中低纬电离层年度异常与暴时特性研究

论文摘要

电离层气候和电离层天气特性是电离层物理研究的两个重要方面。当前,电离层气候研究的重点之一是电离层年度异常变化,包括冬季异常（季节异常）、半年异常（春秋季异常）和12月异常（非季节异常或年异常）;电离层天气研究的重点是电离层暴。本文着重研究中低纬电离层的年度异常变化与暴时特性。本文首先研究了中低纬电离层的主要气候学特性即电离层年度异常变化。电离层的静日变化并不是人们所熟知的Chapman层规则变化,而是呈现出非常多的异常现象,这些异常现象涉及到控制电离层的各种因素。弄清电离层中异常行为造成的原因有助于我们了解电离层是如何受各种物理和化学过程的影响和控制的。本文以Topex海洋地形卫星测得的13年的TEC数据、欧洲定轨中心（CODE）11年的GIMs（Global Ionospheric Maps）TEC作为研究对象,采用自然正交分量分析法和傅立叶分析等方法,求出不同地磁纬度和地方时下电子浓度总含量TEC的时间变化特性。我们发现TEC的气候异常变化虽然与NmF2相似,但从程度上有所不同,按对整个TEC变化方差的贡献来说,季节变化（包括白天冬季半球电子浓度比夏季半球高的冬季异常变化和其他时段夏季半球值高于冬季半球值的季节正常变化）,非季节变化的贡献相当,且都明显大于半年变化的贡献。同时采用自然正交分量分析法研究9年的DMSP卫星测得的顶部离子浓度的年度异常和地磁活动异常。结果显示顶部非季节异常幅度大于TEC非季节异常的幅度,TEC非季节异常幅度又大于F2峰值电子浓度非季节异常的幅度,从而证实了不同高度电离层具有不同气候特性的观点,即顶部电离层的非季节异常分量比重大,而底部电离层的半年异常比重要大,这也符合两个地区各自不同的物理化学过程的差异。另外,我们认为电离层TEC和顶部电离层离子浓度的年度变化都受太阳F107的控制,但二者所受调制的幅度明显不一样,表明了不同高度上电离层参量受太阳活动调制的差异。季节变化中的冬季异常只在白天的12:00-14:00MLT的中纬和高中纬地区比较明显,其它时段中纬还是夏季高冬季低的正常变化。其中以日出和日落到凌晨这两个

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一节 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 电离层年度异常的研究
• 1.1.2 电离层暴的研究
• 1.2 本文目的和主要内容
• 第二节 电离层基本理论以及地球空间暴的背景知识
• 2.1 电离层基本理论
• 2.1.1 光化学过程
• 2.1.2 由中性风、电场和扩散引起的输运过程
• 2.1.3 电离层年度异常的初步解释
• 2.2 地球空间暴的背景知识
• 2.2.1 太阳耀斑与磁暴的关系
• 2.2.2 地磁暴的形态
• 2.2.3 地磁参数
• 2.2.4 行星际介质在磁暴发生中的作用
• 2.2.5 磁层亚暴的电离层表象
• 2.2.6 热层暴和电离层暴
• 第三节 全球电离层TEC 的年度异常变化
• 3.1 研究背景
• 3.1.1 电离层年度异常的定义
• 3.1.2 目前的研究状况
• 3.2 全球TEC 随时间的异常变化特性
• 3.2.1 全球TEC 的获取
• 3.2.2 “自然正交函数”分析TEC
• 3.2.3 傅立叶方法分析TEC
• 3.2.4 季节异常和半年异常的物理解释
• 3.2.5 季节正常最大值地方时的物理解释
• 3.3 全球电离层TEC 异常变化的经度特征
• 3.3.1 季节变化，半年变化的经度特征及其解释
• 3.4 讨论和小结
• 第四节 顶部电离层离子浓度的异常变化
• 4.1 研究背景
• 4.2 顶部电离层电子浓度年度异常分析
• 4.2.1 数据库介绍
• 4.2.2 “自然正交函数”分析顶部电离层电子浓度
• 4.3 对地磁活动的响应
• 4.4 小结
• 第五节 强磁暴期间电离层活动—个例分析
• 5.1 研究背景
• 5.2 东亚地区的电离层暴时响应
• 5.2.1 太阳及行星际空间地磁环境
• 5.2.2 东亚-澳大利亚测高仪台网监测暴时电离层大尺度变化
• 5.2.3.G PS 台网和Topex 卫星联合监测暴时电离层大尺度变化
• 5.2.4 热学解释
• 5.3 美洲地区的电离层暴时响应
• 5.3.1 中低纬“super-fountain effect”和中高纬正负暴共存
• 5.4 太阳风磁层电场在对偶经度上的效应
• 5.4.1 太阳风电场向低纬电离层的渗透
• 5.4.2 风场扰动发电机电场向低纬电离层的渗透
• 5.5 讨论和小结
• 第六节 电离层暴的统计特征
• 6.1 目前的研究结果
• 6.1.1 中高纬地区
• 6.1.2 低纬及赤道地区
• 6.2 暴时全球TEC 变化的统计分析
• 6.2.1 正负暴发生的概率及其解释
• 6.2.2 延迟时间
• 6.3 电离层TEC 的短期预报
• 6.3.1 对平静日的预报
• 6.3.2 暴时短期预报
• 6.4 小结
• 第七节 总结和展望
• 7.1 本文的主要贡献
• 7.2 今后的工作
• 参考文献
• 附录 学术论文完成情况
• 致谢