极区电离层不均匀体及闪烁研究

论文摘要

极区电离层是日地能量耦合系统中承上启下的重要一环,地球磁力线在极区几近垂直进出并向太空开放。因而,各类太阳风-磁层-电离层耦合动力学过程能沿着磁力线映射到极区电离层,使得极区电离层伴随有大尺度对流、粒子沉降等复杂的动力学过程,并出现各种不同尺度的不均匀体,例如:暴时密度增强（Storm Enhanced Density,简称:SED）,舌状电离区（Tongue of Ionization,简称:TOI）,极盖区等离子体云块（polar cap patch）,极光椭圆（auroral oval）,中纬等离子体槽区（middle-latitude trough）等等。这些不均匀体边缘常常在各类不稳定过程的作用下形成众多微小尺度的不均匀体,进而引起电离层闪烁,使得极区电离层成为地球上两大闪烁高发区之一。近年来,随着人类航空航天活动的日益频繁和因全球变暖而对北极航道等的迫切需求,人类对极地通讯、导航、定位等的要求越来越急切,因而,对极区电离层扰动和闪烁的监测需求也越来越强烈。在此背景下,极区电离层中不同尺度不均匀体研究及其引起的电离层闪烁监测、建模等工作,日益成为国际热点课题。本文围绕极区电离层不同尺度不均匀体的观测与统计特征及其引起的电离层闪烁等开展深入研究,开发了极区电离层F层不均匀体追踪方法,构建了不同不均匀体与电离层闪烁的广域对比工具,综合研究了极区电离层F层和E层不均匀体的观测与统计特征及相应闪烁的观测特征,最后,深入研究极区电离层闪烁理论并尝试开展电离层闪烁建模工作。本文的主要工作如下:1.利用全域GPS TEC（Total Electron Content）数据开发了极区电离层不均匀体追踪方法,并应用于极盖区等离子体云块的事件及统计研究随着全球导航卫星系统（GNSS）和地面接收机的数量不断增长,全球TEC数据的空间覆盖性越来越好。这为我们提供了一种非常难得的极区电离层电子密度的全域监测方法。为了全面深入的开展极区电离层不均匀体研究,我们利用美国麻省理工学院Haystack观象台开发的madrigal数据库收集、提供的长达10多年且不断增长的全球GPS TEC数据,开发了极区电离层大尺度不均匀体追踪方法-TEC keogram。该工具能从三个方向同时连续记录各种不均匀体的形成和演化过程。这为我们挑选不均匀体事件和开展统计工作都提供了极大便利。为了进一步验证该方法的有效性,我们对比分析了TEC keogram与SuperDARN观测,发现TEC keogram中出现的极盖区等离子体云块与SuperDARN观测结果一一对应,且具有相似的运动速度。根据极盖区等离子体云块的运动路径,可以估算其平均运动速度、演化时间和寿命等。我们统计了TEC keogram在2015年记录的极盖区等离子体云块随月份和世界时的分布特征,发现该结果与前人的结论较为一致,并进一步估算了极盖区等离子体云块从日侧切割区域运动到夜侧极光椭圆平均所需时间约为2小时（平均运动速度约500m/s）。最后,结合行星际磁场（IMF）三分量数据,我们发现这些等离子体云块主要出现在南向行星际磁场条件下,且其平均运动速度随南向程度增强而变大,验证了可能的主要产生机制-磁重联。2.开发了极区电离层不均匀体与闪烁广域对比工具,用以研究F层各不均匀体引起的闪烁特征及可能的产生机制基于madrigal全域TEC数据和北极加拿大扇区广域覆盖的CHAIN观测网数据,我们开发了极区电离层不均匀体与闪烁广域对比工具。这一工具可同时连续监测极区电离层中出现的各种不均匀体的演化过程和相关区域的电离层闪烁情况。这一对比工具为我们长期连续广域监测和研究极区电离层不均匀体及其所引起的电离层闪烁现象提供了极大的便利。利用这一工具,我们进行了一个事件分析。该事件发生于2014年2月27日,当天因日冕物质抛射（CME）到达地球而引起了一个较大的磁暴,并在极区电离层形成了暴时密度增强（SED）或舌状电离区（TOI）等高密度结构。同时该SED/TOI在极隙区附近还被“切割”成一系列极盖区等离子体云块。从全域GPS TEC数据中我们可以清晰的看到SED/TOI、中纬等离子体槽（Middle-latitude trough）、极盖区等离子体云块、极光椭圆等不均匀体。与此同时,对比大范围闪烁数据,可以看出不同的不均匀体或区域所对应的闪烁特征各不相同。据此,我们将极区电离层简单的划分为四个区域进行详细分析,这四个区域分别为:SED切割区域,中纬等离子体槽区,极盖区和极光椭圆,发现:SED切割区域及中纬等离子体槽区赤道向边界处的相位闪烁指数随着对流速度增强或翻转而变大,而幅度闪烁指数依然较弱;极盖区两种闪烁指数均较弱;在极光椭圆区域,离开极盖区的极盖区等离子体云块开始进入夜侧极光椭圆,该区域伴随有明显的电离层闪烁现象,其幅度闪烁指数明显高于相位闪烁指数,这是有别于前人的研究发现,这可能与粒子沉降作用于进入极光椭圆的极盖区等离子体云块有关。3.研究了极区电离层偶发E层的观测特征、形成机理及其引起的TEC响应及闪烁特征,拓展了对极区偶发E层的认知范围人们经常关注的不均匀体通常出现在电离层F层。然而,电离层E层也会出现不均匀体。偶发E层（Es layers）就是一种经常出现在电离层E层的不均匀体。由于观测数据的稀缺,我们对极区电离层偶发E层的了解还非常粗浅。基于加拿大Resolute Bay多种观测设备的联合观测（如:测高仪、非相干散射雷达、GPS接收机）,我们详细分析了极区电离层偶发E层的观测特征,其在水平上呈带状结构且东西延展大于200km;探讨了偶发E层可能的水平输运与产生机制,由强电场驱动金属离子沉降而形成的偶发E层从日侧向夜侧运动,而与重力波相关的偶发E层则没有表现出明显地移动;确定了偶发E层引起的TEC扰动特征为脉冲型扰动紧随更快更小的扰动,扰动峰值一般小于2TECu（正常值为～0.5TECu）;首次报道偶发E层引起的电离层闪烁,其平均功率谱指数分别为-1.10（幅度闪烁）和-1.25（相位闪烁）。4.首次观测证实了传统相位闪烁指数严重依赖于电离层对流速度,挑战了该指数在极区的适用性基于SuperDARN观测的电离层对流速度和CHAIN观测网的传统闪烁指数,我们首次从观测上证实了传统相位闪烁指数与对流速度的依赖程度明显高于幅度闪烁指数,质疑了相位闪烁指数应用于极区电离层的可靠性。一直以来,在极区电离层闪烁研究中,人们长期使用传统相位闪烁指数。然而,由于这一指数的计算方法源自低纬地区,它并不能很好地适应高纬地区,尤其是强对流区域,非常容易造成“Phase without amplitude”现象,即相位闪烁指数增大,而幅度闪烁指数基本不变的特殊现象。为了解释这一现象,人们根据电离层相位屏闪烁理论和定性分析得出:当电离层对流增强时,与闪烁相关的菲涅尔频率会向高频段移动,幅度闪烁中存在菲涅尔频率滤波效应,但在相位闪烁中这一效应并不存在。而接收机自动处理软件采用固定的截止频率来滤波处理接收的幅度和相位信号,并据此计算相应闪烁指数。这样就会导致相位闪烁指数随对流速度增强而显著增大,而幅度闪烁指数由于滤波效应的存在并不会明显变化。但长期以来,这一理论解释一直缺乏直接有效的观测证据。5.初步建立了极区电离层闪烁经验模型,为极区电离层闪烁预报/现报工作奠定了基础人们一直试图利用电离层闪烁模型开展预报/现报工作。然而,这些模型输出大多依然停留在气候学层面上。为了开展全球电离层闪烁气候学模型无法做到的短期现报/预报工作,我们利用样条插值基函数开展高纬电离层闪烁模拟工作,得到更精细的闪烁分布图,并将该结果与线性插值进行对比,发现两者较为一致,验证了该模型的有效性。此外,该模型还可以在单站观测基础上“吸收”更多数据,从而更好地开展极区电离层闪烁模型现报/预报工作。这为今后极区电离层闪烁的应用与服务奠定了良好的基础。总之,本文的研究工作加深了我们对极区电离层不均匀体及闪烁特征的认知,建立了极区电离层F层不均匀体追踪方法与广域不均匀体和闪烁对比工具,开展了极区电离层F层不均匀体及闪烁特征研究,拓展了我们对极区电离层偶发E层的认知,初步建立了极区电离层闪烁经验模型,努力提高我们对极区电离层闪烁的现报和/或预报能力,从而有望改善和提高极区的通讯导航质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
•   1.1 电离层
•     1.1.1 电离层概述
•     1.1.2 电离层分层
•   1.2 极区电离层
•     1.2.1 极区电离层概述
•     1.2.2 极区电离层大尺度对流
•     1.2.3 极区电离层不均匀体
•     1.2.4 极区电离层不稳定性机制
•   1.3 电离层闪烁
•     1.3.1 电离层闪烁理论
•     1.3.2 电离层闪烁模型
•     1.3.3 电离层闪烁指数
•   1.4 论文简介
• 第二章 数据与方法介绍
•   2.1 主要观测设备
•     2.1.1 CHAIN观测网
•     2.1.2 SupcrDARN雷达观测网
•     2.1.3 非相干散射雷达
•   2.2 GPS总电子含量数据
•     2.2.1 TEC数据处理
•     2.2.2 TEC map绘制
•   2.3 不均匀体追踪方法
•     2.3.1 TEC keogram原理
•     2.3.2 TEC keogram与TEC map对照
•   2.4 广域不均匀体与闪烁对比工具
•     2.4.1 需求分析
•     2.4.2 工具开发
•   2.5 小结
• 第三章 极区电离层不均匀体观测与统计研究
•   3.1 极盖区等离子体云块
•     3.1.1 背景介绍
•     3.1.2 观测特征
•     3.1.3 统计结果
•     3.1.4 小结
•   3.2 极区电离层偶发E层
•     3.2.1 背景介绍
•     3.2.2 观测特征
•     3.2.3 形成机制
•     3.2.4 小结
• 第四章 极区电离层不均匀体引起的闪烁特征研究
•   4.1 极区电离层F层不均匀体引起的闪烁特征研究
•     4.1.1 行星际磁场和太阳风及地磁参数
•     4.1.2 各种不均匀体引起闪烁对比
•     4.1.3 闪烁产生机制探讨
•     4.1.4 小结
•   4.2 偶发E层引起TEC扰动及闪烁特征研究
•     4.2.1 行星际磁场和太阳风及地磁参数
•     4.2.2 偶发E层TEC响应
•     4.2.3 偶发E层闪烁特征
•     4.2.4 小结
• 第五章 极区电离层闪烁理论与建模初探
•   5.1 背景介绍
•     5.1.1 闪烁功率谱特征
•     5.1.2 信号多径效应
•   5.2 菲涅尔频率滤波效应
•     5.2.1 理论研究
•     5.2.2 观测特征
•     5.2.3 统计结果
•   5.3 电离层闪烁模型初探
•     5.3.1 闪烁模型概述
•     5.3.2 样条插值经验模型建立
•     5.3.3 初步应用
•   5.4 小结
• 第六章 总结和展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表文章目录
• 参加会议目录
• 获奖情况
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王勇

导师: 张清和,P.T.Jayachandran

关键词: 极区电离层,总电子含量,不均匀体,电离层闪烁,经验模型

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 山东大学

分类号: P352

总页数: 186

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