等离子体层电子含量的统计分析与建模研究

Variations of the ionosphere and plasmasphere form a significant aspect of the complex subject of space weather, which has important impacts on satellite navigation and positioning, remote sensing and GPS survey, etc. Extension of the International Reference Ionosphere (IRI) model to the plasmasphere is one of the taskforce activities of the IRI community. This research project is to study the variation behavior of the plasmaspheric electron content using data from both space- and ground-based observations. Specifically, based on comprehensive data analysis, supplemented with theoretical analysis and numerical modeling, we will: (1) study the statistical properties and features of the plasmaspheric electron content and their variations with local time, season, solar cycle levels as well as their dependences on geographical/geomagnetic latitudes/longitudes;(2)study the main mechanisms governing the variation features of the plasmaspheric electron content, the couplings between the plasmasphere and its upper (plasmaspause and magnetosphere) and lower (ionosphere) layers, trying to understand the controlling roles of the (electro)dynamic processes in the coupling processes and the effects of the solar activities and geomagnetic disturbances on the variation of the plasmaspheric electron content;(3) study and search the modeling technique suitable to model the variation of the plasmaspheric electron content based on methods such as eigen mode analysis, harmonic analysis, correlative and regression analysis as well as data assimilation, etc. The goal of this research project is to provide a basis for the construction of space weather models and prediction/forecasting, and to contribute for the extension of the IRI model to the plasmasphere.

电离层与等离子体层的状态变化是空间天气的重要组成部份，其对卫星定位、导航授时以及遥感遥测等有重要影响。将国际参考电离层(IRI)模型扩展到等离子体层是目前IRI组织倡导的专攻课题之一。本项目拟利用天基与地基观测资料，采用现代先进的数据统计分析，定量研究等离子体层电子含量随地方时、季节、太阳活动周变化的统计特性及其对地磁/地理经纬度的依赖特征；通过观测数据的对比与相关性分析，结合理论分析与数值模拟，研究等离子体层电子含量变化特征的形成机理，探讨等离子体层与其上(等离子体层顶与磁层)、下(电离层)层之间的耦合关系，了解(电)动力学过程在其中的作用机制，揭示太阳活动、地磁扰动等对等离子体层电子含量变化特性的控制行为与影响特征；结合本征模分解、谐波分析、相关与回归分析以及数据同化等方法，研究适合于等离子体层电子含量全球变化规律及统计特征的建模方法。本项目的研究可为空间天气的建模与预报服务提供参考。

电离层与等离子体层的状态变化是空间天气重要组成部份，其对卫星定位、导航授时等有重要影响。所涉及的主要参量TEC包括了等离子体层的重要贡献。将国际参考电离层(IRI)模型扩展到等离子体层是目前IRI 组织倡导的课题。本项目研究了等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律及其形成机理，并对其进行建模研究。对ISO组织推举的IRI_Plas模型进行了有效性检验，指明其有待改进及改进方向。本项目的研究还积累了各种数据库，可为后续研究提供数据基础。采用的建模方法及所建模型可为空间天气建模与预报服务提供参考。.首先我们研究了利用不同的天基与地基观测资料相结合返演PEC的方法。利用返演得到的数据研究了PEC随（磁）地方时、季节、太阳周活动水平的变化及其随地理/地磁经纬度的变化规律。所得结果揭示PEC： 主要分布于磁赤道两边45度以内的纬度范围；呈现出白天高夜间低的昼夜变化规律；与其它季节相比在6月至点附近的值最小；太阳活动高年之值大于低年之值。 特别地，PEC的季节变化规律具很强的经度依赖性：在~240E-60E扇区表现为强年变化为主导特征，在~60E-240E扇区表现为弱半年变化为主导特征。机理研究表明， PEC季节变化的这种经度依赖性源于电离层与等离子体层之间存在的强烈耦合作用。根本原因可归因为：a)太阳天顶角随季节变化导致太阳辐射对中性大气的电离产生率的变化；b)热层大气环流引起的背景中性大气层[O/N2]的季节变化导致离子电离率和复合率的变化;c)热层大气环流引起的风场对电离层的抬升与降低作用导致离子电离率和复合率的变化，该作用又与地磁场位形全球分布有关。这此因素在全球不同区域影响程度不同，导致电离层表现出不同的主导季节变化特征，通过电离层与等离子体层之间的耦合反映到等离子体层中，导致不同经度链上的PEC表现出相应的不同的季节变化主导特征。.此外，对目前被ISO组织推举为电离层等离子体层标准模型的IRI_Plas模型进行了有效性检验。结果表明IRI_Plas在很大程度上尚需改进：其在低纬地区特别是在夜间低估观测结果；不能反映观测结果中PEC季节变化对经度的依赖特征；特别是它在低纬会产生失真的双峰结构。.最后，采用双层EOF分解技术，结合谐波与回归分析方法，对PEC进行了全球建模研究。与观测结果的对比表明所建模型能够较好地再现观测结果中PEC的主要特征。