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研究生:林庭安
研究生(外文):Ting-An Lin
論文名稱:台灣上空電離層E域頂層三公尺級電子密度不規則體:特性分析與研究
論文名稱(外文):On the investigation of characteristics of 3-m field-aligned irregularities in upper E region of Taiwan
指導教授:朱延祥
指導教授(外文):Yen-Hsyang Chu
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:太空科學研究所
學門:自然科學學門
學類:天文及太空科學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:116
中文關鍵詞:電離層散塊E層場延不規則體中壢特高頻雷達電離層探測儀福衛三號
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本篇論文利用中壢特高頻雷達2008 年2 月5 日、2009 年3 月1 日、2009年7 月19 日、2011 年3 月5 日、2012 年9 月23 日及2012 年10 月18 日等六天的觀測資料進行電離層E 域頂層不規則體與夜間散塊E 層不規則體的特性定量統計,分成頻譜特性、空間特性及動力行為三大部份,包含平均都卜勒速度、頻譜寬、回波功率、高度、厚度、東西向寬度、東西向漂移速度和夜間散塊E 層的下降速度,由分析結果可知E 域頂層回波具有與夜間散塊E 層回波不相同的特性。另經由干涉法分析得知除2009 年7 月19日外的E 域頂層回波皆為團狀電漿結構分布,而夜間散塊E 層皆呈層狀電漿結構分布。
除特性統計外,使用HWM07 模式比較水平中性風場對E 域頂層回波及夜間散塊E 層回波的影響程度,發現一般適用於散塊E 層形成機制的風切理論較難解釋E 域頂層回波的形成原因。最後,使用福衛三號閃爍指數(S4)資料、電離層探測儀觀測之電離圖與中壢特高頻雷達的觀測結果進行比較分析,發現S4 指數峰值所在的高度及以動差法計算而得的平均高度皆與中壢雷達觀測的不規則體回波功率、頻譜寬峰值所在高度有差異。
In this thesis, we used totally 6 days (2008.Feb.05, 2009.Mar.01, 2009.Jul.19, 2011.Mar.05, 2012.Sep.23 and 2012.Oct.18) of Chung-Li VHF radar observations to analyze the spectral properties, spatial extents and kinematic behaviors of upper Es FAIs and normal Es FAIs. We found huge differences between the statistical results of upper Es FAIs and normal Es FAIs in terms of mean Doppler velocity, mean
spectral width, echo power, average height, thickness (vertical extent), E-W extent and zonal trace velocity. We quantified the spatial extents of the echoes to differentiate layer-type and clump-type plasma structures.
Besides statistical analyses, we have introduced HWM07 model to demonstrate the effects of wind shear to normal Es and upper Es. It is found that the relation between wind shear theory and the occurrence of upper Es remains unclear. As the final part of the thesis, we compared S4 index data of COSMIC and ionograms with the radar observations. From both radar data and ionograms, it is observed that the Es layer of the Es layer decreased through time. The height at which the peak Es echo power and the widest spectral width were observed is different from the height where the S4 index reached the maximum.
摘要.......................................................i
Abstract..................................................ii
致謝......................................................iv
目錄......................................................vi
圖目錄......................................................x
表目錄.....................................................xv
第一章 前言................................................ 1
1.1 研究動機................................................1
1.2 中壢VHF 特高頻雷達簡介....................................2
1.3 電離層探測儀簡介..........................................8
1.4 HWM07 模式簡介.........................................11
1.5 福衛三號閃爍指數簡介.....................................12
第二章 基礎理論.............................................13
2.1 中緯度電離層散塊E 層產生原因及特性..........................13
2.2 散塊E 層公尺級自由電子密度不規則體產生機制...................15
2.2.1 雙流不穩定機制........................................15
2.2.2 梯度漂移不穩定機制.....................................18
2.3 雷達干涉法.............................................20
2.3.1 雷達干涉法理論........................................20
2.3.2 中壢特高頻雷達電離層天線陣列干涉方程式.....................22
2.3.3 反演散塊E 層公尺級場延不規則體的三維結構...................25
第三章 IGRF 模型簡介與應用...................................26
3.1 國際地磁場參考模型(IGRF)簡介..............................26
3.2 中壢VHF 雷達預測回波區之特性與相位校正......................26
第四章 雷達資料取得與處理.................................... 31
4.1 雷達參數設定............................................31
4.2 回波訊號資料介紹.........................................33
4.2.1 回波訊號頻譜..........................................34
4.2.1 利用動差法(Moment Method)分析回波頻譜圖特性..............35
4.2.3 距離-時間-回波功率等值圖................................38
4.3 互相關頻譜、相關係數頻譜、相位差頻譜........................41
4.4 規則體的三維空間結構.....................................43
第五章 觀測結果分析與討論.................................... 45
5.1 電離層E 域頂層回波與夜間散塊E 層的三維空間結構分布特性比較......45
5.2 電離層E 域頂層回波與夜間散塊E 層的頻譜特性統計與比較...........52
5.2.1 平均都卜勒速度........................................52
5.2.2 頻譜寬...............................................54
5.2.3 回波功率.............................................56
5.3 電離層E 域頂層回波與夜間散塊E 層的空間特性統計與比較...........57
5.3.1 平均高度.............................................57
5.3.2 厚度................................................59
5.3.3 東西向寬度...........................................63
5.4 電離層E 域頂層回波與夜間散塊E 層的動力行為統計與比較...........66
5.4.1 東西向追蹤速度........................................66
5.4.2 夜間散塊E 層的下降速度.................................67
5.5 電離層E 域頂層回波與夜間散塊E 層回波之各項特性統計表格整理......68
5.5.1 頻譜特性.............................................69
5.5.2 空間特性與動力行為.....................................70
5.5.3 層狀與團狀電漿結構定量統計表格...........................71
5.5.4 E 域頂層不規則體的南北向寬度與厚度比較....................72
5.6 中壢雷達觀測E 域頂層回波和散塊E 層回波與HWM07 模式比較........74
5.7 中壢雷達觀測E 域頂層回波和散塊E 層資料與電離圖及福衛三號閃爍
指數(S4)資料比較............................................80
第六章 結論與展望........................................... 91
6.1 結論..................................................91
6.2 未來展望...............................................94
參考文獻.................................................. 95
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14. 張家榮, 利用GPS 衛星研究台灣上空電離層閃爍現象, 國立中央大學太空科學研究所, 碩士論文, 2008。
15. 林廷翰, 利用中壢特高頻雷達研究中緯度電離層散塊E 層公尺級不規則體之動力行為, 國立中央大學太空科學研究所, 碩士論文,2008。
16. 葉力揚, 電離層散塊E層層狀不規則體日夜特性分析, 國立中央大學太空科學研究所, 碩士論文, 2012。
17. 陳冠廷, 全球電離層散塊E 層特性之研究:風切理論的探討, 國立中央大學太空科學研究所, 碩士論文, 2013。
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