Transcript 第五课题
电离层与中高层大气空间天气 过程及建模研究 课题组成员：万卫星、徐寄遥（组长） 张东和、熊建刚、丁锋、赵必强、 李国主、姜国英、…… 背景：日地空间系中的电离层空间天气 外界的作用： 外界的作用： 外界的作用： 电离层空间天气： 1、太阳辐射产生和维持电离层 1、太阳辐射产生和维持电离层 1、太阳辐射产生和维持电离层 1、南北耦合：极区/高纬中低 电离层空间天气： 2、太阳活动性调制电离层状态 2、太阳活动性调制电离层状态 2、太阳活动性调制电离层状态 纬/赤道，电离层暴 1、南北耦合：极区/高纬中低 3、太阳风/磁层/（极区）电离 3、太阳风/磁层/（极区）电离 3、太阳风/磁层/（极区）电离 2、上下耦合：（岩石圈）大 纬/赤道，电离层暴 层耦合引起电离层扰动 层耦合引起电离层扰动 层耦合引起电离层扰动 气层电离层，电离层扰动 2、上下耦合：（岩石圈）大 气层电离层，电离层扰动 总体目标：在进一步对电离层和中高层大气 与空间天气相关的物理过程进行研究的基础 上，深入理解电离层和中高层大气中各种波 动的分布特征和演化规律，力争在本项目结 束时，能够提供实用化的电离层和中高层大 气模式。 研究内容： 1. 中低纬电离层的暴时特性研究研究 2. 中低纬电离层/大气层的耦合研究 3. 电离层模式化研究 4. 中高层大气潮汐波特性与参数化研究 5. 中高层大气对太阳活动和辐射变化的响应 的探索性研究及参数化 研究内容分解 1. 中低纬电离层的暴时特性研究研究 1.1 中低纬电离层的暴时动力过程现象研究 1.2 低纬电离层闪烁研究 主要承担人：张东和、丁锋、赵必强、李国主 2. 中低纬电离层/大气层的耦合研究 2.1 电离层中大尺度大气波动的信息诊断 2.2 电离层/大气层耦合动力过程机理研究 主要承担人：万卫星、熊建刚（、徐寄遥） 3. 电离层模式化研究 3.1 电离层经验模式 3.2 电离层理论模式 3.3 电离层数据同化研究 主要承担人：万卫星、丁锋 4. 中高层大气潮汐波特性与参数化研究 4.1中高层大气高阶迁移波模的研究 4.2中高层大气非迁移潮汐波的研究 主要承担人：徐寄遥、姜国英（、熊建刚 、万卫星） 5. 中高层大气对太阳活动和辐射变化的响应 的探索性研究及参数化 5.1 中高层大气变化性的参数化 5.2 中高层大气预报模式研究 主要承担人：徐寄遥、姜国英（、熊建刚 ） 方案及技术路线：观测 • 数字测高仪链、GPS-TEC链、高频多普勒 – 电离层暴、电离层/大气层耦合 • 流星雷达链、激光雷达、气辉、FP干涉仪 – 电离层/大气层耦合、大气波动 • VHF雷达、GPS-闪烁 – 电离层/大气层耦合、电离层闪烁 主要设备： 测高仪链 流星雷达链 GPS-TEC/闪烁 FP干涉仪 HF多普勒 气辉 激光雷达 VHF雷达 • 方案及技术路线：天基数据(全球) – GIMs, DMSP, F3/C, CHAMP, … – TIMED/SEBER, TIMED/TIDI, … – SPIDR, NECP, … • 方案及技术路线：模式 – TIME-IGGCAS – TIDM-IGGCAS-II – GCITEM-IGGCAS –… 高热层温度场和风场 春分(左)和夏至(右)0000UT时GCITEM(上图)和MSIS00/HWM (下图)分别给出的405km处中性 温度和中性风场随经度(地方时)和纬度的分布，图中的箭头表示中性风的强度和方向 低热层温度场和风场 春分(左)和夏至(右)0000UT时GCITEM(上图)和MSIS0/HWM(下图)分别给出的122km处中性 温度和中性风场随经度(地方时)和纬度的分布，图中的箭头表示中性风的强度和方向 电离层电子密度 GCITEM给出的春分(左)和夏至(右)0000UT时NmF2 (m-3, 上图)和122km处的电子密度 (m-3, 下图)随经度(地方时)和纬度的分布，黑线为倾角赤道 GCITEM 给出的春 电 离 层 电 势 分(上)和 夏至(下) 0000UT 时 405km 处电离层 电势随经 度(地方 时)和纬 度的分布 模式的温度结果（徐寄遥等） 第80天90km处全球 温度随世界时变化 第170天90km处全球 温度随世界时变化 13 已发表的标注论文(IGGCAS) Wan, W., J. Xiong, Z. Ren, L. Liu, M.‐L. Zhang, F. Ding, B. Ning, B. Zhao, and X. Yue (2010), Correlation between the ionospheric WN4 signature and the upper atmospheric DE3 tide, J. Geophys. Res., 115, A11303, doi:10.1029/2010JA015527. Wei, Y., W. Wan, Z. Pu, M. Hong, Q. Zong, J. Guo, B. Zhao, and Z. Ren (2011), The transition to overshielding after sharp and gradual IMF northward turning, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2010JA015985. Zhao, B., W. Wan, X. Yue, L. Liu, Z. Ren, M. He, and J. Liu (2011), Global characteristics of occurrence of an additional layer in the ionosphere observed by COSMIC /FORMOSAT-3, Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2010GL045744. Zhao, B., W. Wan, B. Reinisch, X. Yue, H. Le, J. Liu, and B. Xiong (2011), Features of the F3 layer in the low-latitude ionosphere at sunset, J. Geophys. Res., doi:10.1029 /2010JA016111. Ren Z. , W. Wan, L. Liu, and J. Xiong, (2011), Simulated longitudinal variations in the lower thermospheric nitric oxide induced by 3 non-migrating tides, J. Geophys. Res., doi:10.2010JA016131RR 宋茜，丁锋 ，万卫星等，北美地区夜间中尺度电离层行进式扰动的GPS台网监测研究，地球物 理学报，2011，in press 研究进展：以电离层/大气层耦合为例 上个“973”课题的成果：WN4的气候学特性 Wan et al (2008), Geophys. Res. Lett. 本“973”课题的工作：WN4与DE3的相关研究 发现：WN4与DE3-U相关，与DE3-V无关 解释：DE3-U对称分布，DE3-V反对称分布 Wan et al., JGR, 2010 机理：对称DE3-U 产生的 电场在F层相互叠加 ； 反对称DE3-V产生的电 场相互抵消 Wan et al., JGR, 2010 模拟：用观测驱动数值模 式，再现了观测结果， 证实DE3WN4机理 Ren et al., JGR, 2010 模拟研究（下一步工作） 180 LON () 270 -45 -90 360 90 180 LON () 270 0 360 300 45 0 -45 90 500 45 E Coupling 200 600 400 300 Direct Wave 360 6 24 0 -45 18 12 6 18 0 -45 LT (hr) 24 45 LAT () 270 12 90 Total 180 LON () 18 500 300 90 NWN4/N0=1%; ALT=406km; LAT=0 200 600 400 0 24 Direct Wave 400 ALT (km) 0 90 Direct Wave Direct Wave 6 NWN4/N0=1%; ALT=406km; LT=15hr NWN4/N0=1%; LAT=0; LT=15hr 500 12 Direct Wave 90 0 LT (hr) 300 Total 18 LAT () 24 45 Total 90 0 E Coupling 6 500 360 Total 12 200 600 400 E Coupling -45 18 Total 0 600 150 140 130 120 110 100 6 E Coupling 270 12 E Coupling E Coupling 45 18 24 Total 180 LON () Direct Wave -45 500 300 ALT (km) 0 90 NWN4/N0=3%; LAT=0; LT=15hr ALT (km) 45 200 600 400 24 E Coupling 300 E Coupling 90 150 140 130 120 110 100 150 140 130 120 110 100 90 Direct Wave Direct Wave 400 Total ALT (km) 500 200 0 WN4/0=0.2%; ALT=406km; LAT=0 90 600 150 140 130 120 110 100 150 140 130 120 110 100 90 WN4/0=0.2%; ALT=406km; LT=15hr WN4/0=0.2%; LAT=0; LT=15hr Total WN4/0=1%; LAT=0; LT=15hr 150 140 130 120 110 100 12 6 200 0 90 180 LON () 270 360 0 90 180 LON () 270 360 -90 0 90 180 LON () 270 360 0 0 90 180 LON () 270 360 电离层经度四波结构研究 电离层物理学科组 Wan et al (2008), Geophys. Res. Lett. Ren et al (2008), Geophys. Res. Lett. Liu et al (2008), J. Geophys. Res. Liu et al (2009), J. Geophys. Res. Ren et al (2009), J. Geophys. Res. Wan et al (2010), J. Geophys. Res. Ren et al (2010), J. Geophys. Res. Liu et al (2010), Adv. Space Res. He et al (2010), Geophys. Res. Lett. Mu et al (2010), Chin. Sci. Bull. Ren et al (2011), J. Geophys. Res. (in press) Zhao et al (2011), Geophys. Res. Lett. (in press)