常用的第一性原理電離層熱層環流模式在求解地球電離層F區主要離子成分氧離子(O+)時，需要指定上邊界條件——氧離子擴散通量。然而，該擴散通量無法直接測量，相關研究較少，研究者常指定一個簡單的經驗擴散通量，即白天向上、晚上向下的固定大小的通量(如TIEGCM)。非相干散射雷達(ISR)可以通過電子密度剖面、電子和離子溫度剖面來計算得到該擴散通量，并且能長時間積累歷史數據，是理想的研究裝置。
前期，中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室非相干散射雷達團隊，與麻省理工學院教授張順榮和美國大氣研究中心教授王文斌開展合作，統計分析了近50年的Millstone Hill非相干散射雷達數據，得到了Millstone Hill處氧離子擴散通量隨太陽活動、地磁活動、高度、地方時、季節等的變化特征(蔡毅徽等. 2021. JGR)。研究給出了太陽活動低年地磁平靜條件下，氧離子擴散通量在夏季隨地方時和高度的變化(圖1a左)，其與由風場、電場和雙極擴散等共同作用決定的等離子體總通量(圖1a右)有明顯區別，在高度氧離子擴散通量占主導。
為了優化TIEGCM的上邊界條件，需要將Millstone Hill處得到的氧離子擴散通量映射到全球，研究人員發展了一種新算法實現了該映射，得到一個比TIEGCM默認使用的氧離子擴散通量更合理的上邊界條件(如圖1b左)，其具有更多細節特征。研究發現，擴散通量不是晚上才向下，后續的模擬結果證明這種改變對提升TIEGCM模擬性能有重要幫助。作為示例，研究人員模擬了中緯度地區電離層電子密度夜間增強現象，優化上邊界條件后的模擬結果能較好地重現非相干散射雷達的觀測，而原來的模擬則與觀測相差甚遠(圖2)。
非相干散射雷達長期數據積累對電離層熱層數值模式的發展具有重要意義，該研究為我國三亞非相干散射雷達研究奠定了基礎。研究成果以topside diffusive flux and the formation of summer nighttime ionospheric electron density enhancement over Millstone Hill為題，近期發表于Geophysical Research Letters上。研究工作得到國家自然科學基金委重大儀器專項、中科院戰略性先導科技專項、中科院青年團隊基礎研究項目等的資助。
圖1.(a)Millstone Hiil ISR觀測的氧離子擴散通量(左)和等離子體總通量(右)在太陽活動低年地磁平靜條件下隨地方時和高度的變化;(b)在太陽活動低年(頂行)和高年(底行)夏季正午12點，利用非相干散射雷達歷史數據優化的TIEGCM的頂部全球氧離子擴散通量(左)和TIEGCM原來使用的經驗頂部通量(右)
圖2.在太陽活動低年(頂行)和高年(底行)夏季，非相干散射雷達觀測的電子密度(Ne)、利用非相干散射雷達數據優化上邊界條件的TIEGCM模擬的電子密度、和原始TIEGCM模擬的電子密度隨地方時和高度的變化
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