论文部分内容阅读
电离层是日地空间链条中的重要环节，其中等离子体密度作为电离层最关键的特性参量，其量值及时空变化对电离层无线电波传播尤其是卫星导航定位进行电波折射修正有重要价值，因此，对电离层等离子体密度的时空变化有效建模是保障与电离层有关的工程应用的关键。人们基于电离层探测，并结合电离层理论，已经发展了若干经验模式来描述包括电子密度在内的电离层参数的时空分布。观测与这些模式的对比评估显示，我们对电离层结构与变化的描述能力已经达到相当水平;另一方面，不少工作呼吁改善现有经验模式对顶部电离层等离子体密度的描述与预报准确度。换言之，提升模式对顶部电离层密度的预报能力，成为当前十分迫切的任务。 本文基于多颗卫星的电离层观测数据，建立一个顶部电离层全球经验模式。首先构建一个固定高度的顶部电子密度经验模式，随后将模式从固定高度发展为包含高度变化的顶部电子密度经验模式，这种高度拓展的方法适用于运行于不同高度区域的多颗卫星观测数据联合建模。在建模基础上，结合多种卫星探测资料，研究了电子密度剖面参数的全球特征。 开展的主要工作总结如下: 一、利用COSMIC掩星观测反演的电子密度剖面数据，构建了固定高度的顶部电子密度经验模式。该模式能描述固定高度（如500km处）的电子密度随太阳活动水平、季节、地方时变化及其经纬度分布。从统计检验结果上看，模式与观测值误差小，模式能非常好地再现观测的电离层时空特征，说明模式建立方法有效可行。 二、运行于电离层区域的卫星轨道高度可能存在显著演变，卫星轨道高度的这种变化会对电子密度特征研究与建模带来相当的困难。为了更准确的描述顶部电离层电子密度，在固定高度建模基础上，将高度纳入为建模参数，以ROCSAT-1卫星为例，构建了变高度的等离子体密度顶部电离层经验模式。通过模式与多种观测的对比验证，我们的模式在模拟准确度上表现出色，还成功展现赤道异常双峰随高度增加而融合的现象，有望弥补现有国际参考电离层（IRI）顶部模式描述顶部赤道异常特征的弱点。高度矫正前后电子密度对太阳活动依赖特征存在差异，从一个侧面说明卫星高度变化可能影响电子密度特征的研究。模式能有效与Hinotori卫星数据融合，既体现我们模式方法对多卫星观测数据的拓展能力，也是ROCSAT-1与Hinotori卫星探测一致性的有力验证。 三、利用模式进行了500km和600km两个高度电子密度典型变化特征的对比研究。对比结果显示，在500km和600km两个高度上北半球都存在冬季异常现象且在500km比较明显，600km的冬季异常范围明显缩小;南半球在两个高度上都没有出现此现象。与F2层最大电子密度以及电子总含量类似，500km和600km的顶部电子密度最大值也出现在春秋分。日变化特征上，电子密度最小值一般出现在0400LT，此后，600km处的电子密度比500km先增加，这是由于高高度的中性气体先电离造成的。电子密度在两个高度上依然显示出沿着磁力线分布的特点，赤道异常(EIA)现象随着高度的增加逐渐减弱，最后只在0°E、90°E、270°E几个经度上比较明显。 四、利用JPL TEC和COSMIC的NmF2计算了描述电子密度剖面的板厚参数，得到了板厚的全球特征，发现在威德海异常以东区域存在异常现象。工作展示了板厚的日变化，季节变化，太阳活动依赖性的特征。结果表明板厚的峰值一般出现在0400LT，所有季节都有日出前增强现象，日落后增强现象则在两至季节较为明显。板厚关于太阳活动的依赖性比较复杂，会随着季节、地方时、经纬度等因素而变化。在南半球的夏季以及春秋分夜间，威德海异常的东侧会出现板厚增强现象(EWSAE)，这可能与等离子体在中性风和地磁偏角共同作用下产生的向下漂移有关。