卡尔曼滤波和自相关分析方法短期预报电离层f0F2的比较

电离层参数f₀F₂的预报是电离层研究的一个重要方向.本文选取2011年北京、长春、青岛和苏州四个常规观测站的f₀F₂数据,分别采用卡尔曼滤波、自相关分析法和国际参考电离层模型（IRI）对f₀F₂实施短期预报（提前1h预报）,并通过与实际观测数据的对比,对三种方法预报f₀F₂的性能进行了比较.研究结果表明,在磁平静时期,采用卡尔曼滤波方法进行f₀F₂预报的均方误差为0.532MHz,相对误差8.11%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.47MHz和14.58%;采用自相关分析方法进行f₀F₂预报的均方根误差为0.967MHz,相对误差11.46%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.035MHz和11.23%.比较结果说明二者对f₀F₂短期预报的精度相对于国际电离层参考模型均有大幅提升.对磁暴期间三种方法的预测性能做了进一步比较,试验结果表明卡尔曼滤波短期预报性能总体上优于自相关分析法,这为f₀F₂短期预报的方法选择提供了一定指导.      

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.      

风云三号C星GNOS北斗掩星电离层探测初步结果

利用风云三号卫星C星GNOS掩星探测仪电离层数据,分析了2013年10月FY-3C GNOS探测的北斗掩星电离层廓线分布,将2013年10月1日至2015年10月10日期间FY-3C GNOS观测的F₂层峰值电子密度（N_mF₂）与地面电离层测高仪观测结果进行对比,验证了FY-3C GNOS北斗电离层掩星的探测精度.结果表明,FY3-C GNOS北斗电离层掩星与电离层测高仪探测的N_mF₂数据相关系数为0.96,平均偏差为10.21%,标准差为19.61%.在不同情况下其数据精度有如下特征:白天精度高于夜晚;夏季精度高于分季,分季精度高于冬季;中纬地区精度高于低纬地区,低纬地区精度高于高纬地区; BDS倾斜同步轨道（IGSO）卫星精度高于同步轨道（GEO）卫星和中轨道（MEO）卫星.FY-3C GNOS北斗电离层掩星与国际上其他掩星电离层数据精度的一致性对GNSS掩星探测资料的综合利用具有重大意义.      

TIEGCM集合卡尔曼滤波同化模型设计及初步试验

选择参数化的电离层热层理论模型TIEGCM作为背景模型,基于COSMIC掩星观测的电子密度廓线数据,应用集合卡尔曼滤波方法建立全球电离层电子密度同化模型,实现了全球电离层的电子密度同化.同化结果表明,该同化模型能将观测资料有效同化到背景模式中,获得全球三维电离层电子密度.与背景模式相比,同化得到的电子密度相对于观测值的偏差显著下降.对于有同化和无同化参与的试验,N_mF₂的标准偏差分别降低约60%和20%.此外,分组同化与同时同化的结果对比显示,平均偏差改善基本一致,同时同化后的标准偏差在峰值高度以上略有减小.      

基于最大似然估计的远紫外遥感反演电离层电子密度算法

原子氧135.6 nm夜气辉主要由氧离子O+与电子的辐射复合反应生成,一些星载远紫外遥感观测任务证实135.6 nm夜气辉可用于反演电离层电子密度。针对远紫外临边遥感观测反演电离层电子密度,分析了135.6 nm夜气辉辐射强度与电子密度之间的非线型前向模型,基于离散反演理论设计了从夜间135.6 nm临边观测数据反演电子密度高度分布的反演算法,算法应用最大似然估计通过迭代求解电离层参数的最佳拟合值。通过仿真计算了TIMED卫星上全球紫外成像仪GUVI观测的反演结果,验证了本反演算法的可行性。对GUVI的实际观测数据进行反演,获得了电子密度高度分布。通过与GUVI数据的电离层参数对比分析得出,本文建立的反演模型使N_mF₂被高估,同时使h_mF₂被低估。对于不同的太阳活动强度,N_mF₂和 h_mF₂的系统误差分别在10%和5%以内,能较精确地获得电离层参数。精确获得电离层电子密度信息对于提高空间天气预报及电离层模型的修正具有重要意义。      

曲靖地区电离层多参数变化特征

利用电波环境观测网曲靖站电离层垂直探测仪数据（2008－2018）,分析了该站电离层多参数（包括f_min,f₀E_s,h'E_s,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂等）随太阳活动、季节、地方时的变化特征。结果表明,f_min,f₀E_s,h'E_s随太阳活动变化不明显,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂与太阳活动变化具有相关性,f₀F₂经常发生日落增强现象,同时各自具有独立性;与拉萨、乌鲁木齐地区f₀F₂,h'F,f₀E_s变化特征对比,发现地方时与月份变化趋势相同,但是极值出现的位置有所不同,这可能与各地区的地理纬度和地形等因素有关;h'F夜间大于白天,在日出日落时段有突然上升现象,冬季的h'F一般都小于其他季节;MUF(3000)F₂与f₀F₂的变化特征相似,白天值高于夜晚值,春秋分季高于夏冬季,太阳活动高年日落后MUF(3000)F₂一直维持较高值并持续到03:00－04:00 LT。      

基于地磁坐标和Kriging技术的高纬地区f0F2重构方法

为能够在高纬区域获取高精度电离层参数特性结果，提出了基于地磁坐标的高纬度区域电离层F₂层临界频率（f₀F₂）的重构方法.该方法确定了基于地磁坐标的变异函数，通过求解改进Kriging方程得出估计值.方法的确定取决于对2种坐标系、2类电离层距离计算方法以及尺度因子的选取.通过对俄罗斯6个垂直探测站在太阳活动高年（2013年）和低年（2017年）的f₀F₂历史观测数据使用月中值进行交叉验证，证明了引入地磁坐标和利用球面距离计算方法对高纬度地区进行重构能够达到最优效果.相比现有方法，其整体标准误差和绝对误差均有所降低.上述研究证实了该方法的有效性，对电子信息系统的可用频率预测以及通信效能保障具有重要意义.      

基于斜向探测最高可用频率反演电离层参数

提出了一种利用斜向探测F₂层最高可用频率及其对应时延反演传播路径中点临界频率f₀F₂和3000km传输因子M（3000）F₂的新方法.该方法从工程实用角度出发,利用射线传播理论直接反演得到临界频率和3000km传输因子.通过对长春-径阳和新乡-赤峰两条斜向探测链路中点电离层参数的反演分析,验证了方法的稳定性;利用反演结果与北京垂直探测数据对比,验证了方法的准确性;通过与Smith方法的对比,验证了方法的实用性.统计分析显示,此方法具有与Smith方法可比的精度,明显优于参考电离层模型给出的结果,其均方误差为0.48MHz,相对误差为10.50%;具有较好的稳定性,对不同距离的探测链路有较好的适应性,反演精度差异为0.03MHz;具有可操作性强,易于实现的特点.本研究成果可用于短波通信频率实时预报、动态频率管理及其相关领域.      

夜间135.6 nm气辉反演的电离层f0F2与测高仪观测比较研究

在夜间电离层，气辉135.6 nm谱线主要由F层的O⁺和电子的辐射复合过程以及O⁺和O^–的中性复合过程激发，该谱线强度和电离层峰值电子密度Nm F₂存在很强的相关性。利用夜气辉135.6 nm辐射强度与F₂层峰值电子密度Nm F₂的平方成正比的物理模型，建立了在不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下均适用的反演算法。通过DMSP卫星上搭载的紫外光谱成像仪(SSUSI)实际观测的135.6 nm气辉辐射强度来反演相应时空的电离层F₂层临界频率f₀F₂，并将其与地基测高仪探测结果做了综合对比。结果表明，在太阳活动高年(2013年)，相对误差小于等于20%的数据占比93.0%，平均相对误差约为7.08%；在太阳活动低年(2017年)，相对误差小于等于20%的数据占比80.8%，平均相对误差约为12.64%。最后，对该算法在太阳活动高低年的反演精度差异进行了分析。     

太阳活动下降年昆明地区TEC变化特征与IRI-2020模拟比较分析

利用昆明低纬度测站（24.7°N,102.9°E，磁纬15.1°N）2016-2019年的观测数据和最新版的国际参考电离层（IRI-2020）模拟结果，对昆明地区电离层总电子含量（TEC）在太阳活动下降年期间的变化特征及与模型输出进行对比研究。结果表明,昆明TEC存在明显的春秋高值、夏冬低值的半年异常；白天高值、夜间低值的日变化特点突出，日峰值出现在06:30-08:00 UT（约13:00-15:00 LT）;TEC随太阳活动减弱而明显下降，年平均峰值在2016-2019年分别为48,33,27,24 TECU；日峰值TEC与F10.7存在显著相关，月均值相关系数达到0.86，而与Ap指数则表现为弱相关；IRI-2020能较好地模拟昆明地区TEC的季节变化，但与观测值存在较大差异；均方根偏差值多集中在2～15 TECU，相对偏差百分比值主要在–85%～50%范围变化。对比结果表明IRI-2020的预测精度仍有待提高。     

Evaluation of the IRI-2016 and NeQuick electron content specification by COSMIC GPS radio occultation,ground-based GPS and Jason-2 joint altimeter/GPS observations

We examined performance of two empirical profile-based ionospheric models, namely IRI-2016 and NeQuick-2, in electron content (EC) and total electron content (TEC) representation for different seasons and levels of solar activity. We derived and analyzed EC estimates in several representative altitudinal intervals for the ionosphere and the plasmasphere from the COSMIC GPS radio occultation, ground-based GPS and Jason-2 joint altimeter/GPS observations. It allows us to estimate a quantitative impact of the ionospheric electron density profiles formulation in several altitudinal intervals and to examine the source of the model-data discrepancies of the EC specification from the bottom-side ionosphere towards the GPS orbit altitudes. The most pronounced model-data differences were found at the low latitude region as related to the equatorial ionization anomaly appearance. Both the IRI-2016 and NeQuick-2 models tend to overestimate the daytime ionospheric EC and TEC at low latitudes during all seasons of low solar activity. On the contrary, during high solar activity the model results underestimated the EC/TEC observations at low latitudes. We found that both models underestimated the EC for the topside ionosphere and plasmasphere regions for all levels of solar activity. For low solar activity, the underestimated EC from the topside ionosphere and plasmasphere can compensate the overestimation of the ionospheric EC and, consequently, can slightly decrease the resulted model overestimation of the ground-based TEC. For high solar activity, the underestimated EC from the topside ionosphere and plasmasphere leads to a strengthening of the model underestimation of the ground-based TEC values. We demonstrated that the major source of the model-data discrepancies in the EC/TEC domain comes from the topside ionosphere/plasmasphere system.     

A study on Nighttime Winter Anomaly (NWA) and other related Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly (MSNA) in the light of International Reference Ionosphere (IRI) – Model

The ionospheric Nighttime Winter Anomaly (NWA) is a feature observed in the Northern Hemisphere at the American and in the Southern Hemisphere at the Asian longitude sector under low solar activity conditions. Jakowski et al. (2015) analyzed ground-based GPS derived TEC and peak electron density data from radio occultation measurements on Formosat-3/COSMIC satellites and confirmed the persistence of the phenomenon. Further, they assumed that Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly (MSNA) and related special anomalies such as the Weddell Sea Anomaly (WSA) and the Okhotsk Sea Anomaly (OSA) are closely related to the NWA via enhanced wind-induced uplifting of the ionosphere. The aim of this paper is to study the factors causing these anomalies and also to investigate if these anomalies are re-produced by IRI. The results show that IRI model does include the NWA effect, though at a different longitude and could be improved for better predictions. The IRI-2016 model does show WSA in TEC but not in NmF2. Further, the IRI-2016 model could clearly predict the OSA both in NmF2 and TEC.     

Evaluation of the improvement of IRI-2016 over IRI-2012 at the India low-latitude region during the ascending phase of cycle 24

This paper investigated the performance of the latest International Reference Ionosphere model (IRI-2016) over that of IRI-2012 in predicting total electron content (TEC) at three different stations in the Indian region. The data used were Global Positioning System (GPS) data collected during the ascending phase of solar cycle 24 over three low-latitude stations in India namely; Bangalore (13.02°N Geographic latitude, 77.57°E Geographic longitude), Hyderabad (17.25°N Geographic latitude, 78.30°E Geographic longitude) and Surat (21.16°N Geographic latitude, 72.78°E Geographic longitude). Monthly, the seasonal and annual variability of GPS-TEC have been compared with those derived from International Reference Ionosphere IRI-2016 and IRI-2012 with two different options of topside electron density: NeQuick and IRI01-corr. It is observed that both versions of IRI (i.e., IRI-2012 and IRI-2016) predict the GPS-TEC with some deviations, the latest version of IRI (IRI-2016) predicted the TEC similar to those predicted by IRI-2012 for all the seasons at all stations except for morning hours (0500 LT to 1000?LT). This shows that the effect of the updated version is seen only during morning hours and also that there is no change in TEC values by IRI-2016 from those predicted by IRI-2012 for the rest of the time of the day in the Indian low latitude region. The semiannual variations in the daytime maximum values of TEC are clearly observed from both GPS and model-derived TEC values with two peaks around March-April and September-October months of each year. Further, the Correlation of TEC derived by IRI-2016 and IRI-2012 with EUV and F10.7 shows similar results. This shows that the solar input to the IRI-2016 is similar to IRI 2012. There is no significant difference observed in TEC, bottom-side thickness (B0) and shape (B1) parameter predictions by both the versions of the IRI model. However, a clear improvement is visible in hmF2 and NmF2 predictions by IRI-2016 to that by IRI-2012. The SHU-2015 option of the IRI-2016 gives a better prediction of NmF2 for all the months at low latitude station Ahmedabad compare to AMTB 2013.     

用实测电离层电子含量检验国际参考电离层模式

本文用1978-1979年在西安测量的电离层电子含量与由国际参考电离层模式计算的结果相比较。指出后者在春季显着偏低。这是模式中F₂层峰以上部分电子密度偏低所致。      

太阳活动对电离层TEC变化影响分析ormalsize

为研究太阳活动对电离层TEC变化的影响,从整体到局部分析了2000—2016年的太阳黑子数、太阳射电流量F_10.7指数日均值与电离层TEC的关系,并重点分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑前后15天太阳活动与电离层TEC变化的相关性.结果表明:由2000—2016年的数据整体看来,太阳黑子数、太阳F_10.7指数、TEC两两之间具有很强的整体相关性,但局部相关性强弱不均;此次耀斑爆发前后太阳黑子数、太阳F_10.7指数和TEC具有很强的正相关特性,太阳活动对TEC的影响时延约为2天;太阳活动对全球电离层TEC的影响不同步,从高纬至低纬约有1天的延迟,且对低纬度的影响远大于中高纬度.太阳活动是影响电离层TEC变化的主要原因,但局部也可能存在其他重要影响因素.