论文摘要
由于电离层中的等离子体不规则体会造成无线电信号幅值和相位的快速起伏从而影响卫星通信及导航定位系统的精度,因此研究电离层不规则体的产生机制及其统计特性具有非常重要的意义。本文利用我国子午工程海南富克台站的甚高频相干散射雷达和数字测高仪的探测数据,对低纬地区电离层E层和F层场向不规则体（field-aligned irregualrities,FAIs）的特性进行了观测研究,包括电离层E层准周期性（quasi-period,QP）回波的特性分析,QP回波与背景电离层等离子体漂移的强相关性研究,电离层F层FAIs回波的特性分析,夜间F层FAIs发生率的统计特性,典型的日间F层FAIs回波特性研究以及受地磁扰动活动影响的F层FAIs的发展与演变特性等。主要研究工作及成果如下:第一部分,利用海南相干散射雷达（Hainan COherent scatter Phased Aaary Radar,HCOPAR）2013年的观测数据,对海南富克地区的电离层E层QP回波进行了统计,按照回波在高度-时间-信噪比图像上的条纹倾斜方向来划分,主要有正向QP回波和负向QP回波两大类。结合QP回波发生时海南数字测高仪对背景电离层E层的探测数据,研究了QP回波与偶发E层（Es层）发生的相关性,发现QP回波的强度和Es层的临界频率foEs与遮蔽频率fbEs的差值（1）=foEs-fbEs)成正相关,证明QP回波的产生与Es层中强密度梯度导致的梯度漂移不稳定性有关。另外,对QP回波条纹倾斜方向和背景E层经向等离子体漂移速度分别进行了统计,发现二者存在很强的相关性,即负向（正向）QP回波与E层南向（北向）等离子体漂移对应。此外,观测到一例条纹倾斜方向发生三次连续变化的QP回波,对应的背景经向等离子体漂移也同步地发生三次变化。以上结果说明QP回波条纹的倾斜方向主要受到背景中性风场方向的影响,即南（北）向等离子体漂移造成QP回波的负（正）向倾斜。第二部分,利用HCOPAR对海南富克地区2014-2017年F层FAIs进行了长期观测,并对F层FAIs回波特性以及统计特性进行了分析。首先介绍了F层FAIs的典型观测结果,对F层FAIs回波进行了分类:（1）从回波的形态特征分类,可以分为底部型（bottom-type）回波,顶部型羽毛状（topside plume）回波;（2）从FAIs的产生位置来分类,可以分为在雷达视场（field of view,FoV）内产生的Type-1型回波和雷达FoV以外产生并漂移进入雷达FoV以内的Type-2型回波;（3）从FAIs的发展阶段来划分,可以分成仍处于生长阶段的E型回波和处于退化阶段的D型回波;（4）根据FAIs发生的地方时来划分,可以分成日落后FAIs、午夜后FAIs以及日间FAIs。然后研究了海南富克低纬地区夜间F层FAIs在2014-2017年发生率的统计特性,包括太阳活动变化、季节变化和地方时变化。发现富克地区F层FAIs的发生率明显受到太阳活动的影响,太阳活动高年的发生率远高于太阳活动低年。富克地区F层FAIs的发生率具有显著的季节变化,尤其是在太阳活动高年,分点季节发生率远高于至点季节,其中春季发生率高于秋季,夏季高于冬季;而在太阳活动低年,由于整年FAIs发生率都较低,这种分点季节和至点季节发生率的不对称性相对不明显,但统计结果依然显示FAIs在冬季发生率最低。F层FAIs的发生率还依赖于地方时的变化,F层FAIs一般在19:30 LT之后发生,且发生率最高的时间主要集中在20:00 LT至午夜前,午夜后FAIs的发生率明显降低。FAIs回波的强度和高度也随地方时发生变化,日落后出现的FAIs回波通常强度更强且可以发展到更高的高度,而午夜后FAIs回波的高度相比日落后更低且回波更弱。此外,我们还针对两例典型的日间F层FAIs进行了事件分析,这两例日间F层FAIs均发生在磁静日,与磁暴无关。这两例日间F层FAIs均发生在F2层峰高以上,与典型的日落后F层FAIs不同,其回波的多普勒速度很小（几乎为0）且谱宽很窄（小于40 m/s）,多波束观测合成的扇形图显示日间FAIs呈现出向北运动的特征且无明显纬向漂移。此外,在富克北边870 km处的邵阳数字测高仪大约比富克地区晚2小时观测到F1层高度上的扩展F。根据两处回波发生的高度,分析认为富克地区的日间FAIs沿着磁力线向下运动至邵阳上空。由于白天电离层E层具有很高的电导率,会极大地削弱白天F层底部的极化电场,不利于F层不规则体的形成。我们认为,这两例日间F层FAIs应该是夜间等离子体不规则体的残余结构,且已经处于退化状态,它们应该在比富克更南边更高的高度上产生并沿着磁力线向下运动,从而先后被HCOPAR和邵阳数字测高仪观测到。第三部分,我们结合两个事件研究了地磁扰动活动对F层FAIs形成与演化的影响。地磁扰动对低纬FAIs的影响取决于哪种暴时扰动电场起主导作用,它可能会抑制或激励低纬电离层不规则体的产生和发展。根据2014-2017年HCOPAR观测数据的统计结果,大部分F层FAIs回波都发生在地磁平静条件下,只有少数几例与磁暴有关的FAIs。首先,我们分析了2017年9月7-8日磁暴期间F层FAIs的形成和演化过程。与行星际磁场（interplanetary magnetic field,IMF）Bz分量快速南向翻转有关的欠屏蔽快速穿透电场（under-shielding prompt penetration electric field,under-shielding PPEF）导致低纬电离层F层的大幅抬升,为Rayleigh-Taylor不稳定性的发展以及后续日落后FAIs的形成提供了有利的条件。南向的IMF Bz逐渐恢复至宁静水平,FAIs仍然持续到本地午夜后。在连续两次亚暴发生之后,F层底高在午夜后也出现明显大幅抬升,表明亚暴诱导的夜侧东向过屏蔽穿透电场（over-shielding penetration electric field,over-shielding PEF）可能开始占主导地位,并改变了低纬电离层午夜后纬向电场,导致了午夜后FAIs的产生。不同于磁静条件下富克地区日落后FAIs的东向漂移,这一例暴时FAIs在刚形成的阶段并没有明显的纬向漂移,随后呈现西向漂移,海南数字测高仪观测到的背景F层等离子体漂移方向的西向翻转可以解释上述暴时FAIs的纬向漂移模式。此外,我们还分析研究了2015年11月13-14日地磁扰动期间在午夜后较晚地方时（04:37-05:21 LT）产生的F层FAIs事件,海南数字测高仪的观测显示在HCOPAR记录到FAIs回波之前,F层底高在午夜后出现大幅抬升。研究认为可能是在IMF Bz的北向快速翻转及亚暴发生的共同作用下诱导了夜侧东向的过屏蔽电场向低纬电离层快速穿透,造成夜侧F层的快速抬升以及午夜后FAIs的产生。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 金晗
导师: 陈罡
关键词: 低纬电离层,小尺度场向不规则体,准周期性回波,扩展,不规则体的统计特性,不规则体的暴时响应
来源: 武汉大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 地球物理学
单位: 武汉大学
分类号: P352.7
总页数: 141
文件大小: 10530K
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标签：低纬电离层论文; 小尺度场向不规则体论文; 准周期性回波论文; 扩展论文; 不规则体的统计特性论文; 不规则体的暴时响应论文;