【摘要】：電離層是距地面約60-1000公里既包含帶電粒子又充滿中性氣體的區(qū)域。該區(qū)域承載了人類主要的空間活動和絕大多數(shù)空間飛行器的運(yùn)行,并能強(qiáng)烈影響無線電波的傳播。電離層存在多重尺度結(jié)構(gòu),且這些結(jié)構(gòu)與其所在的電離層背景存在極大的差異,能顯著影響并改變其所在區(qū)域的電離層特性,進(jìn)而會影響路徑該區(qū)域的無線電傳播,特別是對通信導(dǎo)航、衛(wèi)星定軌定位等的影響尤為突出。如引起相關(guān)電離層閃爍,嚴(yán)重時造成衛(wèi)星信號失鎖等。因此,對電離層不同尺度結(jié)構(gòu)的研究具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。近年來,中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速發(fā)展,其中的地球同步衛(wèi)星(GEO)因其對地靜止,利用其可對相同電離層區(qū)域進(jìn)行持續(xù)觀測,為研究電離層中尺度結(jié)構(gòu)提供了新的手段。本文基于北斗GEO電離層觀測優(yōu)勢,結(jié)合氣輝和GPS等觀測,克服了以往觀測方式時間與空間變化效應(yīng)混雜的局限,聚焦中低緯度典型的電離層中尺度結(jié)構(gòu),揭示了電離層中尺度波動結(jié)構(gòu)在中緯的日變化特征,以及其在低緯白天隨地方時、季節(jié)、緯度變化特征和半球耦合特征;首次系統(tǒng)分析了百公里尺度的電離層白天經(jīng)度變化的特征,并探究了地磁活動對其影響。具體的研究成果如下:1.聯(lián)合電離層多種觀測手段,研究中緯度中尺度電離層行擾(MSTIDs)的特征。首次利用北斗GEO總電子含量(TEC)研究了中緯度夜間MSTIDs,與GPS TEC和氣輝觀測的夜間MSTIDs特征相比,揭示了夜間MSTIDs發(fā)生率的季節(jié)變化在一年中具有三峰結(jié)構(gòu)。同時,發(fā)現(xiàn)與GPS TEC觀測相比,北斗GEO TEC觀測到的夜間MSTIDs參數(shù)特征更接近氣輝觀測的結(jié)果,其可以有效地避免在獲取MSTIDs參數(shù)時因衛(wèi)星運(yùn)動而產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)及背景電離層剔除的影響。此外,利用北斗GEO TEC觀測研究了中緯白天MSTIDs變化特性,并對比了同地的夜間MSTIDs特征,發(fā)現(xiàn)二者存在明顯的差異,這表明它們激發(fā)機(jī)制不同。白天MSTIDs可能主要是由低層大氣重力波通過動力學(xué)過程誘發(fā),而夜間MSTIDs可能是通過Perkins不穩(wěn)定性、E層和F層耦合及半球間耦合等多種電動力學(xué)過程產(chǎn)生。2.獲取低緯白天周期波動結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識�；�2016年至2017年北斗GEO電離層觀測鏈反演的TEC數(shù)據(jù),首次統(tǒng)計(jì)分析和探究了亞洲-澳洲扇區(qū)低緯白天電離層中周期為18到28分鐘左右的中尺度波動結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)在北半球觀測到的白天電離層周期波動結(jié)構(gòu)主要發(fā)生在冬季地方時11點(diǎn)到17點(diǎn)、北緯17°到25°(磁緯10°-18°N)之間,其最大發(fā)生率達(dá)80%,出現(xiàn)在北緯21°(磁緯14°N)附近。在南半球白天電離層周期波動結(jié)構(gòu)主要發(fā)生在冬季地方時11點(diǎn)到15點(diǎn)、南緯6.0°到11.1°(磁緯15.4°-21.6°S),但它的最大發(fā)生率只有40%左右。與低層大氣重力波活動相比,兩者季節(jié)和緯度變化基本一致。這表明白天電離層周期波動結(jié)構(gòu)可能來源于低層大氣重力波并在低緯度產(chǎn)生,而不是從其它緯度傳播而來。此外,我們發(fā)現(xiàn)觀測到的低緯度白天電離層周期性波動結(jié)構(gòu)不存在半球耦合特征,這說明白天電離層周期波動結(jié)構(gòu)并非由半球間電動力學(xué)耦合過程引起。3.首次揭示白天電離層百公里尺度經(jīng)度變化特征。利用2015年至2016年中國中部區(qū)域北斗GEO TEC觀測數(shù)據(jù),首次系統(tǒng)研究了電離層區(qū)域性即百公里尺度的經(jīng)度變化。發(fā)現(xiàn)中低緯白天電離層在幾百公里區(qū)域內(nèi)存在非常顯著的緯向梯度,其緯向差異最大超過40 TECU。電離層緯向梯度事件發(fā)生時,白天西側(cè)TEC大情形的比東側(cè)TEC大的情形出現(xiàn)稍多,且均主要發(fā)生在正午及午后時間。在季節(jié)變化上,白天區(qū)域性電離層緯向梯度發(fā)生率呈現(xiàn)明顯的半年周期變化,其主峰和次峰分別出現(xiàn)在春季和秋季,最小值出現(xiàn)在夏冬兩季。4.發(fā)現(xiàn)白天電離層百公里尺度經(jīng)度變化地磁活動依賴性關(guān)系。利用亞洲-澳洲扇區(qū)中低緯北斗GEO電離層觀測鏈數(shù)據(jù),研究了 2017年9月磁暴期間電離層區(qū)域性即百公里尺度的經(jīng)度變化,發(fā)現(xiàn)在磁暴期間白天電離層存在明顯區(qū)別于地磁平靜時期的區(qū)域性緯向梯度。同時,利用2015年12月至2016年12月中國中部區(qū)域性的北斗GEO電離層觀測網(wǎng)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了白天電離層區(qū)域緯向梯度與地磁活動的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)白天電離層區(qū)域緯向梯度在不同地磁活動狀態(tài)下發(fā)生率較一致,但梯度較大的緯向梯度結(jié)構(gòu)主要發(fā)生非地磁平靜期間。此外,大部分白天區(qū)域性電離層緯向梯度結(jié)構(gòu)伴隨背景TEC增強(qiáng)。這表明地磁擾動引起的電場變化可能對產(chǎn)生白天區(qū)域性電離層經(jīng)度變化具有重要作用。本文的研究結(jié)果有助于加深對中低緯電離層中尺度結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,加強(qiáng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)展及應(yīng)用,對提高通信導(dǎo)航、定軌定位精度及改進(jìn)空間天氣預(yù)報模式有著重要意義和應(yīng)用價值。
【圖文】：

的高度稱為過渡高度，一般在６００到１５００ｋｍ之間。Ｆ２層峰值高度到過渡高度之逡逑間，這個以０＋離子為主的區(qū)域，稱之為頂部電離層（ＳｃｈｕｎｋａｎｄＮａｇｙ，２００９）。此逡逑夕卜，如圖１．１所示，在電離層中，，中性大氣密度隨著高度增加呈量級減小，并直‘逡逑至消失。逡逑Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ邋Ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ逡逑Ｓ00邐Ｔ邐Ｉ邐Ｈ￣￣｜邐Ｉ邐ｒ￣Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑７００邋？邐Ｉ邋0＼邋＼邐ＭＳＩＳ－Ｅ－９０１ＲＩ－９５邋Ｍｏｄｅｌｓ邋＿逡逑＼邋ｈ邋Ｗ邋／邐＼邐＼邐Ｓｏｌａｒ邋Ｍａｘｉｍｕｍ逡逑剛邋＿邐、７邋／ｈ＿邐＼邐＼邐４３。Ｎ，Ｎｏｏｎ，邋Ｅｑｕｉｎｏｘ邐＿逡逑Ｉ邋５００邐Ｈ邋＼ｒｉ邋＼邐－逡逑＾邋４００邋－邋＼邋＼邋－逡逑0＞邐Ｉ邐＼邋Ｎｅｕｔｒａｌｓ逡逑工邋３００邐Ｊ邐＼邐－逡逑ｔ邋＼逡逑２卩0邋＿邐、、－Ｆ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑１００邋—＾＾１邋Ｅ邋ｒｅｇｉｏｎ邐－逡逑邐邋邐邐邋丁＂邋Ｄ邋ｒｅｇｉｏｎ邐—－逡逑Ｑ邋邐ｔ邐｜邐｜邐｜邐｜邐｜邐｜邐｜邐｜邐｜邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐逡逑１０１邐１０１邐１０３邐１０４邐１０５邐１０６邐１０’邐１０ｓ邐１０９邐１０１Ｓ邐１０ｕ邐１０１２邐１０１３邐１０１４邐１０１５邐１０１６逡逑Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｄｅｎｓｉｔｙ邋（ｃｍ＂３）逡逑圖１．１電離層分層及成分隨高度變化示意圖。源自ＮＣＡＲＨＡＯ逡逑受地球磁場位形的影響，電離層在不同地磁緯度呈現(xiàn)出不同的物理特征。在逡逑高緯電離層區(qū)域

國扇區(qū)東西部（Ｚｈａｏｅｔａｌ．，２０１３）及巴西扇區(qū)（Ｆａｇｕｎｄｅｓｅｔａｌ．，２０１６）發(fā)現(xiàn)的電離逡逑層經(jīng)度差異。那么在更小的尺度，如在幾百公里范圍，同經(jīng)度縣城與縣城之間電逡逑離層是否存在明顯區(qū)別？如圖１．３所示，ＧＮＳＳ黃山站觀測到的２０１６年３月１１逡逑曰非同步衛(wèi)星ＴＥＣ和北斗同步衛(wèi)星ＴＥＣ變化。左圖展示的是非同步衛(wèi)星ＴＥＣ，逡逑雖然該圖給出了電離層的周日變化特征，但同時刻ＴＥＣ值較分散，差異可達(dá)５０逡逑ＴＥＣＵ。然而，由于衛(wèi)星相對于地球運(yùn)動，非同步衛(wèi)星ＴＥＣ存在空間變化和時間逡逑變化混雜的缺點(diǎn)。右圖給出了北斗地球同步衛(wèi)星ＴＥＣ，同步衛(wèi)星ＴＥＣ不僅反映逡逑了電離層周日變化，而且同時刻不同方向觀測ＴＥＣ差異也清楚地被呈現(xiàn)。與非逡逑同步衛(wèi)星ＴＥＣ相比，北斗同步衛(wèi)星ＴＥＣ規(guī)避了時間與空間變化效應(yīng)混雜的問題，逡逑而且同站點(diǎn)不同同步衛(wèi)星ＴＥＣ觀測反映緯向距離在幾百公里的電離層變化信息逡逑（Ｈｕａｎｇｅｔａｌ．
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P352

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本文編號：2612218