电场。 带电粒子密度是描述空间环境电特性的一种关联参量，通过带电粒子间及带电 粒子与中性大气分子间的碰撞，它决定空间介质的电导率。 下面主要讨论电场强度、电流密度和电导率的有关性质。
黎明指向黄昏的电场，通常称作晨昏电场。其值为，ET V B / B2 ， 因为这一电场驱动着电离层和磁层等离子体的对流运动，通常称作
对流电场。
对流电场的大小随太阳风的速度和行星际磁场的变化而变化。 在磁静日和磁扰日，对流电场分别可取为，
Eo (静日) 0.4mV / m 2.6 kV / RE Eo (扰日) 1.0mV / m 6.4 kV / RE
B
/
t
0使
E
0
，因此，
E
为静电场，存在
•
位势， E V B
上式表明，等离子体漂移速度V
与磁场
B
均在等位面内，而电场沿
等位面的法线方向。
❖ 磁层中的大尺度电场
利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化
利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化董恩强;曹月玲;宫磊;刘晓萍;常志巧;吴晓莉【期刊名称】《空间科学学报》【年(卷),期】2017(037)001【摘要】北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5 min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778 TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC (Vertical Total Electronic Content)峰值相差约60TECU.【总页数】8页(P67-74)【作者】董恩强;曹月玲;宫磊;刘晓萍;常志巧;吴晓莉【作者单位】北京卫星导航中心北京100094;上海市空间导航与定位技术重点实验室上海200030;上海市空间导航与定位技术重点实验室上海200030;北京卫星导航中心北京100094;北京卫星导航中心北京100094;北京卫星导航中心北京100094;北京卫星导航中心北京100094【正文语种】中文【中图分类】P352【相关文献】1.利用GPS技术实时监测上海区域电离层变化 [J], 王虎;王解先;白贵霞;朱卫东2.利用CORS系统实时监测电离层变化 [J], 耿长江;唐卫明;章红平3.基于“北斗”观测数据的C波段双向卫星时间频率传递中的电离层改正 [J], 孔垚;杨旭海;孙保琪;李志刚;陈亮4.利用GPS观测数据和IRI模型对比分析太阳活动低年广州地区电离层TEC变化[J], 蔡超军;曹静;黄江;黄林峰;邓柏昌;徐杰5.基于北斗地基增强系统的中国区域电离层建模研究 [J], 黄小东; 韩军强; 涂锐; 刘金海; 洪菊; 范丽红; 张睿; 卢晓春因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
中国低纬_海南_电离层漂移特性
第20卷 第4期2005年8月 电 波 科 学 学 报CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE Vol.20,No.4August ,2005 482 文章编号 100520388(2005)0420482205中国低纬(海南)电离层漂移特性3王 霄1,3 史建魁1 肖 佐2 张满莲1 武顺智1(1.中国科学院空间科学与应用研究中心,空间天气开放实验室,wangx @ ,北京100080;2.北京大学地球物理系,北京100871;3.中国科学院研究生院,北京100039)摘 要 为了研究中国低纬地区的电离层动力学特征,对2002年3月～2004年3月期间海南地区的电离层等离子体漂移观测资料进行了分析研究。
结果表明:磁宁静时海南地区的电离层漂移日间垂直方向变化较为规则,季节变化不大,漂移速度通常向上,大小为0～20m/s ,随季节变化;晚间垂直方向漂移变化较为复杂,漂移速度以向下为主,随月份和季节变化较大;水平方向漂移速度通常在50～100m/s 左右,在日出日落时可达150～200m/s ,甚至高达300m/s ,且在南北方向和东西方向的漂移速度表现不同。
这些特征与经度相差几乎180°的赤道区Jicamarca 台站观测到的漂移特征对比,显示了较大的区域差别。
关键词 海南,电离层,漂移,区域特征中图分类号 P352.7 文献标识码 ALow latitude ionospheric plasma drift features in ChinaWANG Xiao 1,3 SHI Jian 2kui 1 XIAO Zuo 2ZHANG Man 2lian 1 WU Shun 2zhi 1(1.Center f or S pace Science and A p plied Research ,CA S ,w ang x @ ,B ei j ing 100080,China;2.De partment of Geophysics ,Peking Uni versit y ,B ei j ing 100871,China;3.Graduate S chool of the Chinese A cadem y of Sciences ,B ei j ing 100039,China )Abstract Ionosp heric plasma drift data in Hainan during t he period of f rom Mar 2002to Mar 2004are analyzed to investigate t he low 2latit ude ionosp heric elect rody 2namics.Result s show t hat variatio n of daytime vertical drift is regular and inde 2pendent on season ,generally t he vertical plasma drift is about 0～20m/s and de 2pendent on season ,nighttime vertical plasma drift is usually downward and it s vari 2ation is very complicated ,which varies wit h season ;Horizontal plasma drift is a 2bout 50～100m/s and at sunset and sunrise increasing up to about 150～200m/s ,e 2ven as high as 300m/s ,and t he meridian and zonal plasma drift s are pared wit h plasma drift observatio n in Jicamarca ionosp heric observatory ,iono 2sp heric drift in Hainan shows distinct territorial feat ures.K ey w ords Hainan ,ionosp here ,drift ,territorial feat ures1 引 言电离层中电子密度的分布和变化对电波传播有着直接的影响。
东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析
相 暴 对 白天 发 生 的 磁 暴 比对 晚 上 发 生 的磁 暴 响应 快 些 ， 负 相 暴 正 好 相 反 ． 电 离 层 暴 延 迟 时 间 与 磁 暴 强 度 之 间 而 但
Ｓｔ ｔｓ ｉ ａ ｔ ｙ ｏ ｈｅ ｓ ｏｒ ｅ ｆ ｃ ｓ ｉ ｉ ｅ ａ ｄ ａ ｉ ｔｃ ｌｓ ｕｄ ｆ ｔ ｔ ｍ ｆ ｅ ｔ ｎ ｍ ｄｄｌ ｎ
ｌ ｗ ａ ｉｕ ｏ ｏ ｐｈｅ ｅ ｉ ｈｅ Ｅａ ｔ Ａ ｓａ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｔｔ ｄｅ ｉ ｎ ｓ ｒ ｎ ｔ ｓ— ｉｎ ｓ ｃ ｏ
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第５ １卷 第 ３期 ２０ ０ ８年 ５月
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物Hale Waihona Puke 理学报 Ｖｏ ． １ １ ５ ，Ｎｏ ３ ．
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ＣＨ Ｉ Ｓ Ｊ ＮＥ Ｅ ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＧＥ０ＰＨＹＳ ＣＳ Ｉ
高
琴 ， 立 波 ， 必 强 等 ．东 亚 扇 区 中低 纬 地 区 电 离 层暴 的 统 计 分 析 ． 球 物 理 学 报 ，０ ８ ５ （ ）６ ６ ６４ 刘 赵 地 ２ ０ ，１ ３ ：２ ～ ３
１中 国 科 学 院 地 质 与 地 球物 理 研 究 所 ，北 京 １ ０ ２ ００９ ２中 国 科 学 院 研 究 生 院 ， 京 １ ０ ４ 北 ００ ９
摘 要
用 １５ ￣２ ０ 年 间 ５ ５个 主 相 单 步 发 展 的磁 暴 事 件 ， 析 东 亚 扇 区 ４个 中低 纬 台 站 的 电 离 层 扰 动 类 型 及 ９７ ０ ６ １ 分
中国低纬地区电离层不规则体及TEC模式的相关研究的开题报告
中国低纬地区电离层不规则体及TEC模式的相关研究的开题报告一、研究背景电离层是地球大气层中重要的一部分，由电离气体构成。
其主要特征是具有较高的电离能量和电导率，在高频与无线电通讯、卫星导航等方面具有重要的应用价值。
电离层电子密度是表征其物理性质的重要参数，而在低纬地区，电离层电子密度的空间和时间变化较为显著，特别是在夜间，电离层在太阳影区形成不规则体以及TEC（Total Electron Content）模式，对通讯和导航系统的工作稳定性产生影响。
二、研究目的本研究旨在探究中国低纬地区电离层不规则体以及TEC模式的形成机制和空间分布特征，为相关领域的研究与应用提供参考依据。
三、研究内容本研究将采集和分析中国低纬地区的电离层数据，包括电离层垂直电子密度剖面、电离层不规则体以及TEC模式等方面的数据。
首先，通过统计分析这些数据，探究不规则体和TEC模式的空间变化特征，并将其与不同季节、太阳活动度等因素进行比较分析。
其次，我们将使用数学模型对上述数据进行拟合和预测，以进一步深入解析这些数据的相关规律和机制。
最后，基于对这些规律的理解，我们将提出相应的预警机制和措施，以保障通讯和导航系统的正常运行。
四、研究方法本研究将采用多种方法进行电离层数据的处理和分析，包括数据采集和处理、统计分析、数学模型和预测方法等。
其中，数据的采集和处理将使用电离层探测器和卫星导航等相关设备，统计分析将采用常用的数据处理软件和工具，数学模型的拟合和预测将使用适当的数学方法和建模技巧。
五、研究意义本研究将为人们深入认识中国低纬地区电离层不规则体和TEC模式的形成机制和空间分布特征提供有力的数据支持，并为相关领域的研究和应用提供可靠的参考依据，深化人们对电离层物理学和空间科学的认识，有助于提升通讯和导航系统的稳定性和可靠性。
中低纬电离层不规则体及闪烁特性研究
中低纬电离层不规则体及闪烁特性研究中低纬电离层不规则体及闪烁特性研究【前言】电离层是地球大气层中包含丰富电离分子和自由电子的区域，其空间和时间上的不规则性一直以来都是研究者关注的焦点。
中低纬电离层的不规则体和闪烁现象具有较高的频率和强度，对电磁波传播和卫星导航等通信系统造成严重干扰。
因此，深入研究中低纬电离层不规则体及其闪烁特性变得至关重要。
【中低纬电离层的不规则体形成机制】中低纬电离层中的不规则体主要是由等离子体不稳定性引起的。
其中，等离子体不稳定性有三种主要形式：光学不稳定性、小波不稳定性和雷纳德-泰勒不稳定性。
在电离层中，横向风场和磁场的作用产生电离层对流，并且引起等离子体的不稳定振荡。
当不稳定振荡发展到一定阶段时，会形成中低纬电离层的不规则体。
【不规则体对电磁波传播的影响】中低纬电离层的不规则体对电磁波传播具有明显的影响。
首先，不规则体的存在会导致电磁波的散射，使其沿不同方向传播，从而导致信号的强度和相位快速变化，形成闪烁现象。
其次，不规则体还能使电磁波的传播路径发生弯曲、折射和多次散射，进一步增加信号的时延和路径损耗，并且增大信号的抑制。
【闪烁特性的测试与研究】为了研究中低纬电离层的闪烁特性，研究者通常采用闪烁接收机和全天日地系统等设备进行实验观测。
闪烁接收机可以测量电离层闪烁信号的强度、频率和空间相关性。
通过对观测数据的处理和分析，可以得到闪烁指数、接收机频谱特性以及闪烁的时间尺度和空间相关性等参数，并进一步研究其与不规则体形成与演化之间的关系。
【闪烁探测技术的应用】中低纬电离层的闪烁是卫星导航、通信和雷达等系统的重要干扰源。
因此，对于闪烁特性研究的深入，对于改善这些系统的性能具有重要意义。
例如，在卫星导航系统中，通过利用闪烁探测技术，可以对电离层的不规则体分布进行实时监测，预测闪烁的强度和时空变化规律，从而采取相应的补偿措施，提高导航精度和可靠性。
【未来的研究方向】中低纬电离层不规则体及其闪烁特性是一个复杂而庞大的研究领域，还有许多需要进一步探索的问题。
中低纬电离层模拟与数据同化研究
中低纬电离层模拟与数据同化研究中低纬电离层模拟与数据同化研究引言：电离层是指地球大气圈中，由于太阳辐射和太阳风的作用，使得大气中的部分原子和分子电离而形成的离子层。
电离层中的电子和离子对于无线电通信、卫星导航以及空间天气预报等方面有着重要的影响。
而中低纬电离层的模拟与数据同化研究旨在探索电离层动态变化规律，为相关领域的应用提供准确有效的预报和预警。
1. 中低纬电离层的特征中低纬电离层主要分布在赤道附近的地区，其特征主要包括以下几个方面：（1） F层和E层：中低纬电离层主要分为F层和E层两层。
F层主要存在于离地球表面约200至500公里处，而E层则主要分布在离地球表面约100至150公里之间。
（2）变化规律：中低纬电离层的离子浓度和电子密度会随着太阳辐射和季节变化而发生显著变化，夜间的离子浓度会显著增加，而白天则会相对较低。
（3）影响因素：中低纬电离层的动态变化主要受到太阳辐射、太阳风、地磁活动以及大气运动等多种因素的影响。
2. 中低纬电离层模拟方法为了预测中低纬电离层的动态变化，研究人员开展了一系列的模拟研究。
其中，常用的模拟方法包括规则模型和物理模型两种。
（1）规则模型：规则模型主要基于观测到的离子浓度和电子密度数值，通过建立经验公式和统计方法来预测电离层的变化趋势。
这种方法主要适用于预测短时间尺度内的电离层行为。
（2）物理模型：物理模型主要基于电离层的物理过程和动力学方程，通过数值模拟方法来预测电离层的变化。
这种方法主要适用于长时间尺度内的电离层模拟。
3. 数据同化技术在中低纬电离层模拟中的应用除了上述的模拟方法外，数据同化技术也被广泛用于中低纬电离层的预测研究中。
数据同化技术主要通过将观测数据与模型预测结果进行融合，来提高模型的精度和准确性。
（1）观测数据：观测电离层的主要手段包括离子探测器、GPS接收机、雷达等设备，这些设备可以提供电离层相关参数的实时观测结果。
（2）数据同化：数据同化技术主要通过最优化算法和统计方法将观测数据与模型结果进行融合，从而得到更准确的电离层参数。
电离层的地理现象
电离层的地理现象
电离层是一种地理现象，位于地球大气层的最高层，它给宇航以及其他飞行物形成了护罩。
一般情况下，电离层的上限大概在800公里左右，它的存在可以起到避免低外太空中的辐射。
由于电离层浓度不均匀，所以电离层也会影响发射信号强度，这就是所谓的电离层效应。
电离层无处不在，它会影响人工卫星提供服务的覆盖范围、无线电信号传播的距离以及电磁旁瓣功率的增强或消减。
电离层受空气中物质及其相互作用的影响，如水汽、氮和氧气及来自太阳的辐射等，而且它们都会产生自己特定的物理效应和化学反应，因此，关于电离层的研究也正在发展和深入。
此外，电离层对地球的环境也有着重大的影响，如地球气候在某些方面将会受到电离层变化的影响，例如极地辐射和极地贸易风等。
随着研究的深入，人们将会有更深刻的了解，电离层的变化与地球环境的关系，从而更好的为我们的环境作出更有效的保护。
总之，电离层对地球来说有着重要的作用，它可以保护运行在高空的航天器免受外太空的辐射危害，同时也参与到地球气候的变化，因此，地球上的生物等都受到它的影响。
研究电离层将会为我们提供更多有效的保护方法和有效的利用方法，从而更好的应用到具体的工程实践当中。
磁暴期间中低纬电离层暴形态和物理机制分析
磁暴期间中低纬电离层暴形态和物理机制分析
张奇伟;郭兼善
【期刊名称】《空间科学学报》
【年(卷),期】1993(013)004
【摘要】本文利用东亚地区１２个低纬电离层台站的测高仪观测数据，对１９７
８年８月２７日发生的一次曲型磁暴期间电离层峰值高度和密度的变化进行了分析。
采用滑动平均区分开电离层中不同时间尺度的扰动，分析了影响中低纬度电离层暴的几种扰动形态特征，并对其物理机制进行了讨论。
结果表明：伴随磁暴急始的磁层压缩，电离层中表现出峰值密度增加和峰值高度下降；磁暴主相期间热层大气暴环流及其所引起的中性大气成分变化控制着电离层的大
【总页数】9页(P262-270)
【作者】张奇伟;郭兼善
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】P352.4
【相关文献】
1.地磁暴期间中国中低纬电离层的CIT研究 [J], 於晓;欧明;刘钝;马保田;邓忠新;陈丽;甄卫民
2.超强磁暴期间中低纬电离层扰动的统计分析 [J], 孙树计;王保健;赵振维;刘玉梅;
陈春
3.2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析 [J], 孙文杰;宁百齐;赵必
强;李国主;胡连欢;常首民
4.不同类型磁暴和中低纬电离层暴的关系 [J], 张奇伟;郭兼善;章公亮;郑红
5.磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析 [J], 梅登奎;闻德保
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东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析
东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析高琴;刘立波;赵必强;万卫星;张满莲;宁百齐【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2008(051)003【摘要】用1957～2006年间515个主相单步发展的磁暴事件,分析东亚扇区4个中低纬台站的电离层扰动类型及电离层暴开始时间,得到该地区电离层暴随纬度、季节和地方时的分布规律.研究表明,中纬区负暴明显,低纬区正暴明显;夏季负暴比正暴多,冬季正暴比负暴多,春秋季正负暴分布表现出明显的纬度差异.在东亚扇区,中纬区负暴开始时间主要分布在夜间及清晨时段,且在正午至午后时段极少发生.低纬区正暴开始时间主要发生在白天时段,且在夜间18～21 LT时段也易发生正暴.中低纬电离层正相暴平均延迟时间在10 h以内,负相暴平均延迟时间在10 h以上,且中纬区延迟时间明显比低纬区短.电离层暴延迟时间与磁暴主相开始时间对应的地方时很相关,正相暴对白天发生的磁暴比对晚上发生的磁暴响应快些,而负相暴正好相反.但电离层暴延迟时间与磁暴强度之间并没有十分明显的依赖关系.【总页数】9页(P626-634)【作者】高琴;刘立波;赵必强;万卫星;张满莲;宁百齐【作者单位】中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院研究生院,北京,100049;中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029【正文语种】中文【中图分类】P352【相关文献】1.2000年7月和2003年10月大磁暴期间东亚地区中低纬电离层的GPS TEC的响应研究 [J], 夏淳亮;万卫星;袁洪;赵必强;丁锋2.磁暴期间中低纬电离层暴形态和物理机制分析 [J], 张奇伟;郭兼善3.欧洲扇区不同纬度电离层暴特征的统计分析 [J], 吴佳姝;徐良4.中低纬地区电离层对CIR和CME响应的统计分析 [J], 邱娜;陈艳红;王文斌;龚建村;刘四清5.不同类型磁暴和中低纬电离层暴的关系 [J], 张奇伟;郭兼善;章公亮;郑红因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
全球电离层峰值参数的季节变化
全球电离层峰值参数的季节变化李波;崔瑞飞;翁利斌【期刊名称】《空间科学学报》【年(卷),期】2024(44)1【摘要】针对全球电离层峰值参数的季节变化问题,使用2006-2019年COSMIC 掩星电离层月均值数据和小波分析方法分析了全球电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)季节变化特征,结果表明:电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)随地方时、季节、纬度存在显著差异,电离层峰值参数均与太阳活动水平表现出正相关性,月均值相关系数分别达到了0.9和0.8以上;正午电离层N_(m)F_(2)在太阳活动高年期间存在显著年、半年等季节变化特征,午夜基本以年变化为主,且南半球电离层N_(m)F_(2)季节变化特征更为明显;正午电离层h_(m)F_(2)所有年份均存在显著年变化特征,午夜期间季节性变化特征不太明显,且南半球电离层h_(m)F_(2)季节变化特征强于北半球;电离层峰值参数的季节变化规律在太阳活动高年期间更为显著;太阳活动指数和电离层峰值参数中似乎存在25~35个月的周期信号,但未通过显著性检验,综合分析研究认为电离层中的等离子体不会受到QBO现象影响.【总页数】11页(P60-70)【作者】李波;崔瑞飞;翁利斌【作者单位】国防科技大学气象海洋学院;西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】P352【相关文献】1.欧洲地区电离层峰值电子密度逐日变化的相关距离研究2.电离层电场的半年变化对F2区峰值电子浓度的影响3.利用IGS电离层格网产品分析电离层峰值变化特性4.国际参考电离层模型输出参数峰值高度性能5.中低纬电离层F_2区峰值参量周年和半年变化及电场影响模拟研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
中低纬地区电离层对CIR和CME响应的统计分析
中低纬地区电离层对CIR和CME响应的统计分析邱娜;陈艳红;王文斌;龚建村;刘四清【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2015(058)007【摘要】本文利用中低纬日本地区(131°E,35°N) GPS-TEC格点化数据,分析了2001-2009年间109个共转相互作用区(CIR)事件、45个日冕物质抛射(CME)事件引起的地磁扰动期间电离层的响应.结果表明,电离层暴的类型随太阳活动的变化而有不同的变化,CIR事件引发的电离层正相暴、正负双相暴多发生在太阳活动下降年,负相暴多发生在高年,负正双相暴多发生在低年;CME事件引发的电离层正相暴和负相暴多发生在高年.CIR和CME引发的不同类型的电离层暴的季节性差异不大,在夏季多发生正负双相暴.电离层暴发生时间相对地磁暴的时延大部分在-6～6 h 之间,但CIR引发的电离层暴时延范围更广,在-12～24 h之间,而CME引发的电离层暴时延主要在-6～6 h之间.中低纬的电离层暴多发生在主相阶段,其中CIR引发的双相暴也会发生在初相阶段.电离层负暴多发生在AE最大值为800～1200 nT 之间.CIR引起的电离层扰动持续时间较长,一般在1～6天左右,而CME引起的电离层扰动持续时间一般在1～4天左右.【总页数】13页(P2250-2262)【作者】邱娜;陈艳红;王文斌;龚建村;刘四清【作者单位】中国科学院空间科学应用与研究中心,北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院空间科学应用与研究中心,北京100190;美国大气研究中心,博尔德80307;中国科学院空间科学应用与研究中心,北京100190;中国科学院空间科学应用与研究中心,北京100190【正文语种】中文【中图分类】P352【相关文献】1.中低纬电离层对行星际磁场南向翻转的响应 [J], 孙树计;陈春;丁宗华;班盼盼;奚迪龙2.2000年7月和2003年10月大磁暴期间东亚地区中低纬电离层的GPS TEC的响应研究 [J], 夏淳亮;万卫星;袁洪;赵必强;丁锋3.超强磁暴期间中低纬电离层扰动的统计分析 [J], 孙树计;王保健;赵振维;刘玉梅;陈春4.东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析 [J], 高琴;刘立波;赵必强;万卫星;张满莲;宁百齐5.中低纬电离层不同季节地磁暴响应的事例分析 [J], 李维新;陈艳红;袁天娇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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• 电离层垂直结构示意图
沿南北方向，习惯上电离层也可以分为几个特征区。不同的区域之间没有明 显的边界，并且还会随地磁扰动情况移动。它们分别是： 低纬赤道电离层：
大致在磁纬 20N 至磁纬 20S 之间。低纬赤道电离层中重要的现象有电离 层赤道异常、赤道扩展 F、赤道电集流和电集流中的不规则结构或赤道 Es。 中纬电离层：
大致从南北半球磁纬 20至 60。 中纬槽区或亚极光区：
等离子体层顶沿磁力线向下投影到电离层高度所在的纬度至极光带的朝 赤道一侧的边界之间的区域，极光带的朝赤道一侧的边界对应等离子体片内 边界沿磁力线向下投影到电离层高度所在的纬度。 极光带或极光卵：大致在磁纬 67至 77之间，纬度范围有很大可变性。 极盖区：电离层高度上，开放磁力线所包围的区域。
辐射强度和中性大气成分的数密度是控制电离速率的两种基本因素。
在白天，引起电离的太阳辐射强度随太阳的天顶角变化，中午最强，电子密度的大小
也大致随太阳的天顶角变化。在夜间，来自太阳的辐射源不存在，电子密度逐渐减小。
这样，在给定地点，太阳辐射存在日变化，电离层电子密度也有明显的日变化。
因为辐射强度随高度降低而减弱，引起电离的能力也随高度降低而减弱；另一方面，
中低纬电离层环境
电离层环境及其变化的理论基础是等离子体电动力学和光化学。 电离层在很大程度上是以规则的可预测的方式变化的。不过，即便是规 则变化有时也与理论的预期不一致（电离层异常现象）。而且，由于地 球空间环境的复杂和多变性，在现实中，有许多偶发因素起作用，使电 离层环境更为复杂化。比如： 电离层的时空结构，除了规则变化，还经常包含随机出现的扰动和不规 则结构，电离层暴这种重要的扰动现象随时可能发生。 这一章将讨论两个主题：
❖ 电离层的一般特征
电离层是离地表最近的大气电离区域，也是对人类生活有最直接影响的大气 电离区域。 电离层中有充分多的自由电子和正离子。在任意给定的宏观区域都有相同数 量的正、负带电粒子。从整体上看，电离层呈电中性。 尽管中性气体相比，等离子体在数量上所占比例非常小的，约 1%或更小， 但它们的存在非常显著地改变了大气的电性质，使这部分大气可以承载电 流，并且强烈影响从 VLF 波到微波的各个波段的无线电波的传播。对短波的 传播影响最为显著。 按照国际无线电工程师协会（IRE）标准，电离层的定义是：“地球大气层的 一部分，其中存在的离子和电子在数量上多到足以影响无线电波的传播。”
• 因为他的“对于外层大气物理现象的探 索，特别是阿普尔顿层的发现”， Appleton于1947年荣获诺贝尔物理学 奖
• 空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获 得者
电离层和磁层
• 地球电离层指地球高层大气中被部分电离的区 域，通常指地面以上60-1000公里的高度范围 。按照国际无线电工程师协会(IRE)的定义， 电离层是地面60km以上到磁层顶之间的整个 空间，在那里“存在着大量的自由电子，足以 影响无线电波的传播”；而磁层则是“地磁场 对电子运动有决定性影响的那部分电离层”。 电离层与磁层没有明确的分界，通常把1000 公里作为电离层上边界。
沿垂直方向，电离层可以分为几个特征区域，在垂测的电离图上，它 们的特征不同。不过，不同的层区之间并没有明显的边界。 主要的四个区域是 D 区、E 区、F1 区和 F2 区。F1 区和 F2 区有时也统称 为 F 区。 在白天，四个区的大致高度范围和电子密度分别为：
D 区 60-100km， 108 -1010m-3 E 区 100-160km， 1010-1011m-3 F1 区 160-200km， 1011-1012m-3 F2 区 200km 以上， 最大电子密度高度在 350km 上下，
• 1924年Appleton和Barnet利用无线电波实验 ，证明电离层的存在，并确定了电离层的高度。 1925年Breit和Tuve确认了Appleton的实验， 并研制出最早的电离层无线电探测设备：垂测仪 ，一直沿用至今。
• 电离层的发现成为空间物理学发端的标 志。在电离层的发现和无线电波传播理 论的发展中，Appleton的贡献最为突 出。
❖ 中纬和低纬赤道区电离层的规则变化和异常； ❖ 随机出现的扰动和不规则结构。
电离层的发现 电离层的定义
电离层探测 都与电波传播有非常密切的联系
电离层的发现
• 自从1901年Marconi成功进行了跨越大西洋的 无线电传输试验，科学工作者就开始解释电波传 播的方式。
• 1902年，Kennely与Heaviside独立提出，存在 一个由自由电荷组成的、能反射电磁波的导电层 。对于这种导电层的理论，存在了近20年的争议 。
•极尖极隙区
电离层的生成理论 简介
❖ 太阳辐射与电离
太阳远紫外辐射和 X 射线辐射作用于地球中性大气，使中性大气粒子电离，生成电子-
离子对。设 X 是某种大气成分的分子或原子，按照质量作用定律，
X h X e
例如： O h O e
这样就产生了这种大气成分的正离子和自由电子。反应是可逆的。
中性大气密度随高度降低而增大，吸收的辐射能量产生电子-离子对的数量随高度降低
而增加。可见，上述两还应该随高度变化，并且电离密度可能在某个高度上存在一
个极值。
❖ 电离密度的时间变化*连续性方程
在太阳辐射作用下，大气层的部分中性气体发生电离，生成大 量自由电子-离子对，从而形成电离层。 电离过程所涉及的主要中性气体成分是 O2、N2、O 和 H。 在中低纬，电离所需要的能量主要来自太阳的远紫外和 X 射线 辐射。 光电离产生的电子-离子对，既可能通过复合消失，也可能与其 它气体成分重新反应产生新的离子，还可以通过扩散或漂移从 一处运动到另一处。这样，就存在一个动态平衡，局部区域内， 带电粒子密度的时间变化依赖于生成、消失和输运过程的平衡。