极区顶部电离层的掩星探测研究

With the coming of the 24st solar period and the advance of Chinese polar scientific expedition, the research of polar ionosphere becomes more significant. Because of its unique position, polar ionosphere is the key field for scientists, but the research of polar topside ionosphere is still deficient owe to the limitation of observation method. As a new technique, the data of GPS occultation are used in this project to investigate polar ionosphere, which have the advantages of high high vertical resolution, zero systematic error, global coverage, and all weather observation. More important, the most classic methods are ground-based, which means that less data of topside ionosphere. In contrast, GPS occultation can provide a large amount of information about topside ionosphere. In this project, the used occultation data contain CHAMP, COSMIC, and the extracted parameters contain electron density, total electron content, vertiacl scale height, and so on. For better interpretation of ionosphere, other methods, such as ground-based GPS, ionosonde, SuperDARN, are compared with occultation results. At last, long-period characteristics of polar topside ionosphere are obtained, and the relation between polar topside ionosphere and magnetosphere are analyzed.

随着第24个太阳活动周期的到来和十二五期间我国极地科考事业的推进，极区电离层的研究日益迫切。极区电离层由于其特殊的地理位置，一直是业界研究的热点，但是，顶部电离层的相关研究工作囿于观测手段的限制，开展仍然较少。本项目采用GPS掩星数据，其具有高垂直分辨率、无系统偏差、全球覆盖、全天候观测等特性，为极区的电离层研究提供全新的数据资料。更重要的是，由于传统观测手段多数为地基设备，顶部电离层的观测也远少于底部电离层，而掩星观测可以提供大量的顶部电离层信息。本项目分析CHAMP、COSMIC等掩星计划的观测资料，提取南极地区的电子密度剖面、电子总含量、标尺高等参数，并与地基GPS、垂测仪、SuperDARN等其他电离层监测手段进行比较，综合分析长时间尺度的极区电离层顶部特征，及其在极区电离层-磁层中的作用。

极区顶部电离层的结构对于极区电离层的研究具有重要意义，但是顶部电离层的相关研究工作囿于观测手段的限制，开展仍然较少。本课题采用无线电掩星数据，其具有高垂直分辨率、全球覆盖、全天候观测等特性，为极区的电离层研究提供全新的视角。本课题的主要研究成果包括以下几个方面：（1）在讨论了极区电离层梯度的基础上，研究了适用于极区的掩星电离层和对流层反演方法，分析了二阶项电离层残差对反演精度的影响，利用电离层垂测仪、探空仪等其他手段，验证了反演的精度。（2）利用掩星技术提取了南极地区顶部电离层和对流层顶结果，重点讨论了南极威德尔海电离层异常的垂直结构特征和南极对流层顶消失等问题。（3）利用掩星反演结果讨论了日食-电离层、地震-电离层等效应，通过电子密度剖面揭示了相关异常，说明了掩星探测手段的有效性。（4）结合地基GPS数据，讨论了极区电离层预报模型、长时间尺度的极区电离层变化特征、以及电离层模型对定位的影响等。本课题的研究是将掩星技术用于极区电离层研究的积极尝试，充分利用掩星数据的优势，获取并分析了垂直结构，尤其是顶部结构的特征。本课题对于研究极区电离层和对流层的整体变化、及其在极区的中低层大气-电离层-磁层中的作用等有重要意义，对于我国蓬勃开展的极地科考事业中的通讯导航保障等具有重要的应用价值。