论文题目: 中纬电离层的统计分析与模式化研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 空间物理学
作者: 雷久侯
导师: 万卫星,刘立波,张顺荣
关键词: 中纬电离层,非相干散射雷达,计算机数值模拟,电离层暴,电离层与热层耦合,数据同化
文献来源: 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 地球电离层作为近地大气和外层空间连接的纽带,与中高层大气以及磁层均存在着强烈的耦合,因此电离层研究具有重要的科学意义。此外,电离层对无线电通信、导航、测量以及人类的空间活动都有着重要影响,因而电离层研究同时具有非常重要的应用价值。本文利用美国Millstone Hill 非相干散射雷达观测数据,结合电离层理论模式,运用数据同化的思想,系统地研究了中纬地区电离层变化特征以及电离层与背景热层的相互耦合过程。首先,在电离层观测数据的统计分析中,利用Millstone Hill 非相干散射雷达1976-2002 年间覆盖两个多太阳黑子周期的观测数据,采用标高随高度线性变化的Chapman 函数拟合电子浓度剖面,得到峰值电子浓度NmF2、峰值高度hmF2和标高H 等参量;同时通过拟合底部电子浓度剖面,得出底部厚度因子B0 以及形状因子B1 两个参量,并结合1989-1990 年及1998-2004 年的Millstone Hill 数字测高仪观测的特性参量NmF2和hmF2,统计分析这些参量随周日、季节和太阳活动变化的气候学特征,并与国际参考电离层模式IRI 作比较。分析结果表明: (1)在太阳活动高年与低年,NmF2 的冬季异常特征都比较突出。在夏季,NmF2 的日落增强现象在太阳活动低年尤为明显,而在高年相对变弱。NmF2 和hmF2 与太阳活动指数F107 成非线性关系,而与F107p =(F107+F107A)/2 成线性关系,其中F107A为F107的81 天滑动平均值。这表明太阳辐射及背景大气随太阳活动对电离层总的效应与F107p 成正比例关系。另外,NmF2对F107p变化率的季节变化与背景电子浓度正相关,冬季大而夏季小。(2) 采用变标高的Chapman 函数能够很好地拟合150-600 km 的电子浓度观测剖面,峰上标高H 随高度增加而增加,峰下情况则相反。标高H 表现出比较明显地方时、季节及太阳活动变化。标高H 随太阳活动增强而增加,且与F107p近似成线性关系。等效顶部标高H0的变化特征与电离层板厚的结果吻合得很好。(3)通过拟合F2层底部电子浓度剖面得出底部厚度因子B0 以及形状因子B1。统计结果发现,除了夏季,B0 在早晨及下午时段都表现出明显的凹陷现象; B1 随太阳活动增强而增加,且从低年到高年变化了15%。与IRI 模式对比的结果表明,IRI 模式的Gulyaeva B0 以及B1 的标准选项计算的结果相对来说更接近
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一节 绪论
1.1 中纬电离层变化概述
1.2 电离层模式化研究的历史
1、经验与半经验模式
2、理论模式
3、电离层数据同化
1.3 本文工作的动机和目的
第二节 电离层非相干散射雷达探测技术
2.1 非相干散射探测原理
2.2 从非相干散射功率谱确定电离层等离子体参量
1、电子密度
2、电子和离子温度
3、离子成分
4、离子视线速度及中性风/电场
2.3 非相干散射探测特点
第三节 Millstone Hill 雷达数据的统计分析
3.1 Millstone Hill 雷达系统
3.2 数据选取与分析方法
3.3 统计分析结果
1、峰值浓度N_mF_2
2、峰值高度h_mF_2
3、标高H
4 、底部厚度因子B0 与形状因子B1
3.4 小结与讨论
第四节 中纬电离层理论模式
4.1 模式的出发方程
1、连续性方程与动量方程
2、离子与电子的能量方程
3、中性风方程
4.2 光化学过程
1、白天初级光电离
2、光电子的次级电离
3、夜间电离源
4、离子化学
4.3 加热率的计算
1、离子加热率
2、电子加热率
3、热传导系数
4.4 参数的确定
1、中性成分与温度
2、中性风场
3、与光电离有关的参量
4、动力学参数
5、振动激发态氮
4.5 数值方法及边界条件
1、数值方法
2、初始及边界条件
3、数值求解流程
4.6 模拟结果与雷达观测数据的比较
4.7 小结
第五节 模式应用Ⅰ:原子―分子离子过渡高度的理论研究
5.1 AE-C 卫星观测数据的分析
5.2 模式参数的选取
5.3 模式计算结果
1、日变化与季节变化
2 、周年与半年变化
3、太阳活动变化
4、地磁活动变化
5、LTH 的经验模型
5.4 讨论与小结
第六节 模式应用Ⅱ:非相干散射雷达数据同化研究
6.1 数据同化简介
6.2 ISR数据同化
1、电子浓度的数据同化
2、离子温度的数据同化
6.3 磁暴期间ISR 数据同化的应用
1、太阳地磁活动条件
2、未调整背景参数时的模拟结果
3、暴时ISR 数据同化
4、调整背景参数后的模拟结果
5、暴时夜间h_mF_2 和N_mF_2 变化特征分析
6.4 小结
第七节 总结与展望
7.1 本文的主要贡献
7.2 工作展望
参考文献
附录攻读博士学位期间发表的论文
致谢
英文目录
发布时间: 2006-01-20
参考文献
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