JJI甚低频台站信号对太阳耀斑事件的响应特性

太阳耀斑发生时,日地空间的X射线通量会随之增大,进而影响到地球电离层的电子密度分布,导致地球-电离层波导状态发生改变,因此接收到的甚低频(VLF,Very Low Frequency)信号会表现出对应的扰动现象.2017年9月8日,位于湖北省内武汉和随州两站点的VLF接收机分别监测到与X射线太阳耀斑相关的来自日本宫崎县(130°49′E,32°04′N)的JJI甚低频台站信号(22.2 kHz)的振幅异常事件.分析当日的数据发现JJI信号的振幅对不同的太阳耀斑出现不同的响应类型,而且对于同一个耀斑,两地的信号响应类型不尽相同.通过统计2017—2019年间与太阳耀斑相关的JJI信号振幅扰动事件,发现两接收站点的JJI信号响应类型都与耀斑强度及其发生时间存在一定的关系,且呈现出四种响应类型,即两次上升下降型、先上升后下降型、下降型和上升型,但是四种响应类型的事件占比不同.拟合结果表明信号的扰动幅度与X射线通量的积分成正相关,但是两站点的线性拟合斜率存在差异.JJI信号到武汉和随州均属于近似沿纬度方向的短距离传播,且两接收站点相距较近,因此两传播路径大致相似.研究两路径上JJI信号对太阳耀斑响应的差异性有助于理解VLF信号的传播以及探索其在太阳活动监测方面的应用.     

基于LWPC和IRI模型的NWC台站信号传播幅度建模分析

频率为3~30 kHz的甚低频（VLF,Very Low Frequency）电磁波具有波长长、传播距离远的特点,能够沿地面-低电离层波导进行传播,在通信、导航等许多领域都被广泛应用.基于波导模理论的长波传播模型（LWPC,Long-Wavelength Propagation Capability）能够用于计算甚低频波的传播路径及幅度,进而研究耀斑、磁暴、地震等事件对电离层的扰动.本文利用国际电离层参考模型（IRI,International Reference Ionosphere）对LWPC中电子密度和碰撞频率进行改进,并将模拟结果与武汉大学VLF接收机实际观测到的NWC （North West Cape）台站信号幅度进行比较分析,结果表明改进后LWPC模型得到的幅度及变化趋势与实际值更加接近.LWPC模型给出的电子密度与IRI模型得到的电子密度在日间基本一致,但是在夜间存在差异,造成夜间部分区域NWC台站信号幅度的差异性,验证了电离层电子密度对于VLF信号传播具有的重要影响.传播路径上的晨昏变化也可以引起VLF信号幅度分布的突变,在日出和日落时间段内存在明显的过渡区域.基于IRI模型的LWPC,改善了VLF电波传播过程的预测分析效果,提供了一种长波导航通信质量的评估方法.     

基于NWC甚低频信号的日出效应的观测与分析

频率在3~30 kHz的甚低频（VLF,Very Low Frequency）波具有较小的传播损耗和较高的趋肤深度,可以在地球-低电离层波导中实现长距离传输,广泛应用于航海导航、对潜通信等领域,且在电离层遥测方面具有十分重要的意义.基于武汉大学自主研发的VLF接收机在武汉接收的NWC（North West Cape）台站信号,本文通过分析2018年4月23日—2020年7月22日的观测数据研究了日出期间NWC信号的幅度响应及其特点和规律.结果表明NWC信号日出期间的幅度响应主要包括两种极小值结构：2个幅度极小值（SR1、SR2）的Type I结构和3个幅度极小值（SR1、SR2、SR3）的Type II结构.在以SR1出现时间为时间零点进行时序叠加分析后发现,Type I结构比Type II具有更强的规律性和稳定性.在Type I结构下,SR2出现时间的波动范围、平均值、标准差分别为43~65 min、54.2 min、4.4 min,而在Type II结构下,SR2和SR3出现时间的波动范围分别为48~93 min、80~120 min,平均值分别为64.7 min、96.4 min,标准差分别为10.2 min、11.7 min.在27个月的观测期内,3—7月份Type I结构的出现概率100%,未出现Type II结构,而在1—2月和8—12月Type I结构出现的概率明显下降,最低降至1月份的20.7%,而Type II在1月、2月、11月的出现概率均高于70%.按春秋分交替变化（周期1和周期2）的统计结果,在周期1内Type I和Type II结构出现的概率分别为91.5%、8.5%,而在周期2内Type I结构出现的概率降至41.9%,Type II结构出现概率则升至58.1%,这表示观测期间内Type II结构主要出现在秋冬季,春夏季发生概率较低.     

基于范阿伦双星EMFISIS观测数据的NWC和NAA人工甚低频台站信号的内磁层全球统计分布

地球表面的人工甚低频台站信号可以穿透电离层泄漏进地球磁层导致内辐射带电子沉降到两极大气.因此研究人工甚低频台站信号的空间全球分布特性对于分析辐射带电子的损失具有重要科学意义.本文使用范阿伦双星从2013年到2018年共计6年的高质量的波动观测数据,统计了 NWC(19.8 kHz)、NAA(24.0 kHz)两个人工VLF台站信号的全球分布,分析了台站信号的电场功率谱密度对地理经纬度、磁壳值L、磁地方时MLT、地磁活动水平的依赖性.结果表明,在内磁层中,人工台站VLF信号主要沿着台站位置对应的磁力线传播,夜侧强度高于日侧,冬季高于夏季.这种日夜和夏冬差异的形成是因为夜侧和冬季的日照强度较弱,电离层电子密度较低,VLF信号较容易穿透电离层进入磁层.此外人工VLF台站信号的全球分布受地磁活动的影响很弱.这些统计观测结果给出了 NWC和NAA两个重要人工VLF台站信号强度的全球分布特征,为进一步分析人工VLF台站信号与地球辐射带电子的波粒相互作用提供了关键信息.     

基于人工电离层扰动对地-电离层波导传播的VLF波的影响

基于低电离层加热理论和甚低频电波在地-电离层波导中传播理论,建立低电离层扰动对甚低频电波传播影响的分析模型,并利用实验数据验证了该模型的正确性.据此模型,研究了加热功率、加热波极化以及背景参数所导致的低电离层扰动对不同频率甚低频电波传播的影响.结果表明,低电离层扰动越强,则通过该区域内甚低频波幅度和相位的相对变化越强,通过研究地-电离层波导甚低频信号通过人工扰动区域后幅度和相位的变化,可望用于诊断人工电离层扰动强度.     

有限元方法研究精细地-电离层波导VLF波传播特性

基于频域有限元方法仿真了精细地-电离层波导结构甚低频(VLF, Very Low Frequency)电磁波幅度和相位传播特性.首先给出了如何确定VLF波发射点和接收点传播路径所在大圆的方法，接着分析了获取波导结构中不同阶波导模式传播系数的耦合模理论，数值讨论了不同阶波导模式的衰减率和相对相速度随模式数和工作频率的变化关系，给出了波导不同结构参数对一阶模衰减率和相对相速度的影响.与文献结果对比验证了本文有限元方法模拟VLF波传播的正确性和高效性.最后利用实验和数值仿真结果，通过对电子密度国际电离层参考模型进行修正，讨论了澳大利亚—青岛台VLF波幅度和相位日变化的规律.本文工作为研究地-电离层波导结构VLF波电磁特性以及提高陆基超远程甚低频导航系统的精度，提供了新的思路和方法.     

2017年9月磁暴期间大尺度电离层行进式扰动的传播特性研究

本文利用同一经度(大约100°E)中低纬三台测高仪(普洱22.7°N,101.05°E,乐山29.6°N,103.75°E,张掖39.4°N,100.13°E)的观测数据,对2017年9月6号太阳耀斑爆发引起的强烈地磁暴期间的大尺度电离层行进式扰动(Large Scale Traveling Ionospheric Disturbances,LSTIDs)的传播特性进行了估计.本文首先对2017年9月2日-11日期间三站观测数据进行人工度量,获取电离层F2层临界频率(foF2).foF2在三站的变化结果 表明在2017年9月8日21:00 BJT(BeiJing Time,BJT=UT+8)至9日03:00 BJT强磁暴恢复相期间存在大尺度电离层行进式扰动(LSTIDs),因此本文利用foF2在不同台站的互时延特征来分析并计算LSTIDs传播特性参数.研究结果表明:(1)磁暴期间,通过对电离层F2层临界频率(foF2)的观测,不同时刻期间处于不同纬度的台站其电离层响应是不同的,表现为出现不同形态的电离层正相暴和电离层负相暴;(2)此次磁暴期间(2017年9月8日19:00 BJT-9日05:00 BJT),利用三个处在不同纬度台站的foF2对磁暴响应的互延时,计算出LSTIDs水平传播速度在425～800 m/s范围之间,其波长大概在2200～4000 km之间.随着时间的推移其扰动周期延长,9月8日21:35 BJT-9日00:05 BJT期间周期约1.2 h,9日00:05 BJT开始扰动周期逐渐达至1.5 h;(3)LSTIDs具有从高纬度传向低纬度的传播特性,根据计算得出LSTIDs传播的方位角为181±0.2°,可确定磁暴引发的LSTIDs基本是朝赤道向传播的,与之前报道过关于磁暴诱发的LSTIDs传播特征基本一致.     

2017年9月磁暴期间大尺度电离层行进式扰动的传播特性研究

本文利用同一经度(大约100°E)中低纬三台测高仪(普洱22.7°N,101.05°E,乐山29.6°N,103.75°E,张掖39.4°N,100.13°E)的观测数据,对2017年9月6号太阳耀斑爆发引起的强烈地磁暴期间的大尺度电离层行进式扰动(Large Scale Traveling Ionospheric Disturbances,LSTIDs)的传播特性进行了估计.本文首先对2017年9月2日—11日期间三站观测数据进行人工度量,获取电离层F2层临界频率(fo F2). fo F2在三站的变化结果表明在2017年9月8日21:00 BJT(BeiJing Time,BJT=UT+8)至9日03:00 BJT强磁暴恢复相期间存在大尺度电离层行进式扰动(LSTIDs),因此本文利用fo F2在不同台站的互时延特征来分析并计算LSTIDs传播特性参数.研究结果表明:(1)磁暴期间,通过对电离层F2层临界频率(fo F2)的观测,不同时刻期间处于不同纬度的台站其电离层响应是不同的,表现为出现不同形态的电离层正相暴和电离层负相暴;(2)此次磁暴期间(2017年9月8日19:00 BJT—9日05:00 BJT),利用三个处在不同纬度台站的fo F2对磁暴响应的互延时,计算出LSTIDs水平传播速度在425～800 m/s范围之间,其波长大概在2200～4000 km之间.随着时间的推移其扰动周期延长,9月8日21:35 BJT—9日00:05 BJT期间周期约1.2 h,9日00:05 BJT开始扰动周期逐渐达至1.5 h;(3) LSTIDs具有从高纬度传向低纬度的传播特性,根据计算得出LSTIDs传播的方位角为181±0.2°,可确定磁暴引发的LSTIDs基本是朝赤道向传播的,与之前报道过关于磁暴诱发的LSTIDs传播特征基本一致.     

连续太阳耀斑对甚低频信号传播影响分析

甚低频(VLF)是在地-低电离层之间形成的波导内进行传播的.太阳耀斑可引起电离层突然扰动,VLF信号传播出现异常现象,对导航造成影响,同时也会造成短波通讯中断.为了研究连续太阳耀斑与VLF信号传播的关系,观测2002-04-15连续太阳耀斑爆发时,Alpha导航系统西副台VLF信号传播时的幅度和相位变化情况,解释急始型和缓变型太阳耀斑的不同之处,并且分析单个太阳耀斑与连续太阳耀斑的区别,然后根据观测数据和美国GOES卫星观测数据比较和分析,以此来研究分析连续太阳耀斑爆发对VLF信号传播造成的影响.研究结果显示连续太阳耀斑爆发与VLF信号相位的异常变化情况之间有较好的关联性.     

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

本文利用2007年6月～2008年5月期间北美GPS台站密集地区的TEC观测资料,对夜间中尺度电离层行进式扰动(MSTIDs)的传播特性进行了分析研究.结果表明:北美地区的夜间电离层行进式扰动一般发生在美国西部时间21:00～02:00LT(05:00～10:00UT)时段,表现在TEC中的最大扰动幅度为0.45～0....     

SCIENCE CHINA Earth Sciences SUBJECT INDEX TO VOLUME 57(2014)

正~~     

Distribution of throughfall and stemflow in multi‐strata agroforestry,perennial monoculture,fallow and primary forest in central Amazonia,Brazil

The partitioning of rain water into throughfall, stemflow and interception loss when passing through plant canopies depends on properties of the respective plant species, such as leaf area and branch angles. In heterogeneous vegetation, such as tropical forest or polycultural systems, the presence of different plant species may consequently result in a mosaic of situations with respect to quantity and quality of water inputs into the soil. As these processes influence not only the water availability for the plants, but also water infiltration and nutrient leaching, the understanding of plant effects on the repartitioning of rain water may help in the optimization of land use systems and management practices. We measured throughfall and stemflow in a perennial polyculture (multi‐strata agroforestry), monocultures of peach palm (Bactris gasipaes) for fruit and for palmito, a monoculture of cupuaçu (Theobroma grandiflorum), spontaneous fallow and primary forest during one year in central Amazonia, Brazil. The effect on rain water partitioning was measured separately for four useful tree species in the polyculture and for two tree species in the primary forest. Throughfall at two stem distances, and stemflow, differed significantly between tree species, resulting in pronounced spatial patterns of water input into the soil in the polyculture system. For two tree species, peach palm for fruit (Bactris gasipaes) and Brazil nut trees (Bertholletia excelsa), the water input into the soil near the stem was significantly higher than the open‐area rainfall. This could lead to increased nutrient leaching when fertilizer is applied close to the stem of these trees. In the primary forest, such spatial patterns could also be detected, with significantly higher water input near a palm (Oenocarpus bacaba) than near a dicotyledonous tree species (Eschweilera sp.). Interception losses were 6·4% in the polyculture, 13·9 and 12·3% in the peach palm monocultures for fruit and for palmito, respectively, 0·5% in the cupuaçu monoculture and 3·1% in the fallow. With more than 20% of the open‐area rainfall, the highest stemflow contributions to the water input into the soil were measured in the palm monocultures and in the fallow. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

A Monte Carlo study of rainfall forecasting with a stochastic model

A procedure for short-term rainfall forecasting in real-time is developed and a study of the role of sampling on forecast ability is conducted. Ground level rainfall fields are forecasted using a stochastic space-time rainfall model in state-space form. Updating of the rainfall field in real-time is accomplished using a distributed parameter Kalman filter to optimally combine measurement information and forecast model estimates. The influence of sampling density on forecast accuracy is evaluated using a series of a simulated rainfall events generated with the same stochastic rainfall model. Sampling was conducted at five different network spatial densities. The results quantify the influence of sampling network density on real-time rainfall field forecasting. Statistical analyses of the rainfall field residuals illustrate improvement in one hour lead time forecasts at higher measurement densities.     

Anthropogenic Eutrophication and Red Tide Outbreak in Lacustrine Systems of the Kashmir Himalaya

Red tide, a recurrent phenomenon has become conspicuous in several Kashmir lake ecosystems since 1991. The responsible organism (Euglena pedunculata), a rare flagellate rediscovered in the Kashmir Himalaya (Khan 1993) caused first and unprecedented red tide outbreak, constituting a maximum of 96% of resident numerical phytoplankton density in Dal Lake. At present, conflicting hypotheses exist on the generation of causal assemblage(s) imparting redness to waters: Jeeji Bai (1991) linked its origin to acid precipitation – a fallout of burning oil‐fields during the Gulf War – whilst Khan (1993) holds local factor(s) responsible. Field/experimental studies support the latter contention that the influx of untreated sewage, in unison with warm temperatures, high levels of PhAR, iron and interruption to hydrological flow‐pattern together with absence/or reduction in grazing activity created conducive environmental milieu for red tide outbreak. Dal Lake “red tide” drifted the bloom‐inoculum to other waters, including Lake Wular, where additional ecological niches were carved out, threatening the aesthetic value and biological diversity of Kashmir lakes. Ecological monitoring indicates frequent seasonal red tide occurrence in Dal Lake (including summer‐autumn event of 1998) which testifies its unabated eutrophication status. Further studies are needed on ecological adaptability and biogeographic distribution of this rare and unique red tide‐causing flagellate.