电离层与热层的部分区域重叠。电离层受到的扰动主要来自于太阳,包括太阳的周期性变化带来的季节变化、日变化等,以及太阳活动相关的日冕物质抛射(CME)、耀斑等,除此之外,来自低层大气的波动,如行星波、潮汐、重力波等对电离层也具有重要的影响。因此大气-电离层系统受到一系列复杂的非线性的化学、动力学、电动力学、以及辐射过程所共同决定。总之,大气-电离层系统受到了内部和外部过程的影响。日食是一种常见的天文现象,当日食发生时,月亮遮蔽导致太阳对地球的辐射在短时间内有限的地球区域内迅速下降,甚至达到夜间水平。然而不同于正常的白天夜晚周期变化,日食导致的快速太阳辐射变化会导致日-地环境有更多的扰动和非线性过程。每一次的日食,由于发生的纬度,地方时,地磁条件,太阳活动等不同,电离层的响应也会不同。这就为我们研究大气/电离层系统对太阳辐射在有限区域的短时变化响应,提供了一个很好的机会。平流层爆发性增温是常发生在冬季半球极区的一种大尺度的天气现象,一般表现为在平流层约10 hpa(～32km)高度上温度上升十几到几十度,同时东向纬向平均风减弱,甚至出现反向。一般认为是平流层快速增长的行星波向上传播,与极区平均流相互作用导致。增温事件期间,会引起中层和低电离层(MLT)区行星波、重力波、潮汐等的变化,甚至影响到电离层。因此,平流层爆发性增温为我们研究电离层与低层大气的耦合提供了一个很好的契机。本文研究了日食和平流层爆发性增温事件期间电离层的扰动,具体包括:1.基于(a)120°E子午线、30.5°N-42.8°N范围内,电离层垂测仪记录的F2层临界频率(foF2)、F2层峰高(hmF2);(b)武汉流星雷达记录的MLT区的经向风和纬向风,我们研究了中纬(>30°N)电离层在高太阳活动条件下对平流层爆发性增温事件的响应。据我们所知,这可能是首次报导了高太阳活动条件下,中纬电离层白天强烈而一致的半日潮现象(上午foF2/hmF2的增强/抬升),以及频繁出现的日落后的增强现象。进一步的时频分析发现,foF2和MLT区的中性风中,16天行星波都出现了增强,表明16天行星波在SSW期间电离层和低层大气的耦合中起到了重要的作用;谐波分析发现foF2中的24h、12 h、8 h潮汐也都出现了不同程度的增强,并且12 h潮汐的幅度还受到了～16天周期波动的调制,这证实了 SSW期间,16天行星波与半日潮相互作用,通过调制半日潮驱动风发电机调制了电离层F层。2.基于日本和韩国的五个电离层垂测仪探测,我们对中纬电离层对2012年5月20日的日食的响应进行了观测研究。我们报导了电离层对日食响应的延迟效应。foF2对日食的响应随着纬度的升高而更慢;在不同纬度的观测点,即使月影遮蔽率差不多,电离层的扰动却相差很大。这可能是由月影遮蔽区温度的下降导致等离子体从等离子层向下扩散引起的。向下扩散的等离子体可以补充F层的电离的损失,从而造成了电离层响应的延迟效应。随着纬度的增加,磁倾角增大,等离子的补充越强烈,电离层响应的延迟越高。此外,我们报导了日食引起的周期为～43-51 min的重力波,并通过分析发现它在100-150 km内自下向上传播,这说明了此次日食引起的重力波源在100 km以下,而不是在F层。3.我们利用 The Global Ionosphere-Thermosphere Mode1(GITM)模拟了 2017 年 8月21日的日食,并将模拟结果与GPS TEC的观测以及6个电离层垂测仪得到的F2层电子密度峰值(NmF2)进行了对比。模拟和观测显示的日食期间的减弱效应以及日食结束后的增强效应相对来说比较一致。北美地区模拟的TEC下降了～54.3%,观测的TEC下降了～57.6%;模拟的NmF2下降了～20-50%,观测的NmF2下降了-40-60%。并且模型和观测同时出现了日食后电离层的增强效应:模拟TEC和NmF2增加了 10%;观测TEC和NmF2分别增加了～10-25%和～10-40%。通过对GITM的分析,我们提出日食之后电离层的增强主要来源于[O]/[N2]的增强,而水平中性风的汇聚导致了[O]在日食之后的增强;此外离子温度的下降会导致电荷交换下降,从而导致[O+]上升时,[N2]的下降也会导致F层[O+]升高。