电离层天气指数化及其物理机制研究

目前对于电离层状态及其扰动还没有系统的定量或分级描述，这极大地限制了电离层天气预报的发展，其根本原因是对于影响电离层状态的物理机制还未完全了解。本项目着眼于全球性或较大区域的电离层扰动，结合空间天气业务预报的实际需求，采用现代统计学原理对主要的可连续观测的电离层参量（如foF2、TEC等）的背景和扰动进行分类，参考地磁指数的构建方法，分单点、局域和全球三个类别，用不同方法构建电离层天气组合参量，通过检验这些组合参量描述原观测参量扰动特性的准确性，优选出合适的组合参量作为新的电离层天气指数，研究这些指数的物理内涵，探讨控制这些指数的基本物理过程，尝试提出基于新指数和相关物理机制的电离层天气预报方法，并在实际业务中进行必要的检验。项目的实施不仅在科学上会有利于电离层物理研究的发展，在空间天气预报业务方面也具备极好的应用前景。

本项目的主要任务及开展的主要工作是：引入白谱法（Spectral Whitening Method，SWM）这一纯数学方法来分离背景和扰动；对比新分离法和已有的各种物理分离法；讨论新分离法的物理基础；探讨这种方法是否及如何支持新的预报思路。同时，还进行了太阳活动对气候影响的研究。项目完成专著1部，发表论文29篇（其中国际SCI刊物17篇），另在审国际期刊论文2篇，获得专利和软件著作权8项，超额完成任务。其中文章总引用72次（其中他引41次，自引31次）。项目主持单位培养博士后3名，博士生5名，硕士生10名。. 项目取得的主要成果包括：.一．构建了一对指数. 利用白谱法成功将电离层F2层临频foF2中的非周期扰动从周期变化中分离出来，并基于分离出来的非周期变化，构建了一对电离层扰动指数：单站J指数（Js）和行星J指数（Jp）。. 与指数构建相结合，研究了地磁与电离层之间能量收支，提出评价日地能量耦合的4条指标：I指标（瞬时能量平衡指标）、E指标（磁暴事件总能量收支平衡指标）、L指标（长期总能量收支平衡指标）、P指标（预报指标）。. 研究了无磁场时中性大气对电离层的影响，在火星电离层峰值变化中提取出高层大气湍动信息，发现火星中层大气对电离层峰值高度具有显著影响，首次发现火星电离层峰值存在6% 的扰动。..二．修正了一个指数. 发现取对数后的S4指数能更好地反映电离层闪烁的分级特性。研发了利用风云静止和极轨两个系列气象卫星进行电离层闪烁的监测设备，利用GPS观测进行交叉定标。风云静止卫星获得了不间断的闪烁日变化分布，发现在10:00LT附近电离层闪烁有一个次大的出现率峰值，获得时间分辨率可达1min的闪烁地方时-季节变化分布。研究出新的电离图自动度量方法。..三．撰写了一部专著. 基于本项目和其他研究成果，课题组主要成员撰写了《地磁活动性概论》一书。本书可供地球物理和空间物理的专业人员使用，也可供有关应用领域的工作人员参考，还可供相关专业的大学生和研究生阅读。本书共10章，将由科学出版社出版。..四．证认了一种现象. 统计检验了100年来中国夏季降水与太阳活动周的相关关系，证认了梅雨受到显著的太阳活动调制，并提出低层大气环流边界处是太阳活动影响比较显著的区域。