亚大地区F2电离层预测方法和CCIR方法的比较

本文将“国际参考电离层”所采用的CCIR频率预测方法和亚大地区F_2电离层预测方法预测的f_0F_2和M(3000)F_2,分别与第21太阳活动周的我国实测数据进行了比较。结果表明,从总体上看,在中国区域内亚大地区F_2电离层预测方法优于CCIR方法。文章建议,在没有更好方法的情况下,未来的“中国参考电离层”可以采用亚大地区F_2电离层预测方法。     

总电子含量的一个统计模式

利用北京实测的TEC及f_0F_2资料,求出太阳黑子数R,电离层临界频率f_0F_2和总电子含量的一个统计关系。     

太阳活动对电离层TEC变化影响分析

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.     

广州地区上空电离层F_2层异常

广州电离层观测站位于磁赤道附近(地磁经纬度:183.0°E,11.5°N).根据对18个站电离层资料的分析,广州站位于f_0F_2极大值双驼峰现象北侧的位置;在太阳活动高年期间,f_0F_2极大值在夜间仍然保持存在;另外,电离层骚扰发生的次数多于国内各电离层观测站发生的次数.这些特性都是F_2层赤道异常现象.     

新版亚大地区F2电离层频率预测方法

新版亚大地区F2电离层频率预测方法根据电离层参量与太阳黑子数12个月流动平均值R12的互相关原理, 使用R12代替了由重庆F2层临界频率导出的电离层指数Ic, 减小了R12转换为Ic时的误差; 并在原亚大地区F2电离层频率预测方法的基础上审慎地选择并增补了一些探测站的大量数据, 不再使用三组不 同R12值的B系数去插值, 避免了中间环节所带来的插值误差. 并对几种不同方法的预测结果进行了比较, 结果显示新版本的预测精度较高.      

夜间f0F2存在季节异常现象

本文用1975.12—1986.12我国9个电离层站的资料分析得出,在一定的纬度和太阳活动条件下,夜间f_0F_2存在季节异常现象.夜间季节异常现象具有两个明显的特点:只有低纬才具有夜间季节异常特征;太阳活动高年夜间季节异常的程度增加.夜间季节异常是白天f_0F_2季节异常现象的延续,夏半球至冬半球的大气流动造成的中性气体浓度比(O/O_2和O/N_2)的季节变化,是形成f_0F_2季节异常的根本原因.并初步分析了夜间季节异常的低纬局限性及随太阳活动变化的成因.     

关于寒潮对夜间f_0F_2影响的探讨

本文利用1968—1975年“寒潮年鉴”和乌鲁木齐、长春两站电离层f_0F_2资料,讨论了寒潮过境对夜电离层的影响.对个别样本的统计分析,特别是以地面气温最低日为标准日的叠加周期分析,均说明寒潮过境时夜间f_0F_2有下降趋势,平均说,在标准日下降最大,而后恢复.下降的百分值在太阳活动低年比高年大,乌鲁木齐站则比长春站大.这一下降的可能原因,是寒潮中激流带底部风切不稳定性产生的重力波向上传至电离层高度,对电子浓度分布影响的积累效应.此初步设想能定性说明统计分析中的一些基本特性.     

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。      

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.      

基于电离层暴时f_0F_2经验模型Kalman滤波短期预报

利用时间累积地磁指数印ap(T),建立了强地磁扰动条件下电离层f0F2与月中值相对偏差经验模型.该经验模型只在春秋季节和夏季特强地磁扰动条件ap(T)>100,即时间累积地磁指数大于100时达到理想精度.尝试利用气象预报中常用的Kalman滤波方法对模型的系数进行实时修正,以提高预报精度,并对长春站1986-1995年近一个太阳周f0F2数据进行提前一小时预报试验.冬季预报均方根误差为0.76MHz,春秋季节为0.68MHz,夏季为0.61MHz.在特强地磁扰动条件下,预测误差在0.87～1.43MHz之间.该预报方法同时与包含暴时修正模型STORM的国际参考电离层IRI2001进行了比较,展示了Kalman滤波方法实时修正模型系数的能力和良好的应用前景.     

太阳黑子的分维数及其可预报性

本文利用1932年至1982年的逐日国际太阳黑子相对数的9日平均时间序列来分析太阳黑子演变的动力学特性,发现太阳黑子是至少需要七个独立变量来描述的复杂动力系统,其关联维数为6.3±0.1,二阶Renyi熵和最大Lyapunov指数分别为(0.37±0.02)bit/yr和(0.34±0.01)bit/yr,它们表征的可预报时间尺度,即初始误差增长一倍所需的时间分别为(2.7±0.2)年和(2.9±0.l)年。      

基于IRI-2012模型广州地区f_0F_2实测与预测的对比分析

利用广州台站(23.2°N,113.3°E)的实测数据和IRI-2012模型提供的预测数据,对比分析了2013年广州地区f_0F2的变化特征.结果表明,IRI-2012模型能够较好预测该地区f_0F_2的变化趋势,并且CCIR参数得到的预测值比URSI参数更接近实测值;预测值与实测值存在系统偏差,在11:00 LT-06:00 LT时段,观测值均比预测值大,其他时段则相反.在日落后至午夜前时段,预测值与实测值有较大差距.绝对偏差的极值点通常出现在20:00 LT左右,最大超过4 MHz.相对偏差变化比较明显的时段是午夜后至凌晨;在02:00 LT或04:00 LT及06:00 LT附近,可能会出现双误差峰值点,最大超过0.4;但在σ变化很大的20:00 LT附近,相对偏差却变化不大.夜间增强现象会使得偏差增大,导致预测值不能很好反映实测f_0F2的变化.     

电离层参数的混沌特性及可预报的时间尺度

本文用相空间重构方法，把电离层参数的时变序列重构一个ｍ维相空间，研究相点之间的距离关系，提取关联维数和Ｌｙａｐｕｎｏｖ特征指数，从而揭示电离层参数的混沌特性，及参数的最大可预报时间尺度。     

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.      

太阳10.7 cm射电流量中期预报模型研究(Ⅱ)

太阳活动指数中期预报一直是空间环境业务预报的难点之一.本文在自回归方法模型的基础上,利用太阳活动区面积、位置等参数与10.7cm辐射流量之间的定量关系,根据活动区面积衰减规律,建立了一个基于活动区参数及演化规律的改进型太阳活动指数中期预报模型.通过对预报测试实例分析发现,在日面出现较大活动区导致F_(10.7)迅速增长并超过历史数据峰值的情况,在日面活动区消亡导致指数突然出现平静期的情况,新模型的预报准确性相比自回归模型有很大提高,预报的平均相对误差下降约5%～9%.由此可见,新模型在某些特定条件下提高了原有模型的精度.该研究为提高业务型太阳10.7cm射电流量中期预报模型的预报精度奠定了基础.     

用斜探测电离图(P-f)作频率预报

本文分析了斜探测电离图(P-f)。在对测得的电离图判读的基础上给出了最高观测频率MOF的日变化曲线,它可看作为电离层准实时频率预报曲线。图中同时提供了几个重要的电离层预报参数,如MOF、LOF、MUF及E_s的影响等。文章最后把斜测电离图与同时测得的返回散射电离图(在同一张电离图上)结合起来,给出了最佳工作频率窗口,其结果可以作为(在固定线路上)修正长期预报的依据,因为长期预报是用垂测数据经换算得到的。      

地磁Ap指数滞后太阳周循环分析

把1932-2006年地磁Ap指数12个月流动均值分解成为(Ap)R和(Ap)I.其中(Ap)R为太阳黑子数R的线性函数,与太阳黑子数R相位相同,可能对应于日冕物质抛射(CME)等地磁控制因素. (Ap)I分量与太阳黑子数R相位相差约180°,该分量可能对应于极冕洞变化(从太阳峰年开始,由日面极区逐渐向赤道延伸).以地磁Ap指数与太阳黑子数R滞后非常严重的第20太阳周为例,证实了(Ap)I分量与极冕洞向赤道延伸循环变化相对应.因此极冕洞循环变化可能是导致地磁扰动指数与太阳周循环相位不一致,出现滞后现象的一个十分重要原因.      

基于小波与交叉小波分析的太阳黑子与宇宙线相关性研究

利用小波分析和交叉小波分析方法, 根据太阳黑子数以及Huancayo和Climax两个测站的月均宇宙线数据, 分析了两个测站的月均宇宙线周期变化, 同时利用太阳黑子数R₁₂对Climax站宇宙线流量进行预测研究. 小波分析结果表明, 太阳黑子与宇宙线除存在显著的11年周期外, 太阳活动高年期间还存在1～6个月尺度的周期特性, 在第22太阳周活动高年时还出现了6～8和1～22个月的变化周期; 交叉小波分析结果表明, 在130个月左右的周期上宇宙线与太阳黑子具有显著的负相关性, 并且宇宙线的变化滞后太阳黑子约8个月; 分别采用预测时刻和8个月前的太阳黑子数, 预测相对误差为3.8912%和3.2386%. 本文方法同样适用于估算其他空间天气参量之间的周期和相关性, 提高各种空间天气参量的预测或预报精度.      

基于EMD的东亚夏季风年代际变化特征及与太阳活动的关系

应用英国气象局哈德利气象研究中心(HadleyCenter)及美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的海平面气压(SeaLevelPressure,SLP)资料归一化得出1850-2011年的东亚夏季风指数,利用经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)方法对其变化特征进行分析,得到东亚夏季风指数的周期特征.太阳黑子活动与东亚夏季风活动存在相同的11年及80年左右周期,其中11年周期变化尤为明显.对比1850-2011年间太阳黑子数与东亚夏季风指数经验模态分解后的11年周期变化分量,发现两者波动振幅变化基本一致.      

利用神经网络预报电离层f0F2

由中国武汉电离层台站和澳大利亚Hobart台站的电离层F2层临界频率(f0F2)的资料,利用三层前向反馈神经网络(BP网络),提出一种提前24h预测f0F2的方法,该方法以前5天观测的f0F2数据拟合的5个系数以及太阳活动参数作为输入,以当天24 h的f0F2作为输出对网络进行训练,训练好的网络可以实现对f0F2提前24 h的预报.预测结果显示,利用神经网络预测的f0F2与实际观测结果变化趋势较一致,并且比IRI的计算结果更加准确.误差分析表明,在南半球Hobart(-42.9°,147.3°)台站比中国武汉站(30.4°,114.3°)的结果要好,在低年比高年要好,在冬夏季节比春秋季节稍好.本文说明利用神经网络对电离层参量进行预报是一种切实可行的方法.