电离层是距离地表最近的大气电离区域,作为短波通讯的介质,和人类生活密切相关。电离层可以使通过它传播的无线电波发生反射、折射、散射和吸收等效应,进而对无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等有重要影响。此外,随着空间探测技术的日益成熟,人们通过多方位的电离层观测手段,获得了大量的电离层观测数据,极大的推动了电离层的研究进展。太阳风-磁层-电离层耦合以及岩石圈-大气层-电离层耦合一直是广大学者们研究的热门问题。了解暴时以及临震电离层的异常特征对于空间环境建模以及灾害性空间天气预报具有重要的科学意义。本文通过个例分析和统计分析分别研究了暴时电离层扰动特征以及临震电离层异常的时空变化特征,主要研究工作与结果归纳如下:(1)本文给出2004年11月9-10日一次超级磁暴期间低纬和赤道电离层响应的观测和模拟结果。观测数据包括GPS-TEC,Jicamarca非相干散射雷达(ISR)的等离子体漂移和垂测仪F2层虚高和临界频率。观测和模拟结果均显示磁暴期间 Jicamarca 扇区白天和夜间在由强东向 PPEF(Prompt Penetrating Electric Field)导致的垂直上行E×B漂移的作用下分别发生白天和夜间超级喷泉。两次超级喷泉都受到随后西向扰动发电机电场的强烈抑制。白天超级喷泉形成异常强的暴时F3层,与Balan et al.(2008)不同,SAMI2模式的模拟结果很好地再现并解释了赤道F3层的生成、发展和抑制过程,与电离图观测结果很好地一致。与白天超级喷泉不同的是,夜间缺乏光化学作用,电离层抬升后,低纬赤道电离层F区形成巨大耗空。不考虑中性风场的模拟结果很好地与观测数据一致,这说明,此次事件中,低纬赤道区中性风场效应是次要的,电离层主要受强电动力学过程的影响。(2)为了进一步理解电离层暴对经度和纬度的依赖性,本文利用Madrigal数据库的TEC数据,统计分析了 2001-2015年间的217次单主相型磁暴事件中电离层暴的响应特征,其中包括电离层暴对季节、地方时的依赖性,在不同磁暴发展阶段(主相和恢复相)电离层暴的分布特征,以及电离层暴对磁暴的延迟时间的分布特征。对于纬度的依赖性,本文主要考察了美洲扇区从赤道到高纬6个区域;对于经度依赖性,本文主要考察了中纬地区的4个经度扇区,包括美洲西部、美洲东部、欧洲以及东亚扇区。统计结果表明,电离层暴的分布特征具有显著的纬度差异,负暴主要发生在高纬地区,而正暴主要发生在中纬、低纬和赤道区。正、负暴发生率之比的最大值位于地磁纬度30°N附近。电离层暴的分布还依赖于磁暴的发展阶段。与主相期间相比,恢复相期间正暴的发生率降低,而负暴的发生率升高。但是,赤道区和低纬地区的正暴发生率在主相期间反而高于恢复相期间。此外,主相期间,赤道和低纬地区的负暴发生率高于中纬地区。电离层暴随地方时的分布具有显著的纬度差异。在高纬地区,负暴主要发生在白天,正暴主要发生在夜间。中纬地区,负暴主要发生在午夜后到清晨时间段,正暴主要发生在白天。赤道地区,正暴和负暴都主要发生在白天。相对于磁暴主相起始(Main Phase Onset,MPO),电离层负暴响应的时间延迟大都在1Oh以上,而正暴响应的时间延迟大都在10h以下(除了赤道和低纬地区)。特别地,在中纬地区,正暴对白天发生的磁暴的延迟时间比夜间发生的要短,而负暴则相反。在中纬地区,美洲扇区和东亚扇区电离层正暴的发生率高于欧洲扇区;而欧洲扇区的无暴响应最为显著;东亚扇区负暴的“时间禁区”与美洲和欧洲扇区不同。(3)基于 CODE GIM(Center for Orbit Determination in Europe,Global Ionosphere Map)数据,本文首次尝试利用滑动中值差分计算和图像特征提取相结合的方法,统计分析了 2001-2014年全球121个MW27.0地震(震源深度DS100 km)临震0-6天震源中心附近局地TEC变化情况。结果发现,共有80个地震(66.1%)震前0-6天能提取出较为明显的TEC局地性异常现象,正异常出现的比例大于负异常;对于同一个地震,会出现正负异常两种形式,并且可能发生在同一天;震前TEC异常可能存在一定的地方时(或周期性)特征,开始于临震前不同天数相近地方时(38次);震前TEC异常更多的发生在地方时19-6 LT,大约在日落之后到日出之前;无论地震发生在磁北纬还是磁南纬,TEC异常最常出现的方位都不位于震源中心上空,而是朝南向偏移;有40个(50%)地震在其磁共轭点附近也提取出了局地性TEC异常现象,总的来说,其异常形式和震源中心一致,但异常幅度和持续时间与震源中心并不一致。主要运用异常电场假说对上述现象进行了解释;地震电离层异常现象复杂多变,需要结合更多的事例和观测资料深入研究。