论文部分内容阅读
GPS(GlobalPositioningSystem，GPS)进行电离层观测，具有覆盖面广，实时性强，时空分辨率好，测量精度高，以及不受天气影响等优点，在电离层空间天气与电离层气候学等研究领域得到了广泛应用。利用GPS观测反演的电离层电子浓度总含量(TotalElectronContent，TEC)，称为GPS-TEC，是一个十分重要的电离层参量，不仅在电离层周期性变化、电离层的异常现象、电离层对太阳耀斑、日食、台风、地震的响应等方面的研究上受到了广泛关注，而且通过GPS-TEC建立全球或区域性电离层地图已成为了当前空间天气监测和研究的一个热点和焦点。
太阳耀斑作为最剧烈的太阳活动现象之一，会引起地球电离层产生各种电离层突然扰动(SuddenIonosphericDisturbance，SID)现象，历来是电离层物理及日地关系研究的重要内容，更是电离层空间天气研究的重点内容。SID现象强烈地影响电离层电波传播，因此，太阳耀的电离层响应研究对无线电短波通讯、卫星定位导航的保障等方面有着重要的意义，并在空间天气的监测与预报中发挥着重要作用。
本文的选题围绕太阳耀斑的GPS-TEC监测和电离层响应研究展开。首先，通过利用GPS卫星观测数据反演的电离层TEC参量，建立了一套中国地区电离层TEC的监测系统，并应用到太阳耀斑的监测中。然后，利用第22、23太阳活动周期间太阳耀斑事件的观测资料，从地球观测的角度出发，对耀斑事件进行了统计分析。最后，通过非相干散射雷达、CHAMP(CHAllengingMinisatellitePayload，CHAMP)卫星、GPS卫星、测高仪等电离层观测设备的数据对2005年9月耀斑期间的电离层响应进行了研究，并探讨了其中一些电离层响应形态特征的物理机制。
本文的具体工作和结果如下:
1、通过GPS观测数据反演了电离层TEC参量，并在此基础上，利用1996～2004年期间中国地壳形变网和中国及周边地区IGS(InternationalGNSSService，IGS)监测台网的GPS卫星观测数据结合经验正交函数方法，建立了一套中国地区电离层TEC监测系统，并将其应用到太阳耀斑的监测。该系统主要由GPS数据下载、GPS-TEC数据转换、Grid-TEC数据处理、TEC现报和TEC时间序列五大模块组成，并具有稳定性强、自动化程度高、交互性好、空间分辨率高等优点。同时，对监测系统中的TEC现报结果与JPL(JetPropulsionLaboratory，JPL)的GIM(GlobalIonosphereMaps,GIM)进行了对比分析，结果表明:TEC现报的结果总体上要小于JPL的GIM的结果，相差2.5TECU左右，并且其差值在冬季最小，春季和秋季次之，夏季最大。另外，这套系统能有效地监测太阳耀斑事件。系统利用TEC及其变化率和通过TEC计算的太阳等效辐射通量对2011年8月9日X6.9级耀斑进行了监测，结果显示两种方式都监测到了太阳耀斑的发生。并且通过1996～2008年期间IGS的GPS观测数据，检验了利用TEC计算的太阳等效辐射通量监测太阳耀的准确性，其准确率达到了94％。
2、利用第22、23太阳活动周(1986～1995年/1996～2008年)期间太阳耀斑事件的观测资料，从地球观测的角度出发，对耀斑的X射线级别的分布、耀斑爆发的日面位置、耀斑持续时间等进行了统计分析。分析结果表明:(1)两个太阳周期间C级耀斑发生的最多、其次是B级耀斑，然后是M级，最少的是X级耀斑。第22太阳活动周，M、X级耀斑分布比较集中，主要出现在太阳活动高年;第23太阳活动周，M、X级耀斑出现比较分散，除了在太阳活动高年出现外，在上升和下降年出现的也比较多(1998、2005、2006年)。同时，在两个太阳活动周的低年B级耀斑出现的比较多，在高年则出现比较少。(2)第22太阳活动周是一个大耀斑频发的太阳活动周，而第23太阳活动周是一个小耀斑频发的太阳活动周，并且第22太阳活动周的太阳活动性比第23太阳活动周强。(3)两个太阳活动周期间耀斑在日面南北半球的分布存在明显的南北不对称性，其不对称性主要表现为南半球强于北半球，第22太阳活动周强于第23太阳活动周，太阳活动高年比太阳活动低年明显，并且在第22太阳活动周南北不对称性，随着耀斑级别的降低而减弱，而在第23太阳活动周却随着耀斑的级别的降低存在着增强的趋势。同时，在第22活动周期间，B～X级耀斑在北半球的纬度分布存在着明显的差异，其分布随着耀斑级别的升高逐渐偏离太阳中心。两个太阳活动周期间耀斑在日面经度上的分布范围比较广泛，并且耀斑的经度分布比其纬度分布对地球电离层的响应影响更明显。(4)第22太阳活动周耀斑的持续时间比第23太阳活动周长，并且在两个太阳活动周期间耀斑的持续时间都随着耀斑级别的升高而增加。
3、利用2005年9月期间11次M2.0级以上耀斑事件中的3个非相干散射雷达站的15次观测数据，通过NmE、NmF、TECE(E层电子密度积分的TEC)、TECF(F层电子密度积分的TEC)、TECISR(E和F层电子密度积分的TEC)、板厚、TECE变化对TECISR变化的贡献率等电离层参量分析电离层对太阳耀斑的响应，并进一步比较了各参量的耀斑响应程度与太阳天顶角、太阳耀斑的级别、太阳耀斑爆发的日面位置和耀斑的持续时间的依赖关系。分析结果如下:(1)NmE和NmF对耀斑的响应在时间上存在差异，主要表现为NmE响应早于NmF。(2)NmE和TECE对耀斑的响应的变化趋势基本相同，但在9月8日M2.1耀斑期间的MillstoneHill站，虽然NmE有所增加，而TECE却出现了减少。TECE与TECF、TECISR对耀斑的响应存在着差异，9月10日X2.1级耀斑期间MillstoneHill站的TECE，9月8日M2.1和X5.4级耀斑期间Sondstrom站的TECE均有明显的增加，而其TECF和TECISR则出现了减少。(3)TECE变化对TECISR变化贡献率随着耀斑级别的降低而下降，在X15.0、X10.0和X5.0级耀斑事件中的贡献率分别为61％、41％和21％，在X1.0级及以下的耀斑事件中，其贡献率不超过6％，有时甚至可以忽略不计。(4)耀斑期间的板厚主要分布在180～310km之间;在15次观测中板厚增加的有8次，减小的有7次。在9月7日的X17.0级、9月8日的M2.1级和9月9日的X6.2级耀斑期间，MillstoneHill和Sondrestrom站的板厚变化完全相反，MillstoneHill站的板厚在耀斑期间都是增加的，而Sondrestrom站的板厚都是减少的。相同的耀斑事件，两个不同站的板厚对耀斑的响应完全相反，这可能与两个站的太阳天项角、TEC和NmF2(F2layerpeakelectrondensity,NmF2)的背景值差异有关。(5)电离层各参量的耀斑响应程度对太阳耀斑的级别依赖性最强。
4、利用非相干散射雷达、CHAMP卫星、测高仪、GPS卫星等多种电离层观测设备的数据，从多个方面对2005年9月7日X17/3B级耀斑期间的电离层响应进行了研究。研究结果如下:(1)位于向日面的MillstoneHill和Sondrestrom非相干散射雷达站在耀斑期间观测到了E层电子密度大于F层电子密度的现象;分析表明，这主要是由于耀斑期间E层电离源X射线辐射通量出现非常强的增加，而F层电离源EUV(ExtremeUltraviolet，EUV)辐射通量增幅较弱导致的。(2)利用全球向日面测高仪的观测数据，分析了耀斑期间电离层频高图回波描迹消失、恢复和消失持续时间与太阳天顶角的关系，结果显示:太阳天顶角越小，频高图描迹消失得越早，描迹恢复得越慢，描迹消失的持续时间越长;太阳天顶角差异导致频高图描迹消失，恢复和消失持续时间的差异最大分别达20、135和135分钟;太阳天顶角与频高图描迹的消失持续时间的相关性最强，其次是描迹恢复时间，最弱是描迹消失时间。(3)耀斑期间GPS-TEC的响应存在地方时和南北半球不对称性，其主要表现为下午侧的响应强于上午侧，南半球的响应强于北半球。GPS-TEC响应的地方时和南北半球不对称性，可能是由于中性大气密度和背景TEC的差异造成的。(4)Chapman产生理论在耀斑期间比非耀斑期间与观测符合的好，这主要是由于耀斑与非耀斑期间太阳辐射主导谱的不同引起的。同时，基于Chapman产生理论和电离层电子密度观测数据提取的等效辐射通量与GOES-12(GeostationaryOperationalEnvironmentSatellite，GOES)卫星观测到的X射线辐射通量的变化趋势比较一致。
综上所述，本文介绍的中国地区电离层TEC监测系统实现了覆盖我国范围的电离层TEC的监测，以及GPS数据传输、转换、处理和图像显示的全程自动化，并应用到太阳耀斑的监测中，为进一步开展电离层空间天气的监测和预报奠定了基础。通过对两个太阳活动周耀斑事件的统计分析和耀斑事件期间电离层响应的研究，揭示了一些耀斑事件的分布规律和电离层响应的形态特征，尝试阐述了其中的一些物理机制，这对太阳耀斑事件的预报和耀斑期间电离层结构及其变化特征的研究具有重要意义。