Forecasting the ionospheric f0F2 parameter one hour ahead using a support vector machine technique

This paper proposes a method for forecasting the ionospheric critical frequency, f₀F₂, 1 h in advance, using the support vector machine (SVM) approach. The inputs to the SVM network are the time of day, seasonal information, 2 month running mean sunspot number (R2), 3 day running mean of the 3 h planetary magnetic ap index, the solar zenith angle, the present value f₀F₂(t) and its first and second increments, the observation of f₀F₂ at t?23 h, the 30-day mean value at time, t, f_mF₂ (t) and the previous 30 day running mean of f₀F₂ at t?23 h f_mF₂(t?23). The output is the predicted f₀F₂ 1 h ahead. The network is trained to use the ionospheric sounding data at Haikou, Guangzhou, Chongqing, Lanzhou, Beijing, Changchun and Manzhouli stations at high and low solar activities. The performance of the SVM model was verified with observed data. It is shown that the predicted f₀F₂ has good agreement with the observed f₀F₂. The performance of the SVM model is superior to that of the autocorrelation and persistence models, and that it is comparable to that of the neural network model.     

The zonal E×B plasma drift effects on the low latitude ionosphere electron density at solar minimum near equinox

The F2-layer peak density, NmF2, and peak altitude, hmF2, which were observed by 12 ionospheric sounders during the 20 September 1964 geomagnetically quiet time period at solar minimum are compared with those calculated by the three-dimensional time-dependent theoretical model of the Earth's low and middle latitude ionosphere and plasmasphere. The modeled NmF2 are also compared with those measured during the geomagnetically quiet time periods of 12–15, 18–21, and 26 September 1964 to take into account observed day-to-day ionospheric variability. Major features of the data are reproduced by the model if the corrected HWM90 neutral wind is used. The changes in NmF2 due to the zonal E×B plasma drift are found to be less than 20% in the daytime low latitude ionosphere. The model, which does not take into account the zonal E×B plasma drift, underestimates night-time NmF2 up to the maximum factor of 2 at low geomagnetic latitudes. The night-time increase of NmF2 caused by the zonal E×B plasma drift is less pronounced at −20° and 20° geomagnetic latitudes in comparison with that between −10° and 10° geomagnetic latitude. The longitude dependence of the calculated night-time low latitude influence of the zonal E×B plasma drift on NmF2 is explained in terms of the longitudinal asymmetry in B (the eccentric magnetic dipole is displaced from the Earth's center and the Earth's eccentric tilted magnetic dipole moment is inclined with respect to the Earth's rotational axis), and the variations of the wind induced plasma drift and the meridional E×B plasma drift in geomagnetic longitude. The difference between the hmF2 values calculated by including the effect of zonal E×B drift and that obtained when it is excluded does not exceed 19 km in the low latitude ionosphere. Over the geomagnetic equator the zonal E×B plasma drift produces the maximum increase in the electron density by a factor of 1.06–1.48 and 1.05–1.30 at 700 and 1000 km altitude, respectively, and this increase is not significant above about 1500 km. Changes in the vertical electron content, VEC, caused by the zonal E×B plasma do not exceed 16% during the day, while the value of the night-time VEC is increased up to a factor of 1.4 due to this drift. The maximum effects of the zonal E×B plasma drift on the night-time electron density derived from the model results corresponding to solar minimum and maximum are quite comparable.     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析

用1957~2006年间515个主相单步发展的磁暴事件,分析东亚扇区4个中低纬台站的电离层扰动类型及电离层暴开始时间,得到该地区电离层暴随纬度、季节和地方时的分布规律.研究表明,中纬区负暴明显,低纬区正暴明显;夏季负暴比正暴多,冬季正暴比负暴多,春秋季正负暴分布表现出明显的纬度差异.在东亚扇区,中纬区负暴开始时间主要分布在夜间及清晨时段,且在正午至午后时段极少发生.低纬区正暴开始时间主要发生在白天时段,且在夜间18~21 LT时段也易发生正暴.中低纬电离层正相暴平均延迟时间在10 h以内,负相暴平均延迟时间在10 h以上,且中纬区延迟时间明显比低纬区短.电离层暴延迟时间与磁暴主相开始时间对应的地方时很相关,正相暴对白天发生的磁暴比对晚上发生的磁暴响应快些,而负相暴正好相反.但电离层暴延迟时间与磁暴强度之间并没有十分明显的依赖关系.     

中国地区电离层foF2重构方法及其在短期预报中的应用

提出了一种适合于中国地区电离层f_oF₂的重构方法——以中国参考电离层为背景的改进克里格法.该方法把f_oF₂的估计值与中国参考电离层模型值之差值的相对值作为区域化变量,引入电离层距离,采用克里格法实现区域电离层重构.与直接利用f_oF₂进行克里格重构相比,以中国参考电离层为背景场保持了电离层的区域特征,提高了重构的准确性和稳定性.利用我国电离层垂测台站网的数据对该方法应用于中国地区的重构精度进行了评估.该方法与单站预报的自相关分析法相结合可实现中国地区电离层f_oF₂短期预报.     

基于地震电离层现象研究结果的分析与总结

地震电离层现象作为地震事件在电离层中的物理表象,随着观测资料的积累不断地被发现和报道。大量研究结果表明,地震电离层现象复杂多样,难以捕捉和确认。本文针对主要的地震电离层现象进行简要介绍,并依据研究参量、地震事件的震级、异常出现的时间、异常的空间方位以及异常的正负等要素,对以往的地震电离层现象进行分类总结,尝试从现有研究结果中挖掘地震电离层异常出现在震前的天数与震级的关系、异常空间分布方位及频次、正负异常的震中距与震级的关系,探索地震电离层异常现象在时间上的变化特征和空间上的分布特征。     

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。     

中国电离层TEC同化现报系统

数据同化是在基于物理机制的背景模型上,融合时空不规则分布的观测数据的一种现报方法.同化能够有效弥补数据的时空局限和模型的精度偏差,使二者相互匹配从而获得更加合理可信的模拟效果.本研究利用电离层数据同化方法,针对中国及周边区域（15°N-55°N,70°E-140°E）构建了电离层总电子含量（TEC）同化现报系统.系统使用国际参考电离层（IRI）作为背景场,利用中国科学院空间环境监测网和国际GNSS服务组织（IGS）的部分地基GNSS台站数据作为观测值,并采用三维变分与Gauss-Markov卡尔曼滤波相结合的算法进行背景场和观测值的数据同化,生成覆盖中国及周边区域的电离层TEC和GPS单频接收机延迟误差的格点化准实时现报地图,并在中国科学院空间环境预报中心（http：//sepc.ac.cn/TEC_chn.php）网上发布,每15 min进行更新.该系统是我国基于同化算法的电离层现报系统之一,已用于中国及周边区域的电离层环境实时监测,可为卫星导航、雷达成像、短波通信等科学研究和工程应用提供相对及时、准确、有效的电离层TEC和误差修正信息.     

汶川大地震前电离层参量的变化特征与分析

利用重庆,兰州,曲靖和拉萨的电离层测高仪数据和IGS全球TEC数据,分析2008年5月12日汶川大地震前电离层参量的变化特征,发现震前2～3天多个电离层参量均出现异常增强现象,且主要出现于震中以南区域.其中f_oF₁和f_oE于震前2天的正午在重庆出现最大约4.5%和9%的相对增加.f_oEs,h′F和h_mF₂出现多次异常增加,无明显规律性,h′F的异常增加主要出现在夜间.f_oF₂和TEC在震前2～3天的午后至日落时段出现显著的异常增强.TEC在南半球磁共轭区也出现异常增强,且随时间推移具有向磁赤道漂移的趋势.f_oF₂和TEC的震前异常现象很明显且具有独特规律性,作为地震电离层异常前兆参数是合适的.根据经验公式由电离层参量估算的可能与地震过程有关的F区异常电场的量级与Pulinets基于异常电场假说的理论模拟值一致.     

电离层电场的半年变化对F2区峰值电子浓度的影响

利用一个电离层理论模式,模拟了太阳活动低年、地磁宁静情况下,中低纬和赤道地区电离层F2区峰值电子浓度(NmF2)的半年变化规律,重点讨论了电离层电场对NmF2半年变化的影响.模拟结果表明,当输入的电场没有周年和半年变化时,磁赤道地区电离层NmF2本身就具有一定的半年变化特征,而在稍高的纬度上,NmF2半年变化的强度较弱.当输入的电场具有一定的半年变化时,电离层NmF2的半年变化强度有明显的改变,且这种改变随地方时和地磁纬度不同有明显的差别.在地磁赤道附近的电离层赤道槽地区,从上午到午夜的时间内,具有半年变化的电场对电离层NmF2半年变化的强度是减弱的作用,在其他的时间内,电场对电离层NmF2半年变化强度是加强的作用.而在稍高纬度的电离层驼峰地区,情况明显不同.从上午一直到翌日日出前,具有半年变化的电场对电离层NmF2半年变化的幅度都是加强的作用.在其他的时间内,电场对电离层NmF2半年变化的幅度是减弱的作用.同时,研究表明电离层电场对NmF2半年变化的作用和“赤道喷泉”现象强烈相关.