中国低纬电离层F区不规则体特性观测研究

论文摘要

夜间电离层中常常有等离子体不规则体生成。在低纬赤道地区,电离层不规则体又被称为赤道扩展F或赤道等离子体泡。赤道扩展F能够引起电离层闪烁进而影响卫星通信的质量和卫星导航的精度。因此,人们越来越重视赤道扩展F的研究。建立在海南地区的甚高频雷达,电离层数字测高仪和GPS闪烁/TEC接收机积累了大量的观测数据,使得系统研究中国低纬地区电离层F区不规则体成为可能。本文基于三亚站甚高频雷达、电离层数字测高仪和GPS闪烁/TEC接收机,富克站甚高频雷达和电离层数字测高仪,以及C/NOFS卫星的观测数据研究了中国低纬地区赤道扩展F的局地生成率,多设备联合观测和电离层F区薄层状不规则体。研究共分为五个部分:在第一部分,利用2010-2014年期间3-4和9-10月的GPS电离层闪烁/TEC和三亚甚高频雷达的数据,研究了电离层闪烁、TEC快速波动和后向散射羽毛状回波的发生率。通过分析日落后1小时内电离层闪烁、TEC快速波动和后向散射羽毛状回波同时出现的情况,研究了三亚地区赤道扩展F的局地生成率。结果表明赤道扩展F月度生成率的变化范围为0%-68%。在2010,2013和2014年,赤道扩展F的局地生成率存在明显的春秋季不对称。在2010-2014年期间,赤道扩展F在3-4月的局地生成率是逐渐增加的,但是在9-10月的局地生成率没有类似的趋势。受太阳活动影响的等离子体垂直漂移对赤道扩展F的局地生成率有着重要影响。等离子体垂直漂移的春秋季不对称可能是引起赤道扩展F局地生成率春秋季不对称的原因。在第二部分,通过通信/导航中断预报系统（C/NOFS）卫星,三亚甚高频雷达和GPS电离层闪烁接收机在2010年3月12日的共同观测,共发现了5个等离子体泡,其中有3个等离子体泡同时被上述3种设备观测到。三亚甚高频雷达观测到了2个发展充分且产生强后向散射回波的羽毛状不规则体,C/NOFS卫星在10317,10318和10319轨道上飞行时观测到了2个不规则体对应的耗空。在10318轨道上发现了由合并过程（merging process）引起的宽等离子体耗空。电离层闪烁发生的时间和地理位置与三亚甚高频雷达和C/NOFS卫星的观测结果吻合较好。来自3种不同设备的观测结果表明扩展F不规则体有着不同的尺度。三亚甚高频雷达和C/NOFS卫星观测到的不规则体存在经度差异,发展起来的等离子体泡的东向漂移是引起这种差异的原因。一般情况下,赤道扩展F（ESF）不规则体在电离层F区底部生成,且在雷达回波的距离-时间-强度（range-time-intensity,RTI）图中表现为高度范围超过50千米的羽毛状结构。在第三部分,通过利用位于中国低纬地区的富克和三亚甚高频雷达,在日落发生时的F区中观测到了演化型带状不规则体结构。一个有趣的现象是这种带状结构在400千米以上的较高高度处生成,然后上升到更高的高度且没有纬向漂移。带状结构存在的时间小于25分钟,这在富克甚高频雷达每一个波束观测回波的距离-时间-强度图中是一致的。电离层F区中带状不规则体结构的多普勒速度比较大,但是谱宽很窄。在带状结构出现的过程中,还观测到了明显的幅度闪烁（S4>0.2）,TEC快速波动（ROTI>1.0）和区域型扩展F现象。这说明在顶部电离层中生成的带状不规则体结构与赤道等离子体泡（EPBs）有关联。在等离子体泡上边界发生的交换不稳定过程可能是顶部电离层中演化型带状不规则体结构生成的机制。在第四部分,首次介绍了由富克甚高频雷达探测到的比较罕见的向下漂移的顶部型散射层（top-type scattering layer,TSL）。观测结果表明顶部型散射层大约在450千米高度处生成,然后随时间在垂直方向生长。向下漂移的顶部型散射层存在的时间大约为50分钟。顶部型散射层的多普勒回波为负值,表明不规则体层在向靠近雷达的方向运动。不规则体层的多普勒谱宽比较窄,增长相为20米/秒,衰退相为5米/秒。富克电离层数字测高仪从7到15 MHz（不包含12 MHz）频率的观测结果表明底部电离层的虚高随时间下降,这对应了西向背景电场。当背景西向电场和比较大的等离子体密度梯度共同存在时使得顶部电离层中不稳定过程成为可能,最终引起顶部型散射层。在第五部分,利用三亚甚高频雷达波束4和5的观测数据研究了在地磁平静日午夜后发生的2个底部型散射层事件。分析结果表明午夜后的底部型散射层发生的高度为220-240千米。回波层的厚度比较一致,大约为10千米,高度范围随时间基本不发生变化。回波层的高度随时间表现出震荡特性,多普勒谱宽比较窄。这些特征与发生在日落后的底部型散射层的特征相似。在发生午夜后底部型散射层的时段内,三亚电离层数字测高仪记录的频高图中出现了弥散性回波和卫星描迹（satellite trace,ST）,说明有扩展F不规则体和大尺度波结构存在。午夜后的底部型散射层可能是由重力波扰动风驱动的梯度漂移不稳定引起的。在另外一个地磁平静日三亚甚高频雷达波束5观测到了周期性羽毛状回波与午夜后呈块状分布的底部型散射层共同存在,说明都受到了大尺度波结构的调制。进一步证明了午夜后大尺度波结构的存在可以生成底部型不规则体。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 孟兴

导师: 方涵先,翁利斌

关键词: 赤道扩展,等离子体泡,瑞利泰勒不稳定,局地生成率,共同观测,顶部薄层状不规则体,向下漂移,午夜后底部型散射层

来源: 国防科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 国防科技大学

分类号: P352

DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000127

总页数: 117

文件大小: 5022k

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