中低纬地区中尺度电离层行进式扰动的激发和传播研究

Medium-scale traveling ionospheric disturbances (MSTIDs) play an important role on the transportation of energy in the ionosphere and the energy exchange between the ionosphere and the atmosphere. This is due to the wide distribution of MSTIDs and their high occurrence. The sources of MSTIDs include atmospheric gravity waves (AGWs) and the instability of F-layer electric field. In this project, we plan to collect observations from GPS, ionosondes, and other optical and radio measurements to investigate the stimulation and propagation of MSTIDs at middle and low latitudes over China. The investigation includes the following contents. First, we plan to investigate the statistical correlation between MSTIDs and AGWs through combined observation of GPS and airglow; Then, we are going to study the dissipation process of MSTIDs and the influence of ionosphere irregularities on MSTIDs, and discuss the relation between MSTIDs and spread F. At last, through developing the transfer-function model and full-wave solutions of AGWs, we planned to study the stimulation process of MSTIDs and their propagation mechanism.

中尺度电离层行进式扰动由于其空间分布的广泛和时间上的高发性，在电离层-大气层能量传输及交换中扮演十分关键的角色。触发中尺度电离层行进式扰动的因素包括大气声重力波以及电离层F区电场不稳定性。本项目通过中国地区的GPS密集布阵和测高仪链，结合光学和其他电波观测手段，对中国所属中低纬赤道异常区的中尺度电离层扰动的激发和传播特性进行系统性研究，包括三方面内容：（1）通过对中尺度电离层扰动与大气声重力波的联合观测，研究两者在有效观测高度上的统计上的相互关联；（2）通过GPS、测高仪链以及星基观测，分析源于低纬电场扰动的夜间电离层扰动的激发特征和传播规律，研究中尺度电离层扰动的衰减过程以及低纬不规则体等对电离层扰动传播及衰减的影响，探讨中尺度电离层扰动与扩展F的联系；（3）通过传输函数模拟和全波解数值模拟方法，结合实验观测，研究不同类型的源引起电离层扰动的动力学及电动力学过程及扰动的发展演变机制。

本项目的主要研究任务是，针对复杂的近地源激发的中尺度电离层扰动，利用国内和国际GNSS台阵并结合测高仪链等综合观测手段，研究不同类型源激发的中尺度电离层扰动的传播特性和激发源特征。项目执行以来，我们针对地质源（地震）、天文源（日夜交替线和日食、陨石爆炸）、人工源(火箭发射）等不同类型源激发的中尺度电离层扰动的在中国区域的地域特性进行了广泛的观测，揭示了中尺度扰动在中低纬地区的激发机理、经纬度分布以及变化特征。然后，我们利用全球的GNSS网观测数据，研究了磁暴期间大尺度电离层扰动在极区激发并向中低纬传播及衰减的过程，发现了低纬度地区电离层扰动受到地磁扰动和背景电离层变化双重调制的新现象。本项目工作的两个亮点在于，（1）充分利用我国GNSS密集布阵的优势，观测到多种不同类型的中尺度电离层扰动的连续传播结构，揭示了扰动的传播机制。（2）使用全球GNSS网观测，给出了电离层扰动从高纬亚极光带直到赤道异常区这样一个广阔范围内的分类、日变化和季节变化，根据统计结果将扰动划分为西向扰动，南向扰动和北向扰动三大类，揭示了高纬地区电离层扰动与磁层扰动的密切相关性、中纬地区电离层扰动受到电离层背景变化的调制作用，以及低纬地区电离层扰动的强烈衰减，从全球传播的角度给出了电离层扰动长期变化的完整图像。上述工作共发表SCI论文5篇。项目负责人因其在电离层扰动观测方面的工作获得2015年度国家自然科学二等奖（排名第五），并获颁《中国科学：技术科学》2014年度优秀作者。培养博士生两名，其中一名毕业并获2014年度中科院院长优秀奖。