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     作者：吳波

    本文重點介紹優(yōu)秀論著:“電離層結(jié)構(gòu)時空演化特征及反演技術(shù)研究”, 下面介紹一下該論著的核心內(nèi)容: 

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)時空演化特征和頂部電離層特征參量的平均時空變化特征，為空間天氣監(jiān)測需求提供基礎(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。

研究內(nèi)容包括：基于地基地磁場、地基電離層、掩星、衛(wèi)星原位探測等多種觀測數(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)率實時變化圖像；獲取不同高度頂部電離層特征參量的時空演化氣候?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模式計算技術(shù)及電離層電導(dǎo)率計算技術(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)測模型及特征參量氣候?qū)W經(jīng)驗?zāi)Ｊ�，研究電離層不同電磁結(jié)構(gòu)的時空演化特征。

    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)有的國際電離層參考模型，利用2009 -2011年中國及華北電離層斜測網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)了中國上空及華北地區(qū)電離層模型構(gòu)建，可以給出任意時刻電離層區(qū)域背景場，模型預(yù)測精度較IRI模型提高10%以上，目前已提交用戶測試使用（見圖3）。同時，使用垂斜測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了電離層擾動與太陽活動、磁暴、亞暴等的對應(yīng)關(guān)系。通過對比垂測和斜測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者對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)的斜測網(wǎng)觀測到的擾動變化基本均與太陽活動和磁暴相關(guān)，負(fù)相擾動有80%與磁暴相關(guān)聯(lián)；而位于中低緯度的兩個垂測站除了與太陽活動等空間天氣事件相關(guān)外，還觀測到很多的不明原因擾動，反映低緯度電離層不穩(wěn)定性相對中緯度明顯增強，需進一步加強跟蹤研究。

    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、溫度探測數(shù)據(jù)的收集、讀取，并利用地磁活動指數(shù)Ap對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行篩選；通過對各衛(wèi)星數(shù)據(jù)時空覆蓋情況的分析，確定合適的滑動窗口和步長對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行滑動平均處理，得到頂部電離層特征參量經(jīng)驗建模的基本數(shù)據(jù)集；利用對IRl2000模式計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)，進而基于Chapman- α層描述對衛(wèi)星觀測的離子密度進行高度修正，并基于IRI2000模式的離子溫度剖面，對衛(wèi)星觀測的離子溫度進行高度修正；對頂部電離層離子密度、溫度的基本時空變化特征進行了分析，總結(jié)了各參量周期特性及其隨太陽活動的長趨勢變化。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?zāi)Ｊ降拈_發(fā)。模式的檢驗分析表明，模式對三個高度層次(600km. 670km、840km)的中低緯頂部電離層離子密度、溫度的基本時空演化有一定的描述能力，能獲得一些主要的觀測到的氣候?qū)W變化特征。

    3電離層等效電流體系的快速反演技術(shù)

    由全球地磁臺網(wǎng)提供的地磁場觀測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變化并為確定其場源信息提供依據(jù)，而且可以反演診斷電離層電流和電場分布。同時根據(jù)sq發(fā)電機理論可以進一步洞察潮汐風(fēng)場、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)電機理論，完成了電離層電流體系正演算法的編寫。基于全球地磁場觀測數(shù)據(jù)，實現(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、逐時結(jié)構(gòu)的快速反演（見圖1）。對正演計算與反演結(jié)果進行對比分析，完成了電離層電流體系正演和反演軟件的模塊測試和軟件封裝。

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

利用COSMIC衛(wèi)星群反演實時的電離層電子密度剖面，通過IRI經(jīng)驗?zāi)Ｐ脱a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)同化實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，給出全球的實時電離層等離子體密度分布。結(jié)合IGRF模型給出的地磁場強度和MSIS經(jīng)驗?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)實現(xiàn)了全球電離層電導(dǎo)率的計算，完成了全球電離層三維電導(dǎo)率計算軟件的封裝和測試（見圖2），實現(xiàn)了電離層電磁場全波傳播模型的正演模擬計算，并基于衛(wèi)星觀測提取電離層截止頻率，進而計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，實現(xiàn)電離層底界面的電導(dǎo)率計算