电离层总电子含量(简称TEC)作为表征电离层特性的重要参量之一,是引起全球导航卫星系统(简称GNSS)信号传播附加时延的主要原因。电离层与磁层以及热层中性大气存在强烈耦合,沿子午链和纬圈电离层TEC的时空变化能有效地反映这一耦合过程。因此,分析沿子午链和纬圈电离层TEC的时空变化特征及其影响因素,是电离层物理研究的热点问题之一,有重要的科学意义。全球定位系统(GPS)卫星发射升空,为全球电离层TEC监测提供了一种新的有效的技术手段。本文利用源于Madrigal数据库的2001至2011年约一个太阳活动周期的全球垂直TEC数据,详细分析了沿35°N纬圈和75°W与135°E子午链TEC的时空变化特征以及地磁平静期热层风和磁偏角对中纬度电离层TEC经度分布的影响,并对TEC暴时变化(简称暴变)特征和TEC暴变与磁扰动的联系进行了统计分析。本文的主要研究工作及其结果可以归纳如下：1.分析了沿35°N纬圈和75°W与135°E子午链2001年至2011年垂直TEC的时空变化特征,结果表明：(1)月平均TEC日变化受太阳活动水平控制。TEC最大值和中午前后均值受太阳活动性的影响最大,全天均值次之,TEC最小值和午夜前后均值受太阳活动性的影响最小。在太阳活动高年,月平均TEC日变化的最大值和最小值出现的地方时相对较为集中,而在太阳活动低年以及上升和下降年份,出现的地方时相对分散。(2)TEC存在幅度可比的1/3日变化、半日变化、周日变化和两日变化,周日变化变幅最大,半日变化次之,两日变化和1/3日变化变幅最小。周日变化和两日变化分量的变幅随纬度的分布基本关于地磁赤道对称,该变幅在磁赤道上有极小值；而半日变化和1/3日变化分量的变幅随纬度的分布基本关于地理赤道对称,该变幅在磁赤道上有极大值,在地理赤道上有极小值；4种周期变化分量的变幅都在不同程度上存在半球不对称性,周日变化最明显。(3)75°W中纬磁共轭电离层(磁纬约+45°)存在依赖季节的月平均TEC异常日变化。整个11年,在北半球中纬度的春、秋和冬季,TEC日变化的最大值出现在午后14：00LT前后,而夏季出现较晚,在黄昏18：00LT前后。南半球中纬度区,几乎所有年份,在春、秋和冬季,月平均TEC日变化的最大值基本出现在12：00LT前后,极小值出现在04：00至06：00LT前后；而在夏季出现反常的日变形态,表现为月平均TEC日变化在黎明和黄昏至午夜前各出现一次极大值,在中午前后到日落前时段出现最小值。考虑到该经纬度区紧邻威德尔海,这种异常现象可能是电离层威德尔海异常的一种表现。2.利用北美、南美和大洋洲三个地区的电离层TEC数据,分析了磁偏角为零的经度两侧中纬电离层TEC的差异及其日变化特征以及电离层-热层动力学耦合在引起这种经度差异中的作用。研究结果表明：(1)在2001年至2011年的几乎所有季节,在磁偏角为零的经度的东西两侧,北美、南美和大洋洲中纬电离层TEC都存在系统的差异；TEC的这种经度差异显著地依赖地方时,对季节和太阳活动水平也有不同程度的依赖。(2)磁场影响下电离层等离子体与热层中性大气的动力学耦合分析表明,磁偏角的经度变化及热层风随地方时变化两者的共同作用,导致磁偏角为零的经度的东西两侧等离子体垂直漂移速度差,是引起这种中纬电离层TEC经度差异及其随地方时变化的重要原因之一。(3)暴时,在磁偏角为零的经度的东西两侧,北美、南美和大洋洲中纬电离层TEC的差异与静日完全不同,表明暴时磁层-电离层的电动力学耦合的影响超过电离层等离子体与热层中性大气动力学耦合的影响。3.考察了2001至2005年6次超强磁暴期间35°N纬圈和750W以及135°E子午链电离层TEC暴变的特征和一次超强磁暴期间北美地区电离层TEC暴变的演化过程,进行了TEC暴变特征参量和TEC暴变与磁扰动的联系的统计分析。统计结果表明：(1)在6次超强磁暴期间,TEC暴以正暴变为主；强TEC暴变主要出现在白天,地方时黎明后至黄昏前：沿子午链的TEC暴存在南北半球不对称性；沿纬圈的一些经度范围达到数十度的扇区出现TEC暴变的世界时基本一致。这种主要出现在白天,沿子午链TEC暴变的南北半球不对称性可能是白天东向电场和跨赤道子午风共同影响电离层抬升的结果。(2)分析发现,2003年11月20日超强磁暴期间,北美地区TEC暴变首先在北美东部中纬地区出现,然后向西和向高纬扩展,主要TEC暴变持续约8小时；低纬地区TEC暴变开始时间比高纬滞后约5小时,首先在北美中东部出现,然后逐步向西和向中纬度扩展,持续约20小时。在同一时间,较高纬和较低纬暴变区之间存在一个明显的电离层平静带。这一演化过程表明,北美高纬TEC暴变和低纬TEC暴变可能彼此独立地发展演化,前者是对暴时高纬能量输入的直接响应,后者是经由高纬与低纬电离层-热层系统耦合的间接响应。(3)TEC暴变幅度和暴变持续时间的统计表明,整体上看,TEC正暴出现次数明显超过负暴,两者之比约3.2：1；TEC正负暴变的幅度主要都在2倍至3倍逐日变化标准差的范围内,但正暴变幅度超过4倍逐日变化标准差的次数达10次,而负暴变幅度则没有任何一次超过4倍逐日变化标准差；正暴变的持续时间主要在1小时到4小时范围内；负暴变的持续时间则主要在半小时到1小时的范围内,正暴比负暴持续时间更长。(4)统计分析表明,TEC暴变与磁扰动有密切的联系,Kp指数超过6的强磁扰动条件下,100%出现TEC暴变。不过,统计结果也表明,在较长时间持续的地磁平静期,也有一定数量的TEC暴变出现,暗示磁扰动以外的因素同样会触发TEC暴变。本文研究的特色和创新在于：1、75°W中纬磁共轭电离层(磁纬约±45°)存在依赖季节的月平均TEC反常日变化。2、在北美、南美和大洋洲磁偏角为零的经度的东西两侧,静日中纬电离层TEC都存在系统的差异,它们显著依赖地方时,并在一定程度上依赖季节和太阳活动。3、磁偏角的经度变化及热层风随地方时变化两者的共同作用,是引起中纬电离层TEC经度差异及其随地方时变化的主要原因。4、电离层TEC暴变以正暴为主,平均持续时间正暴比负暴更长；TEC暴变与地磁扰动联系密切,但也存在相当数量非磁扰关联的TEC暴变。