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非相干散射雷达的电离层电子浓度剖面观测数据的经验正交函数分析

作　者: 梅冰
导　师: 万卫星
学　校: 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）
专　业: 空间物理学
关键词: 电离层电子浓度剖面非相干散射雷达经验正交函数
分类号: P352
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

电离层电子浓度的高度剖面Ne(h),描述了最为重要的电离层特征。电离层的F2层是电子密度最大的一层,含有电离层中绝大多数电子,因而对F2层电子浓度剖面的分析是电离层物理基础研究以及电离层电波传播应用研究中最有代表性的内容之一。对电离层电子浓度剖面的深入研究有赖于电离层探测手段和分析方法的不断进步。非相干散射雷达(Incoherent Scatter Radar)的出现为研究F2层电子浓度剖面提供了强有力的探测工具,代表了当今电离层电子浓度剖面探测的最高水平。在此基础上,本文提出利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,简称EOF)分析方法分析非相干散射雷达的电子浓度剖面,目的是希望利用这种功能强、效率高的统计方法,从大量的历史观测数据中总结出最为重要的电离层电子浓度的分布与变化特征。本文采用EOF方法分析了Millstone Hill( 42. 6N, 28 8.5E)和Arecibo( 18. 3N,6 6. 8W)两个非相干散射雷达观测站的大约三个太阳黑子周期的F2层电子浓度剖面资料。主要分析结果如下:1、利用大量历史数据获得了与Millstone Hill和Arecibo两个观测站上空的F2层电子浓度剖面相应的经验正交基函数Ek,发现前三阶基函数具有明显的物理意义,即第一阶基函数(E1)表示的EOF分量主要控制F2层峰值浓度NmF2,第二阶基函数(E2)表示的分量同时控制F2层的峰高hmF2和等效标高Hm,第三阶基函数(E3)表示的分量主要控制等效标高Hm。这一分析结果充分肯定了EOF分析方法在分解实际问题的物理过程中的有效性。2、进一步分析了对应的EOF系数Ak的各种尺度的周期变化,获得的这些变化反映了NmF2,hmF2,Hm的气候学变化规律。主要有:(1)周日变化。诸Ak的周日变化十分明显,且类似正弦变化,但不同阶的系数具有不同的相位,与它们所反应的NmF2,hmF2,Hm的周日变化相一致。(2)季节变化。诸Ak的季节变化呈现出明显的年变化与半年变化特征,反应了NmF2,hmF2,Hm等参数的冬季异常、半年异常等气候学特性。(3)太阳活动变化。诸Ak随太阳活动均有明显的变化,显示出它们所反应的NmF2,hmF2,Hm的太阳活动依赖性。EOF方法在级数展开方面收敛速度快,很少数低阶项即能反映电子浓度剖面的主要变化,因此可用于提取出电子浓度剖面的主要分布特征及其周日变化与气候学变化特性,并可用于进一步构建相应的经验模式。

全文目录

摘要  10-12
Abstract  12-14
第一节引言  14-20
第二节电离层基本过程与电子浓度剖面  20-26
  2.1 离子的产生  20
  2.2 连续性方程  20
  2.3 光化学过程  20-25
    2.3.1 Chapman 生成函数  20-24
    2.3.2 复合过程  24-25
  2.4 小结  25-26
第三节电离层非相干散射雷达探测技术  26-43
  3.1 电离层探测简史  26
  3.2 非相干散射雷达简介  26-28
  3.3 非相干散射探测的特点  28-29
  3.4 非相干散射雷达探测原理  29-33
  3.5 从非相干散射功率谱确定电离层等离子体参量  33-38
  3.6 Millstone Hill 和Arecibo 雷达简介  38-42
    3.6.1 Millstone Hill 雷达系统  38-41
    3.6.2 Arecibo 雷达系统  41-42
  3.7 小结  42-43
第四节数据来源与分析方法  43-48
  4.1 数据来源  43
  4.2 EOF 分析方法  43-47
  4.3 小结  47-48
第五节电子浓度剖面的EOF 分析结果  48-63
  5.1 电子浓度的高度剖面  48-49
  5.2 EOF 基函数的基本特征  49-52
  5.3 EOF 级数与电子浓度剖面特征之间的关系  52-53
  5.4 EOF 系数的变化特性  53-62
    5.4.1 EOF 系数的周日变化  56-57
    5.4.2 EOF 系数的年变化、半年变化和季节变化  57-58
    5.4.3 EOF 系数的太阳活动变化  58-59
    5.4.4 EOF 系数变化的进一步研究  59-62
  5.5 小结  62-63
第六节工作总结与展望  63-64
  6.1 本文工作总结  63
  6.2 展望  63-64
参考文献  64-68
附录硕士期间完成的学术论文  68-69
致谢  69-70

非相干散射雷达的电离层电子浓度剖面观测数据的经验正交函数分析

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