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利用全球导航卫星研究电离层总电子含量特性

武业文  
【摘要】:全球导航卫星的广泛应用为我们探测、研究电离层带来了革命性的变化。本文介绍了GPS信号折射效应导出电离层总电子含量(Total Electron Content:TEC)等特征参量的方法,利用GPS-TEC和GPS掩星的长期观测数据,研究了中国地区电离层TEC的变化特征、电离层TEC短期预报技术、极区电离层TEC的UT变化和E层占优电离层等气候学特征。另外,本文还分析了一次磁暴主相期间的极区电离层的响应。 首先,提出了由地基GPS斜向TEC获取电离层垂直TEC的方法,利用2004年中国及周边地区常年运行的33个GPS观测站和10个测高仪站的电离层TEC和峰值电子密度(Ionospheric F2peak electron density: NmF2)数据,对中国地区电离层TEC与NmF2的变化特性进行了较系统的对比研究,发现电离层TEC的变化与NmF2的变化特性在总体上较为一致。但是,电离层TEC的日变化峰值出现时间早于NmF2的日变化峰值出现时间;电离层TEC的逐日变化要明显的小于NmF2的逐日变化;TEC赤道异常峰出现的纬度要低于NmF2峰的位置,这是由赤道喷泉效应导致的赤道地区顶部电离层倾斜造成的。 参与开发了一种适用于中国地区电离层TEC的短期预报方法,该方法用自相关函数法对电离层TEC进行单站预报,用改进的克里格方法进行区域重构,可以较好的预报我国地区上空电离层TEC并易于操作实施。利用2004年中国地区地基GPS-TEC数据验证了这一方法并全面评估了这一预报方法的误差,总体上看,在提前1小时预报中国地区电离层TEC时,相对预报误差约为12%左右。讨论了提高预报精度的可能途径,编写了相应的计算机软件并应用於国家气象局"空间天气定量化预报技术及其集成”。 提出了一个新的极区电离层参数——极区电离层平均电子含量mPEC,分析了南极和北极地区电离层的UT变化特征,发现南极电离层的UT变化要大于北极;还定量评估了太阳光致电离,水平输运和极光粒子沉降对产生极区电离层电子密度的相对贡献。在mPEC所表征的极区电离层中,太阳光致电离的作用是主要的,在南极占60-70%,在北极的冬季占75%左右,其他季节占87%左右;极区等离子体对流及粒子沉降对电子含量在南极相对较突出,约是太阳光致电离的50%左右,在北极则是冬季较明显,但也仅为太阳光致电离的33%,其他季节不足太阳光致电离的15%。这些特征主要是由于地磁轴与地理轴的偏离所致。造成南极的UT效应较北极要大则是由于地磁与地理轴的偏离程度在南极要大于北极。 首次研究了极夜期间南极地区E层占优电离层(E-Layer Dominated Ionosphere:ELDI)的分布特征及电离层的形态,并与北极进行了对比。极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,北极为70%左右,而南极为90%左右;极区极夜期间ELDI主要成因是高能粒子沉降引起底部电离层电离率的增大。ELDI特征在南北极的发生率的大小及分布的差异则主要是由于电离层的背景电子密度在南极要小于北极,其根源可能与南北极的中性大气及地理轴与地磁轴的偏离程度的不同有关。 利用包括GPS-TEC、掩星在内的多手段观测,研究了一典型磁暴期间极区电离层的等离子特征,发现了E层电子密度的增加对TEC正暴的重要性,补充了全球范围内电离层对此次磁暴的响应的认识。


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