SAMI2物理模型与东亚扇区GPS TEC数据 比较研究

SAMI2 (Sami2 is Another Model of the Ionosphere)是美国海军实验室开发的电离层物理模型.利用该物理模型,模拟了东亚扇区不同太阳活动强度、不同纬度地区三个站的电离层电子浓度总含量 (TEC). 通过模拟结果与GPS观测站 TEC 数据的比较,检验 SAMI2 在此扇区的电离层 TEC 计算精度. 结果表明,物理模型输出的电离层 TEC 具备与观测数据一致的周日变化、季节变化,太阳活动变化. 周日分布上,上午时段SAMI2? TEC 与观测数据吻合度优于午后时段;季节分布上,SAMI2 TEC 在冬季与观测值偏差小于其他季节;SAMI2? TEC 与GPS TEC 相关系数各站均达到0.87以上,与赤道地区Guam站相关性最好;太阳活动低年计算结果优于太阳活动高年;多数情况下,SAMI2 TEC 相对GPS TEC 偏大. 本文结果为基于SAMI2模型构建背景误差分布特征,开展该区域电离层数值预报研究可行性提供了理论支持.      

基于地基GPS研究台风引起电离层TEC的变化特征

利用GPS研究电离层,具有其他探测技术所没有的全天候、高分辨率、大范围等优点.本文采用双频GPS数据提取区域电离层电子浓度总含量（TEC）,并结合全球电离层地理（GIM）数据,借助滑动四分位距法建立TEC背景值.研究了台风“莫兰蒂”对其经过区域及登陆地点电离层TEC的影响.分析表明,台风登陆厦门前一天,厦门地区电离层TEC发生了较强的正扰动,登陆后第二天,TEC发生了小尺度的负扰动;台风临近台湾岛前,东南沿海和台湾岛区域电离层出现了大范围的正异常扰动,其值为15～20 TECU,持续时间10 h.结合厦门和台湾岛的地形,推测此次TEC异常原因是由于台风所激发的声重力波传播到电离层高度,造成了电离层的异常扰动.      

台风“尼伯特”的电离层扰动分析

针对台风运动过程中大气层与电离层的耦合效应问题,该文采用总电子含量与电子密度数据分析了台风"尼伯特"达到最大风速时刻的电离层变化情况。结果显示在台风达到最大时刻的当天,风眼处电离层电子含量显著降低,在台风附近的IGS测站处也有明显的电子含量负异常出现。电子含量异常空间分布图显示最大异常区域位于风眼的南侧,表明台风边缘处的电离层异常幅度要大于风眼处的异常幅度。电子密度三维模型显示在250～350km高度上,风眼附近有显著电子密度减弱现象,尤其在300km高度上,异常幅度达到-6～-8×105 el/cm3。诸多证据表明此次电子含量负异常与台风"尼伯特"造成的大气层-电离层耦合效应有关,这可为以后的台风-电离层扰动研究提供一定的参考。     

标准时频变换的台风期间电离层TEC异常分析

针对台风期间电离层异常探测中传统方法所存在参考背景值精度低，且容易受到多种外界环境因素干扰的问题，该文提出了一种基于标准时频变换理论的电离层异常探测方法。电离层总电子含量(TEC)变化在其标准时频谱中可以自动显示，运用标准时频变换理论具有的无为方法可以将变化的主成分直接提取，得到高精度的参考背景值。使用该方法对2016年第14号台风“莫兰蒂”和台风轨迹下落站点的电离层TEC变化进行异常探测。结果显示，与传统方法相比，该方法的探测结果更加突出异常发生的时段，能够较好地反映异常特征，且不易受空间环境影响；在台风期间，电离层异常主要集中在9月13日，此时台风达到最大强度时刻，表现为正异常现象，异常幅度为2～12 TECU。     

不同地形条件下台风对电离层TEC的影响

利用二阶算子处理的GPS-TEC(Total Electron Content)序列和TEC变化率的标准偏差ROTI(Rate of Total Electron Content Index),并结合GIM(Global Ionosphere Map)数据和IRI-Plas 2017(International Reference Ionosphere and Plasmasphere model)模型的电离层TEC,综合分析了台风麦德姆和山竹分别登陆台湾省和广东省时对其登陆区域电离层TEC的影响。研究表明,麦德姆登陆台湾时,台湾上空有明显的电离层TEC负扰动,其值为3～5 TECU;而山竹登陆广东省时电离层TEC无明显扰动。强对流天气和剧烈起伏的地形能够为声重力波的发展提供有利条件。麦德姆登陆台湾时,由于中央山脉的阻力作用,大气中的陡直递减率为声重力波的发展创造了理想的条件。受起伏地形的影响,声重力波可以传播到电离层高度,干扰电离层电子密度。     

GEO卫星区域电离层监测分析

由于GEO卫星的静地特性,由双频观测数据获取的穿刺点垂直总电子含量(VTEC)可以充分反映电离层的时域变化,而根据地面监测站的分布,可以进一步获取VTEC的空域变化.分析根据区域卫星导航系统观测数据计算VTEC的精度,理论分析表明VTEC精度优于2 TECU.根据实测数据计算分析我国高、中、低纬度不同穿刺点电离层平时、磁暴期间的周日变化特性和2011年全年变化特性,并与IGS全球电离层图(GIM)的穿刺点插值结果进行分析比较.结果表明,两者在电离层周日和全年变化趋势上具有很好的一致性,但磁暴期间我国低纬度地区GIM误差的峰值可达29TECU,2011年全年评估结果GIM误差标准差为2～8 TECU.根据2011年的观测结果,电离层VTEC呈现出明显的半年异常现象.区域卫星导航系统为我国的电离层监测尤其是空间天气期间的电离层监测提供了新的支持.     

多尺度ARMA残差修正模型震前电离层TEC异常探测

为提高电离层总电子含量（total electronic content,TEC）扰动探测参考背景值的预测精度,提出了多尺度自回归移动平均（autoregressive moving average,ARMA）残差修正模型。通过对比该方法、ARMA模型、四分位距法（inter quartile range,IQR）及滑动时窗法对TEC背景值的预测精度,结果显示修正模型预测的TEC背景值平均相对精度为89.78%,分别比ARMA模型、IQR及滑动时窗法高5.18%、1.41%和1.42%,且预测值的残差绝对值小于等于3.0 TECU的百分比为91.67%,明显优于其他3种方法,说明修正模型探测震前TEC异常是可行的。利用该方法探测2013-04-20芦山县Mw7.0级地震震前电离层TEC扰动情况,验证了该方法的有效性。实验结果表明,震前第9天和第13天电离层明显的正异常和震前第1~4天明显的负异常极可能是孕育地震引起的,且正异常主要出现在08:00-10:00 UT,而负异常主要集中在0:00-14:00 UT。     

地磁暴期间电离层扰动监测及GNSS定位性能分析

为分析磁暴期间电离层扰动规律及GNSS定位性能变化，基于国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)全球观测数据及全球电离层图(global ionospheric map,GIM)，对2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球地区电离层总电子含量(total electron content,TEC)异常变化和GPS定位性能进行分析.结果表明：北半球TEC异常存在纬度差异，高纬地区响应快，低纬地区异常值变化大，达12 TECU；磁暴期间高纬地区观测数据周跳变化明显，周跳比数值与磁静日相比最大下降61.84%；磁暴期间所有测站数据完整率下降，高纬地区下降响应快，下降严重，达38.65%，研究区所有测站数据完整率下降出现在磁暴恢复相，数据质量与TEC异常变化规律较为一致；对GPS双频动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)结果进行分析发现，磁暴期间高纬地区测站定位误差显著增大，水平和垂直方向均方根误差(root mean squared error,RMSE)增至约0.7 m及1.8 m.     

2015年尼泊尔地震的震前电离层异常探测

提出了一种基于奇异谱分析的电离层异常探测的方法。通过对尼泊尔地震震中周围GIM格网点TEC时间序列的探测,发现在2015年4月23日震中东部区域出现电离层正异常。进一步利用二维电离层地图分析异常空间分布,发现出现电离层正异常的区域为25°N-37.5°N,90°E-110°E,时间为2015年4月23日UT9:00-15:00。利用中国陆态网数据计算异常区域卫星穿刺点轨迹STEC变化情况,发现2015年4月23日穿刺点轨迹进入异常区域后STEC值比前后几天明显增大,而离开异常区域后又恢复正常。采用CIT(computerized ionosphere tomography)方法详细地呈现了电离层异常的三维形态,发现4月23日UT9:00-15:00在震中东部区域出现电离层正异常,峰值位于约30°N,115°E,高度范围为100~500 km,且异常峰值随高度变化与电离层本身垂直密度分布规律相一致。     

全球电离层对2015年3月17日强地磁暴的响应分析

强地磁暴会引起电离层剧烈扰动,这对卫星导航定位精度有严重影响。文中采用空基-地基观测数据分析了全球电离层对2015-03-17强地磁暴的响应特征。结果表明,在地磁暴期间电离层扰动明显,且各地响应特征并不一致。从纬度上看,中低纬地区电离层TEC和foF2有明显增加趋势,而高纬地区电离层TEC和foF2明显小于背景值。从经度上看,电离层扰动主要分布在欧洲-非洲扇区和美洲扇区,该区域TEC高于背景值30 TECU,foF2高于背景值5 MHz。表明此次电离层对地磁暴的响应与热层O/N_2比的变化有关。     

GPS/PWV在台风"玛莉亚"袭闽期间的变化特征研究

可降水量（PWV）表征大气中的水汽含量,本文利用福建省卫星导航定位基准服务系统（FJCORS）的GPS观测资料反演得到可降水量（GPS/PWV）,通过与实测的高精度探空PWV资料进行对比发现,其相关系数达到0.98,与探空结果具有较好的一致性;平均偏差在1.10 mm以内,表明GPS/PWV资料具有较高的精度。在此基础上分析2018年第8号台风“玛莉亚”登陆福建前后的GPS/PWV变化特征及其与实际降水量的关系,结果表明,GPS/PWV资料能够很好地反映台风期间水汽的时空动态传输过程,并与降水之间具有良好的对应关系。     

磁暴期全球电离层电子含量变化分析研究

电离层电子含量(TEC)受太阳活动影响较大,磁暴发生时,TEC变化在全球范围内变化不一,研究该时期的TEC扰动变化情况对电离层的研究至关重要．本文以2015年3月特大磁暴为研究对象,利用包括北斗系统在内的全球卫星导航系统（GNSS）TEC数据和中国区域的电离层测高仪f _oF2数据,对此次电离层磁暴的扰动特性进行研究并讨论其可能的物理机制．      

顾及经纬度方向异性的电离层TEC IDW插值及精度分析

反距离加权（inverse distance weighting,IDW）是一种简单实用的插值方法。以全球电离层格网（global ionospheric map,GIM）产品为样本,考虑电离层总电子含量（total electron content,TEC）经纬度方向异性,引入经纬度方向异性调节因子,设计了包含等权在内的6种电离层距离计算方案,分析表明,电离层TEC与经度方向相关性高于纬度方向,不同电离层距离计算方案均能有效提高IDW插值精度。采用最优方案IDW插值分析长期插值精度,结果表明,电离层活动剧烈区域（南北纬度20°）连续12 a“两分两至”日前后全球电离层格网（global ionospheric map,GIM）产品插值,最优方案比普通IDW插值精度提升约25%;2014年太阳活动高年“两分两至”日GIM产品插值,地方时14 h后3~5 h电离层活动剧烈时,最优方案插值精度提升明显,插值均方根误差（root mean square,RMS）最大不超过4.0 TECU。     

2018年8月磁暴期间北斗GEO卫星电离层TEC时空变化分析

基于北斗GEO卫星独有的静地特性,本文利用其观测数据提取电离层TEC进行磁暴期间电离层TEC时空变化研究。同时利用全球电离层格网图GIM值进行试验对比,结果表明：北斗GEO卫星提取的TEC与GIM模型值变化趋势一致,并且前者可更有效地监测电离层的细微扰动变化。在此次磁暴发生期间,亚太地区电离层TEC变化及扰动响应特征在纬度方向差异明显。其中南北半球较高纬度区域,电离层TEC在磁暴主相阶段主要表现为正响应扰动,而赤道及北半球较低纬度区域,电离层TEC在磁暴主相及恢复相阶段均产生了强度更大、持续时间更长的正响应扰动。结合现有研究,认为造成此次电离层异常扰动的激励因素主要为东向快速穿透电场的增强及热层中性成分的变化。试验结果也证明了GEO卫星可以精准有效地监测在磁暴发生时电离层TEC的变化规律及不同空间位置处TEC产生的扰动响应特征。     

TCFM技术的卫星导风数据在台风模拟中的应用初探

利用傅里叶相位分析方法与最大相关法结合的云导风技术TCFM(Technique based on combination of Fourier phase analysis and maximum correlation), 对2005-08-05的强热带风暴“麦莎”天气过程中静止气象卫星得到的30min间隔云图时间序列进行导风计算, 并将导风结果应用于中尺度数值模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System), 结合其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System), 对台风“麦莎”登陆前的过程进行模拟。尽管洋面上常规资料稀缺, 但卫星导风数据的同化使用结果表明, TCFM技术得到的导风资料能够显著改善台风眼壁东部区域的垂直气流活动, 使台风螺旋雨带更加明显, 符合实际。     

利用COSMIC-1/2 IonPrf产品分析中国区域近15年电离层时空变化特征

利用2006—2020年中国区域的COSMIC-1/2(constellationobservingsystemformeteorologyionosphereand climate-1/2) IonPrf产品数据,分析了中国区域电离层时空变化特征。首先介绍新一代COSMIC-2在中国以及全球区域的数据质量状况;然后对IonPrf产品的数据质量控制和电离层特征参数提取方法进行说明;最后,以不同时间尺度统计分析了中国区域近15年电离层特征参数在一个完整太阳活动周期不同活动水平下的时空变化特征。统计结果表明,中国区域电离层变化具有与太阳活动相关的周年变化、季节变化和日变化特征;周年变化中具有明显空间分布特征,以30°N左右为界,中国南方地区峰值密度NmF2、峰值高度HmF2和电子总含量（total electron content,TEC）年均值普遍高于北方地区;在月份季节变化中,NmF2和TEC最大值一般出现在3月、10月,最小值出现在6月、7月,仅中国南方部分地区存在冬季异常现象,且春、夏季的HmF2均值大于秋、冬季;在日变化中,NmF2和TEC的最大值主要出现在地方时（local t...     

利用掩星技术研究南极地区顶部电离层特性

掩星观测能够提供地面到低轨卫星轨道高度处的整个电离层电子密度剖面,对于顶部电离层的研究有重要的作用。本文利用COSMIC(constellation observing system for meteorology ionosphere and climate)掩星数据反演了电子密度剖面,提取了F₂层峰值高度(hmF2)、F₂层峰值密度(NmF2)、垂直标尺高(vertical scale height,VSH)等电离层参数,研究了南极地区的F₂层在太阳活动周期内的变化、年际变化、周日变化等,并且重点分析了南极地区的顶部电离层的垂直结构特征,尤其是威德尔海异常在垂直方向上的变化。结果表明,整个南极的hmF2每日均值在250~300 km左右,NmF2每日均值在1~8×1011 el/m3之间,VSH每日均值在100~250 km,威德尔海异常主要表现在顶部电子密度的增强和底部电子密度的减少。     

第24太阳活动周武汉电离层VTEC变化特性分析

利用2008-2015年(第24太阳活动周)中国地壳运动监测网络(CMONOC)武汉站(30.5°N,114.4°E)GPS双频接收机监测的垂直总电子含量(VTEC)数据,分析电离层VTEC变化特性,并讨论VTEC与太阳活动的相关性.结果表明,VTEC估值周日变化在14:00-16:00LT左右达到最大值;同时,电离层VTEC也表现出明显的逐日变化特性,特别是在VTEC峰值处呈现较大差异.在太阳活动高年(2011-2015),VTEC变化呈现明显的双峰结构,即所谓的"半年异常"现象,春季峰值大于秋季峰值,"冬季异常"也更为明显.在各个季节(除春季外),VTEC与F_10.7p的相关性最好,与F_10.7的相关性次之,与太阳黑子数(SSN)的相关性稍弱;秋季VTEC与太阳活动的相关性最好(Max_F10.7p=0.92232,Max_SSN=0.85575),冬季VTEC与太阳活动的相关性最差(Min_F10.7p=0.79028,Min_SSN=0.72703).     

基于GNSS的川藏高原电离层活动特性分析

研究川藏高原地区的电离层活动特性，能够为本地区提供高精度导航定位和授时服务。本文基于欧洲轨道确定中心(CODE)2014—2019年的全球电离层格网(GIM)总电子含量(TEC)数据和太阳参数F_10.7的修正指数F_10.7p,利用时间序列分析、相关性分析以及快速傅里叶分析的方法，对川藏高原地区的电离层时空特性进行分析。实验结果表明：(1)川藏高原不同季节的TEC存在差异，尤其是在太阳活动高年时，体现了TEC的年度异常、半年度异常和冬季异常。(2)川藏高原的TEC主要周期表现为26.4、121.7、182.6、219.1、365.0 d,体现了TEC的27 d周期变化，半年变化，年变化。(3)受赤道异常影响，低纬度地区(30°N以下)的TEC较大。TEC在08:00:00—20:00:00相对较大，在20:00:00—08:00:00较小，这一特征在各经度处相同。     

基于遥感的区域尺度森林地上生物量估算研究

森林是陆地生态系统最大的碳库,精确估算森林生物量是陆地碳循环研究的关键。首先从机载LiDAR数据中提取高度和密度统计量,采用逐步回归模型进行典型样区生物量估算;然后利用机载LiDAR数据估算的生物量作为样本数据,与多光谱遥感数据Landsat8 OLI的波段反射率及植被指数建立回归模型,实现区域尺度森林地上生物量估算。实验结果显示,机载LiDAR数据估算的鼎湖山样区生物量与地面实测生物量的相关性R2达0.81,生物量RMSE为40.85 t/ha,说明机载LiDAR点云数据的高度和密度统计量与生物量存在较高的相关性。以机载LiDAR数据估算的生物量为样本数据,结合多光谱遥感数据Landsat8 OLI估算粤西北地区的森林地上生物量,精度验证结果为:R2为0.58,RMSE为36.9 t/ha;针叶林、阔叶林和针阔叶混交林等3种不同森林类型生物量的估算结果为:R2分别为0.51(n=251)、0.58(n=235)和0.56(n=241),生物量RMSE分别为24.1 t/ha、31.3 t/ha和29.9 t/ha,估算精度相差不大。总体上看,利用遥感数据可以开展区域尺度的森林地上生物量估算,为森林固碳监测提供有力的参考数据。