中纬电离层的统计分析与模式化研究

【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