基于轨道预报的热层模式评估

在太阳活动高低年的地磁平静/扰动环境下,利用不同热层大气模式J77,DTM78,MSIS00,JB2008和CHAMP加速度计反演密度,分析有无先验信息条件下的轨道预报误差.结果表明无先验信息的精密轨道预报中,热层模式的性能可能被弹道系数等参数偏差干扰,此时预报误差不能作为模式性能的评价标准.先验信息对轨道预报精度提升非常明显,尤其是地磁扰动期先进热层模式性能得以展现,轨道预报误差为无先验信息情况下的10%～25%.目前热层模式的主要缺陷存在于地磁扰动期.各模式之间的差异是:JB2008模式可以通过线性和单一频率周期项补偿,而J77及DTM78等模式还存在更多频率的误差.本文对不同情况下精密轨道预报的研究结果可为空间碎片碰撞预警等工程实践提供参考.      

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.      

利用二维核回归估计的大气密度模式修正

传统经验大气密度模式预测大气密度存在的较大误差会引起低轨卫星轨道预报误差,对卫星的再入轨、控制计划、碰撞规避及精密定轨造成不利影响.利用天宫一号卫星探测数据,针对大气NRLMSISE-00模式计算的误差特点,在地磁相对平静(Ap ≤ 30)的时间段内,对相近地方时和纬度的模式误差分布进行分析发现,相近地方时和纬度的模式误差分布基本相同.利用二维核回归估计方法,对与预测点相近地方时和纬度的样本误差进行加权,估计预测点处的模式误差,进而按距离预测日期天数的长短,采用加权修正法对模式预测结果进行修正,修正后大气模式误差的均方差(RMS)由14.09%降至4.05%.研究结果表明,该修正方法可以显著提高大气密度预报精度.      

利用卫星两行轨道根数反演热层密度

两行轨道根数（TLEs）是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道参数,通过求解大气阻力微分方程,可反演出热层大气密度. 本文选取近圆轨道CHAMP卫星和椭圆轨道Explorer8卫星,以两行轨道根数数据为基础,计算反弹道系数,并根据不同轨道特征采用两种不同反演方法对热层大气密度进行研究. 结果表明,这两种方法反演得到的大气密度与实测值均符合较好,其中CHAMP卫星的反演结果和经验模式值相对于实测值的误差分别为7.94%和13.94%,Explorer8卫星的误差分别为9.04%和14.32%. 相比模式值,利用两行轨道根数数据反演的热层大气密度更接近于实测值,说明该方法可以作为获取大量可靠大气密度数据的一种有效途径.      

基于实时观测数据的大气密度模式修正

针对国际大气密度模式NRLMSISE-00, 以中国神舟飞船探测数据为基础, 提出一种基于实时大气密度观测数据的模式修正方法. 通过计算分析模式计算结果与探测数据的误差分布特征, 针对地磁相对平静期(Ap≤ 30)模式计算的误差特点, 建立了一种平均误差修正方法, 即认为在相对平静期, 在相同纬度和地方时, 模式误差基本相同, 某一时刻模式预测误差可以近似用与其相同纬度和地方时的平均误差来替代, 从而对模式预测结果进行修正. 以神舟4号探测数据为基础, 通过对模式预测结果采用两种方式进行修正, 可以看到模式误差得到了一定的改善. 采用误差库累积准实时修正, 修正后的误差由原来的20 %降至6 %; 采用误差库5天滑动预报修正后, 模式提前1, 2, 3天的预测误差由原来的20 %分别降至7.8 %, 9.4 %和10.5%.      

CHAMP和GRACE-A/B反演大气密度数据评估分析

利用Colorado大学公开发布的2001-2008年CHAMP和GRACE-A/B三颗卫星加速度计反演的400km高度上的大气密度数据,以大气模式NLRMSISE-00为参考,分析反演数据与模式值的误差特点、产生误差的原因、密度的变化及合理性,并通过卫星轨道两行根数（TLE）的反演结果进行验证,主要结论如下.CHAMP密度值整体稍高于GRACE-A/B,CHAMP密度与模式值之间的误差整体小于GRACE-A/B,2007-2008年 GRACE-A/B与模式的相对误差变化起伏较大.2001年CHAMP与模式存在整体偏差,通过相似空间环境条件下的密度变化比对以及利用TLE的反演结果验证,确定2001年的CHAMP反演密度整体偏低.CHAMP及GRACE-A/B密度变化个例显示,卫星密度值会出现一些个性化特征,使用时应根据需求进行分析处理.研究结果可为合理应用该数据提供参考.      

神舟2号大气密度探测器的探测结果(Ⅰ)日照和阴影区域热层大气密度变化

选用了神舟2号（SZ-2）大气密度探测器在2001年2—4月间的探测数据,进行日照和阴影区域热层大气密度变化的探讨.结果表明:在高度410km附近,日照和阴影区域大气密度变幅为2—3倍,变幅的大小与地磁活动程度呈负相关关系.日照面大气密度峰区位于星下点地方时1400—1500LT的纬度处,峰值大小与太阳活动程度呈正相关关系.阴影面大气密度谷区位于星下点地方时0400-0500的纬度处,同时在±10°纬度区域中还出现了阴影面峰区.     

不同强度磁暴期间热层大气密度响应特征分析

利用CHAMP卫星数据,对2002-2008年12个不同强度磁暴事件期间的热层大气密度变化特征进行分析,并研究对应磁暴期间大气模式NRLMSISE-00分布特征.结果表明,大磁暴期间日侧大气密度峰值从高纬到低纬的时间延迟为2h,中小磁暴期间的延迟时间为3～4h;春秋季暴时大气密度分布基本呈南北对称分布,而夏冬季大气密度的分布是夏半球大于冬半球,春秋季暴时大气密度大于夏冬季;NRLMSISE-00大气模式得到的热层大气密度很好的体现了半球分布以及季节分布的特征,但模式模拟结果偏小;Dst指数峰值比ap指数峰值更能反应大气密度的变化情况.      

强地震活动事件期间热层大气密度异常变化的探测结果

地震活动一直是人类非常关注的自然灾害事件, 其对热层大气密度的影响还不是非常清楚. 2008年5月12日中国四川汶川发生震级8.0级强震事件, 随后, 在6月14日日本本州东部, 7月5日鄂霍次克海和7月19日日本本州东海岸发生震级7.0~7.6级强震事件, 利用期间中国星载大气密度探测器在630 km高度上就位探测的热层大气密度对探测结果进行综合分析, 结果表明, 强地震震源中心区域上空附近热层大气密度出现异常降变. 在时间上, 强地震发生前1~3天内就已开始出现大气密度降变, 强地震发生日附近降变达到谷值, 降变比达0.40~0.65. 这种降变的纬度区域范围震前位于强震中心所处纬度的±3o~±9o, 强震发生当日扩大到±8o~±20o.      

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.      

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.      

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.     

Intra-annual variations of the thermospheric density at 400 km altitude from 1996 to 2006

We investigate the intra-annual variations of globally averaged thermospheric density at 400 km altitude from 1996 to 2006 by using Artificial Neural Network Method (ANNM). The results indicate that thermospheric density is governed by solar activity, and the absolute error of our model is 13.67%, less than NRLMSISE-00 model. Fourier representation can catch the intra-annual variations more accurately than NRLMSISE-00 model and JB2008 model especially during 2002. We find that the Autumn maximum is slightly greater than Spring maximum during solar minimum, while the reverse is correct during solar maximum. There is a strong linear relation between solar activity and the amplitude of annual/semiannual variations, and the correlation coefficients are 0.9534 and 0.9424, respectively. Moreover, the amplitude ratio of the annual to semiannual variation is about 1.3 averaged, and changes in different years, but it has little relation with solar activity. Besides that, the amplitude of annual variation is larger than semiannual variation during 1996 and 2006 except 1998 and 2000. The relative error of NRLMSISE-00 model is 14.95%, decreasing to 12.49% after revising, and the correlation coefficients between this empirical model and its improved results and the observation are 0.8185 and 0.9210, respectively. Finally, we suggest the revised version of MSIS series of model should use the Fourier representation to express the intra-annual variations.     

大气密度模型球谐修正研究

大气模型修正是提高模型精度的一种重要方法.利用CHAMP卫星高精度加速仪反演的密度数据,采用球谐函数的形式对NRLMSISE-00模型进行修正.为了消除轨道高度变化对密度修正结果的影响,将密度数据同化到同一高度处,计算修正之后的密度误差,进而对未来三天的密度进行预报.结果表明,经球谐修正后,修正误差和预报误差均有显著降低.在太阳活动高年,修正误差可降至10%左右,提前1~3天预报精度分别提高31.34%,21.39%和13.75%;太阳低年时修正误差可降至14%左右,提前1~3天预报精度分别提高55.03%,47.79%和43.60%.      

临近空间大气环境落球探测中的科氏力影响

气象火箭落球探测技术是临近空间大气环境探测的重要方法.在落球探测数据处理过程中,通常忽略科氏力项的影响.本文利用经验预报模式构建落球探测正演仿真模型,并根据落球探测原理建立参数反演模型,在此基础上仿真模拟了落球探测数据处理过程中忽略科氏力项对大气参数反演精度的影响.在95～100 km高度范围内,忽略科氏力项将引起温度...