电离层南北半球不对称与低纬电离层闪烁的相关性研究

Ionospheric scintillation have significant effect on the communication/navigation system and space activity, the morphology and the mechanism of the scintillation is always the hot issue of the ionospheric physics and space weather. This project intends to study the correlationship between the magnetic south-north hemispheric asymmetry of the ionosphere and the occurrence of the low-latitude ionospheric scintillation on the basis of data analysis and numerical calculation. The main study would contain three sections as follows: 1) Based on analysis of GPS network and satellite observations, study the characteristics of the magnetic southern-northern hemispheric asymmetry of background low-latitude ionosphere depending on local time, seasons, solar cycles and day-to-days. 2) Using ground-based observations, study the statistical characteristics of the occurrences of scintillation in low-latitude ionosphere, and develop the relationship between the magnetic south-north hemispheric asymmetry of the ionosphere and the occurrence of the low-latitude ionospheric scintillation comparing the characteristics of scintillation with the characteristics of asymmetry of background ionosphere. 3) By view of ionospheric theoretic model, combining with data analysis, study the characteristics of the hemispheric asymmetry of the ionosphere and the factors leading to the hemispheric asymmetry and the occurrence of scintillation. Develop a short-term trend scintillation forecasting system of low-latitude ionosphere. The investigation of this project may promote to understand the physical factors affecting the electrodynamic process and scintillation activity in low-latitude ionosphere. It also can help to develop the scintillation forecasting system and better work for the space weather forecasting, which have important scientific meaning and applicable value.

电离层闪烁对各种通讯和导航定位系统及空间活动有重要影响，其气象学特征及生成机制一直是电离层物理和空间天气学研究的热点问题。本项目拟基于数据分析和数值模拟计算，开展电离层磁南-北半球不对称与低纬电离层闪烁发生率的相关性研究。研究内容包括：1)基于GPS台网和卫星观测数据，分析背景低纬电离层的磁南北半球不对称特征随地方时、季节、太阳活动和逐日变化特征；2)利用地基观测数据，统计分析低纬电离层闪烁出现率的变化特征，将其与电离层半球不对称特征进行比较分析，建立磁南-北半球不对称与闪烁出现率之间的联系；3)基于电离层理论模型，结合数据分析结果，计算分析电离层磁南北半球不对称的变化特征以及影响半球不对称和闪烁出现率的背景因素，初步建立低纬地区短期闪烁预报模型。本项目研究将促进理解影响电离层电动力学过程和闪烁活动的物理因素，有助于构建闪烁预报模型，更好的服务于空间天气预报，具有重要的科学意义和应用价值。

赤道电离异常(Equatorial Ionization Anomaly, EIA)一直是电离层物理的研究热点之一，电离层闪烁是电离层物理和空间天气的另一研究热点和重点。本项目通过多手段观测数据分析，结合数值计算和数值模拟，主要研究背景电离层(包含EIA)的强度和南北半球不对称的变化特征，低纬电离层不规则结构的特征，以及初步探讨EIA与低纬电离层闪烁出现率之间的联系。本项目按照项目计划较好的完成了既定项目内容，主要结果可总结为三部分，(1) 赤道电离异常的基本特征。利用通量管积分方法，分析发现背景电离层存在显著的半球不对称，且半球不对称强度还依赖于季节和太阳活动；基于分析IGS提供的全球总电子含量(Total Electron Content, TEC)分布，发现EIA强度和南北半球不对称性均表现出显著的日变化和月变化特征；EIA的强度和半球不对称性表现出一定的随太阳活动的变化，但这种依赖并不显著；磁扰动期间，EIA可能会增强，也可能会受到抑制，EIA半球不对称性也可能会更为显著； (2) 低纬电离层不规则结构的特征和触发机制。基于多种卫星观测，地基GPS、测高仪等观测，发现行星波类型振荡在SF的发展过程中发挥着重要作用；低纬电离层中的等离子体密度增强(等离子体团)与密度耗尽(等离子体泡)存在一定的关联，子午风对等离子体团的出现有重要贡献；(3) 赤道电离异常与低纬电离层闪烁出现之间的联系。理论计算发现，背景电离层的半球不对称强度随季节和太阳活动的变化特征与低纬地区闪烁出现率的变化特征相反；基于全球电离层图(Global Ionosphere Map, GIM)提供的TEC分布，地基GPS观测以及卫星观测结果，分析发现低纬地区闪烁的出现可与EIA强度和半球不对称联系起来：当EIA强度较大时，且EIA表现为南北半球对称时，闪烁更容易出现；反之，闪烁较难出现。但EIA的增强并不一定引起闪烁的出现。本项目的研究可促进深入理解低纬电离层中的电动力学过程，加深了解影响低纬电离层不规则结构和闪烁出现的物理因素，为进一步构建低纬电离层模型提供参考，为构建电离层闪烁预报系统提供一种新思路，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。