低纬（海南）地区电离层不规则体观测特性研究

论文摘要

低纬近赤道区电离层不规则体（包括各类扩展F和Es等）的研究在最近20多年已经取得了很大进展,但对于不规则体的变化规律和物理形成机制依然没有很好的认识,与不规则体密切相关的闪烁现象的研究也还不够深入。这些研究对于认识低纬电离层的变化规律和物理过程有着重要的科学意义,同时对于电离层天气预报模型的研究,也具有重要的应用意义。本文利用2002年3月至2006年2月期间海南电离层综合观测台站的DPS-4电离层数字测高仪和闪烁监测仪等观测资料,通过统计分析研究了低纬电离层中各类扩展F、Es和闪烁现象的时间变化特征以及随太阳和地磁活动的变化特性,通过事例分析研究了扩展F对磁暴的响应以及扩展F、Es与闪烁现象之间的关系。对2002年3月至2006年2月的频率、区域、混合和强区域等四种类型扩展F的总出现时间的逐月、季节和年际变化进行了统计分析,发现在太阳活动高年（2002年）,频率扩展不够活跃;区域扩展主要活跃在7、8和9月份;混合扩展主要活跃在3月份;强区域型扩展则主要活跃在3、4和9月份。在太阳活动下降年（2003和2004年）,频率扩展主要活跃在5-6月份;区域扩展主要活跃在2004年的9月份,而2003年不够活跃;混合扩展主要活跃在2003年的12月份和2004年的1、6和7月份;强区域型扩展则主要活跃在2003年的10月份和2004年的3、4、8和10月份。在太阳活动低年（2005）,频率和混合扩展主要活跃在6和7月份;区域和强区域扩展主要活跃在分季。这些结果与巴西Paulista台站的观测结果相比较发现在季节变化上有很大的不同,这主要是由于不同磁偏角造成的“经度效应”所致;与印度Ahmedabab台站的观测结果相比较发现在扩展F的季节出现率上有较大的差异,这可能是由于两个台站的不同纬度差异所造成的。对扩展F与地磁活动关系的统计研究表明:在春秋季各类扩展F的出现天数随Kp指数从0到1先增加,之后随Kp从1到8的增加而减小,这种现象对SSF尤其显著;夏季各类扩展F的出现天数与Kp的关系还保持了与分季相近的特征;冬季各类扩展F的出现次数都比较少,各类扩展F出现次数先随较小Kp值而上升,随后再下降。利用2004年海南数字测高仪和GPS闪烁监测仪观测资料,研究了海南地区电离层各种类型扩展F在不同季节里对全年9个强磁暴的响应特征。结果认为:（1）在赤道扩展F非活跃的冬季和夏季,强区域扩展F（SSF）在磁暴的初相、主相和恢复相初期均有发生,但都是在当地的日落后至午夜前之间;混合扩展和频率扩展则主要发生在磁暴的初相和恢复相,但都是在当地的午夜后;这表明磁暴对各类型扩展F均有触发作用,但要依赖于磁暴的相位和地方时。（2）在赤道扩展F活跃的分季（春秋季）,各类型扩展F都未出现在磁暴触发的当天晚上。这说明磁暴的触发对当天的扩展F有抑制作用。（3）当SSF处于磁暴主相阶段时,F层底层高度h’F有大幅升高,这说明磁层渗透电场对SSF的发生起到了主要作用。利用空间中心海南台站GPS电离层闪烁监测仪2003年7月到2005年6月两年间的观测资料,对太阳活动下降期间海南地区L-波段电离层闪烁形态特性进行了分析,主要分析结果表明:闪烁主要发生在日落后到午夜附近,其在春秋分出现的时间最早,集中出现于22LT左右,在冬季出现一定的时间延迟,在夏季出现的时间最晚,主要出现在午夜附近;闪烁的频率和强度春秋季明显增大,在冬季和夏季明显减小;闪烁主要发生于磁静日期间,这种情形主要集中于春秋分附近;电离层闪烁也可能发生于磁扰/暴期间,这种情形多发生于夏季和冬季期间。相对于地磁活动,太阳活动对闪烁活动的影响相对不明显。通过闪烁特性分析建立了海南电离层单站闪烁模型。该模型能够给出与观测符合较好的结果。此外,还就不同Es的季节变化和海南GPS闪烁与（强）区域扩展F及偶发E层之关系等问题进行了研究。

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第一章引言

1.1 地球的大气和电离层结构

1.2 低纬度电离层F 区的等离子运动

1.3 磁赤道电离层F 区发电机原理

1.4 赤道电离层F 区不规则体的研究进展

1.4.1 扩展F 的触发和发展：线性的Rayleigh-Taylor 不稳定性理论

1.4.2 ESF 的非线性发展

1.4.3 小尺度不规则体的形成

1.4.4 ESF 不规则体的尺度和形态

1.5 赤道电离层E 区发电机和电集流特征

1.6 磁赤道电离层E 区不规则体的形成机制

1.7 中低纬地区电离层E 层不规则结构研究进展

1.7.1 赤道低纬地区E 层不规则结构研究进展

1.7.2 中纬度E 层不规则结构研究进展

1.8 与不规则体活动密切相关的电离层闪烁现象

1.8.1 电离层对电波信号的影响分析

1.8.2 电离层闪烁现象

1.9 本文的目的和结构

第二章海南地区电离层扩展F 统计研究

2.1 小引

2.2 海南地区扩展F（SF）数据情况和扩展F 分类

2.3 各类型扩展F 季节变化特征

2.3.1 扩展F 的逐月变化

2.3.2 扩展F 的季节变化

2.3.3 扩展F 的年际变化

2.3.4 与其它有关区域的比较

2.3.5 小结

2.4 各类扩展F 与地磁、太阳活动的关系

2.4.1 各类扩展F 与太阳活动的关系

2.4.2 各类扩展F 与地磁活动的关系

2.4.3 与其他台站观测结果的比较

2.5 小结

第三章海南各类扩展F 对磁暴的响应及事件研究

3.1 小引

3.2 观测数据和分析讨论

3.2.1 观测数据

3.2.2 各类扩展F 对冬季磁暴的响应

3.2.3 各类扩展F 对分季磁暴的响应

3.2.4 各类扩展F 对夏季磁暴的响应

3.2.5 比较与讨论

3.3 小结

第四章海南电离层各类偶发E 层统计研究

4.1 小引

4.2 资料来源与数据选取

4.3 各类型Es 的季节变化特征

4.3.1 Es 的逐月变化特征

4.3.2 各类Es 的季节变化

4.3.3 各类Es 的年际变化

4.3.4 各类型Es 出现率的地方时分布

4.3.5 与其它有关区域的比较

4.4 小结

第五章海南GPS 闪烁统计研究

5.1 小引

5.2 系统软硬件及性能

5.3 闪烁特性分析

5.3.1 闪烁的逐日变化

5.3.2 闪烁随地方时和季节的变化

5.3.3 地磁和太阳活动的影响

5.4 结论和讨论

第六章海南电离层单站闪烁模型

6.1 小引

6.2 单站闪烁模型的构建方法和比较分析

6.2.1 GPS-L 波段闪烁观测的统计结果

6.2.2 具体的构建方法

6.2.3 模型的输入输出和事例比较分析

6.2.4 小结

6.3 模型的改进要点

第七章海南GPS 闪烁与（强）区域扩展F 及偶发E 层之关系研究

7.1 GPS 闪烁与SSF 和RSF 的关系

7.2 GPS 闪烁与Es 的关系

7.3 海南GPS 强闪烁和SSF 现象事件与其他观测数据的对比

7.4 小结

第八章总结

8.1 总结

8.2 下一步的工作

参考文献

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