低纬电离层天气扰动特征及其对太阳风的响应

The response of the ionosphere to varying solar wind conditions is an important and unresolved issue in ionospheric physics and provides an inevitable challenge for ionospheric modelings, at least at the current stage, the models have difficulties in reproducing the behaviors of the ionosphere under disturbance events. Under the support of this project, we aim to explore the response of the ionosphere at low latitudes to changes in solar winds under space weather events which are driven by coronal mass ejections and high-speed solar wind coronal streams, to investigate the electrodynamical processes in the disturbed ionosphere, to reveal the global and regional features in the changes in the ionosphere, and to study the correlations of the solar wind parameters with changes in ionospheric weather and climatology. Furthermore, we will develop an efficient ionospheric data assimilation technology, through including observationed information, to improve the model's ability to simulate the evolutions of the low latitude ionosphere under space weather events. The study will make novel progresses in understanding the global and regional features in changes in the ionosphere and the solar wind coupling with the ionosphere in ionospheric weather and climatology. The project belongs to the direction "The multiply structures, evolutions and couplings of the solar wind-magnetosphere-ionosphere-upper atmosphere system" in the high priority supporting fields "solar terrestrial environment and space weather".

电离层天气变化特性及对太阳风的响应，是电离层物理尚未解决的重要科学问题。电离层模式在现阶段面临极大的挑战，难以完美重现不同类型的空间天气事件期间的电离层扰动行为。本项目拟围绕低纬电离层天气变化，通过分析起源于日冕物质抛射及冕洞高速流的两类空间天气事件期间的低纬电离层演变，探究电离层扰动电动力学过程，揭示低纬电离层天气变化的全球性特性与区域特征，研究行星际太阳风参数如何驱动电离层天气过程和调制电离层气候学变化。通过发展观测数据约束的实用电离层同化技术，实现对典型空间天气事件下电离层演变的定量化模拟。以电场为线索突出耦合，有望在低纬电离层天气行为的全球特征与区域差异特性、电离层气候学特性与太阳风参数的关联等方面取得创新，以新的思路认识电离层特性与机理。本项目属于申请指南的"日地空间环境和空间天气"领域中"太阳风、磁层、电离层、中高层大气多时空尺度的结构、演化和耦合过程"重点资助方向。

项目围绕中低纬电离层天气变化，通过分析空间天气事件期间的电离层演变，揭示中低纬电离层的全球性特性与区域特征，以电场为线索，探究了电离层扰动动力学过程。在电离层的天气行为特征与区域差异，气候学特性与太阳活动、地磁活动水平的关联等方面取得系列研究突破。进展有：.在电离层的扰动特征与机理的研究中，对极端空间天气事件的分析，通过对多扇区的对比，揭示出电离层响应在不同扇区及同一扇区东西侧存在差异。发现长时间的扰动发电机是亚澳扇区负暴效应的主导因素，纠正了关于电离层负相暴的流行的中性成分成因的片面认识；确定中性风和成分扰动的不对称性可引起电离层响应的半球不对称性和东西不一致性。发现扰动电场是长时间正暴事件的关键性成因，找到了扰动风场的变化导致磁暴期间扰动电场的观测证据。. 从复杂的电离层变化性中分离出较弱地磁活动的影响，揭示出整体地磁活动水平显著地控制着GEC的逐日变化。揭示了23/24太阳活动周极低年期间电离层的变化特征与机理，拓展研究了在EUV辐射极端低的情况下电离层的行为，探讨了相关机制，成果为研究电离层长期变化提供了理论支持。我们这方面的研究，引领国际有关学者进行跟踪研究。. 在电离层/热层对太阳辐射不同时间尺度变化的研究中，发现大耀斑导致热层密度出现显著扰动，热层变化主要受耀斑期间积分EUV辐射的控制。揭示了电离层空间天气与气候学变化的差异，发现电离层对EUV的11年变化的响应程度明显高于对EUV的27天变化的响应程度，电离层对EUV的27天变化的响应有明显的时间延迟效应，对EUV的11年变化的响应无明显时间延迟。. 开展了电离层夜间异常的特征与机理的系统性研究，发现一类低纬夜间增强新特征与物理机制，伴随有F2峰高下降；首次得到了夜间增强的全球分布图像，发现夏季半球的日落—夜间增强会影响到冬季半球的夜间增强的分布特征，揭示南太平洋地区特殊地磁构型有利于其日落—夜间增强的形成。相关成果被《中国科学》的Highlight论文重点评述。. 开展了电离层数据同化模式研究，开发出了实用的同化模式。利用同化模式，基于有限台站的观测资料，由电离层观测资料反演高层大气参数信息，有效弥补观测的不足，可以获得整个子午面电离层参量。. 发表40篇SCI论文，得到101次引用。以客座主编在两刊组稿专刊。承担人获得2015年度国家自然科学二等奖（排名第二）。