电离层是上层大气中部分电离的区域,顶部电离层是F2层峰以上区域。顶部电离层向上连接于完全电离的磁层和等离子体层,向下是电离层F2层峰区域。顶部电离层处于两个主导物理过程机制不同的区域之间,对电离层-磁层耦合过程十分重要。由于顶部电离层的观测数据相对较少,使得顶部电离层的变化特性及其主导物理机制没有完全被研究清楚。等离子体来源是地球磁层的最基本问题之一。受粒子沉降、对流电场等影响,电离层的部分离子会被加速并沿磁力线上行,被称为电离层离子上行（ion upflow）。离子上行是电离层-磁层耦合相互作用的重要途径。部分上行的电离层离子能够沿开放磁力线逃逸到磁层,成为磁层等离子体的重要补充,并影响和调制磁层电动力学过程,甚至引发灾害性空间天气,磁暴和亚暴等。因此,研究控制电离层离子上行发生率和离子上行通量变化的因素对电离层-磁层耦合研究具有重要意义。之前的大多数研究工作观测到的高通量O+离子上行都发生在极光带附近较窄的区域。该区域的离子上行受太阳活动和地磁活动的调制作用,可沿开放磁力线进入磁尾。在亚极光区（闭合磁力线区域）并没有观测到大通量离子上行事件。电离层整体离子上行的加速机制主要包括:发生在较低高度的离子增温与发生在顶部电离层的电子增温。电离层上行离子的源区高度,哪种加速机制对暴时电离层离子上行起主要贡献,还值得深入研究。电离层电子密度变化特征是空间物理研究的一个热点课题。电子密度的起伏会对雷达信号造成延迟,影响高频通信和GPS定位的准确性。电离层F2层峰值附近及峰高以下区域的电子密度变化最受到关注的,测量手段非常多,而顶部电离层的观测手段相对有限。地面观测主要受台站覆盖区域和雷达高昂的观测成本限制。卫星原位测量虽然可获得所有纬度的连续数据,但只能提供卫星飞行高度的电子密度信息。低轨卫星TEC数据弥补了顶部电离层数据不足,电离层层析可以获得大范围电子密度结构。由于电离层F2层峰的电子密度远大于顶部电离层电子密度,地基层析容易受F2层峰电子密度的影响,天基层析能更好的反应顶部电离层的变化。然而,在利用低轨卫星TEC数据层析时,由于射线的共线性。较小的误差会造成结果很大的波动,如何提高解的稳定性。以往研究顶部电离层的演化过程多局限于场向结构,缺少纬向结构。由于低轨卫星TEC数据射线数量有限,主要应用于观测大尺度电离层现象,还缺乏对顶部电离层百公里尺度结构的观测方法。本文的主要研究工作和创新结果包括:1.日侧电离层离子上行特征的统计分析大量观测研究表明,电离层O+离子上行主要发生在极光带附近较窄的区域。离子上行特征表现出对太阳活动和地磁活动强烈的依赖特征。为了尽可能区分太阳活动和地磁活动对日侧电离层离子上行的影响,我们按地磁活动水平,将DMSP卫星在太阳活动高年（2000-2002年,F13和F15）及太阳活动低年（2007-2009年,F13;2007-2010年,F15）期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组:地磁平静期（Kp<3）,中等地磁扰动期（3≤Kp<5）和强地磁活动期（Kp≥5）,分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布。统计结果表明,在日侧,除了广为接受的极尖/极隙区外,晨侧亚极光区存在通量相当的离子上行。主要研究结果包括:a)极尖/极隙区离子上行:极尖/极隙区是日侧电离层离子上行的主要区域,该区上行离子沿开放磁力线进入磁尾;离子上行通量和太阳活动水平呈正相关;离子上行高发区随着地磁活动水平的上升向低纬度扩展,且高发区的纬度跨度呈增大趋势。b)晨侧亚极光区离子上行:除极尖/极隙区之外,高纬电离层还存在相当数量的离子从晨侧亚极光区上行,沿闭合磁力线进入日侧等离子体边界层;太阳活动水平和地磁活动水平对晨侧亚极光区离子上行通量的影响不明显。2.暴时电离层离子上行加速机制和上行O+离子源区高度的研究电离层整体上行O+离子是磁层超热离子上行的离子源。离子增温、电子增温与电离层整体离子上行均表现出密切关联。摩擦加热引起的离子增温主要发生在较低电离层高度,而软电子沉降引起的电子增温主要发生在顶部电离层。因此,简单利用位于顶部电离层高度的DMSP卫星观测结果无法直接区分二者对暴时电离层离子上行的贡献。考虑到在离子上行源区通常会出现短时的O+密度耗空;相应的,在O+上行路径上会出现O+密度的增加。因此,考察离子上行期间O+密度的增加/耗空,可大致区分电离层离子上行的源区高度。结合DMSP卫星在磁暴期间观测到的离子/电子温度变化情况,可探讨暴时电离层离子上行的主要驱动机制。主要研究结果如下:a)在顶部电离层高度,我们观察到与磁暴期间离子上行相伴随的更多是O+密度耗空,这表明观测到的上行O+离子更多地源于顶部电离层高度。b)DMSP卫星在极区顶部电离层高度上频繁地观测到与离子上行相伴随的电子/离子增温,且电子增温发生的频率要远高于离子增温。结合顶部电离层与离子上行相伴随的O+密度耗空和电子增温,我们认为双极扩散增强在驱动暴时顶部电离层离子上行过程中起主要作用。3.天基层析成像的研究利用两颗伴飞Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,同时在两个卫星轨道平面内进行天基层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测。在反演求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,实现更为宽松的空间约束,以提升对电离层不规则结构的响应能力;不同于以往将约束条件作用于整个区域,我们引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重:在密度较大的区域,允许电子密度与模式的偏离更大;在密度较小的区域,施加的约束较强,以保证整体获得较为精确的反演结果。数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演出的电子密度平均偏差优于10%。在不同地磁活动条件下,实测数据反演结果与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性。实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔约150km的两个卫星轨道平面的电子密度差异。具体研究结果如下:a)利用Swarm卫星GPS/TEC数据实现天基层析实现了顶部电离层的三维观测。b)数值验证结果表明,我们的方法对常见的观测误差具有较强的包容性,验证了其解决病态问题的能力。c)在强磁暴期间,我们的方法不仅较好的重现了顶部电离层的百公里级场向不规则结构,而且能构区分纬向相隔约150km的两个卫星轨道平面电子密度的差异,表明我们的方法能够用于百公里尺度不规则结构观测研究。