基于GPS无线电掩星观测的全球偶发E层形态学研究

偶发E层可对高频无线通信系统的最大可用频率和通信质量产生严重影响，而且可导致穿电离层传播的无线电波发生强闪烁。本申请项目拟利用CHAMP、GRACE-A和COSMIC三个GPS无线电掩星实验系统对地球大气层和电离层长期、连续和全球覆盖性的观测，开展全球偶发E层形态学特征研究。申请者提出利用掩星射线近地点高度在距地面50公里至140公里范围内的50Hz采样率的GPS卫星C/A码信噪比观测资料，通过分析偶发E层不规则结构引起的C/A码信噪比波动，研究全球范围内偶发E层的强度和出现率随地理（或地磁）位置（纬度和经度）、高度、地方时、季节、地磁活动和太阳活动等变化的统计特征。本申请项目的研究不仅可以加深对全球偶发E层产生和变化的物理机制的理解，还可为保障高频无线通信系统和"北斗二代"卫星导航系统的正常工作提供基础信息。

本项目根据2002年1月至2012年12月CHAMP、GRACE-A、COSMIC、C/NOFS和TerraSar-X五个GPS掩星观测系统提供的50 Hz采样率的GPS卫星C/A码信噪比（简称SNR）观测资料，利用归一化SNR扰动标准差表征Es强度，研究了全球范围内Es强度和Es出现率的时空分布特征。主要研究结果如下：1、较大的归一化SNR扰动标准差集中分布在距地面95–110 km高度的中纬地区，其数值在北半球夏季最大，在南半球夏季次之，在春季和秋季则明显减小。归一化SNR扰动标准差的夏季峰值现象明显，在南、北半球其最大值均出现在夏至月（即12月和6月）。2、在各季节内，较大的归一化SNR扰动标准差均仅分布在中、低纬地区，在磁赤道附近1°–2°纬度带内其数值明显较小，这与风剪切形成Es的机制在磁赤道附近不起作用是一致的。3、在北半球夏季，与同纬度带其它地区相比，归一化SNR扰动标准差在中国和地中海地区上空明显较大，在美国上空则明显减小。在南半球夏季，与同纬度带其它地区相比，大西洋南部和非洲南部地区的归一化SNR扰动标准差明显减小。归一化SNR扰动标准差的上述分布特征与地磁场强度水平分量的分布特征一致，这与风剪切理论的预言相吻合。4、在夏季的中高纬地区，归一化SNR扰动标准差具有明显的半日变化特征，较大的数值出现在6–16 LT和18–4 LT两个时段内，且前一时段内的数值明显比后一时段大。较大的归一化SNR扰动标准差首先出现在距地面约110 km高度，随着时间推移逐渐下降至距地面90 km高度附近，且夜间的下降速度比白天下降速度快。5、在北半球夏季的中低纬地区，归一化SNR扰动标准差同时具有半日和周日变化特征。在周日变化过程中，较大的归一化SNR扰动标准差随着时间推移其高度逐渐下降，下降速度约为0.8 km/h。在半日变化过程中，其下降速度约为2.1 km/h。6、在各季节内，较大的Es出现率仅分布在中、低纬地区，在磁赤道附近1°–2°纬度带内Es出现率明显较小。Es出现率的夏季峰值现象十分明显，其数值在北半球夏季最大，在南半球夏季次之，在春季和秋季则明显减小。在北半球夏季，与同纬度带其它地区相比，中国和地中海地区上空的Es出现率明显较大，而美国上空的Es出现率明显减小。在南半球夏季，与同纬度带其它地区相比，大西洋南部和非洲南部地区的Es出现率明显减小。