（无线电物理专业论文）南北极电离层f层观测与国际参考电离层对比研究.pdf

摘要 摘要 我国南极中山站和北极l o n g y e a r b e a n 的s v a l b a r d 站构成地磁共轭 利用国际 极地年 i p y 2 0 0 7 2 0 0 8 期间数据共享的便利条件 通过对比分析南北半球共 轭台站的电离层f 层特性的异同 有利于了解极区电离层f 层的变化特性及其形 成机理 进一步将南极中山站测高仪观测数据以及北极s v a l b a r d 站的非相干散射 雷达观测数据与最新的国际参考电离层模型i r i 2 0 0 7 进行比较 能够更好的考察 i r i 2 0 0 7 对极区电离层的预测情况 以便为进一步改善模型在极区预测发挥建设性 作用 本文首先处理了太阳活动低年 2 0 0 7 年 南北两极地磁共轭的中山站d p s 4 测高仪观测数据与北极e i s c a t s v a l b a r d 雷达观测数据 分析两个台站不同季节电 离层f 层临界频率 f o f 2 和峰值高度 h m f 2 日变化特性 探讨其共同形成机 理 然后进一步利用与最新的国际参考电离层模型i r i 2 0 0 7 预测和观测结果对比 分析 考察国际参考电离层在极隙区电离层的适用情况 本文南北地磁共轭的两 站观测与i r i 模式对比结果表明 i r i 模型应用在极区还需进一步改善并给出了建 议 论文的主要研究工作与结果归纳如下 1 南北极电离层f 层季节日变化特性研究 对于f o f 2 中山站秋季和s v a l b a r d 站春季季节都有明显的磁中午现象出现 且两分季日变化幅度较其它季节大 夏季同变化趋势都比较平缓 日变化幅度较 小 冬季曲线都出现双峰结构 但中山站在磁中午附近出现明显主峰 次峰位于 1 7 0 0 m l t 附近 且明显小于主峰值 s v a l b a r d 站在磁中午附近无峰值出现 两峰 值分别位于0 8 0 0 m l t 和1 8 0 0 m l t 附近 且数值大小接近 中山站冬季f 0 f 2 大 小整体比s v a l b a r d 站f o f 2 大 与太阳的1 0 7 厘米射电通量 f 1 0 7 大小无关 这说明中山站冬季主峰与较低纬度受太阳电离的高密度等离子体经过极隙区有 关 而s v a l b a r d 站f 层电离层主要受极光粒子沉降作用 对于h m f 2 两分季节日变化具有不对称的 w 形状特点 日变化幅度都比较 大 夏季日变化幅度都相对较小 曲线比较平缓 较其它季节 无论在变化趋势 还是数值大小上 夏季两站h m f 2 都非常相似 冬季日变化较为平缓 中山站h m f 2 平均高度要比s v a l b a r d 站h m f 2 平均高度高 2 南北极观测与国际参考电离层对比研究 夏季f o f 2 无论中山站还是与其地磁共轭s v a l b a r d 站i r i 模式预测与观测符合 较其它季节要好 这可能是因为i r i 模式日变化特性主要基于中低纬度观测结果 较好的考虑了考虑太阳光辐射电离的影响 而两站夏季由于太阳光辐射电离占主 导作用 冬季中山站与s v a l b a r d 站观测与i r i 模式相对偏离很大 i r i 模式无法反 映出午后峰值的变化 这是由于两站在冬季太阳全天都处于地平线以下 太阳光 辐射影响不明显 极光粒子沉降在两分季节和冬季对f 层的影响i r i 模式未能很好 地体现 本文结果还显示 i r i 预测的h m f 2 普遍要比实际观测大 3 改善i r i 模型在极区适用情况的建议 i r i 模型需要单独的模块描述极区极光粒子沉降和极区等离子体对流共同作 用下的极区电离层经验模型 i r i 作为依赖观测数据的经验模型 需要增加极区的 观测台站 为i r i 模型的进一步完善提供长期可靠的观测依据 关键词 极区电离层国际参考电离层e s r 雷达d p 4 测高仪 a b s t r a 了r a b s t r a c t b a s e do nt h eg o o dg e o g r a p h i cl o c a t i o n so fm a g n e t i cc o n j u g a t eb e t w e e nc h i n e s e z h o n g s h a ns t a t i o ni na n t a r c t i ca n ds v a l b a r ds t a t i o ni na r c t i c w i t ht h ec o n v e n i e n t s h a r eo fi n t e r n a t i o n a lp o l a ry e a r i p y 2 0 0 7 2 0 0 8 r a d a rd a t a t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l a y e ri o n o s p h e r ei nb o t hh e m i s p h e r e sa r ec o m p a r e d i t i s h e l p f u l t ou n d e r s t a n d i o n o s p h e r es t r u c t u r ea n df o r m a t i o nm e c h a n i s m f u r t h e rm o r e t h ed a t ao b t a i n e df r o m b o t hd p si nz h o n g s h a na n di n c o h e r e n ts c a t t e rr a d a ri ns v a l b a r da r ec o m p a r e dw i t ht h a t p r e d i c t e db yt h el a t e s ti n t e r n a t i o n a lr e f e r e n c ei o n o s p h e r em o d e l i r i 2 0 0 7 w h i c hc a n e v a l u a t ei r i 一2 0 0 7 sf o r e c a s t i n gc a p a b i l i t ys oa st oh e l pi m p r o v ei t sa c c u r a c yi np o l a r r e g i o n s f i r s t l y t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi o n o s p h e r ei n z h o n g s h a na n ds v a r b a r db yu s i n gt h er e s p e c t i v eo b s e r v a t i o nd a t a t h ed i u r n a lv a r i a t i o n o ff 2p e a kp a r a m e t e r sf o f 2a n dh m f 2 i sa n a l y z e da n dt l l e i rf o r m a t i o nm e c h a n i s mi s d i s c u s s e d t h ei r i 2 0 0 7f o r e c a s t i n gr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h eo b s e r v a t i o nr e s u l t s a n di r im o d e lc o n d i t i o ni np o l a rg a pi o n o s p h e r ei si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r t h en o r t h a n dt h es o u t hg e o m a g n e t i cc o n j u g a t eo b s e r v a t i o no ft h et w os t a t i o n sc o m p a r e dw i t h t h ei r im o d e lr e s u l t ss h o wt h a t i r im o d e la p p l i c a t i o ni nt h ep o l a rr e g i o n sn e e dt ob e f u r t h e ri m p r o v e da n dg i v es u g g e s t i o n s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rc a nb ec o n c l u d e d a sf o l l o w s 1 t h es t u d yo nd i u r n a lv a r i a t i o n so ff l a y e ri o n o s p h e r e i nb o t ha n t a r c t i ca n da r c t i c a sf o rf o f 2 t h e r ea r em a g n e t i s mn o o np h e n o m e n ai nt h ea u t u m no fz h o n g s h a n a n ds p n n go fs v a l b a r d a n da te q u i n o x t h ec h a n g i n gr a n g ei sm u c hb i g g e rt h a ni nt h e o t h e rs e a s o n s s u m m e r sd i u r n a lv a r i a t i o ni sr e l a t i v e l yg e n t l ew i t hs m a l lc h a n g i n gr a n g e t h e r ei sd o u b l e h u m ps t r u c t u r ei nw i n t e r i nz h o n g s h a n t h eh i g h e s tp e a ka p p e a r sa t m a g n e t i s mn o o n t h es e c o n dh i g h e s tp e a ka p p e a r sa r o u n d17 0 0 m l t w h i l ei ns v a l b a r d t h e r ea r en op e a kv a l u ea r o u n dt h em a g n e t i s mn o o nb u ta t0 8 m l ta n d18 m l ta n dt h e s e t w op e a k sa r eq u i t ec l o s ei nv a l u e o nt h ew h o l e t h ef o f 2i nz h o n g s h a ni sb i g g e rt h a n i ns v a l b a r d i th a sn o t h i n gt od ow i t l ls o l a rf io 7r a d i a t i o nf l u x i ti n d i c a t e st h a tt h e m a j o rp e a k i nz h o n g s h a ni sr e l e v a n tt os o l a r i o n i z e dh i g h d e n s i t yp l a s m ai n l o w a l t i t u d ez o n e sp a s s i n gt h r o u g hp o l a rg a p w h i l et h efl a y e ri ns v a l b a r di sr e l a t i v et o t h ea u r o r a lp a r t i c l ep r e c i p i t a t i o n a sf o rh m f 2 a te q u i n o x t h ed i u r n a lv a r i a t i o nh a sa na s y m m e t r i c w s h a p e w h o s ec h a n g i n gr a n g ei sm u c hw i d e r t h ec h a n g i n gr a n g ei ns u m m e ri sr e l a t i v e l ys m a l l a n ds m o o t h a n dc o m p a r e dw i t ho t h e rs e a s o n s t h el m f l 7 2i n z h o n g s h a na n ds v a l b 川 a r em u c hs i m i l a ri ns h a p e y e tt h ea v e r a g eh e i g h to fz h o n g s h a n i sh i g h e rt h a nt h a to f s v a l b a r d 2 t h es t u d yo nc o m p a r i s o nb e t w e e no b s e r v a t i o n sa n d i r ii nb o t l la n t a r c t i ca n d 胁i c i ns u m m e r t h ef o f 2o b s e r v a t i o n si nz h o n g s h a na n ds v a l b a r df i tt h ei r im o d e l m u c hb e t t e r ni sp o s s i b l ye x p l a i n e d b yt h er e a s o nt h a tt h ei r im o d e li sl a r g c l yb a s e do n t h eo b s e r v a t i o n sa tl o w e ra l t i t t i d ew h i c hb e s tc o n s i d e rt h es o l a rr a d i a t i o n s i m i l 砌mi i l p e l a rz o n et h es u ni sm o s ta c t i v ei ns u m m e ra n dp l a y sav i t a lp a r ti n a f f e c t i n gt h e 1 0 n o s p h e r ee n v i r o n m e n t i nw i n t e r t h ec o m p a r i s o nr e s u l ti st h ew o r s t i r im o d e lc 觚 n o tr e f l e c tt h ec h a n g eo fp e a kv a l u ea f t e rt h en o o n i tb e c a u s et h e s u ni sa l w a y su n d e r t h eh o r i z o nf o rm o s to ft i m ei nw i n t e rw h i c h r e s u l t si nt h el a c ko fs o l a rr a d i a t i o n t h e a u m r a ip a r t i c l ep r e c i p i t a t i o ni sm o s t l y a f f e c t i n gt h efl a y e ra te q u i n o xa n di nw i n t 瓯b u t n o tw e l li n c l u d e di nt h ei r im o d e l b e s i d e s t h eh m f 2f o r e c a s t e di s l 啦e rt h a nt h e o b s e r v a t i o n s 3 a d v i c ef o r i m p r o v i n gt h ei r im o d e lt oa p p l yt ot h ep o l a rr e o n t h e p a r t i c u l a rm o d u l ei sn e e d e dt od e s c r i b et h ei o n o s p h e r ei np o l a rr c 西o nu n d e r t h ei n f l u e n c eo fp a r t i c l ep r e c i p i t a t i o na n d p l a s m ac o n v e c t i o n a sa n 啪p i r i c a lm o d e l b a s e do no b s e r v a t i o nd a t a m o r eo b s e r v a t i o ns t a t i o n si np o l a r r e o na r ei n 黟e a tn e e ds o a st ob e t t e rt h ei r im o d e lb y p r o v i d i n gm o r ec o n v i n c i n gr e c o r d k e y w o r d s p o l a ri o n o s p h e r ei n t e r n a t i o n a lr e f e r e n c e l o n o s p h e r i cm o d e l e i s e a t s v a l b a r dr a d a rd p s 4d i g i s o n d e 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别 加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论 本人签名 不实之处 本人承担一切的法律责任 日期趁孥 厶丛二 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 学校 有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 同时本 人保证 毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电 子科技大学 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密 在一年解密后适用本授权书 本人签名 导师签名 日期丝望 z 堕 日期型z 第一章绪论 第一章绪论 本章作为全文的绪论介绍了本课题的研究背景和意义 阐述了本文所研究问题的国 内 外进展情况 并介绍了本文的结构安排 在1 1 节介绍了本课题的研究目的和意义 并简单介 绍了i 砒模型的背景及发展历程 应用 在1 2 节介绍了国内外极区电离层研究以及考察i r i 的研 究历史及现状 在1 3 节给出了全文的结构安排 1 1 研究的目的及意义 极区电离层具有许多与中 低纬电离层所不同的特性 在极盖区上空地球磁 力线是开放的 向磁尾延伸有时甚至与行星际磁场相连接 一些磁层过程中的带 电粒子获得很高能量后沿着地磁力线近乎垂直地向电离层以至中低层大气传输 使各层间产生能量 动量和质量耦合 并产生一系列重要的地球物理现象 例如 极光 粒子沉降 磁层亚暴 极盖吸收 电离层行扰 西向浪涌及对中层大气加 热等 磁层和太阳风相互作用所形成的大尺度磁层电场也可沿着高导电率的地磁 力线映像到极区电离层 另一方面 电离层的变化又可对磁层电场施加一定的调 制作用 概括地说 极区电离层通过对流电场 粒子沉降和场向电流与磁层紧密 耦合在一起 并受太阳风与行星际磁场 i m f 的直接控制 在太阳风 磁层一电离 层 热层耦合过程中起着重要作用 太阳活动事件对地球空间环境的影响在极区最 先出现并且表现最为明显 有不少地球物理效应 如地磁扰动 声重波和电离层 行扰等 也是从高纬向中低纬传输 对极区电离层的观测研究有助于获得有关太 阳风 磁层 电离层以及热层耦合过程的更直接的信息 极区电离层地面探测是研究电离层的重要手段 对磁层一电离层现象的研究起 着重要作用 近十年来 欧洲非相干散射雷达 s u p e r d h r n 雷达网 数字式电离层 测高仪等观测仪器被用于极区电离层的观测研究 极大地推动着电离层研究的深 入发展 通过国际间的合作 可以获得更为丰富的极区电离层观测数据 在国际 极地年 i p y 2 0 0 7 2 0 0 8 期间 很重要的一个方面是通过数据共享 开展南北 极空间环境的研究 我国极地高空大气物理研究有着良好的国际合作环境 随着 我国加入欧洲非相干散射雷达科学组织 我国科学家在利用南北极电离层共轭研 究方面有了更好的条件 南北两极电离层由于磁力线开放的特性 二者之间的联系虽不如由极区能量 沉积引起的中低纬与极区电离层以及低纬与赤道电离层通过磁力线联系紧密 然 而由于磁场位形的相似性 和太阳风与磁层相互作用在两极地区的不同表现 开 展南北极地磁共轭观测研究对理解极区电离层物理过程具有重要的意义 将数字 2南北极电离层f 层观测与国际参考电离层对比研究 式电离层测高仪的观测数据 与非相干散射雷达观测数据结合起来 形成互补可 以更好的了解整个极区电离层变化特性及其形成机理 本文首先处理了2 0 0 7 年我国南极中山站和北极l o n g y e a r b e a n 的s v a l b a r d 站 欧洲非相干散射雷达所在位置 电离层f 层观测数据 分析了南北半球地磁共 轭的这两个台站的电离层f 层特性 并给出了这两个台站电离层f 层变化特性的 对比结果 除了电离层探测手段外 对电离层的深入研究还需要借助于电离层模式 研 究电离层的模式一般分为理论模式 经验模式 和半经验模式 经验模式使用大 量的观测数据 经过日平均 季节和太阳周期平均 用一些简单的解析公式来描 述电离层的电子密度 电子温度等电离层参量的空间和时间变化 经验模式的优 点是 运算速度快 并具备一定的预报能力 但是 由于在建模过程中对相关物 理量做了平均 因此 此类模式给出的电离层参数随时间的变化只是平均情况 国际参考电离层模式 i r i 是利用全球范围内观测到的电离层数据建立的标准电 离层经验模式 在给定的地点 日期和时间 i r i 模式能够预测5 0 k m 到1 5 0 0 k m 高 度范围内所有高度上的电子密度 电子和离子温度 离子成分以及某个高度区间 内的电子含量等电离层参数 它提供了磁静日非极光区电离层的月平均结果 数 据主要来源于全球测高仪台站网 非相干散射雷达 国际电离层研究卫星加拿大 科学研究卫星 i s i s 和百灵鸟加拿大科学研究卫星 a l o u e t t e 顶部探测以及一些 卫星和火箭的就地测量 它是6 0 年代术由空间科学委员会 c o m m i t t e eo ns p a c e r e s e a r c h c o s p a r 与国际无线电联盟 i n t e r n a t i o n a lu n i o no fr a d i o s c i e n c e u r s i 两个国际组织组成的i r i 研究组建立的一套基于数据的经验模型 c o s p a r 的主要兴趣在于该i r i 模型能够对电离层在该空间环境下的仪器和实验施 加的影响 给出一个整体效果的描述 u r s i 的主要兴趣是对i r i 模型在电子密度 的预测上能够为空间无线电波传播的研究及应用界定背景电离层 为了完成这些 目标 i r i 工作组在早期多种模式和研究工作的基础上做了大量的工作 使i r i 模 型从简易的图表形式 发展成为适合于计算机使用 并具有良好用户界面的计算 机程序软件 i r i 并不是单一的经验模型 它和其它经验参考模型是相互联系的 例如 i r i 模型中的偶极子坐标 磁纬等参数就需要国际地磁参考场 i g r f 模型来 计算磁场坐标 i r i 模式中 电离层参量的高度变化 纬度和经度变化采用一定的 数学函数来进行描述 一般来说 i r i 模式通过这些函数给出特征参量较好的时空 分布 但是 由于电离层结构及其变化的复杂性 电离层探测台站的不均匀 以 及探测手段和数据覆盖及处理方法的局限性等原因 i r i 在中纬度地区和f 2 层高 度上比其它地区和高度更可靠 对电子密度的预测也要比离子成分及温度的描述 好 在i r i 工作组和研究i r i 的科学家的不懈的努力下 关于考察和改善i r i 的 研究工作硕果累累 特别是对i r i 电子密度顶层模型预测的改善研究 i 羽 第一章绪论 3 从1 9 7 8 到2 0 0 7 年推出了一系列的i r i 版本 7 1 1 1 每隔几年推出的新版本会对 旧版本做出进一步的改进 改善模型的适用性 下表1 1 给出了i r i 各版本的更 新概述 表1 1 国际参考电离层各版本更新概述 年份版本更新概述 1 9 7 8i r j 7 8 第一个采用f o r t r a n 语言代码编写的i r i 7 8 以简易表格 的形式给出 模型基于遍布各地的台站网数据给出了全球的 电子密度分布 1 9 8 6眦 8 6 已经可以供个人计算机使用 模型利用a e c d e 和 a e r o s a b 的数据给出了全球电子温度的分布 1 9 9 0i r i 9 0 模型对中纬电离层电子密度的预测增加了模式选项 1 9 9 5 u 9 5 模型的代码已经可以在i r i 主页上下载 该模型在低磁纬做 了许多改进 2 0 0 1 u 2 0 0 1 主要在d 层和f l 层做了改进 并考虑了磁暴的影响 引入 了新的模式选项 f l 层出现概率 f 1p r o b a b i l i t y 赤道纵向 离子漂移 e q u a t o r i a lv e r t i c a li o nd r 2 0 0 7i r i 2 0 0 7 模型对电子密度 离子成分 电子温度的预测都做了改进 例如 更新了i g r f 来计算磁场坐标 对顶层电子密度的预 测出现了两个新的模式选项 一个是 对利用卫星a l o u e r e l 2 和i s i s l 2 数据来预测超过1 5 0 0 0 0 的顶层剖面的i r i 2 0 0 1 模 型有了一个修正因子 另一个是 通过对比t o p e xt e c 的 观测数据 n e q u i c k 模型做了改进 改善了模型过去对t e c 的预测 i r i 2 0 0 7 采用了最新的n e q u i c k 模型计算顶层电子 密度剖面 国际参考电离层在现实中发挥着广泛的作用 它可以作为工程应用的标准参 考 同时也是具有研究意义的可视化工具 利用它可以得到国际参考电离层的t e c 总电子含量 图 国际参考电离层还可以用于单频率卫星高度计的电离层校正 它是欧洲遥感卫星 e r s 1 e r s 2 数据产物的进一步发展 国际参考电离层同 时还可以作为评估数据映射技术方法的背景电离层 本文进一步利用最新的国际参考电离层i r i 2 0 0 7 t l i 与南北极地磁共轭台站观 测数据进行对比 考察i r i 2 0 0 7 在极区的适用情况 期望为改善i r i 2 0 0 7 在极区 预测的发挥建设性作用 4南北极电离层f 层观测与国际参考电离层对比研究 1 2 国内外研究历史及现状 国际参考电离层的不断更新 利用观测数据与i r i 模型结果作对比分析考察国 际参考电离层的研究比较多 观测与i r i 模式的比较在中低纬的研究比较多 例如 f b e r t o n i 等 2 0 0 6 利用巴西低纬度地区两个台站测高仪观测数据与i r i 2 0 0 1 模式 预测结果进行对比研究 1 2 结果显示这两个台站i r i 模式预测得到的f 0 f 2 和h m f 2 与观测结果都符合的比较好 j i u h o ul e i 等 2 0 0 6 利用非相干散射雷达 i s 在 m i l l s t o n eh i l l 4 2 6 n 2 8 8 5 e 观测数据和e i s c a ts v a l b a r d 雷达 e s r 观测数据与 i r i 2 0 0 1 进行对比f 1 3 结果发现对于f 2 层临界频率f o f 2 和峰值高度h m f 2 i r i 模型的预测结果与i s 在m i l l s t o n eh i l l 地区观测符合的比较好 但是与e i s c a t s v a l b a r d 的观测结果相差很大 m a n l i a nz h a n g 等 2 0 0 7 禾0 j 用中国海南地区数字式 电离层测高仪 d p s 4 2 0 0 2 年3 月到2 0 0 5 年2 月的观测数据与i r i 2 0 0 1 对比分析 1 4 1 文章指出太阳活动高年2 0 0 2 年观测与i r i 模式符合程度相对其它年份较好 对于f 2 层峰值参数f o f 2 的预测 在夏季要比其它季节符合的好 对于h m f 2 夏 季白天观测与i r i 模式偏差较夜晚小 由于极区电离层的形态及变化特征十分复杂 加上极区电离层观测设备少 观测气候条件恶劣等原因 导致极区电离层观测数据相对中低纬要匮乏 作为依 赖观测数据的经验模型 i r i 模型在具体时间和地区的预测准确性依赖于该地区 该时间段是否具有长期可靠的观测数据 i r i 模型电子密度的预测最重要的数据来 源是全球电离层探测台站网 一方面由于极区长期观测的数据少 另一方面影响 极区电离层变化特性的因素较中低纬地区更多更复杂 其中两个主要过程等离子 体对流和能量粒子沉降对极区电离层的影响 i r i 模型并不能体现 i r i 模式主要 是基于中低纬度观测结果 较好的考虑了太阳光辐射电离的影响 因此i r i 在极区 的预测与观测对比的符合程度相对中低纬度地区要差很多 经过调研也发现其中 利用极区观测结果与i r i 作比较 在极区偏离程度要比在中低纬地区大 尤其在极 区冬季表现的非常明显 由于极区电离层研究的特殊重要性 长期以来我国学者对极区电离层探测研 究取得了一些成果 其中对于南极中山站电离层探测研究 目前主要还是依靠 d p s 4 测高仪的观测数据 中山站的d p s 4 测高仪于1 9 9 5 年1 月开始正常观测以来至 今已取得一个多太阳黑子周期的电离层观测数据 并且已经整理成册编成数据集 i l 引 方便开展中山站电离层的研究工作 利用该观测数据研究中山站极区电离层 特性主要采用统计分析或者结合数值模拟方法来做分析 目前还没有将中山站观 测数据与i r i 模式做对比的研究 刘瑞源等 1 9 9 7 最早利用d p s 4 给出了中山站电离 层的初步结果 1 6 冬季电离层f 层存在明显磁中午现象 电离层e s 层与极光粒子沉 第一章绪论 5 降有很大的关系 漂移测量的结果表明 电离层漂移主要是水平方向的运动且具 有大体一致的日变化模式 显示出在极区存在逆阳对流 贺龙松等 2 0 0 0 利用 1 9 9 5 1 9 9 7 年中山站d p s 4 测高仪数据 分析了太阳活动低年中山站不同季节f 层的 平均变化特性旧 文章指出中山站夏季f 层临频随地方时而变化 两分季有比较明 显的磁中午现象 冬季会出现双峰结构 徐中华等 2 0 0 6 对1 9 9 5 2 0 0 2 年的中山站 观测数据进行了统计分析 揭示了中山站f 2 层临界频率的主要特征 1 8 文章指出 太阳活动高年主要体现太阳辐射电离率的作用 太阳活动低年f o f 2 不会出现冬季电 子密度叫e 数值大于其它季节所谓的 冬季异常 现象 朱爱琴等 2 0 0 8 利用南极 中山站和t r o m s o 站两个台站的测高仪观测数据 并结合数值模拟结果 分析了冬 季这两个站f 层电离层f o f 2 的变化特性 1 9 1 文中指出了中山站和t r o m s o 站虽然地理 纬度接近 f o f 2 日变化形成机理不完全相同 由于地磁纬度的差异 极区对流与日 侧光致电离的相互作用造成了两站日侧电离层的不同变化形态 中山站f o f 2 日变化 主峰出现在磁地方时中午附近 而t r o m s o 站f o f 2 日变化主峰出现在地方时正午附 近 两站日侧f 0 f 2 受太阳辐射流量影响较大 极光沉降粒子电离在太阳活动低年对 中山站f o f 2 日变化形态影响显著 张北辰等 2 0 0 1 利用数值模拟了不同特征的沉降 电子对极区电离层的影响 2 0 1 发现平均能量低的电子束能够形成明显的电离层f 层 平均能量较高的电子束能使得最大电离的高度下移 形成明显的e 层 甚至其 电子浓度高于f 层 通过分析中山站电离层统计结果 结合电子沉降在极隙区的分 布特征和上述模拟结果 认为中山站磁中午现象主要由电子沉降所致 对于北极电离层的探测相对南极要多 大都采用欧洲非相干散射雷达观测数 据研究极区电离层 其中也有一些结合国际参考电离层做对比分析研究 柳一村 等 2 0 0 0 利用e s r1 9 9 9 年3 月至2 0 0 3 年2 月期间观测数据 对太阳活动高年前后 极区电离层f 区电子密度随高度和地方时的二维分布进行统计分析 研究极隙 极盖区背景电离层特征 并与i r i 2 0 0 1 模式预测结果进行了比较分析 2 分析结 果表明 在e s r 雷达所在纬度 不存在 冬季异常 现象 还首次发现 此处电离 层冬季日变化存在磁午夜前主极大 另外 无论在什么季节 白天时段e s r 雷达 上空电子密度都在磁正午附近有一极大值 与i r i 模式的比较表明 模式预测的f 区电子密度与e s r 实测结果存在较大偏差 在5 0 0k m 高度以上的顶部电离层和冬 季 差别尤其明显 最后简要讨论了软粒子沉降对造成电子密度日变化磁正午极 大的作用和冬季磁午夜前主极大的形成机理 蔡红涛等 2 0 0 5 l j 用1 9 8 8 1 9 9 9 年欧 洲非相干散射e i s c a t 雷达观测数据 对不同太阳活动周相 不同季节的极光椭圆 区电离层f 层电子密度进行统计分析 矧 研究其气候学特征 并与i r i 2 0 0 1 模式 比较e i s c a t 观测到的电子密度显示出显著的太阳活动高年 冬季异常 和太阳活 动低年半年变化等现象 e i s c a t 实测电子密度随时间和高度的平均二维分布和 5 0 0k m 高度以下总电子含量t e c 从总体来看与i r i 2 0 0 1 模式预测结果符合较好 6南北极电离层f 层观测与国际参考电离层对比研究 但高年在t e c 达到最大值前后 i r i 2 0 0 1 模式预测的电子密度高度剖面与e i s c a t 观测结果有显著差别 f 2 峰以上i r i 2 0 0 1 模式预测的电子密度过大 造成t e e 明 显高于雷达观测值 另外 在太阳活动下降相 e i s c a t 观测显示出明显的半年周 期季节变化特征 但i r i 2 0 0 1 模式未能预测出此下降相季节变化 h u i x i n u 等 2 0 0 7 禾u 用c h a m p 卫星2 0 0 1 2 0 0 4 年电子密度观测数据与i r i 模式做对比研列2 3 考察了i r i 在南北半球的适用情况 对于北半球 c h a m p 卫星观测n e 数据整体要 比i r i 模式高出1 5 9 6 i r i 无法体现极光区域 除了夏季 夜晚n e 电子密度较低 的特性 对于南半球 误差要比北半球大 观测发现南纬5 0 度以上地区冬季白天 的电子密度较其它季节白天要小 并没有 冬季异常 现象 而i r i 模式预测则 出现 冬季异常 现象 i r i 模式同时也没有反映出南半球两分季节观测在磁地方 时1 7 m l t 出现的电离槽 由上可见 国内外研究极区电离层特性的文章所利用的数据大都是数字式测 高仪的单站数据 2 4 之6 1 或者利用非相干散射雷达的单站数据 2 7 一o l 较多利用的是 南 北半球各自的模拟结果与观测结果做比较 很少将共轭的两个极区台站观测 数据结合起来做对比分析研究 同时考察国际参考电离层适用情况较多考察中低 纬地区符合情况 3 l 3 3 而考察i r i 在极区的适用情况的研究比较少 利用南北极两 个地磁共轭台站的观测结果与国际参考电离层作对比的研究非常少 为了考察最 新的i r i 2 0 0 7 能够在多大程度上反映出南北极极区电离层f 层的变化特性 本文 进一步利用处于南 北半球具有相同地磁纬度的南极中山站d p s 4 测高仪和北极 s v a l v a r d 站e s r 的数据 并引入误差理论来分析观测与i r i 2 0 0 7 模式的偏离度 1 3 本文内容概要 论文共分五章 各章内容安排如下 第一章为绪论 阐述了极区电离层研究的重要性 简介了国际参考电离层的 发展历程 分析了考察国际参考电离层的研究历史及现状 第二章介绍了电离层的基本理论 简述了极区电离层的特点及其动力学过程 第三章简介数字式电离层测高仪探测技术及非相干散射雷达探测技术 并对 南北极所选台站的观测数据进行分析 通过临频及峰高的月中值季节日变化曲线 图对比分析了0 7 年南北极f 层电离层变化特性 第四章利用i r i 模式的预测结果与南北极观测进行对比分析 考察了最新的 国际参考电离层i r i 2 0 0 7 在极区的适用情况 并对对比结果进行了探讨 第五章对全文进行总结 介绍本文的主要工作与成果 并对下一步的工作提 出了初步设想 第二章极区电离层概述 7 第二章极区电离层概述 本章在概述电离层的一些基本概念及其内部的基本物理 化学过程的基础上 简述了极 区电离层的特点及其动力学过程 在2 1 节简单介绍了电离层的基本概念 在2 2 节简介了电 高层内部的基本物理过程 在2 3 节给出了极区电离层的特点 重点介绍了影响极区电离层的 两个主要过程 极区等离子体对流和能量粒子沉降 2 4 节总结了本章主要内容 2 1 电离层简介 电离层是处于地面之上约6 0 至1 0 0 0 k m 高度范围之间被电离的大气层 是近 地空间环境的一个重要组成部分 这一范围内的地球中性大气有一部分由于吸收 太阳远紫外线 e u v 及软x 一射线谱段的辐射而电离 生成自由电子和离子 但其中仍然有相当多的大气分子和原子未被电离 特别是在5 0 0 k m 高度以下 电 子和离子的运动除部分地受地磁场影响之外 还因碰撞而显著地受背景大气中性 成分的制约 与此同时 电离成分吸收了使之电离的那部分太阳辐射能量 并在 碰撞时部分地把这些能量传递给中性成分 由于在很大高度上空气非常稀薄 热 容量相当小 故中性成分的温度显著提高 因此 在同一高度范围内 电离部分 称为电离层 中性背景则称为热层 电离层和热层强烈的耦合 尤其表现在运动 学过程方面 形成了电离层的一个重要特点 事实上 从电离层向外直至若干个 地球半径的范围内 地球大气都是电离的 但大气本身越来越稀薄 电离程度也 越来越高 几千公里以外的大气是完全电离的 不存在背景中性成分 电离气体 的运动完全受地磁场的控制 其表现形式和电离层中有很大的差异 我们将比电 离层所在高度更高 完全电离的部分称为磁层 电离层向磁层提供一定的电离成 分 特别是一些重离子成分 而某些磁层过程使其中的带电粒子获得很高能量后 又可沿着地磁力线到高纬地区的电离层中 同时 磁层和太阳风相互作用所形成 的大尺度磁层电场也可沿着高导电率的地磁力线传递到高纬电离层 反过来 电 离层的变化又可对磁层电场施加一定的调制作用 因此电离层与磁层也是强烈耦 合的 作为电离层电离源的太阳辐射 随着各种不同时间和空间尺度的太阳活动性 以及强有力的太阳扰动而产生剧烈变化 直接或间接的影响着电离层 因此 电离层是日地空间耦合链中的一个重要环节 太阳辐射对不同高度不同成分的空 气分子电离造成电离层不同的分层 通常将地球电离层划分为不同的几个特征区 域 主要的四个区域是d 区 e 区 f 1 区和f 2 区 f l 区和f 2 区也统称为f 区 下图2 1 是典型的中纬电离层电子密度垂直结构剖面图m j d 层是电离层最低的一 8 南北极电离层f 层观测与国际参考电离层对比研究 层 离地球表面5 0 至9 0 千米 这里主要是波长为1 2 1 5 纳米的赖曼一口氢光谱线 的光电离一氧化氮 该区对无线电波的吸收起主要作用 其电子密度在白天约为 2 5 1 0 9 m 一 在夜间减小到可以忽略 e 层是中层 在地面上9 0 至1 2 0 千米 这里 的电离主要是软x 射线和远紫外线对氢气分子的电离 该区的电子密度随太阳天 顶角及太阳活动有规律的变化 密度值在白天可达2 1 0 1 1 m 3 足以反射频率为几兆 赫兹的无线电波 在夜间 e 区电子密度降低一个多量级 f 层离地面1 2 0 至4 0 0 千米 在这里太阳辐射中的强紫外线 波长1 0 至1 0 0 纳米 电离单原子氧 f 层 是整个电离层中电子数密度最大的一个区域 其峰值电子密度的平均值在白天为 2 x 1 0 1 2 m 3 夜间2 x 1 0 1 1 m 3 对于电波传播来说这是最重要的层 夜间f 层合并 为一个层 白天分为e 和只两个层 f 区的变化很不规则 通常有许多异常特性 如赤道异常 冬季异常等等 亩 o v 电 1 0 0 0l o l o s 5 x 1 0 11 0 1 哪 1 图2 1 典型的中纬电离层电子密度垂直结构图 2 2 电离层内部的物理 化学过程 连续性方程是描述电离层物理 3 4 过程的基本重要方程 电离层的产生与消失 与之有不可分割的联系 电离层的基本物理过程大致分为两大类 一类过程导致