研究利用非相干散射雷达历史数据优化电离层热层环流模式上边界条件

常用的第一性原理电离层热层环流模式在求解地球电离层F区主要离子成分氧离子(O+)时，需要指定上边界条件——氧离子扩散通量。然而，该扩散通量无法直接测量，相关研究较少，研究者常指定一个简单的经验扩散通量，即白天向上、晚上向下的固定大小的通量(如TIEGCM)。非相干散射雷达(ISR)可以通过电子密度剖面、电子和离子温度剖面来计算得到该扩散通量，并且能长时间积累历史数据，是理想的研究装置。

前期，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室非相干散射雷达团队，与麻省理工学院教授张顺荣和美国大气研究中心教授王文斌开展合作，统计分析了近50年的Millstone Hill非相干散射雷达数据，得到了Millstone Hill处氧离子扩散通量随太阳活动、地磁活动、高度、地方时、季节等的变化特征(蔡毅徽等. 2021. JGR)。研究给出了太阳活动低年地磁平静条件下，氧离子扩散通量在夏季随地方时和高度的变化(图1a左)，其与由风场、电场和双极扩散等共同作用决定的等离子体总通量(图1a右)有明显区别，在高度氧离子扩散通量占主导。

为了优化TIEGCM的上边界条件，需要将Millstone Hill处得到的氧离子扩散通量映射到全球，研究人员发展了一种新算法实现了该映射，得到一个比TIEGCM默认使用的氧离子扩散通量更合理的上边界条件(如图1b左)，其具有更多细节特征。研究发现，扩散通量不是晚上才向下，后续的模拟结果证明这种改变对提升TIEGCM模拟性能有重要帮助。作为示例，研究人员模拟了中纬度地区电离层电子密度夜间增强现象，优化上边界条件后的模拟结果能较好地重现非相干散射雷达的观测，而原来的模拟则与观测相差甚远(图2)。

非相干散射雷达长期数据积累对电离层热层数值模式的发展具有重要意义，该研究为我国三亚非相干散射雷达研究奠定了基础。研究成果以topside diffusive flux and the formation of summer nighttime ionospheric electron density enhancement over Millstone Hill为题，近期发表于Geophysical Research Letters上。研究工作得到国家自然科学基金委重大仪器专项、中科院战略性先导科技专项、中科院青年团队基础研究项目等的资助。

图1.(a)Millstone Hiil ISR观测的氧离子扩散通量(左)和等离子体总通量(右)在太阳活动低年地磁平静条件下随地方时和高度的变化;(b)在太阳活动低年(顶行)和高年(底行)夏季正午12点，利用非相干散射雷达历史数据优化的TIEGCM的顶部全球氧离子扩散通量(左)和TIEGCM原来使用的经验顶部通量(右)

图2.在太阳活动低年(顶行)和高年(底行)夏季，非相干散射雷达观测的电子密度(Ne)、利用非相干散射雷达数据优化上边界条件的TIEGCM模拟的电子密度、和原始TIEGCM模拟的电子密度随地方时和高度的变化

关键词： 非相干散射雷达 电离层热层环流 扩散通量 数据分析