2015年3月特大磁暴期间中国区域电离层TEC NeuralProphet预报模型研究

延迟是全球卫星导航定位中重要的误差源之一,提高电离层TEC建模和预报精度对改善卫星导航定位精度至关重要.本文构建了以太阳辐射通量指数F_10.7、地磁活动指数Dst、地理坐标和中国科学院(Chinese Academy of Sciences, CAS)GIM数据为输入参数的NeuralProphet神经网络模型(NP模型),实现在2015年3月特大磁暴期中国区域电离层TEC短期预报.为验证NP模型的预报精度,本文同时构建了长短期记忆神经网络(Long Short-term Memory Neural Network, LSTM)模型进行对比分析.结果统计分析表明,NP模型在磁暴期(2015年DOY076-078)TEC预报值RMSE和RD分别为0.83 TECU和3.13%,绝对和相对精度较LSTM模型分别提高1.49 TECU和10.25%;且NP模型RMSE优于1.5 TECU的比例达97.24%,远高于LSTM模型.NP模型预报值与CAS具有较好一致性和无偏性,偏差均值仅为-0.01 TECU,而LSTM模型预报值的均值偏大,偏差均值为1.49 TECU.从...     

暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.     

2006年4月13～17日西太平洋地区电离层暴时特性研究

本文利用西太平洋地区的15个电离层台站的测高仪数据和国际GPS服务中心IGS 36个站提供的TEC数据，以及由美国喷气推进动力学实验室提供的Jason 1 TEC数据对2006年4月13～17日间一次由冕洞高速流所引发的磁暴所造成的电离层效应进行了分析.分析结果表明这次电离层暴呈现出显著的纬度效应，foF2和TEC等参量显示在磁暴主相期间对称分布的强正暴效应中心在磁纬±30°～±40°，且持续时间超过12 h.负暴效应被限制在中高纬地区，在磁暴进入恢复相时，开始向低纬渗透，且具有明显的地方时效应.TIMIED卫星测量的Σ［O/N2］显示磁暴发生后，暴时环流使得中低纬地区的Σ［O/N2］有大幅增加，而中高纬地区则显著下降.通过对hmF2的分析发现磁暴主相期间，有磁层电场向中低纬地区穿透，且持续时间较长为1～3 h.因此这次强正暴效应可能是由风场、电场和化学成分这三个因素的共同作用造成的.这次磁暴造成的电离层暴响应非常复杂，对造成各种正负暴的物理和化学机制还需要进一步的研究.     

2000年4月6日磁暴期间磁扰变化在低纬子午链的纬度效应

利用低纬地磁子午链上H和D分量的分均值数据 ,分析了 2 0 0 0年 4月 6日磁暴期间磁扰变化的纬度效应 .主要特点是 :(1 )急始期间H分量急始跃变幅随磁纬降低而减小 ,且急始变幅的下降率随磁纬降低而逐渐增大 ;(2 )初相期间H分量第 2峰值的变幅和初相持续时间随磁纬降低而减小 ;(3)主相期间H分量迅速减小 ,并随纬度降低最大变幅明显增加 ;(4)恢复相H分量呈两阶段上升趋势 ,前一阶段迅速上升 ,后一阶段上升速度明显减小 .最后对这些磁扰变化的纬度效应与空间电流体系的密切关系作了讨论 .     

2004年11月强磁暴期间武汉电离层TEC的响应和振幅闪烁特征的GPS观测

本文利用设在武汉(11436°E,3053°N,磁纬194°)的GPS电离层TEC和电波闪烁监测仪的测量数据,分析了2004年11月强磁暴期间TEC的响应以及电波闪烁和TEC起伏的特征.结果表明,在这次强磁暴期间,武汉及其邻近地区电离层TEC的响应以正暴相为主,正暴相分别出现在两次主相期间,最大正偏离达到50 TECU.这次磁暴另一个重要影响是主相期间L波段振幅闪烁的活动性及其强度显著增强.S4指数最大接近10.伴随增强的闪烁活动,多次观测到深度耗尽的等离子体泡与TEC起伏,TEC变化率的标准差ROTI指数也显著增强.分析揭示, ROTI指数与S4指数呈正相关,相关系数达到097.线性回归计算得到,ROTI和S4的比率为964.     

GIM和IRI2012模式在中国地区的时空变化和扰动分析

在合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)定位中,电离层延迟是不可忽略的误差源之一,需要选择合适的电离层模型进行校正.为了验证IRI2012模式和GIM模式在中国不同纬度地区的适用性以及中国地区电离层扰动与太阳耀斑、地磁场等因素的相关性,本文利用IRI2012模式计算的TEC预测值,并结合GIM模式给出的TEC观测值对2014太阳活动低年的中国不同纬度地区TEC时空变化特性进行了分析,包括周日变化、半年变化和年变化等.此外,由于电离层扰动引起的电离层延迟对星载低频SAR定位精度影响比较严重,以IRI2012模式为背景电离层,根据电离层平静期的GIM-TEC观测值确定电离层TEC扰动指数的阈值,在太阳耀斑和地磁异常发生时统计前后一定时间的电离层TEC扰动指数.实验结果表明:IRI2012模式和GIM模式在中国低纬和中高纬度地区的空间和时间变化均符合一般规律,在中国地区具有适用性;电离层扰动指数连续5小时超过阈值0.5判定为电离层扰动事件,当中国地区位于向阳面或处于日冕物质抛射区时,其上空电离层扰动与太阳磁暴和地磁暴紧密相关.     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12—16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4—5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5—8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

欧洲扇区不同纬度电离层暴特征的统计分析

本文利用Madrigal数据库的TEC数据对2001—2010年间的156次单主相型磁暴事件,统计分析了欧洲扇区从赤道到极光带共5个纬度区域的电离层暴特征,结果表明:(1)电离层暴有明显的纬度分布特征,正负暴出现次数的比例随纬度的降低呈现明显的增加趋势,但夏季赤道地区趋势相反,正负暴比例比更高纬度的反而降低;(2)与主相相比,恢复相期间大部分纬度地区正暴数量减少,负暴数量增加,但赤道地区恢复相期间正暴数量反而增加;(3)中低纬地区电离层暴随磁暴MPO地方时分布特征明显,正暴所对应的MPO主要分布在白天,而MPO发生在夜间容易引起负暴;(4)电离层负暴主要发生在夜间,中、高纬地区负暴的开始时间存在‘时间禁区’,但不同纬度‘时间禁区’的地方时分布有一定差异,正暴分布则相对分散.     

2017年9月磁暴期间大尺度电离层行进式扰动的传播特性研究

本文利用同一经度(大约100°E)中低纬三台测高仪(普洱22.7°N,101.05°E,乐山29.6°N,103.75°E,张掖39.4°N,100.13°E)的观测数据,对2017年9月6号太阳耀斑爆发引起的强烈地磁暴期间的大尺度电离层行进式扰动(Large Scale Traveling Ionospheric Disturbances,LSTIDs)的传播特性进行了估计.本文首先对2017年9月2日-11日期间三站观测数据进行人工度量,获取电离层F2层临界频率(foF2).foF2在三站的变化结果 表明在2017年9月8日21:00 BJT(BeiJing Time,BJT=UT+8)至9日03:00 BJT强磁暴恢复相期间存在大尺度电离层行进式扰动(LSTIDs),因此本文利用foF2在不同台站的互时延特征来分析并计算LSTIDs传播特性参数.研究结果表明:(1)磁暴期间,通过对电离层F2层临界频率(foF2)的观测,不同时刻期间处于不同纬度的台站其电离层响应是不同的,表现为出现不同形态的电离层正相暴和电离层负相暴;(2)此次磁暴期间(2017年9月8日19:00 BJT-9日05:00 BJT),利用三个处在不同纬度台站的foF2对磁暴响应的互延时,计算出LSTIDs水平传播速度在425～800 m/s范围之间,其波长大概在2200～4000 km之间.随着时间的推移其扰动周期延长,9月8日21:35 BJT-9日00:05 BJT期间周期约1.2 h,9日00:05 BJT开始扰动周期逐渐达至1.5 h;(3)LSTIDs具有从高纬度传向低纬度的传播特性,根据计算得出LSTIDs传播的方位角为181±0.2°,可确定磁暴引发的LSTIDs基本是朝赤道向传播的,与之前报道过关于磁暴诱发的LSTIDs传播特征基本一致.     

基于行星际/太阳风和地磁条件的紫外极光卵边界建模和预测

极光卵的尺度大小与太阳风-磁层-电离层能量耦合过程紧密相关,准确预测其大小对空间天气研究和预报具有非常重要的意义.本文基于模糊c均值聚类算法,从Polar卫星紫外极光图像中自动提取极光卵边界数据(~1215000个赤道向边界点和~3805000极向边界点),统计分析其与太阳风等离子体、行星际磁场、地磁指数等之间的相关特性,并构建了以行星际、太阳风为模型参数(模型1)和以行星际、太阳风及地磁指数为模型参数(模型2)的2种极光卵边界多元回归模型.以模型预测的极光卵边界与实际极光卵边界之间的平均绝对误差作为模型评价标准,将本文预测模型与Carbary(2005)模型和Milan(2009)模型进行了对比.结果表明,模型2对极光卵极向、赤道向边界预测的平均绝对误差为1.55和1.66地磁纬度,优于Carbary和Milan模型(Carbary模型极向、赤道向边界的平均绝对误差为2.18和5.47地磁纬度,Milan模型极向、赤道向边界的平均绝对误差为1.71地磁纬度和1.90地磁纬度).     

120°E磁赤道上空电离层电子浓度总含量的混沌特性分析及非线性预测初探

本文利用120°E磁赤道上空电离层TEC1996～2004年的观测数据讨论电离层TEC参量的混沌特性,并探讨利用混沌理论对电离层参量进行预报的可能性. 实际计算表明,在指定经纬度的TEC时序数据中存在混沌特性,其关联维数为36092,李雅普诺夫指数为03369. 采用混沌“加权一阶局域法”进行预测较为成功. 对预测误差分析表明,预测点在1～144之间误差相对较小,标准差约为76438 TECU,相关系数约为09172.     

联合半参数和长短期记忆神经网络的全球电离层TEC短期预报

半参数球谐函数(Semiparametric Spherical Harmonic, Semi-SH)模型能减少电离层预报模型误差以及残余周期带来的系统误差.但是半参数球谐函数模型中窗宽参数的选取会带来一定的估计偏差,本文利用长短期记忆神经网络(Long-Short Term Memory Networks, LSTM)在非平稳性时间序列预报中的良好适应性,提出了一种联合Semi-SH与LSTM(Semi-SH-LSTM)的全球电离层TEC短期组合预报模型,适用于1—5天的短期预报. Semi-SH-LSTM模型通过预报球谐函数系数解算全球电离层TEC,利用二次多项式和半参数核估计方法分别拟合球谐系数趋势项和周期项,最后基于LSTM对拟合残差进行补偿预报.本文利用欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe, CODE)球谐函数系数产品,采用单天预报和多天预报两种实验方案验证Semi-SH-LSTM模型的有效性.实验结果表明,相比于Semi-SH模型和综合半参数与自回归模型,Semi-SH-LSTM模型的单天全球TEC预报残差RMS值分...     

2017年9月磁暴期间大尺度电离层行进式扰动的传播特性研究

本文利用同一经度(大约100°E)中低纬三台测高仪(普洱22.7°N,101.05°E,乐山29.6°N,103.75°E,张掖39.4°N,100.13°E)的观测数据,对2017年9月6号太阳耀斑爆发引起的强烈地磁暴期间的大尺度电离层行进式扰动(Large Scale Traveling Ionospheric Disturbances,LSTIDs)的传播特性进行了估计.本文首先对2017年9月2日—11日期间三站观测数据进行人工度量,获取电离层F2层临界频率(fo F2). fo F2在三站的变化结果表明在2017年9月8日21:00 BJT(BeiJing Time,BJT=UT+8)至9日03:00 BJT强磁暴恢复相期间存在大尺度电离层行进式扰动(LSTIDs),因此本文利用fo F2在不同台站的互时延特征来分析并计算LSTIDs传播特性参数.研究结果表明:(1)磁暴期间,通过对电离层F2层临界频率(fo F2)的观测,不同时刻期间处于不同纬度的台站其电离层响应是不同的,表现为出现不同形态的电离层正相暴和电离层负相暴;(2)此次磁暴期间(2017年9月8日19:00 BJT—9日05:00 BJT),利用三个处在不同纬度台站的fo F2对磁暴响应的互延时,计算出LSTIDs水平传播速度在425～800 m/s范围之间,其波长大概在2200～4000 km之间.随着时间的推移其扰动周期延长,9月8日21:35 BJT—9日00:05 BJT期间周期约1.2 h,9日00:05 BJT开始扰动周期逐渐达至1.5 h;(3) LSTIDs具有从高纬度传向低纬度的传播特性,根据计算得出LSTIDs传播的方位角为181±0.2°,可确定磁暴引发的LSTIDs基本是朝赤道向传播的,与之前报道过关于磁暴诱发的LSTIDs传播特征基本一致.     

电离层对流和极光区电集流的地磁链观测

本文采用31个高纬地磁台站资料考察1997年5月15日一次中等磁暴期间极光区电集流和电离层对流的空间分布和时间变化;其中20站处于纬度60°N～80°N之间的西半球,而另11站是偶极磁经度约为120°E的欧洲IMAGE地磁站链.对此纬度链和经度链上各站1 min精度地磁资料的综合分析结果表明,极光区电集流中心的相对强度及其纬度位置是随世界时和地方时区不断变化的.电集流中心所处位置的变化可能是其中心的南北移动造成的,也可能是中心带与磁纬圈间的相互倾斜所致.另一方面,电离层对流形态和晨昏对流圈的经向跨度及其两端的位置是基本不变的.有关结论得到同期的非相干散射雷达EISCAT观测的证实和补充.     

2009年7月22日日全食引起的电离层扰动及其对定位的影响

2009年7月22日发生在亚太地区的日全食,从北半球中纬地区一直延伸到南半球中纬地区.这次日食期间发生的磁暴和日食时间同步,使得电离层变化较为复杂.为了分析日食期间电离层扰动及其对定位的影响,所采用的GPS数据来源于日全食带内的重庆CORS网(4个站)、武汉CORS网(8个站)数据、IGS站WUHN、SHAO的数据,以及日偏食区域内不同纬度处的若干IGS站.通过比较日食前后连续三天的各个地方TEC变化,以及利用高采样率的CORS网数据研究日食期间TEC的瞬时变化,根据位置和时间的不同,各地日食期间TEC下降约(1~4)TECU.但是,磁暴期间TEC的响应整体表现为正相暴,偏离值达50%以上,且和日食食甚后的TEC变化相重合.同时,求解了日食期间伪距单点定位的实时精度和CORS网内中短基线的实时精度,伪距单点定位的平面精度变化不显著,高程精度下降达数十米,日食初期CORS网中基线的平面精度仍在厘米级内,高程精度仍在分米级内,但是,日食后期发生的磁暴导致基线的平面精度下降到分米级,高程精度下降到米级.     

地磁脉动Pc5在2000年7月15～16日磁暴期间的特征

采用IMAGE链22个台站的地磁脉动10 s数据，分析了2000年6月15～16日磁暴期间Pc5地磁脉动的频率、振幅、位相和极化特征：（1）磁暴初相和主相期间Pc5脉动的主频率随纬度的升高而降低，但是恢复相期间主频率随纬度的升高而升高，主相期间Pc5的主频率比初相和恢复相期间的低；（2）Pc5脉动初相期间的振幅有一个主峰在64°N附近，主相期间在66°N附近，恢复相期间在71°N附近；位相在主峰两侧随着纬度变化了大约180°， 从初相到恢复相主峰位置向高纬地区大约移动了7°；（3）Pc5地磁脉动的偏振极化椭圆初相期间在PEL站（6346°N）接近线偏振，主相期间在MAS站（6607°N）接近线偏振，恢复相期间在BJN站（7133°N）接近线偏振，并分别在这几个台站两侧的偏振椭圆的旋转方向反向.     

中国区域GPS单频点定位在不同类型磁暴主相期间定位性能分析

地磁暴期间,电离层可出现不同程度的扰动,显著影响GNSS导航系统性能.本文针对GNSS系统应用需求,全面分析了不同等级磁暴主相期间GPS单频点定位精度在中国区域(地磁中、低纬地区)的受扰情况.结果表明,定位误差极端值的出现概率与磁暴等级呈正相关,也与测站纬度相关(低纬一般高于高纬),定位精度在U(垂直)方向受影响程度明显强于其他方向,且在磁暴恢复相期间定位精度也可能受到显著影响.上述研究结果对了解磁暴期间中国区域(地磁中、低纬地区)GNSS应用性能、北斗三号全球系统在中国区域的应用性能及系统升级和中国区域电离层扰动特性研究有参考价值.     

中国(大陆地区)中低纬度台站磁暴的初步统计分析

本文利用中国境內(大陆地区)7个地磁台1979年—1982年的磁暴资料进行了初步统计分析,结果表明:这些中低纬度台站在太阳活动峰年期间所观测到的磁暴,急始型磁暴的出现频次比缓始型磁暴的高,△H为100—200γ幅度的磁暴最多。磁暴的周日时间发生的频次,出现率是在午夜到凌晨时段稍高于其它时间。磁暴发生的频次具有季节的变化。各台磁暴的变幅随着磁纬度的不同而有所差异。     

磁暴对辽宁地区核旋总强度通化值的影响及提高通化精度的方法

通过不同K指数的磁暴对辽宁省磁测点总强度通化值的影响,发现在8个地磁测点,不但干扰幅度不一洋,而且以沈阳台为基准点做的通化值不能完全消除外空场的干扰。磁静日通化值一般不超过1.6nT,而磁暴日通化值可达4.0nT左右。不论磁静日或磁暴日,标准偏差随通化台距离增加而增加,通过加权和五天磁静日方法可提高通化值的精度。     

中国大陆地电暴时频特征

基于沿中国大陆两条经度链(118°E,99°E)、两条纬度链(40°N,34°N)的25个台站地电场分钟测量数据,分析了2014年8月至2016年8月共83次地电暴(磁情指数Kp≥5) 的波形特点,认为:地电暴可分为急始型、缓始型两类,一般持续1—3天;地电暴在广大区域同时发生,变化波形相同或相似,表现为明显的广域性特点.讨论了地电暴对地磁暴的变化响应以及不同台站和测道之间地电暴变幅的差异,认为地磁暴期间太阳风等引起的空间电磁场变化与地球介质相互作用激发大地电流产生变化,引起了地电场快变化和地磁场快变化的强烈响应,且地电暴变幅与台址地下介质电导率关系密切,电导率越小,变幅越大.用最大熵谱方法估算了地电暴的主要周期成分,按功率谱密度大小依次约为1.6 h,1 h,15 min,10 min等,而且不同地电暴的优势周期略有不同.