电离层是部分电离的大气区域。对于处在地球磁场中的电离层等离子体，它的产生、损失、动力学过程、以及电动力学过程都会体现在电子密度的时空变化上。从这个意义上讲，电离层电子密度剖面包含了电离层存在和变化的诸多信息，是电离层研究的一个重要对象。同时，作为最基本的电离层数据，电离层电子密度垂直分布的观测历史悠久，积累了大量富有价值的数据资料。它们不仅来自于地理分布广泛且数量众多的地面电离层垂测站，而且还包括专门为探测顶部电离层电子密度分布情况而发射的电离层顶部探测卫星，和利用掩星观测来获取电离层剖面的卫星星座，以及强大的地面非相干散射雷达。　　本文基于多种电离层电子密度剖面观测资料对低纬电离层电子密度垂直分布上一种特殊的分层结构（F3层）进行了系统地研究。F3层的时空变化特征及其产生机制是近年来电离层研究领域的热点之一。论文通过对全球低纬及赤道区测高仪台站资料进行收集和整理，对F3层特征参量进行提取并开展F3层演化模式的分类及机制的研究，给出了相应的物理解释。进一步，利用掩星剖面对电离层F3层开展研究，分别给出了底部和顶部电离层F3层结构的全球分布特征以及上下层结构的整体行为，并揭示其差异。在研究低纬电子密度垂直分层结构的同时，开展了顶部电离层的建模研究，提出了一种新的顶部电离层电子密度剖面数学模型，并研究了不同数据源获取的电离层上过渡高度时空分布异同。　　具体工作和研究结果如下:　　1、通过引入两种电离层F3层电离图描迹特征参数foF2/foF3和h，F3-hF2以及大量F3层事件的统计研究给出了全球不同磁纬F3层电离图描迹的一般演化规律。定义了两种F3层演化模式，结合观测结果给出了这两种演化模式随磁纬和季节的分布特征，并讨论其形成的物理机制。研究结果表明:　　(1)foF2/foF3和hF3-hF2具有纬度依赖性、日变化和季节变化。在当地夏季的磁低纬地区，它们有随地方时增加而减小的趋势，且量值一般保持在较低水平。而在近磁赤道地区，日变化则非常弱。另一方面，在当地冬季，上述所有变化都变得很弱甚至消失。表现在描迹形态上可总结为:(1)近磁赤道地区描迹明显上翘，而磁低纬地区描迹较为平坦;(2)电离图中标志F2层和F3层分裂的尖刺结构，在近磁赤道地区靠近描迹的高频末端，而在磁低纬地区则靠近F1层的临界频率位置。　　(2)定义了两种F3层演化模式（模式A: F3层刚开始形成时，hmax先抬升而fmax后增加;模式B:在F3层形成时，hmax抬升的同时fmax减小或保持不变）。统计结果表明:在分季没有跨赤道风存在的情况下，在磁赤道附近主要以模式B为主，而在低纬地区主要以模式A为主;而在至季出现由夏季半球吹向冬季半球的跨赤道风后，则沿风的方向，夏季半球磁赤道地区也会出现部分模式A事件，而冬季半球低纬地区亦有相当比例的模式B事件。GNSS解算的TEC驼峰分布显示跨赤道中性风对赤道异常驼峰的调制可能是导致F3层演化模式随季节和纬度变化的主要机制。　　2、通过寻找掩星电子密度剖面的平均偏差(MD)和高度变化率峰值个数(AM)的统计规律给出了海量COSMIC掩星观测数据中F3层剖面的判别方法，利用该方法揭示了电离层底部和顶部F3层出现率的全球时空分布特征。结果如下:　　(1)在分季，底部F3层出现率的磁纬分布呈现关于磁赤道对称的双峰结构，在至季，底部F3层的出现率分布变成峰值处在夏季半球一侧的单峰结构，其峰值出现在南北半球磁纬-7～-9°/7～9°区域内;底部F3层最大出现率发生在地方时9:30-10:30LT;底部F3层发生率有明显的随季节依赖的经度变化，在分季和夏季表现出类似于电离层四波的经度结构。　　(2)在分季，顶部F3层出现率的分布呈现峰值位于磁赤道上的单峰结构，在至季，峰值区变平坦，整个分布向夏季半球一侧移动;白天顶部F3层出现率峰值对应的时刻要迟于底部F3层峰值约3～4个小时。顶部F3层出现率的经度变化在分季和夏季与底部相同，但冬季区别较大。　　(3)在低太阳活动时期(F10.7＜85sfu)，底部和顶部F3层出现率随F10.7增加而快速增大，但当F10.7＞85sfu后，出现率则出现缓慢减少的趋势;底部和顶部电离层F3层发生率随地磁活动增加而增加。　　3、基于Alouette/ISIS顶部探测剖面数据，提出了一种新的顶部电离层电子密度剖面数学模型。通过与其他顶部剖面模型的对比研究，该模型在描述ISIS-1&2和Alouette-1&2观测的顶部剖面中表现最好。具体结果如下:　　(1)将顶部电离层表示为由氧离子层和轻离子层（包括氢离子和氦离子）组成。轻离子层由一个标高随高度线性变化的α-Chapman函数表达。通过与其他5个典型的顶部电离层剖面模型进行大量统计实例比较，该模型在描述ISIS-1&2和Alouette-1&2观测的顶部剖面中表现最好。　　(2)基于上述新的顶部电离层电子密度剖面描述模型，分析了-60°～90°磁纬范围内磁静日(Kp＜4)和低太阳活动(F10.7＜120sfu)期间轻离子层特征参数的磁纬度依赖性、季节变化和日夜变化，给出了轻离子层剖面特征参数的变化规律。利用新的顶部电离层电子密度剖面描述模型，研究了轻离子成分对顶部电子层总电子密度的贡献，模型结果显示轻离子对顶部电子层总电子密度贡献显著，尤其是夜间的磁纬±30-40°地区，可达50％以上。　　4、给出了不同数据源获取的电离层上过渡高度hT的时空分布，并利用COSMIC和C/NOFS联合观测对顶部电离层O+离子密度剖面的标高变化进行描述，同时基于变标高O+离子密度剖面模型解算hT的时空分布，并与C/NOFS实测结果对比。结果如下:　　(1)给出了由COSMIC掩星剖面、Alouette/ISIS顶部观测剖面解算和C/NOFS实地观测离子密度数据得到的电离层上过渡高度的时空分布情况，展示了它们之间的异同。　　(2)基于解算的电离层上过渡高度分布与卫星实测结果的差异，采用标高随高度线性变化的α-Chapman函数来描述顶部电离层O+离子密度剖面。利用COSMIC掩星剖面和C/NOFS实地观测O+离子密度值，联合求解F2层峰高处的标高Hm及O+离子密度剖面标高的高度变化率α。给出了顶部电离层O+离子密度剖面标高的变化分布规律。同时，基于变标高O+离子密度剖面模型重新解算hT的时空分布，分布特征与C/NOFS实测结果相似。