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Review of ionospheric irregularities and ionospheric electrodynamic coupling in the middle latitude region

Earth and Planetary Physics 2021年第5期5卷 462-482页

作者： Yi Liu Chen Zhou Tong Xu Qiong Tang zhongxin deng GuanYi Chen ZhuangKai Wang Department of Space Physics School of Electronic InformationWuhan UniversityWuhan 430072China National Key Laboratory of Electromagnetic Environment China Research Institute of Radiowave PropagationQingdao 266107China

This paper briefly reviews ionospheric irregularities that occur in the E and F regions at mid-latitudes. Sporadic E(ES) is a common ionospheric irregularity phenomenon that is first noticed in the E layer. ES mainly appears during daytime in summer hemispheres, and is formed primarily from neutral wind shear in the mesosphere and lower thermosphere(MLT) region. Field-aligned irregularity(FAI) in the E region is also observed by Very High Frequency(VHF) radar in mid-latitude regions. FAI frequently occurs after sunset in summer hemispheres, and spectrum features of E region FAI echoes suggest that type-2 irregularity is dominant in the nighttime ionosphere. A close relationship between ES and E region FAI implies that ES may be a possible source of E region FAI in the nighttime ionosphere. Strong neutral wind shear, steep ES plasma density gradient, and a polarized electric field are the significant factors affecting the formation of E region FAI. At mid-latitudes, joint observational experiments including ionosonde, VHF radar, Global Positioning System(GPS) stations, and all-sky optical images have revealed strong connections across different scales of ionospheric irregularities in the nighttime F region, such as spread F(SF), medium-scale traveling ionospheric disturbances(MSTID), and F region *** suggest that different scales of ionospheric irregularities are generally attributed to the Perkins instability and subsequently excited gradient drift instability. Nighttime MSTID can further evolve into small-scale structures through a nonlinear cascade process when a steep plasma density gradient exists at the bottom of the F region. In addition, the effect of ionospheric electrodynamic coupling processes, including ionospheric E-F coupling and inter-hemispheric coupling on the generation of ionospheric irregularities, becomes more prominent due to the significant dip angle and equipotentiality of magnetic field lines in the mid-latitude ionosphere. Polar

关键词： ionospheric irregularity plasma instability neutral wind polarized electric field ionospheric electrodynamic coupling

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大气模型的适用性分析及应用研究

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电波科学学报 2014年第4期29卷 774-779页

作者：陈亮刘钝邓忠新甄卫民中国电波传播研究所山东青岛266107

临近空间的开发利用对大气环境参数的获取提出了迫切需求,建立了临近空间中性大气模型(Near Space Parameter Model,NSPM),并对其进行了适用性分析.通过对模型精度、残差、标准差的计算,发现密度模型与温度模型的输出结果与实时观测结... 详细信息

临近空间的开发利用对大气环境参数的获取提出了迫切需求,建立了临近空间中性大气模型(Near Space Parameter Model,NSPM),并对其进行了适用性分析.通过对模型精度、残差、标准差的计算,发现密度模型与温度模型的输出结果与实时观测结果具有较好的一致性,而风场模型的输出结果能较好地体现平均观测结果.最后,利用NSPM模型分析了中国地区临近空间区域的各大气参数(密度、温度、压强、经向风、纬向风)的变化特性.研究表明临近空间大气环境变化具有明显的季节性及区域性.

关键词：临近空间大气参数精度分析

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A study of ionospheric scintillation effects on Differential GNSS

A study of ionospheric scintillation effects on Differential...

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第三届中国卫星导航学术年会

作者： Liu Dun,deng zhongxin,Feng Jian,Zhen Weimin China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China

Irregularly structured ionospheric regions can cause diffraction and scattering of trans-ionospheric GNSS *** received at an antenna,these signals present random temporal fluctuations in both amplitude and phase,as known ionospheric *** addition to worsening the signal quality,ionospheric irregularity related to scintillation will break down the spatial correlation structure of ionosphere,leading to a degradation of differential GNSS *** the data analysis shows that during a scintillation event,the length of baseline on which DGNSS could be used will be reduced to a much shorter distance comparing with that under undisturbed ionosphere *** residual error caused by scintillation related irregularity increases as the length of baseline increase during the scintillation *** residual error under scintillation could be 2～4 times bigger than that of no scintillation *** accuracy of Scintillation effected DGNSS is even worse than that of under quiet ionosphere condition for baselines longer than 20km as indicated by our analysis in this paper.

关键词： GNSS Ionosphere Scintillation Differential GNSS

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一种基于截断奇异值分解正则化的电离层层析成像算法

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电波科学学报 2014年第2期29卷 345-352页

作者：欧明甄卫民於晓徐继生邓忠新武汉大学电子信息学院湖北武汉430079 中国电波传播研究所山东青岛266107

提出了一种基于截断奇异值分解正则化(Truncated Singular Value Decomposition,TSVD)的电离层层析成像算法.该算法选择球谐函数与经验正交函数作为表征电离层电子密度空间变化的基函数,以降低背景模型对层析成像的影响;利用广义交叉验... 详细信息

提出了一种基于截断奇异值分解正则化(Truncated Singular Value Decomposition,TSVD)的电离层层析成像算法.该算法选择球谐函数与经验正交函数作为表征电离层电子密度空间变化的基函数,以降低背景模型对层析成像的影响;利用广义交叉验证法来选择合适的截断参数,提高了算法的稳定性和反演精度.基于中国区域23个观测站的电离层层析成像仿真结果表明:与乘法代数重构算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,MART)相比,基于TSVD正则化的电离层层析成像算法能够在不需要背景电离层电子密度作为先验条件的情况下,实现电离层电子密度的有效反演.

关键词：电离层层析成像 TSVD 球谐函数经验正交函数 MART

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南极长城站周边地区电离层TEC变化特性

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电波科学学报 2015年第5期30卷 951-958页

作者：邓忠新冯健甄卫民胡红桥欧明刘钝中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室青岛266107 西安电子科技大学物理与光电工程学院西安710071 中国极地研究中心上海200136

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)是描述电离层电波环境特性的重要参量.利用GPS观测数据分析讨论了南极长城站周边电离层TEC环境的规则和扰动变化,结果表明:电离层TEC具有明显的威德尔海异常特征,夏季夜侧要高于日侧,其极... 详细信息

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)是描述电离层电波环境特性的重要参量.利用GPS观测数据分析讨论了南极长城站周边电离层TEC环境的规则和扰动变化,结果表明:电离层TEC具有明显的威德尔海异常特征,夏季夜侧要高于日侧,其极大值出现在地方时5h前后,而冬季和分季则以地方时11h前后为极大;电离层TEC负相暴在地方时12h前后发生率极低,表现出所谓的"禁时效应";电离层TEC暴事件发生率随太阳活动性的增强而升高,且其在夏季为极小,两分季为极大;高达94.8%的电离层TEC暴事件发生伴随有较强的极光电集流AE(Auroral Electrojet)指数扰动,这预示着该地区电离层TEC暴变事件与极光亚暴活动有着很强的相关性.

关键词：长城站电离层总电子含量电离层暴极光亚暴

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2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析

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电波科学学报 2016年第1期31卷 157-165页

作者：冯健邓忠新甄卫民吴振森西安电子科技大学物理与光电工程学院西安710071 中国电波传播研究所青岛266107

利用28个全球定位系统(Global Positioning System,GPS)观测站获取的电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)测量数据,分析了2004年11月一次强磁暴期间的中国中低纬地区电离层TEC暴扰动特性,结果表明:电离层TEC以正相暴扰动响应... 详细信息

利用28个全球定位系统(Global Positioning System,GPS)观测站获取的电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)测量数据,分析了2004年11月一次强磁暴期间的中国中低纬地区电离层TEC暴扰动特性,结果表明:电离层TEC以正相暴扰动响应为主,中纬地区的暴变扰动要强于低纬,以北纬35°附近扰动最为强烈;暴时电离层空间相关性变强,电离层相关距离由宁静日的约5 500km提升到暴变日的约8 000km;在8日的主暴扰动期间,发现伴有自东北向西南的电离层TEC暴扰动传播,自东向西的经向传播速度约为120m/s,要高于纬向传播.初步探讨表明,向赤道中性风、日侧东向急剧穿透电场以及喷泉效应等可能是导致此次电离层TEC正相暴在北纬35°附近扰动最为强烈的关键因素,也进一步揭示了电离层与太阳风、磁层之间以及电离层不同纬度区之间有着复杂的耦合过程.

关键词：电离层总电子含量电离层暴地磁暴

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电离层多源数据同化方法研究

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电波科学学报 2015年第1期30卷 147-152页

作者：欧明甄卫民徐继生於晓张风国邓忠新武汉大学电子信息学院湖北武汉430079 中国电波传播研究所山东青岛266107

多源数据同化是实现电离层天气现报和预报的重要途径.选择参数化电离层模型作为背景模型,基于地基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测以及第二代气象/电离层气候卫星探测系统(Constellation Observing Syst... 详细信息

多源数据同化是实现电离层天气现报和预报的重要途径.选择参数化电离层模型作为背景模型,基于地基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测以及第二代气象/电离层气候卫星探测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate 2,COSMIC 2)掩星测量,利用经验电离层模型NeQuick计算得到多源观测数据,结合水平和垂直方向分离的高斯型协方差矩阵及卡尔曼滤波方法实现了中国区域电离层多源数据同化反演.同化结果表明,多源数据同化方法能将观测资料有效地同化到背景模式中从而获得较好的同化结果.与背景模式相比,同化后得到的电离层总电子含量及电子密度误差均显著下降.

关键词：电离层地基GNSS COSMIC 2 掩星数据同化

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曲靖E区场向不规则体回波特征观测研究

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电波科学学报 2019年第2期34卷 216-224页

作者：朱云舟邓忠新赵振维徐彤徐彬刘瑶中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室青岛266107

利用曲靖VHF相干散射雷达2016年3月至2018年2月间持续观测数据,对电离层E区场向不规则体(field-aligned irregularities, FAI)回波形态特征进行统计分析,结果表明:E区FAI回波在地方时和高度上呈现出三个高发区间,日侧主要位于07:00—12:... 详细信息

利用曲靖VHF相干散射雷达2016年3月至2018年2月间持续观测数据,对电离层E区场向不规则体(field-aligned irregularities, FAI)回波形态特征进行统计分析,结果表明:E区FAI回波在地方时和高度上呈现出三个高发区间,日侧主要位于07:00—12:00LT和90～105 km,而夜侧两个高发区间分别对应于15:00—01:00LT和90～100 km以及18:00—04:00LT和100～115 km;E区FAI回波发生率还具有明显的季节变化,夏季5—8月是其高发期,而冬季的11和12月发生率为极小; E区FAI回波多普勒速度均在-85～85 m/s变化,而其谱宽主要分布在60 m/s以内,三个区间的平均多普勒速度均仅为数m/s,明显小于其平均谱宽,后者约在20～30 m/s.此外,高度分层研究发现,日侧E区FAI的各层平均多普勒速度总体上为负值,但在96 km高度上下薄层内存在一个小幅正值,而夜侧则以105 km高度为界,其上端各层均为负值,下端各层均为正值.曲靖E区FAI表现出典型的Ⅱ型回波特征,其生成和演变过程源自电离层电子密度梯度漂移不稳定性,子午风和低F区电场在其中起着重要作用.

关键词：电离层 VHF相干散射雷达 E区场向不规则体梯度漂移不稳定性

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极区电离层闪烁指数和对流速度关系的建模研究

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地球物理学报 2022年第10期65卷 3704-3713页

作者：陆盛邢赞扬邓忠新张清和王勇王成冯健马羽璋夏凯山东大学空间科学研究院山东省光学天文与日地空间环境重点实验室山东威海264209 中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室山东青岛266107 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室北京100101 中国电波传播研究所山东青岛266107

电离层对流速度会显著影响电离层闪烁的发生,尤其是在具有较大对流速度的高纬极区,且其对相位闪烁指数和幅度闪烁指数影响各不相同.本文基于弱散射条件下电离层闪烁理论,初步构建了极区电离层闪烁指数与对流速度的显式关系模型,模型结... 详细信息

电离层对流速度会显著影响电离层闪烁的发生,尤其是在具有较大对流速度的高纬极区,且其对相位闪烁指数和幅度闪烁指数影响各不相同.本文基于弱散射条件下电离层闪烁理论,初步构建了极区电离层闪烁指数与对流速度的显式关系模型,模型结果表明当相位谱指数取定值3时,相位闪烁指数和幅度闪烁指数的比值与对流速度存在线性关系;进而,利用加拿大Hall Beach台站的观测数据,验证了由电离层闪烁指数比值推断电离层对流速度这一方法在极区的适用性.这不仅提升我们对电离层闪烁机理的认识,也提供了一种获取极区电离层对流速度的新途径,将有助于改善和提高我国北斗全球导航系统的服务精度.

关键词：电离层闪烁电离层对流极区电离层 GNSS接收机 SuperDARN雷达

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支持向量机用于电离层foF2的短期区域预报

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西安电子科技大学学报 2015年第5期42卷 147-153,206页

作者：李美玲胡耀垓周晨赵正予张援农刘静邓忠新武汉大学电子信息学院湖北武汉430072 中国地震局地震预测所北京100036 中国电波传播研究所山东青岛266107

为了提高电离层短期区域预报效果,提出了基于支持向量机方法考虑太阳活动、地磁活动、中高层大气、地理位置等因素对电离层的影响.对中国地区电离层F2层临界频率(foF2)提前1h的区域预报模型,将支持向量机的预报模型与输入同样参数的反... 详细信息

为了提高电离层短期区域预报效果,提出了基于支持向量机方法考虑太阳活动、地磁活动、中高层大气、地理位置等因素对电离层的影响.对中国地区电离层F2层临界频率(foF2)提前1h的区域预报模型,将支持向量机的预报模型与输入同样参数的反向传播神经网络和国际参考电离层模型从多方面进行对比分析,结果显示,支持向量机模型的年平均预报相对误差相对神经网络和国际参考电离层模型在太阳活动高年分别降低了2.5%和9.6%,在太阳活动低年分别降低了1.9%和7.5%.在低纬度地区,支持向量机模型的预报优势更加显著,在高年和低年相对反向传播神经网络分别降低了3.2%和2.7%.对暴时,支持向量机模型也表现出一定的预报能力.这表明支持向量机模型应用在中国区域电离层foF2短期预报上,相对反向传播神经网络和国际参考电离层模型更有优势.

关键词：支持向量机电离层foF2 区域预报对比分析

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