低纬电离层增层结构观测和模式研究

了解和揭示全球低纬地区电离层增层结构（F3 layer\ledge）的时空演化特征及其产生机制，是目前电离层物理研究热点之一。本项目拟利用全球低纬电离层垂测仪和GPS地面接收机结合空间顶部电离层探测卫星以及COSMIC星座等历史和在轨资料，采用观测+模式相比较的方法，研究低纬电离层高度剖面增层结构磁静日以及暴时的全球分布特征以及上下层结构的整体行为。着重提高对低纬电离层动力学过程，特别是电场和风场的经纬度差异以及沿磁力线扩散漂移对电离层增层结构发生率全球分布的影响。特别注重利用子午工程海南两站及现行的二维低纬电离层模式对本土经度扇区低纬电离层增层结构形态及其产生机制的研究分析，力求较为准确地揭示低纬电离层增层结构的产生机制以及回答剖面增层的源汇问题。该项目的开展对提升中国在中低纬电离层研究方面的学术影响有所帮助，为子午星计划凝练科学目标和需求分析提供研究基础。

电离层F3层（又称附加分层或增层）是低纬电离层中一种特殊的垂直分层结构。揭示全球低纬地区电离层F3层的时空演化特征及其产生机制，是了解低纬高层大气动力学过程及其上下耦合如何影响电离层的重要一环，也是目前电离层物理研究热点之一。本项目着重利用多种观测手段如电离层垂测仪、GPS接收机、顶部电离层探测卫星及COSMIC星座等历史资料，采用观测+模式相比较的方法，研究低纬F3层结构磁静日的全球分布特征以及上下层结构的整体行为以及暴时变化特性。课题实施的4年中，课题组成员围绕上述目标开展了系列研究。首先，对全球低纬及赤道区测高仪台站资料进行了收集和整理，对F3层相关参量如foF3, h’F3进行提取并开展F3层演化模式的分类及其机制的研究，发现了两类F3层演化模式，结合GPS解算的TEC给出了低纬驼峰变化与F3层演化模式的关系，提出了相应的物理模型。其次，利用ISIS卫星提供的顶部频高图进行了顶部电离层增层的研究。收集了近万张频高图，开发了相应的顶部频高图标定算法，获取了顶部F3层分布特征。再次，利用COSMIC掩星星座近300万个电离层剖面对电离层底部和顶部F3层结构进行了研究。通过求取电子浓度剖面的高度梯度变化并统计出现双层结构的出现率，首次给出了底部和顶部电离层增层结构纬度的精细结构和经度变化性以及地方时，季节和纬度变化，并揭示了电离层底部和顶部F3层发生率在地方时及纬度分布的差异。基于掩星数据通过引入自然正交基函数法构建了全球电离层底部F3层发生率模型，通过与地面资料对比，该模式能很好的重现F3层发生率随纬度，地方时以及季节变化等精细特征。进一步，课题组对暴时低纬电离层F3层进行了研究，如利用实验室开发的电离层二维模式模拟了超级磁暴期间产生的电离层F3层，证认了磁层的渗透电场引起的电离层快速抬升是造成F3层的主要机制。另一方面，利用三亚测高仪研究了夏季磁暴发生期间F3层的演化，发现磁暴并不总是增加F3层的发生率，相反，F3层的发生率在三亚纬度90%会得到抑制，结合地磁数据发现磁暴期间产生的西向扰动发电机电场是抑制F3层发生的主要机制。课题完成了计划任务书中的主要任务，在低纬电离层F3层的演化特性、底部和顶部特征、F3层发生率建模、F3层的暴时特性等方面取得了成果，发表国际SCI论文6篇，并多次在国际会议相关专题上获得邀请报告。研究成果达到了预期的课题目标。