Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 基于COSMIC星群掩星观测的电离层若干结构研究 | |
| 其他题名 | On the Ionospheric Structures Using COSMIC Radio Occultation Measurements |
| 何茂盛 | |
| 出版年 | 2011 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 刘立波 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 地球电离层是指高层大气从约60 km到1000 km高度范围内部分电离的区域。电离层是地空无线电通信及远距离地面通信的主要传播媒质，电离层的等离子体特性决定了跨电离层通讯和短波通讯的可用频段，因此准确评估电离层变化对管理和维护无线电的星空链路的通信，提高卫星导航、定位、授时的精度等有着非常重要的作用。作为地球大气与外层空间的过渡区域，电离层与中高层大气、磁层存在着强烈的耦合，因而进行电离层研究具有重要的科学意义和应用价值。\n近一个世纪的研究建立了电离层的理论框架，并初步描绘出了电离层的结构和变化特性，实现了电离层的理论模式和经验模式描述。电离层物理是一门理论与实验紧密结合的学科，电离层研究以观测为基础，依赖于地基和卫星探测。由于地球大部分表面为海洋覆盖，无法实现设站观测，电离层研究受到海陆分布及地貌条件的限制。传统的卫星探测难以区分时间与空间变化，且往往没有高度上的分辨信息。由6颗卫星组成的COSMIC卫星星群自2006年上天以来，已采集近三百万条电子浓度剖面。这些观测组成了时空覆盖完整，分布均匀，具有高度分辨的电离层电子密度数据集，为精细地研究全球电离层结构和变化特性提供了难得的机会。\n本文基于COSMIC卫星星群近5年的掩星探测，并结合CHAMP、DMSP、TIMED等卫星探测资料，围绕电离层的威德尔海异常、中纬槽和低纬地区经向“四波”结构开展了研究，探讨了这些电离层结构的形态、演变和作用机制。这一系列的研究对深化认识电离层时空分布和动力学过程具有重要的学术意义，有利于电离层的模式化描述。所得到的主要结果如下：\n1、基于COSMIC掩星电离层电子密度剖面数据，构建了电离层峰值浓度NmF2和峰值高度hmF2的全球经验模式，利用全球111个测高仪观测资料验证COSMIC掩星反演方法在电离层气候学研究中的适用性，并用COSMIC模式来评估国际参考电离层（IRI）模式在太阳活动低年的预测能力。分析表明，本文所构建的COSMIC-NmF2和COSMIC-hmF2模式能够很好地描述太阳活动低年不同纬度电离层的气候学变化特征。测高仪观测与COSMIC模式之间的相关性高于测高仪与IRI模式之间的相关性。与IRI模式的对比表明，COSMIC模式具有更高的空间分辨率，COSMIC-hmF2可以体现IRI-hmF2所缺失的极光电离层特征，COSMIC-NmF2比IRI-NmF2更显著地呈现出电离层经向（沿着纬圈方向）波状结构。误差分析表明，IRI-NmF2与COSMIC-NmF2的相对偏差在地磁低纬地区高于中高纬，夜间高于白天；在地理空间上，最大偏差出现在太平洋、南极洲和北非地区（分别是海洋、冰原和沙漠地区，均没有地面台站）。\n2、利用COSMIC掩星数据研究了电离层威德尔海异常现象和中纬度地区电离层夜间演化过程，将威德尔海异常作为夜间增强的特例，归因于热层中性风的周日演化和特殊的地磁场位型，该解释得到了电离层理论模式模拟结果的支持。分析显示，在傍晚时段，hmF2在中纬地区的演化与地磁场位型紧密相关。总的来说，hmF2趋于抬升，抬升幅度依赖于地磁倾角I，与|sin(2I)|值正相关；抬升发生的地方时依赖于磁偏角D，在南半球偏角向东的区域早于向西的区域，在北半球与之相反。若日落前hmF2显著抬升，NmF2则随之增长。夏季日落较晚，易于出现NmF2的增长；春秋季和冬季日落较早，鲜见NmF2增长。威德尔海异常只是上述增强的一个特例。基于TIME-IGGCAS电离层理论模式的模拟重现了威德尔海异常现象。若计算不考虑中性风场的作用，在模式结果中，电离层从中午到夜间的增强和抬升也随之消失。上述分析和数值实验均表明，热层中性风周日变化在威德尔海异常现象和中纬度地区电离层夜间演化过程中所起的关键作用。该工作拓展了对威德尔海异常的理解，为长期以来有争议的热层风机制提供了观测证据和数值支持。\n3、利用COSMIC掩星数据研究了中纬槽结构的经向变化，发现了槽所处纬度的9日周期性波动。结果表明，在春秋分和夏季子夜，沿着60°磁纬圈，槽谷值的极小值出现地磁极所在地理经度的西侧。上述经向特征可以看作是威德尔海异常的“负效应”。在黄昏时段，热层内盛行东向风；在地磁极的西侧，北（南）半球偏角向东（西），东向风驱动等离子体向下的漂移，加速了等离子体的复合过程，造成了上述经向特征。此外，伴随着周期性太阳风高速流的出现，中纬槽所处纬度表现出显著的以9日为周期的震荡，揭示了太阳风/行星际和槽结构之间存在着直接的耦合。槽的9日周期性震荡得到了CHAMP、DMSP就地探测资料的验证。该周期的发现为利用太阳风参数预报槽位置提供了可能。槽附近是不规则体的高发区，精确地描述槽所处位置能为GPS定位和卫星通信提供资讯。\n4、利用TIMED/GUVI在2002—2007年间的观测数据，研究了[O]/[N2]柱含量比值的经向变化，发现其中存在显著的经向四波结构，提出化学过程也是电离层四波结构可能的机理之一。分析表明，在10月份，热层[O]/[N2] 柱含量比呈现出显著的经向“四波”状结构。该四波分量的振幅在太阳活动低年大于高年，在北半球秋季达到最大，在北半球冬季被三波分量超越。[O]/[N2]四波分量与DE3潮汐的太阳活动依赖和季节变化一致。与DE3潮汐控制的四波结构不同的是，[O]/[N2]四波结构在白天几乎保持静止，不向东传播。据此推测，白天的四波结构可能是DE3潮汐在夜间或者黎明激发后延续到白天。进而讨论了可能触发[O]/[N2]经向结构的机制，认为垂直对流的经向变化是最有可能的因素。通常认为，电离层经向四波结构是由动力学电动力学过程导致的，而[O]/[N2]四波结构的发现暗示着化学过程也是电离层四波结构可能的贡献之一。\n5、通过分析COSMIC-NmF2和-hmF2中四波结构的半球间对称与反对称分量，发现了跨赤道潮汐风的SE2分量对电离层hmF2四波分量的贡献大于当前最流行的DE3潮汐-电动力学耦合机制，该发现补充和修正了当前的电离层-潮汐耦合理论。通过分解低纬电离层NmF2和hmF2的经向四波结构，得到了南北半球间对称与反对称分量的相位与幅度的时空变化。结果显示，四波的对称分量在白天以2π/天的相速度向东传播，而反对称分量终日以4π/天的相速度向东传播。在白天，NmF2四波的对称分量在赤道上空的相位与低纬驼峰区相反，hmF2四波的对称分量在地方时-磁纬平面内呈现马蹄形——从早晨开始增长、中午达到最大、随后衰减。这些结果表明，DE3潮汐对E区发电机及F区喷泉效应的控制适用于解释白天四波结构的对称分量，而其反对称分量可以用跨赤道潮汐风的SE2分量来解释。hmF2四波结构的反对称分量总体上大于对称分量，意味着控制hmF2四波结构的主要过程是跨赤道潮汐风的SE2分量，而不是广为接收的DE3潮汐所调制的电动力学过程。 |
| 英文摘要 | The theoretical framework and empirical description of the ionosphere have been established in the past century. However, the past works are mainly based on ground-based detections and single-pass satellite observations. The most Earth's surface is covered by oceans so the ground-based detections cannot provide with a global coverage, and the height distribution of the plasma density is not well from in situ measurements of single satellite. Consequently, the improvements of ionospheric basic theory and empirical description are constrained by land-sea distribution and geomorphology conditions. The COSMIC constellation comprising six micro satellites has collected about 3×106 profiles in total so far since April 2006. The excellent spatial and temporal coverage of the dataset provides a rich field to study the ionosphere in a global view. It could be expected that study on the dataset would complete or revise the present knowledge on the ionosphere. The purpose of the present dissertation is to employ the COSMIC profiles to study large-scale structures in the ionosphere, including the Weddell Sea Anomaly, the midlatitude ionospheric trough, and the longitudinal wave-4 structure. Measurements from other satellites, such as CHAMP, DMSP and TIMED, are also employed for this subject. Main results of this dissertation are outlined as follows: |
| 中文关键词 | COSMIC ; 掩星 ; 电离层 ; 热层 ; 热层风 ; 威德尔海异常 ; 中纬槽 ; 四波结构 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 空间物理学 |
| 来源机构 | 中国科学院地质与地球物理研究所 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/286930 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 何茂盛. 基于COSMIC星群掩星观测的电离层若干结构研究[D]. 中国科学院大学,2011. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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