电离层峰下结构数值模拟.PDF

维普资讯 一 1 第 14卷 第 2期 空 间 科 学 学 报 Vo1．14 N 0 2 199 年 4月 GH IN ESE joURNAL oF SPACE SCIEN CE ADr l994 电离层峰下结构的数值模拟 张 顺 荣 黄 信 榆 鬲 丽 摘 要 在考虑由扩散与中性风引起的动力学输运与有原子离子 O (s‘)、O D)与 O (P)以 及分子离子 ot、NO 和 N 参加光化学反应的电离层一热层体系中，提出一个一维时变的 电离层剖面数值模型．通过数值计算着重讨论了武昌地区F层峰以下，尤其是 E／,F与F，／F 谷区的电离屠形态与有关过程，得到如下结论：(1)对于原子离子，单一成份 O十(s‘)的光化 学反应与输运过程，可以解释 F一／Fz浅谷的形成；有 0 (D)参与的光化学反应，最有利于形 成 F-，Ft深谷 ；O (’P)不利于谷韵形成．对于分子离子，由中性风引起的辅运，也有助于深 谷的形成．(2)原子离子和分子离子的过渡高度，大约在 i$0--190km，早晚略高．在传统的 电子连续性方程中，线性复台系数的惺设只适片i于此界之上． (3)最宽的 P一／F 谷大约出现 于地方时 lI，最深谷则在正午．E／F谷宽约为 2o一30km(低年)和 25—45k皿(高年)，早晚 比中午约宽 l0—2ok (4)0 是形成 E层与 F层的主要成分 ，其高窿剖面呈双峰状．下部 峰形成 E屡，上部峰与 No十一起构成 F，层． 关键调 哇塑 爸垦，垄壁兰整堡，光化学过程，数值模拟 孝 口 电离层主峰以下电子浓度随高度的变化(剖面)，并非单调增加．在剖面上下丙峰之 间浓度低于下部峰值的区域，称为谷区．描述谷区形态至少要有二个重要参量，其一是谷 宽 ，即谷区所 占的高度范围；其二是谷深 ，定义为谷麝 电子旅度对下部峰值浓度的相对偏 离．多年观测资料的积累和有关理论研究，已经使人们有可能对重要 电离层参量，如f。E、 foF 与 M3000F2等给出较为理想的气候学预报．然而剖面预报，则面临现实困难 ，关键 在于人们对 ElF与 F／F：谷区形态的了解十分有限 ． 垂测频高图剖面反演与非相干散射雷达搡溯，已经从实验角度对 电离层谷区结构与 变化，作出一定程度的揭示 ，该两种手段的联合使用，将是今后进一步探索谷区变化的 有效途径 ． 为了更好地实现剖面预报，还必须从理论角度来探讨谷区的形成机理及发 展过程．本文利用数值模拟来进行这方面的工作． 对于 E／F 谷区，其形成机制基本上可用光化学反应解释 ，但细致的变化形态，仍 不甚清楚．至于 F-，F2谷区，人们的了解则更为贫乏，尤其是形成机理， 目前还存在争 议．早期的理论认为，可用光化平衡模式，解释F 层形态 ．Taieb等 以及 Footitt等 研究了 Salnt-Santin非相干散射雷达的探测结果，认为光化平衡模式，不能解释该站上 国家 自然科学基金资助课题． 本文于 I993年 9月23日收到． 维普资讯 2期 张顺荣等：’电离层峰下结构的数值模拟 空大量出现的 F／F 谷区现象，必须引人风剪切机制． 针对武 昌站频高图反演得到的 P F『 谷区形态 ，在仔细地考虑有关光化反应 ，尤其是 0 (D)参加 的反应的基础上 ，苏 元智等给出了较严格的电子浓度的光化平衡解，认为可 以用纯粹的光化平 衡模型 ，解释 所出现的谷区现象 ．考虑到亚稳态氧离子所参加反应的复