基于全球GNSS接收机布阵观测的电离层扰动精细结构研究

Ionospheric disturbance is a key dynamic process that transports energy for long distances in the ionosphere. In this project, we plan to study the fine structures of ionosphere by the use of networks observations from GNSS receivers, and analyze the temporal-spatial variations of ionospheric disturbances through comparing the observations of ionospheric disturbances excited by different sources such as meteorological sources, the geological sources, the artificial sources, and the astronomical sources. The studies include the following aspects: (1) Observation of multi-field structures of the ionospheric disturbances, and the analysis of the two-dimensional propagation process of the multi-field wave structures excited by a single source; (2) Studies of the dissipation process of ionospheric disturbances at different latitudes and local time, and the simulation of dissipation mechanism; (3) Excitation of the secondary ionospheric disturbances at low latitudes. This project plans to monitor the ionospneric disturbances through the combined observation from various Global Navigation Satellite System (GNSS) including GPS of USA, GLONASS from Russia, and Beidou of China, and aims to reveal the detailed properties of the excitaion and propagation of ionospheric disturbances.

电离层扰动是电离层中能量远距离传输最主要的动力学方式。本项目基于GNSS多系统接收机在国内及国际的组网，对电离层扰动的精细结构进行观测，系统分析气象源、地质源、人工源以及天文事件源等不同类型源激发的电离层扰动的时间空间演变，通过比较不同类型源激发的电离层扰动的传播结构，结合模拟工作，研究如下内容：（1）对电离层扰动的多波场结构进行观测，分析单一源激发多个扰动情况下电离层扰动复杂的二维传播过程和时空分布；（2）研究电离层扰动传播过程中的能量衰减特征和规律，结合全波解模拟，分析电离层扰动耗散机理；（3）观测低纬地区电离层扰动的二次激发和传播过程，研究电离层扰动激发特征。本项目综合使用美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，以及中国的北斗系统对电离层扰动进行观测研究，有利于充分利用GNSS多系统的星座结构丰富、观测点密集、覆盖面广的优势，深入揭示电离层扰动激发和传播的细节特征。

在本项研究中，通过国内外空间环境观测台网的综合观测手段，研究电离层行进式扰动多波场结构的区域性和全球性分布特征，观测多波场事件带来的复杂变化对背景电离层的影响，得出了电离层扰动的精细结构，揭示了扰动之间的相互作用机制。（1）在中尺度电离层扰动方面，观测研究了陨石爆炸、浅表大地震、火箭发射等诸多的局域源激发的中尺度电离层扰动的精细结构尤其是观测到火箭发射后出现的激波、二次谐波及同心圆波动的大范围传播发展过程，并观测到火箭过境后尾气引起的电离层空洞及其漂移。（2）在大尺度电离层扰动研究方面，对大尺度扰动的多波场结构和跨赤道传播机制进行了观测研究，发现了多波场事件中波波相互作用引起的等相面偏离，对跨赤道传播的扰动进行观测，发现了大尺度电离层扰动并在赤道地区耗散过程中形成的二次波现象，揭示了电离层扰动多波场结构在低纬区域复杂的时空演变过程。本项目支持下发表论文8篇（含第一和第二标注），其中JGR-space physics4篇。本项研究意义在于，一方面通过对电离层行进式扰动的精细结构观测，解释扰动的激发和传播机制，以及人类活动对空间天气过程的影响；另一方面通过对电离层扰动的观测，获取扰动源如火箭的位置速度、地震震源等信息，对扰动源尤其是火箭/导等的监测具有重要价值。