蔡毅徽等GRL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，对这方面的研究也很少，研究者常指定一个非常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，且能长时间积累历史数据，是理想的研究装置。
　　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，与麻省理工学院的张顺荣教授和美国大气研究中心的王文斌教授开展合作，详细统计分析了近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）。
　　该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），其和由风场、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，在高高度氧离子扩散通量占主导。
　　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）
　　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，研究团队发展了一种新算法实现了该映射，得到了一个比TIEGCM默认使用的氧离子扩散通量更加合理的上边界条件（如图1b左），其具有更多细节特征。最重要的是，研究发现，扩散通量不是晚上才向下。后续的模拟结果也证明这种改变对提升TIEGCM模拟性能有重要帮助。作为示例，研究团队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很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。
　　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
　　研究成果近期发表于国际学术期刊GRL（蔡毅徽，乐新安*，王文斌，张顺荣，刘会欣，雷久侯，任志鹏，陈一定，丁锋，任德馨. Ionospheric topside diffusive flux and the formation of summer nighttime ionospheric electron density enhancement over Millstone Hill [J].Geophysical Research Letters, 2022, 49: e2021GL097651. DOI: 10.1029/2021GL097651）。研究受基金委重大仪器专项（41427901）、中科院先导专项（XDB41000000）、中科院青年团队基础研究项目（YSBR-018）、所重点部署项目（IGGCAS201904）等资助。
　　美编：傅士旭
　　校对：万鹏