GNSS电离层建模及在中低层大气耦合事件中的应用

【摘要】：低层大气(对流层和平流层)和电离层是一个紧密耦合的整体系统,两者之间的能量交互及耦合成为近年来人们极感兴趣而并未十分了解的重要课题。电离层的异常变化不仅受到太阳活动和地磁变化的影响,还会在一定程度上受到底层大气气象活动的影响。电离层异常研究对人类的生产生活具有重要意义,对电离层的动态变化以及灾害前后电离层的异常扰动等现象的探测研究也成为了当前研究的热点。通过GNSS技术准确监测、追踪异常现象并提取异常特征,是发挥大地测量高精度、大范围、连续实时优势的突出体现,且电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的差分序列可以用来高精度、大范围监测电离层异常情况,同时可通过对异常激发机制的探究,建立准确的空间天气预警预报模型,为人类生产生活提供更好的服务,具有重要的科学意义和现实价值。本文在介绍电离层基础特性的基础上,介绍了获取TEC的原理及数据处理流程、基于GNSS TEC的电离层异常提取的方法、电离层三维层析模型的构建及监测、强降雨期间电离层异常事件的监测及电离层-低层大气耦合机制的初步探讨等内容。本文主要研究内容如下:(1)电离层物理特性、TEC获取及电离层异常提取电离层是日地空间环境的重要组成部分,本文系统地介绍了电离层的基本物理特性及探测方法,阐述了利用地基GNSS获取TEC的处理流程并介绍了几种电离层异常探测方法。(2)电离层三维层析(Computerized Ionospheric Tomographic,CIT)模型的构建及监测电离层二维模型是基于单层假设建立的,得到的是电离层电子含量的整体变化,而并不能反映电离层的垂直分布结构及其变化,而三维层析可以较为清晰的反映电离层垂直方向上的变化,是一种全面了解电离层结构的新途径。首先介绍了一个附加投影函数的三维层析模型,并对其进行了模拟实验,证实其有较高的精度;然后,利用该模型对一次磁暴事件进行了分析,进行了电离层三维重建,得到了电离层扰动三维形态变化,同时也说明了异常具有传播特性;最后,利用SWARM卫星数据对层析结果进行了验证,证实该模型具有可靠性。(3)强降雨期间电离层异常现象分析及耦合机制探讨2013年7月9日,四川省境内连续遭受强降雨。为了探究强对流天气时的电离层状况,本文选取降雨期间四川地区的GNSS数据进行数据处理,并采用滑动平均去趋势的方法探测电离层TEC异常。可以发现,降雨发生前后,电离层出现了明显的异常,且具有明显的波动和传播特征。同时采用三维层析的方法对电离层进行了三维重建,描述了强降雨期间电离层电子密度的垂向变化,也反映了电离层异常的传播特性。基于各项同性假设,利用GNSS多站观测值估算出异常在电离层高度传播的水平速度,约为271m/s。然后,将研究区域划分为均匀格网,利用格网搜索确定异常激发的地面位置,大致位于四川省西部边界处,这里有青藏高原和横断山脉,地形起伏较大。最后,对电离层与低层大气的耦合机制进行了初步探讨。本文认为异常产生的主要原因是降雨过程中的对流运动激发了大气重力波,受地形阻挡、风的作用等因素影响向上传播,到达电离层并释放能量,从而引起电离层异常。