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。

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。

支持向量机方法在电离层短期预报中的应用

支持向量机是一种崭新的机器学习方法,将支持向量机方法应用于电离层参数短期预报,提前一小时预报了电离层临界频率foF2。用海口站太阳活动高低年各个季节的历史数据进行了检验,预报误差在不同的太阳活动水平不同的季节各不相同。预报结果与IRI比较的结果表明,支持向量机方法具有较高的预报精度,将支持向量机方法用于电离层短期预报是可行的。

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.

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.

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。

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。

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。

磁暴数统计特性研究

Dst是一个表征磁暴强度的空间天气指数.通过统计1957—2008年发生的中等磁暴(-100<Dst≤-50 nT)和强磁暴(Dst≤-100 nT)在太阳活动周上升年、极大年、下降年和极小年的时间分布情况,分析其随季节变化的统计特性,进而讨论了引起磁暴的原因.结果表明,对于同一太阳活动周,极大年地磁暴发生次数远大于极小年地磁暴的发生次数,这与太阳黑子数的变化趋势是一致的;通常太阳活动周强磁暴出现双峰结构,而第23周中等磁暴出现双峰结构,强磁暴则出现三峰结构,这可能与1999年强磁暴发生次数异常少,使1998年凸显出来的现象有关;磁暴主要发生在分季,随着Dst指数的增加,磁暴发生次数明显增加.

中国地区高精度电离层行扰监测台网设计

系统地介绍了一个中国地区高精度电离层行扰监测台网,它由满洲里、长春、乌鲁木齐、拉萨、兰州、重庆、新乡、青岛、苏州、喀什、广州、海口和昆明13个观测站组成,成为全国性的电离层扰动特性监测网.该电离层行扰监测台网可用于实时连续监测电离层扰动及其传播,可监测太阳耀斑、磁暴、台风和电离层日变化等使高频无线电信号产生的多普勒频移,对研究电离层中能量传播和耗散等动力学过程有着重要意义.通过接收国家授时中心发射的5MHz、10MHz、15MHz标准授时信号,采用数字信号处理和滤波后,将三路零中频正交I、Q数据传输到计算机,由计算机进行傅里叶变换得到频域数据并实时显示这三路多普勒频移信息,另外还可以监听授时音频信号.观测结果反映了太阳耀斑、日出效应、Es等引起的电离层扰动响应及其对高频(high frequency,HF)传播的影响,可用于电离层扰动的长期监测.

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．

第23太阳活动周强磁暴行星际源的统计分析

统计了第23太阳活动周(1996-2006)发生的90次强地磁暴(Dst≤-100nT)的行星际源.在第23太阳活动周内,当行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)Bz分量南向翻转并持续较长时间时,通常会引起强磁暴的发生,进而引起电离层暴.文中分析了强磁暴的年分布状况以及引起强磁暴的不同行星际结构在同样活动周的分布特征,并且分析了中国地区电离层暴事件的行星际源.统计结果显示,1)行星际日冕物质抛射(Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME)是引起强磁暴的主要行星际源.在ICME中,相对于非磁云结构,磁云结构是引起强磁暴的主要行星际源.2)强磁暴主要在太阳活动极大年和下降年份,在太阳活动低年出现次数较少.强磁暴在太阳活动周的分布呈三峰结构,并认为可能跟1999年强磁暴发生次数异常少,使1998年凸显出来的现象有关.3)ICME引起的电离层暴事件是共轭作用区(Corotating Interaction Region,CIR)引起电离层暴的7倍多,这说明ICME也是电离层暴事件的行星际源.

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。

一种电离层涡旋波加热模式下的阵列馈电设计方法

涡旋波加热是目前电离层加热试验技术研究的一个热点,但主要侧重于试验现象的分析和解释,对产生涡旋波的阵列馈电设计方法讨论很少.本文首先基于菲涅耳衍射理论,在近轴近似条件下推导出电离层加热涡旋波自由空间传播特性的解析表达式,作为涡旋波加热模式下阵列馈电设计方法的检验依据;然后依据矢量磁位的非齐次赫姆霍茨方程,得到了任意阶拉盖尔-高斯涡旋波模式下的阵列馈电分布计算公式,并用已有文献的结果进行了验证,为馈电幅相设计方法提供了理论指导;在此基础上,引入"稀疏阵"的概念,以矩形平面阵为例,给出了一种涡旋场模式下天线阵列馈电幅相的设计方法.该方法简单方便,实用性强,并可推广应用于任意平面阵列形式.仿真结果验证了本文方法的正确性.