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研究成果介紹:電離層結(jié)構(gòu)時(shí)空演化的相關(guān)研究

2015-08-17 14:31:24 安裝信息網(wǎng)

作者:吳波

本文重點(diǎn)介紹電離層結(jié)構(gòu)時(shí)空演化特征及反演技術(shù)研究情況.

通過本課題的研究，獲取與災(zāi)害性空間天氣等相應(yīng)的電離層電磁結(jié)構(gòu)時(shí)空演化特征和頂部電離層特征參量的平均時(shí)空變化特征，為空間天氣監(jiān)測(cè)需求提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為空間天氣預(yù)警技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

研究?jī)?nèi)容包括：基于地基地磁場(chǎng)、地基電離層、掩星、衛(wèi)星原位探測(cè)等多種觀測(cè)數(shù)據(jù)，反演全球區(qū)域上空電離層等效電流體系結(jié)構(gòu)及其逐日變化；建立電離層電導(dǎo)率實(shí)時(shí)變化圖像；獲取不同高度頂部電離層特征參量的時(shí)空演化氣候?qū)W特征。研發(fā)電離層電磁結(jié)構(gòu)的正反演技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演技術(shù)，氣候?qū)W模式計(jì)算技術(shù)及電離層電導(dǎo)率計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建電離層等效電流體系、電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)、電離層預(yù)測(cè)模型及特征參量氣候?qū)W經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ�，研究電離層不同電磁結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化特征。

課題獲得的主要成果

1多衛(wèi)星的原位電離層特征參量的分析與建模

基于現(xiàn)有的國(guó)際電離層參考模型，利用2009 -2011年中國(guó)及華北電離層斜測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)上空及華北地區(qū)電離層模型構(gòu)建，可以給出任意時(shí)刻電離層區(qū)域背景場(chǎng)，模型預(yù)測(cè)精度較IRI模型提高10%以上，目前已提交用戶測(cè)試使用（見圖3）。同時(shí)，使用垂斜測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了電離層擾動(dòng)與太陽活動(dòng)、磁暴、亞暴等的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過對(duì)比垂測(cè)和斜測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)磁暴事件均有較好的響應(yīng)，并且兩種數(shù)據(jù)具有較好的同步性，其中位于中緯度地區(qū)的斜測(cè)網(wǎng)觀測(cè)到的擾動(dòng)變化基本均與太陽活動(dòng)和磁暴相關(guān)，負(fù)相擾動(dòng)有80%與磁暴相關(guān)聯(lián)；而位于中低緯度的兩個(gè)垂測(cè)站除了與太陽活動(dòng)等空間天氣事件相關(guān)外，還觀測(cè)到很多的不明原因擾動(dòng)，反映低緯度電離層不穩(wěn)定性相對(duì)中緯度明顯增強(qiáng)，需進(jìn)一步加強(qiáng)跟蹤研究。

2多衛(wèi)星的原位電離層特征參量的分析與建模

完成了ROCSAT-1、DMSP-F13、DMSP-F15、DEMETER衛(wèi)星的離子密度、溫度探測(cè)數(shù)據(jù)的收集、讀取，并利用地磁活動(dòng)指數(shù)Ap對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選；通過對(duì)各衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)空覆蓋情況的分析，確定合適的滑動(dòng)窗口和步長(zhǎng)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，得到頂部電離層特征參量經(jīng)驗(yàn)建模的基本數(shù)據(jù)集；利用對(duì)IRl2000模式計(jì)算的電子密度剖面的Chapman- α最小二乘擬合，得到頂部電離層剖面形狀參數(shù)，進(jìn)而基于Chapman- α層描述對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的離子密度進(jìn)行高度修正，并基于IRI2000模式的離子溫度剖面，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的離子溫度進(jìn)行高度修正；對(duì)頂部電離層離子密度、溫度的基本時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，總結(jié)了各參量周期特性及其隨太陽活動(dòng)的長(zhǎng)趨勢(shì)變化。根據(jù)上述分析完成了頂部電離層特征參量氣候?qū)W經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降拈_發(fā)。模式的檢驗(yàn)分析表明，模式對(duì)三個(gè)高度層次(600km. 670km、840km)的中低緯頂部電離層離子密度、溫度的基本時(shí)空演化有一定的描述能力，能獲得一些主要的觀測(cè)到的氣候?qū)W變化特征。

3電離層等效電流體系的快速反演技術(shù)

由全球地磁臺(tái)網(wǎng)提供的地磁場(chǎng)觀測(cè)資料反演出電離層等效電流體系，不僅可以全面地反映全球磁場(chǎng)變化并為確定其場(chǎng)源信息提供依據(jù)，而且可以反演診斷電離層電流和電場(chǎng)分布。同時(shí)根據(jù)sq發(fā)電機(jī)理論可以進(jìn)一步洞察潮汐風(fēng)場(chǎng)、電導(dǎo)率等電離層參數(shù)的演化特征。課題基于二維電離層發(fā)電機(jī)理論，完成了電離層電流體系正演算法的編寫�；谌虻卮艌�(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了太陽靜日變化sq的提取，并利用球諧分析方法完成了電離層等效電流體系逐月、逐日、逐時(shí)結(jié)構(gòu)的快速反演（見圖1）。對(duì)正演計(jì)算與反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，完成了電離層電流體系正演和反演軟件的模塊測(cè)試和軟件封裝。

4電離層電導(dǎo)率時(shí)空分布特征及結(jié)構(gòu)反演技術(shù)

利用COSMIC衛(wèi)星群反演實(shí)時(shí)的電離層電子密度剖面，通過IRI經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱a(bǔ)充空間上數(shù)據(jù)分布的不足，通過最小二乘擬合和數(shù)據(jù)同化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，給出全球的實(shí)時(shí)電離層等離子體密度分布。結(jié)合IGRF模型給出的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和MSIS經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒o出的中性成份分布，由電離層基本理論公式出發(fā)實(shí)現(xiàn)了全球電離層電導(dǎo)率的計(jì)算，完成了全球電離層三維電導(dǎo)率計(jì)算軟件的封裝和測(cè)試（見圖2），實(shí)現(xiàn)了電離層電磁場(chǎng)全波傳播模型的正演模擬計(jì)算，并基于衛(wèi)星觀測(cè)提取電離層截止頻率，進(jìn)而計(jì)算了電離層有效高度、電子密度分布及有效高度處的電導(dǎo)率分布，實(shí)現(xiàn)電離層底界面的電導(dǎo)率計(jì)算