基于长短期记忆网络的扩展F事件短临预测

考虑到我国区域电离层扩展F发生的物理机制和相关因素以及观测数据的可获取性,利用适宜于时间序列预测的长短期记忆网络建立了我国不同区域电离层扩展F事件的预测模型,对未来3 h是否会发生扩展F事件进行预测.以处于我国典型纬度地区的满洲里、北京、海口站为例,利用2015和2016年测试数据集对模型预测精度进行了检验,满洲里、北京、海口站平均准确率分别为92.4%、95.3%、96.0%,平均精确率分别为75.0%、61.2%、62.6%,平均召回率分别为73.0%、50.6%、31.5%.由此可见:在某些情况下,比如在低纬度地区的海口站,模型的召回率较低;除此之外,所建立的扩展F模型在多数情况下具有较高的预测能力.

中国区域电离层Es与太阳活动相关性分析

利用1958-2018年国内4台站电离层数据,研究了Es与太阳活动的相关性.结果表明,Es与太阳活动的相关性随季节和地方时不同而异.在冬分季白天,各台站Es与太阳活动为强的正相关,而夏季夜间为强的负相关,其他时段不同台站有所差异.满洲里和北京站在冬分季白天foEs中值与R12拟合系数为0.002,广州和海口站则为0.003.在夏季夜间分别为-0.002和-0.004。金属离子形成的Es在夏季白天出现较多,冬分季白天较少.此外,Es全遮蔽出现率P和半遮蔽因子Fb与太阳活动负相关,且呈现出二阶特性。

中国西部及周边区域电离层暴的统计特性

利用中国西部及周边9个电离层观测台站的历史数据,修正了统计研究中电离层暴事件的提取方式,在此基础上分析了区域内电离层暴的统计规律。研究表明,区域内以正暴为主,大暴主要发生在喷泉效应起作用的区域;多数台站冬季多正暴,夏季多负暴,春秋季二者相当,但在个别台站有较大差异;暴的起始时间主要分布于日落后,且在不同纬度略有差别。

中低纬电离层对行星际磁场南向翻转的响应

利用卫星和地面台站的历史数据,研究了中低纬电离层f_0F_2对强行星际磁场南向翻转的响应.结果表明,行星际磁场南向翻转能引起电离层扰动式响应,响应特性与纬度、季节和翻转时刻的地方时有关.在中纬,发生在夏分季和夜间的翻转能造成较强的电离层负响应,其幅度随纬度的降低而变弱,在恢复过程中存在不规则振荡;在低纬,南向翻转引起的电离层响应在夏分季较强,在冬季则较弱,且易被淹没在电离层自身的扰动中.分析指出电离层最大负响应与翻转后南向磁场极大值之间有着较好的线性关系.

一种暴时电离层f_oF_2的经验预报方法

利用地磁指数Dst和AE以及电离层临界频率f0F2，通过分析磁扰期问成分扰动带的赤道向传播以及低纬穿透电场引起的等离子体漂移对电离层的影响，同时考虑地方时效应，提出一种提前1小时预报暴时电离层f0Fz的经验方法，并对2004～2005年10次磁暴期间的预报结果进行检验。结果表明，该方法能较好地预测中低纬电离层暴的演化，甚至能捕捉部分正负相交替出现的扰动，但对部分重复出现的正扰动尚有待改进。方法在磁暴事件中和暴目的平均预报误差低于国际参考电离层（IRI）中用于暴时修正的STORM模型，因而更具有实用性。

电场对暴时低纬电离层f_oF_2变化的影响

电场在低纬电离层的演化过程中扮演着重要角色．以2003年10～11月的两次强磁暴事件为例，分析105°E附近由赤道区域扰动电场引起的等离子体输运对低纬指定区域内电离层的影响，并用电离层模型SAMI2进行数值模拟．研究表明，电场能引起电离层f0F2的复杂变化．在2003年11月19-24日孤立磁暴事件中，扰动电场在电离层暴初期起主导作用，向上和向极漂移的等离子体造成赤道异常峰南侧海口站电离层负暴和北侧重庆及兰州站正暴．在2003年10月28日～11月2日连续磁暴事件中，电离层暴初期以电场影响为主，随后电场和中性扰动成分共同作用于电离层，表现出复杂的暴时变化．电场扰动能迅速引起电离层的响应，只是后者能维持较长时间．上述结果对区域电离层短期预报具有重要意义．

超强磁暴期间中低纬电离层扰动的统计分析

利用1957-2005年72次超强磁暴期间的电离层观测数据,分析了北半球120°E附近中低纬电离层的扰动特征.结果表明,电离层的扰动形态随磁暴发生季节和开始时间的不同而异.在冬季,负相扰动主要发生在中纬,低纬以正相扰动为主,分界线在满洲里和北京之间;在中纬,下午开始的磁暴所引起的电离层扰动持续时间较长,而在低纬,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长.夏季超强磁暴所引起的电离层扰动以负相为主,下午开始的磁暴所引起的扰动最强,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长.在分季,虽然各台站电离层仍以负扰动为主,但扰动强度和持续时间随磁暴开始时间不同有明显差异.分析表明,上述电离层扰动特征与暴时环流的影响密切相关.

不同行星际磁场南向事件引起的中纬电离层暴

分析了三次不同类型行星际磁场南向事件引起的北半球中纬地区电离层暴的演化特性。结果表明,该区域内电离层暴的演化与行星际磁场南向分量的固有特性密切相关。1978年9月29日的事件,南向磁场强且持续时间长,各台站电离层暴的正负变化特征明显;1981年7月25日的事件,磁场强但不稳定,南北向翻转快,电离层暴变化剧烈且形态复杂;1978年1月4日的事件,磁场弱,电离层暴以正相为主。

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_oF_1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_mF_2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_oF_2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_oF_2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.

基于神经网络技术的f0F2短期预报方法

利用神经网络技术并考虑太阳和地磁活动对电离层的影响,提出一种提前1h预报电离层临界频率f0F2的方法。网络的输入包括时间、季节、地磁指数、太阳黑子数。太阳射电流量F10.7以及f0F2偏离月中值的一阶和二阶有限差和相对偏差。分别用广州和兰州站的历史数据进行检验,预报结果与观测数据符合得较好,比国际参考电离层更具有实用性。

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能,阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理,给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果.通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比,验证了激光雷达探测大气温度的可靠性.基于2008-2009两年的观测,获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布.激光雷达观测结果表明,青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高,且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点,中间层温度则正好相反.

集合卡尔曼滤波在电离层短期预报中的应用

提出了一种利用集合卡尔曼滤波对电离层f_0F_2短期预报结果进行优化的方法.利用训练好的神经网络对f_0F_2进行提前1～24 h的预报,考虑前一天预报误差的反馈信息,动态跟踪f_0F_2的变化趋势,引入集合卡尔曼滤波对神经网络的预报结果实行进一步修正和优化.实验结果表明,此方法的预报效果优于单纯的神经网络模型和IRI模型.此方法还可以应用于其他电离层参量的短期预报.

2009年7月22日日全食期间电离层参量的变化

利用多个电离层垂测站的数据和IGS-TEC数据资料,结合日地空间环境指数,分析了2009年7月22日日全食期间中国地区电离层参量(反射回波最低频率f_(min)及f_0f_2和TEC)的变化特征.结果表明,日食发生后f_(min)迅速降低,日食结束后f_(min)迅速恢复到正常水平;在食甚时刻附近,F_0f_2和TEC出现明显的降低,显示了明显的光食效应.日食结束后5～6 h,f_0f_2和TEC出现不同程度的正扰动,在驼峰区更明显;日食结束后9～10 h,f_0f_2和TEC出现较显著的负扰动.由于此次日食发生时伴随着中等强度的磁暴和低纬电场穿透等空间天气事件,给此次日食电离层效应的深入分析带来很大困难.

中国地区电离层f_oF_2的重构方法研究

提出了一种以中国参考电离层为背景的中国地区电离层foF2的区域重构方法,该方法根据foF2时间和空间相关性,将foF2的估计值与中国参考电离层模型值之差的相对值作为区域变化参量,引入电离层距离、经度因子和纬度因子等参数实现了电离层区域重构.利用我国电离层foF2的数据,对该方法的重构精度进行了评估,实现了中国地区的电离层区域预报.

利用神经网络预报中国地区电离层f_0F_2

利用神经网络技术并考虑太阳和地磁活动对电离层的影响,提出了一种提前5h预报中国地区电离层临界频率f_0F_2的方法.网络输入包括时间、季节、地理纬度、太阳天顶角、最近一天的12个观测值(F_(-23),F_(-22),F_(-21),F_(-20),F_(-19),F_(-18),F_(-5),F_(-4),F_(-3),F_(-2),F_(-1),F_0)和前30天滑动平均值(A_(-24),A_(-23),A_(-22),A_(-4),A_(-3),A_(-2),A_(-1),A_0),网络输出分别为未来5h的f_0F_2值F_(+1),F_(+2),F_(+3),F_(+4),F_(+5).选取乌鲁木齐、长春、重庆和广州站1958—1968年间的数据训练网络,利用中国9个电离层站的历史数据检验网络,根据均方根误差衡量网络性能的好坏.结果表明。

等离子体散射分析的改进型交替隐式时域方法

提出了一种改进的交替隐式时域有限差分(FDTD)方法,运用该方法分析了等离子体涂覆导体圆柱的散射特性,为等离子体隐身技术的运用提供了一定的理论指导.该方法在整个问题空间采用完整场形式的场量进行迭代计算,并运用中心差分格式离散极化电流密度辅助方程.仿真实验表明:提出的算法具有无条件稳定特性,其计算效率明显优于以往文献提出的交替隐式FDTD方法,在精度和效率上也稍高于普通的显式FDTD方法.

利用F_(10.7)短期预报电离层F_0F_2

通过对电离层历史数据和太阳射电流量F_(10.7)的回归分析,提出了一种单站电离层f_0F_2的短期预报方法,以F_(10.7)的流动平均值f_c为输入,以未来3天的f_0F_2为输出,分别利用中国地区8个台站的数据进行检验,分析不同太阳活动水平、季节以及地方时预报误差的分布特征。结果表明,该方法能有效地预测未来1～3天的f_0F_2。该方法还可应用于其他电离层参量的短期预报。

利用神经网络提前24小时预报电离层f0F2

文献[17]利用神经网络技术提出一种提前1小时预报电离层临界频率f0F2的方法。在该工作的基础上对网络的输入进行优化,将预报的提前量扩展到24小时。网络的输入包括地方时、季节、前24小时的观测值以及相应前30天的滑动平均值。分别用海口和北京站的历史数据进行检验,分析预报误差在太阳活动高低年和不同季节的变化,并将结果同国际参考电离层(IRI)进行比较。结果表明:神经网络的预报结果能较好地符合实测数据,在海口和北京站比IRI更具有实用性。

ITU-R P.434计算F_2层基本最高可用频率与实测值的比较

利用我国2011年1月和7月10条斜测电路的F2层基本最高可用频率(MUF)月中值数据,与ITU-R P.434方法计算的F2层基本MUF进行了比较,分析了该方法在中国地区的适用性。结果表明:ITU-R P.434方法在中国地区具有较好的适用性,但在某些电路的个别时段偏差较大。其中,1月份在中纬地区日出时段,该方法给出的基本MUF与月中值相比偏低20%～30%,在日落时段则偏高20%～30%;低纬地区夜间时段两者的相对偏差较大,最大值达到40%.7月份,该方法的结果与各条电路的实测结果基本一致,相对偏差在-10%～20%之间。上述结果对短波通信的选频等具有一定的指导意义。

GISM模型在中国低纬地区的适用性分析

为检验全球电离层闪烁模型(GISM)在中国低纬地区预测的准确性,根据2011年7月至2012年6月期间中国低纬地区三个观测站记录的GPS L1频点的电离层闪烁数据,对GISM模型的预测结果进行了分析.研究表明,在太阳活动高年,该模型能够反映出中国低纬地区闪烁的主要特征.模型预测的闪烁开始时间与观测结果较为一致,而结束时间滞后观测值约1h;模型预测的低纬地区闪烁强度峰值与观测结果基本一致,而在相同累积概率条件下,模型预测的闪烁强度则高于观测值;模型显示闪烁发生概率和闪烁强度随纬度的增加而减小,这一结果与观测结果一致.