中低纬度地区午夜之后电离层F2层增层现象的研究

The F2 layer stratification is a special layer that is developed from the normal F2 layer in the ionosphere, and it is a manifestation of the F2 layer traces splitting into two traces in the ionogram. Observations and theory studies indicate that many factors including ExB vertical drift, meridional winds, field-assigned diffusion, and gravity waves can be contributed to the daytime F2 layer stratification that is an abnormal ionospheric phenomenon essentially. At present, studies of F2 layer stratification focuses on the daytime ones, and there are many important results. However, the F2 layer stratification over post-midnight (00:00 -05:00 LT) is seldom investigated in the ionospheric community. According to previous statements, this research aims to investigate the F2 layer stratification at post-midnight over mid-low latitude region based on the owned ionosonde network over the southwest of China (it is organized by Wuhan University and the department of China Earthquake) and South East Asian Low-latitude IOnospheric Network (SELAION) by National Institute of Information and Communications Technology (NICT). Simultaneously, the all-sky Imager and atmosphere electric field instrument are used in the present research. Combined ionosonde networks with multi-instruments at the same location, long-term and dense observations are carried out to study the mechanism of the F2 layer stratification and summarize statistical features of the F2 layer stratification and analyze temporal and spatial variations of that. The present research can greatly improve the understandings of the mechanism and evolution of the F2 layer stratification. Additionally, it also can provide the scientific basis for the study of the coupling between the middle and up atmosphere and ionosphere.

电离层F2层增层是在常规电离层F2层的基础上出现的一种特殊的电离层结构，其表现为电离图F2层回波描迹分裂成两层回波。已有观测结果和理论研究表明，白天F2层增层是由向上ExB漂移、子午风、等离子体场向扩散以及大气重力波等众多因素造成。目前F2层增层的研究主要集中在白天，已有较清晰的成果和结论，而对午夜之后（00:00-05:00 LT）F2层增层现象，国际上的研究报道则较少。基于此，本项目拟充分利用自主观测数据（西南地区电离层观测台网）和东南亚低纬电离层观测台网的公开数据，同时结合其它观测手段，通过组网观测和同址多手段观测，点线结合，长期持续密集观测，对中低纬局部区域的午夜之后F2层增层现象展开研究，以辨明其基本特征和时空演化过程，揭示其生成的物理机制。本项目研究，不仅可以丰富人们对夜间F2层增层现象的认识和理解，并揭示其物理本质特征，且可为中高层大气-电离层耦合机理的研究提供科学依据。

电离层F2层增层是在常规电离层F2层的基础上出现的一种特殊的电离层结构，其表现为电离图F2层回波描迹分裂成两层回波。已有观测结果和理论研究表明，白天F2层增层是由向上ExB漂移、子午风、等离子体场向扩散以及大气重力波等众多因素造成。本项目充分利用自主观测数据，对中低纬地区的白天和晚上F2层增层现象展开研究，揭示了F2层增层现象在我国中低纬度地区的时空演化特征，包括日变化，季节性变化，太阳活动变化等特征。观测结果表明：1）F2层增层在发展过程存在很大的不同，其运动既可以向下，也可能是向上的。在白天和晚上都可以观测到F2层增层现象。并且F2层增层出现在频高图上的位置也不同，可能在正常F2层回波的中间位置或者顶部位置；2）统计分析表明白天F2层增层主要发生在春季，冬季出现F2层增层的时间要晚于其他季节，午夜之后的F2层增层主要发生在春季。同时，本项目利用射线追踪和TIDs扰动模型模拟了F2层增层发展的基本物理过程，模拟结果表明：1）TIDs能够产生F层增层现象，并且根据TIDs扰动幅度的不同，其可以产生不同形式的F层增层，和实际观测的F层增层的形态结构相似；2）TIDs波长越短周期越长，其对产生F层增层更有利；3）F层分层主要是由于TIDs扰动的垂直扰动分量造成的，而其水平扰动分量并不会产生F层分层现象，水平扰动分量则可能产生扩展F回波。另外，本项目基于深度学习开发了一套自动识别F2层增层现象的算法，为统计分析提供了有力的工具。本项目揭示了中低纬度地区F2层增层时空变化特性，发现F2层增层存在不同的结构特征。基于观测结果发现大气重力波/TIDs是激发F2层增层（包括白天和晚上）的一个重要因素，进一步揭示了F2层增层现象的物理机制，并且通过模拟的手段重现了F2层增层现象发展的基本物理过程，进一步完善丰富了人们对于F2层增层的理解和认识。