利用人工神经网络预测电离层foF2参数

利用人工神经网络技术实现了电离层f_oF_2参数提前1小时预测.从f_oF_2时间序列本身的变化特征出发,根据时间序列相关分析结果确定网络输入参数.选用当前时刻f_oF_2值,预测时刻前一天的f_oF_2值,预测时刻前7天f_oF_2平均值,当前时刻前7天f_oF_2平均值,f_oF_2的一阶差分及表示当前时刻t的变量共六个参数作为神经网络输入,下一时刻值作为神经网络输出.对于太阳活动高年平均预测相对误差小于6%,均方根误差小于0.6 MHz,太阳活动低年平均预测相对误差小于10%,均方根误差小于0.5 MHz.

三亚地区电离层foF2的混沌特性分析及其预测研究

利用三亚台站2013年电离层foF2观测数据,讨论了电离层foF2的混沌特性及其预测.采用改进的C-C算法确定时间延迟和嵌入维数,计算最大李雅普诺夫指数,定量地印证foF2时间序列具有混沌特性.基于RBF神经网络的方法对foF2参量进行短期预报,并将预报结果与Volterra模型、IRI模型和实测数据进行对比.结果表明,采用RBF神经网络法可成功预测foF2的变化,相比于国际参考电离层模型有较大提高,较Volterra模型也有一定提升.在一定时间尺度内,RBF神经网络预测结果较为准确,预测误差较小,超出该预测范围,预测效果将变差.

支持向量机用于电离层foF2的短期区域预报

为了提高电离层短期区域预报效果,提出了基于支持向量机方法考虑太阳活动、地磁活动、中高层大气、地理位置等因素对电离层的影响.对中国地区电离层F2层临界频率(foF2)提前1h的区域预报模型,将支持向量机的预报模型与输入同样参数的反向传播神经网络和国际参考电离层模型从多方面进行对比分析,结果显示,支持向量机模型的年平均预报相对误差相对神经网络和国际参考电离层模型在太阳活动高年分别降低了2.5%和9.6%,在太阳活动低年分别降低了1.9%和7.5%.在低纬度地区,支持向量机模型的预报优势更加显著,在高年和低年相对反向传播神经网络分别降低了3.2%和2.7%.对暴时,支持向量机模型也表现出一定的预报能力.这表明支持向量机模型应用在中国区域电离层foF2短期预报上,相对反向传播神经网络和国际参考电离层模型更有优势.

赤道地区电离层foF_2在第23/24太阳活动周极低年期间创造了极低纪录?

太阳辐射是电离层的电离源,强烈地调制电离层的变化.探索不同太阳辐射水平下的电离层状态,有助于认识电离层演变及其内在的基本物理过程.太阳活动在2008—2009年处于有记录以来的极低水平,研究电离层在此期间的变化及与其它太阳活动低年的差异是一个有益的课题.本文利用位于美洲扇区磁赤道地区Jicamarca台站(12.0°S,283.2°E;dip 0.28°)测高仪观测的电离层F2层临界频率foF2数据探讨赤道地区foF2的行为.分别对第22/23太阳活动周低年(1996—1997)和第23/24活动周低年(2008—2009)的月中值、季节中值和滑动年均值进行分析,确认相比上一个太阳低年而言,在2008—2009年foF2滑动年均值和不同季节中值在各个地方时均降低,而月中值存在降低和升高.对foF2的时间尺度特性的分析发现,在本太阳周低年foF2长时间尺度分量下降,而短时间尺度分量呈现不一致的变化.我们认为,现有文献报道给出2008—2009年与以往太阳活动低年对比结果不一致有可能归因于所用分析方法关注的时间尺度不相同.

基于COSMIC数据开展全球电离层foF2建模及变化特征研究

电离层foF2是短波通信、天波超视距雷达系统所需的关键环境参数,使用2006—2014年COMSIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere,and climate)掩星电离层数据和多项式方法,自主构建了高精度全球电离层foF2经验模型,并使用2015—2019年观测数据进行独立检验。本模型结果与建模及独立检验时段电离层foF2观测数据的相关系数分别为0.948和0.937,平均偏差分别为2.38%和3.08%,相对误差分别为11.72%和12.69%。利用该模型研究了电离层foF2时空变化特征,结果表明电离层foF2日夜变化幅度随纬度增加而变大,春秋分季期间南半球日夜变化幅度显著高于北半球,而夏季半球则远低于冬季半球。电离层foF2季节变化幅度随纬度增加而变大,夜间电离层foF2的季节变化以年特征为主,白天则包含了显著的年、半年特征,夜间季节变化幅度明显高于白天,南半球显著高于北半球。电离层foF2中纬槽现象主要出现在春秋分季夜间,经度方向四波结构主要出现在太阳活动低年和春秋分季期间。

南极中山站电离层F2层临界频率变化特征

对南极中山站数字式电离层测高仪1995～2002年观测数据的月中值进行了统计分析，揭示了中山站电离层F2层临界频率（foF2）的主要特征：foF2存在明显的日变化和年变化；日变化存在“磁中午异常”现象；年变化中中午foF2在太阳活动低年不出现“冬季异常”，在太阳活动高年出现“半年异常”，即两分点高于两至点．本文结合中山站所处的地理位置，考虑太阳辐射电离、磁层的驱动和中性大气成分变化等因素，分析了这些现象的产生机理．

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.

南北极冬季F2层电离层特性对比研究

利用南极中山站和北极Tromso站1996、1997、1998及2002年的测高仪观测数据,对中山站(6月份)和Tromso站(12月份)上空冬季foF2的日变化特性进行了对比研究,结合数值模拟结果,分析了中山站和Tromso站F2层电离层的极区特征,进一步揭示了极区电离层特征的形成机理。结果表明,中山站和Tromso站虽然地理纬度接近,foF2日变化形成机理不完全相同。由于地磁纬度的差异,极区对流与日侧光致电离的相互作用造成了两站日侧电离层的不同变化形态,中山站foF2日变化主峰出现在磁地方时中午附近,而Tromso站foF2日变化主峰出现在地方时正午附近;两站日侧foF2受太阳辐射流量影响较大,极光沉降粒子电离在太阳活动低年对中山站foF2日变化形态影响显著。

H_2释放扰动电离层的数值模拟

由于电离层中分子性离子与电子的复合要比氧离子与电子的复合快得多,因此H2在电离层高度释放可有效地引起电子的消耗。本文基于一个包括中性气体扩散方程和离子化学反应方程的二维动力学模型,对H2在电离层高度释放过程进行了数值模拟研究,并分析了不同释放条件下的电子扰动特性。结果表明:1)500mol H2释放后,迅速向周围空间扩散,释放中心处的电子密度30s内下降了近4%,F2层临界频率下降了1%左右;2)在不同高度处释放H2时,最大的电子密度相对变化率并不是在峰值高度附近处释放时出现的;3)释放化学物质的量越多,电子密度的扰动幅度也越大,但两者之间并不存在线性关系;4)相同量的H2在电离层峰值高度处释放,白天的电子密度扰动幅度要大于夜间的扰动幅度。

沈阳站电离层F_2层临界频率变化特征

本文对沈阳站电离层测高仪2009-2012年观测数据的月均值进行了统计分析,揭示了沈阳站电离层F2层临界频率的日变化和年变化特征。

南极中山站电离层的极区特征

本文利用 1996年的电离层数字测高仪DPS 4所测的foF2 、foE以及从美国NOAA和DMSP卫星观测估算的半球功率指数和午夜极光区赤道侧边界纬度等资料 ,考察中山站电离层的极区特征 .结果表明 ,在太阳和地磁宁静环境下 ,冬季极夜磁正午中山站处于极隙区中心时 ,电离层内的电离密度达全天的最大值 ;上、下午各有数小时间隔位于极光带内时 ,高能粒子的电离作用也很重要 ;夜间进入极盖区后 ,电子密度则很低 .夏季极昼时 ,太阳EUV辐射的电离效应使电离层电离密度比冬季值大许多 ,而且 ,日变化的最大值时间也提前了 1～ 2h .强磁扰时 ,极隙区和极光带均向低纬侧移动 ;中山站上空的电子密度会大幅度下降 .在中等扰动环境下情况更加复杂 :磁正午前后极隙区内软粒子沉降的电离强度有所减小 ,而上、下午极光区内的高能粒子电离则有较大增加 .

2018年8月5日印度尼西亚地震震前电离层异常特征

基于2018年8月5日印度尼西亚地震震中(116.45°E,8.33°S)附近的澳大利亚达尔文站和位于震中磁力线共轭区域的武汉站的电离层测高仪观测数据,以及相同区域全球卫星导航系统接收机的观测数据,对该地震震前的电离层异常扰动特征进行了分析。结果显示,震前同时观测到了电离层F2层临界频率(foF2)和总电子含量(TEC)时间序列的异常。基于岩石圈-大气层-电离层直流电场耦合模式和美国国家大气研究中心的热层-电离层环流耦合模式(NCAR/HAO TIEGCM)对震前震中及其对应磁力线共轭点区域的电子密度异常进行了模拟,模拟结果表明,在地震异常电场的作用下,地震区域及其对应半球的磁共轭区域的TEC和电离层F2层峰值电子密度NmF2发生了明显扰动。

一种基于分步线性最优估计的全球中低纬区域电离层f_(o)F_(2)重构方法

电离层F2层临界频率f_(o)F_(2)是短波通信、探测和电子对抗等领域最为重要的应用参数之一.针对全球范围内电离层测高仪分布较为稀疏的特点,基于全球电离层无线电观测站(Global Ionospheric Radio Observatory,GIRO)的测高仪实测数据,采用分步线性最优估计方法对电离层CCIR/URSI系数进行调整,实现了全球中低纬区域电离层f_(o)F_(2)的重构.对2010—2016年的电离层f_(o)F_(2)重构结果进行分析,结果表明:在纬度变化上,中纬区域重构误差要低于低纬区域;在年变化上,重构的绝对误差和均方根误差有随太阳活动强度增强而增大的趋势,重构的相对误差无明显年变化;在季节变化上,夏季重构误差最小,其他三个季节相差不大;在地方时变化上,白天的重构误差低于夜间.总体而言,相比于国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型,电离层f_(o)F_(2)重构的绝对误差和均方根误差分别下降了约38%和34%,验证了本文方法的有效性和可靠性.

基于优化神经网络算法的电离层f_oF_2预测

为了提高基于反向传输(back propagation,BP)神经网络的电离层f_oF_2预测的精度,采用了一种改进粒子群优化神经网络的方法,对BP网络的初始权值进行优化,防止出现神经网络训练中的局部最优.通过比较基于粒子群优化的神经网络预测结果与遗传算法优化的神经网络预测结果,我们发现对于BP神经网络,两种方法都有很好的性能.此外,和电离层经验模型国际参考电离层模型(international reference ionosphere 2016,IRI2016)结果进行对比,结果表明,本文提出的自适应变异粒子群(adaptive mutation particle swarm optimization,AMPSO)优化神经网络能有效提高f_oF_2的预测精度,并在低纬地区有更好的预测效果.

基于神经网络的电离层F2层临界频率预测方法

在电离层风暴期,现存的电离层F2层临界频率预测方法不能满足实际应用的要求.根据磁层ap系数和太阳黑子月均值作为风暴期训练序列,提出了一种基于神经网络的电离层F2层临界频率预测新方法.模拟结果表明,这种新方法比现有的预测方法(STORM模型和Cander提出的神经网络方法)具有更好的预测性能.

低纬地区电离层变化特征以及与IRI2012预测的对比分析

为归纳低纬地区电离层变化特征规律,对比分析国际电离层参考模型(IRI)预报模式。采用三亚地区(109.6°E,18.4°N)测高仪观测数据和IRI2012模型预测数据,对比分析了电离层在2012年中fo F2和hm F2参数昼夜、季节变化。结果表明,三亚地区电离层fo F2在8:00~14:00 LT时间段内逐渐增大,在16:00~6:00 LT时间段内逐渐减小,最大峰值16 MHz发生在12:00~16:00LT时间段内,最小峰值2 MHz发生在4:00~6:00 LT时间段;预测值相比观测值在8:00~18:00 LT大部分时间段内偏大且误差最大值为3 MHz,在18:00~6:00 LT大部分时间段内偏小且误差最大值为5 MHz。电离层hm F2在春秋分和夏季出现2个极大值,最大峰值450 km发生在12:00~14:00 LT时间段内,最小峰值200 km发生在4:00~6:00 LT时间段内;预测值相比观测值在春秋分的2:00~4:00 LT时间段内偏大且相对误差最大为0.16,在夏季的19:00~22:00 LT时间段内偏小并且相对误差最大为0.08,在冬季的2:00~4:00 LT时间段内偏大且相对误差最大为0.12。

中国大陆14次强震前电离层异常统计分析

地震电离层扰动规律统计分析对开展地震监测、预测意义重大。利用四分位数法对中国大陆地区14次Ms≥7.0地震前电离层foF2进行了统计,进一步证实了地震电离层异常的存在,并分析了地震电离层异常扰动的时间、空间分布规律以及扰动形态特点,给出电离层foF2扰动与地震各要素之间的关系。统计结果表明:85.7%(12次)的地震在震前出现电离层异常,并且大部分分布在震前7天以内的11∶00LT～17∶00LT;此外,电离层foF2扰动幅度与即将发生的地震震级、震源深度、震中距离存在不同程度的相关性。

日本M_W 9.0级特大地震前电离层扰动初步分析

利用JPL提供的TEC地图数据和日本NICT提供的测高仪数据分析了2011年3月11日日本MW9.0级特大地震(Tohoku-oki Earthquake)前上空的电离层变化.GIM TEC地图数据分析发现,3月1～4日GPS TEC在赤道异常区域出现了不同程度的负扰动,其中3月1日和2日的扰动幅度和范围较大,以上很可能是由于3月1日爆发的9小时磁暴所致;此外,震前3天即3月8日04-14UT期间赤道异常区电离层TEC出现了明显的增强现象,异常最大幅度达30TECU,并伴随有南半球磁共轭区增强现象.日本境内的4个电离层测高仪数据分析显示,3月8日4个台站同时出现了foF2增强现象,其中Okinawa和Yamagawa两个站增幅明显.分析发现震前3天地震上空区域电离层参量异常增强,认为这可能与大气层和电离层垂直电场的变化有关,这种电场的变化有可能是地震产生的电磁信号传播所致.

电离层参数短期预报研究进展

对国内外电离层参数短期预报方法进行了综述,重点介绍了几种作者最新研究的电离层f_0F_2参数短期预报方法.包括基于混沌时间序列分析的电离层f_0F_2参数提前15min(分钟)准实时预测方法、基于人工神经网络技术的提前1h(小时)现报方法、提前1～3d(天)的神经网络预测方法、相似日短期预报方法以及综合预报模型方法.利用中国垂测站多年的观测数据对各种算法的预测精度进行了评估,并与国内外相关算法进行了定性或定量比较,各种预报方法都在前人的预报精度基础之上有了一定的提高.其中提前15min(分钟)预测方法平均相对误差小于4%,平均绝对误差小于0.2MHz,可以用于实时性和精度要求较高的短波系统;提前1小时预报方法在太阳活动高年平均预测相对误差小于6%,均方根误差小于0.6MHz,太阳活动低年平均预测相对误差小于10%,均方根误差小于0.5MHz,平均相对误差比前人研究的自相关方法提高3个百分点左右;对于提前1～3d(天)短期预报,综合预报模型方法充分利用了神经网络方法、自相关方法以及相似日方法的优点,获得了高于任何一种单一方法的精度,对于中国9个垂测站(海口、广州、重庆、拉萨、兰州、北京、乌鲁木齐、长春、满洲里)在不同太阳活动性条件下的历史数据进行了精度测试,提前1天和提前3天预测的平均相对误差分别小于10%和小于15%,达到了国内先进水平.此外,该方法还可以综合更多预报方法,具有进一步提高预报精度的潜力.文中提出的针对不同尺度进行电离层参数预测的方法具有一定的理论基础,且精度高、易实现,对从事电离层短期预报算法研究及相关专业的学者具有一定的参考价值.