NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.      

太阳E10.7指数的反演及预报方法

针对高层大气密度预报和轨道预报业务中对新型太阳紫外辐射指数E_10.7的需求,基于TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度数据,开展了E_10.7指数反演和中期预报研究。 E_10.7指数是太阳光谱中波长为0.1～105 nm的辐射流量,单位与F_10.7指数相同（sfu,1 sfu=10–22 W·m–2·Hz–1）。 TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度实测值具有高时间分辨率、延迟时间短和易获得的优势,利用最小二乘法拟合可反演出准实时的E_10.7指数,均方根误差为5.445 sfu。利用高阶自回归模型对E_10.7的中期预报效果尚佳,未来27天的预报值平均相对误差为7.83%。利用同样方法还开展了E_10.7指数81天中心滑动平均值未来27天预报试验,未来27天的预报值平均相对误差仅为3.63%。      

基于活动区面积统计的F10.7指数预报方法

太阳10.7cm射电流量（F_10.7）是反映太阳整体活动的重要指标,其主要源头是日面活动区.F_10.7指数与日面活动区具有显著的相关性,且不同面积的活动区与F_10.7并不遵循相同的线性关系.为进一步提高F_10.7预报的准确性,利用日面活动区面积与F_10.7的相关性,依据面积大小分类,提出F_10.7的预报公式并进行验证.采用2008-2018年SWPC （Space Weather Prediction Center）公布的活动区面积数据和CSWFC （Canadan Space Weather Forecast Center）公布的F_10.7实测数据计算预报公式系数,利用高年（2003年）和低年（1997年）的F_10.7预报验证其结果.研究结果表明,预报结果与实测值的相关系数分别为0.9318和0.9295,二者皆优于SWPC同时期的预报结果（相关系数分别为0.9186和0.8771）.本研究首次基于活动区的变化预测了F_10.7,提高了F_10.7预测的准确性.      

LSTM神经网络在太阳F10.7射电流量中期预报中的应用

F_10.7指数作为大气密度经验模型的重要输入参量，其预报精度直接影响航天器轨道预报精度.研究发现，太阳活动表现出长时间尺度上平均11年和中短时间尺度平均27天的周期性变化特征.依据这一观测事实，基于长短期记忆单元（Long Short-term Memory，LSTM）递归神经网络方法进行F_10.7指数未来27天的中期预报.利用一个连续长时段F_10.7数据作为训练数据，构建LSTM神经网络训练和预测模型，分别预测太阳活动高低年未来27天的F_10.7指数.结果表明，太阳活动高年的第27天F_10.7指数预报平均相对误差最优可达10%以内，低年最优可达2%以内.      

2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化

在第23至第24太阳活动周的峰年之间,太阳活动谷年具有持续时间长,极低F_10.7太阳辐射通量（低至65）和超长期的零太阳黑子数记录等特点,因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会.尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性.本文利用高度650 km以上星载大气密度探测器2007—2009年的连续探测数据进行分析,结果表明,在太阳辐射通量F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对F_10.7的起伏具有更显著的响应变化.当F_10.7由70降至65时,日均大气密度会有4～5倍的显著降变,远大于通常大气模式中的降变值.同样在F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变,当日K_p指数之和由23增至30时,较高热层大气密度则会有80%～160%的强增变.     

第23太阳活动周太阳极紫外辐射与磁暴相关性分析

统计第23个太阳活动周内中等及以上强度（Dst_min<-50nT）的磁暴事件，线性拟合分析磁暴主相DDst_min和达到DDst_min前一个表征太阳极紫外辐射强度的F_10.7之间的相关性.结果表明:随着太阳极紫外辐射增强，DDst_min<-50nT的磁暴出现的总数增多，在弱、中等和强太阳极紫外辐射条件下，其数量分别为56，84和85；随着太阳极紫外辐射增强，强磁暴（-200nT ≤ Dst_min<-100nT）和大磁暴（Dst_min<-200nT）发生的数量和相对发生率呈增长趋势，尤其是大磁暴数目（1，4，12）和相对发生率（1.79%，4.76%，14.12%）明显呈增长趋势；大磁暴（|Dst_min|）与太阳极紫外辐射（F_10.7）之间存在中度正相关关系，其相关系数为0.532，并且主要体现在大磁暴（|Dst_min|）与强太阳极紫外辐射（F_10.7）之间的中度正相关性，其相关系数为0.582.大磁暴与强太阳极紫外辐射之间的相关性可为空间天气预报提供参考依据.      

135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.      

双通道辐射量计算太阳极紫外辐射E10.7指数方法初探

从太阳极紫外辐射研究的重要性出发, 介绍了太阳极紫外辐射E_10.7指 数及其作用, 详细阐述了利用两个能道的太阳辐射观测值计算极紫外辐射E_10.7指数的计算方法. 利用该方法对实测太阳辐射数据进行处理, 计算获得了2000-2005年的每日E_10.7指数, 并将计算结果 与Solar2000模式的输出结果进行对比分析, 验证了该计算方法的可行性, 对比结果表明, 最大相对误差在20%以内, 平均相对误差均在10%以内.      

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。     

Using Back Propagation Neural Network Method to Forecast Daily Indices of Solar Activity F10.7

The solar 10.7 cm radio flux，F_10.7，a measure of the solar radio flux per unit frequency at a wavelength of 10.7 cm，is a key and serviceable index for monitoring solar activities.The accurate prediction of F_10.7 is of significant importance for short-term or long-term space weather forecasting. In this study，we apply Back Propagation （BP） neural network technique to forecast the daily F_10.7 based on the trial data set of F_10.7 from 1980 to 2001.Results show that this technique is better than the other prediction techniques for short-term forecasting，such as Support Vector Regression method.      

太阳极紫外辐射对热层大气密度的影响

对2001-2021年SOHO卫星的极紫外辐射测量数据,以及CHAMP,GRACE-A和SWARM-C卫星资料推导出的高分辨率大气密度数据进行统计分析,发现大气密度与极紫外测量值的相关系数大于密度与F10.7指数的相关系数,证实极紫外辐射在不同地方时的影响程度存在显著差异,从而驱动大气密度的周日变化。利用三颗卫星的高度差异揭示极紫外辐射对大气密度的加热效应在350～500 km范围随着高度增加而减弱。统计得到极紫外辐射影响在地方时和纬度上的空间差异：对夏季半球的影响大于冬季半球;在白天,对中纬度地区的影响高于赤道和高纬度地区;在夜间,密度对辐射的斜率在夏季半球高纬度地区存在峰值,在冬季半球中纬度存在谷值,模型DTM2000和NRLMSISE00未能准确刻画。为了改进经验模型,提出基于球谐函数的拟合方法,优于主流模型周日效应采用的表达式,对周日效应建模和修正提供有益借鉴。利用昼夜间能量传输和热层大气经向环流机制探讨了统计结果的物理机制。     

Thermospheric neutral density response to solar forcing

Recent measurements by the Solar EUV (Extreme Ultra Violet) Experiment (SEE) aboard the Thermosphere–Ionosphere–Mesosphere Energetics and Dynamics satellite (TIMED) provide solar EUV spectral irradiance with adequate spectral and temporal resolution, and thus the opportunity to use solar measurements directly in upper atmospheric general circulation models. Thermospheric neutral density is simulated with the NCAR Thermosphere–Ionosphere–Electrodynamic General Circulation Model (TIEGCM) using TIMED/SEE measurements and using the EUVAC solar proxy model. Neutral density is also calculated using the NRLMSISE-00 empirical model. These modeled densities are then compared to density measurements derived from satellite drag data. It is found that using measured solar irradiance in the general circulation model can improve density calculations compared to using the solar proxy model. It is also found that the general circulation model can improve upon the empirical model in simulating geomagnetic storm effects and the solar cycle variation of neutral density.     

Comparison of the observed and modeled low- to mid-latitude thermosphere response to magnetic activity: Effects of solar cycle and disturbance time delay

The performance of JB2008 and NRLMSISE-00 models, in describing the response of the thermosphere to magnetic activity are evaluated against total mass density retrieved from accelerometer measurements made onboard CHAMP satellite during 5 years. We show that the global low- to mid-latitude disturbance amplitude is correctly described by the JB2008 model for low solar activity conditions and by both the JB2008 and the NRLMSISE-00 models for high solar activity conditions. For low solar activity conditions, statistics based on almost 3 years of data confirm the large underestimation by the NRLMSISE-00 model quantified by Lathuillère et al. (2008) for the year 2004. We also found that the time delay between low- to mid-latitude global thermosphere disturbance and magnetic activity is statistically well estimated by the NRLMSISE-00 and JB2008 models for disturbed conditions. For moderately disturbed conditions however, the time delay estimated by the JB2008 model is too large by about 3 h. For very disturbed conditions, we found different time delays during day-time and night-time, using new geomagnetic proxies with a 30-min time resolution.     

EUV-TEC proxy to describe ionospheric variability using satellite-borne solar EUV measurements: First results

Primary photoionisation of major ionospheric constituents is calculated from satellite-borne solar EUV measurements. Number densities of the background atmosphere are taken from the NRLMSISE-00 climatology. From the calculated ionisation rates, a proxy termed EUV-TEC, which is based on the global total ionisation is calculated, and describes the ionospheric response to solar EUV and its variability. The proxy is compared against the global mean ionospheric total electron content (TEC) derived from GPS data. Results show that the EUV-TEC proxy provides a better overall representation of global TEC than conventional solar indices like F10.7 do. The EUV-TEC proxy may be used for scientific research, and to describe the ionospheric effects on radio communication and navigation systems.     

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F10.7响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间（1996—2008年）400km高度上的大气密度，并统计分析大气密度对太阳辐射指数FF_10.7的响应.结果表明，在第23太阳活动周内，大气密度的变化趋势与太阳辐射指数FF_10.7的变化趋势基本一致，但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数FF_10.7的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4，而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍，而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与FF_10.7指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区，太阳辐射高年大气密度与FF_10.7指数的相关系数比低年的大.不同纬度上，大气密度与太阳辐射指数FF_10.7的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.      

基于卫星加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式结果的比较研究

利用CHAMP/STAR加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式反演的热层大气密度进行比较, 结果表明, 热层大气密度在春秋季期间高于冬夏季, 并且太阳活动高年比低年更加显著; 日照面和阴影区大气密度的比值在低纬地区由太阳活动高年的4下降到太阳活动低年的2左右, 中纬地区大约由3变化到1.5, 高纬地区变化较小; NRLMSISE-00模式能够较好地模拟热层大气密度的变化趋势, 但是磁暴期间模式精度较差. 统计结果表明, 模式整体比反演结果偏高, 2002-2008年相对偏差分别为16.512%, 20.004%, 18.915%, 18.245%, 25.161%, 33.261%和41.980%; NRLMSISE-00模式在高纬地区的相对偏差为27.337%, 高于中低纬地区的24.047%; 模式在中等太阳活动水平相对偏差较为稳定, 基本在15%左右.      

基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年) CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析, 得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量. 研究结果表明, ρ受太阳活动影响较大, 其太阳周变化分量与F10.7指数变化之间的相关系数可高达94.5 %; ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小, 且在中高纬地区, 南半球的值明显大于北半球的值, 在低纬地区则出现基本对称的双峰分布, 即赤道质量密度异常(EMA)结构. 在ρ的年变化中, 呈现出明显的季节变化, 即夏季低冬季高; 同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强, 随纬度增加而增强. 将本文结果与经验模式NRLMSISE00在观测条件下的输出数据进行对比, 发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致, 但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小, 年变化幅度略大, 且NRLMSISE00模式不能再现EMA结构. 研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.