中国空间站轨道大气密度原位实测值与业务模型的对比分析

为修正和建立空间站特有的大气经验模型,降低其预测误差,利用2022-2023年期间中国空间站大气密度原位实测值与业务模型值,包括NRLMSISE00模型、JB2008模型,对比分析3种数据集在不同空间环境下的响应差异。结果表明:NRLMSISE00模型值与实测值相当,日均值比实测值高出约3.4%,而JB2008模型日均值比实测值低27.4%,尤其在2023年夏季,实测值为JB2008模型值4~5倍;相比于JB2008模型,NRLMSISE00模型与实测值的相关性更强;3种数据集与太阳辐射指数的相关性R_(NRLMSISE00)≈R_(Observed)>R_(JB2008),而不同太阳辐射指数的相关性R_(S10)>R_(Y10)>R_(M10)>R_(F10);对于不同等级地磁活动的响应,平静期间NRLMSISE00模型值相对于原位实测值差异主要集中在太阳日照区域,最大差约为16%,JB2008模型值在太阳日照区域比实测值低约25%,在太阳阴影区域低至40%;在中强磁暴期间,NRLMSISE00模型值相对原位实测值的差异能达到50%,JB2008模型值在日侧赤道区域、在阴影区比实测值分别高30%、低60%,表明JB2008模型在中强磁暴期间的地方时响应存在明显差异。综合分析比较结果,在空间站轨道高度NRLMSISE00模型优于JB2008模型。分析结果可为业务模型的修正和使用奠定研究基础。

基于GRACE星载加速度计数据的热层密度反演

本文主要研究了利用GRACE星载加速度计数据反演热层密度.首先联合采用GRACE卫星2007—2009年星载加速度计数据和星载GPS数据进行动力学定轨并同时估计加速度计校正参数,依此对加速度计数据进行了校正.根据Sentman稀薄空气动力学方程计算卫星空气动力系数,对校正后的加速度计数据进行处理,反演得到了该时期沿轨热层大气密度.为分析反演密度的精度,将本文反演得到的GRACE-A卫星沿轨密度与Doornbos的解算结果,以及经验密度模型NRLMSISE00,HASDM模型进行比较分析.统计结果表明,本文反演结果比Doornbos系统性偏大约5%-8%,二者间的标准差（STD,standard deviation）在10%以内,具有较好的符合性.其差异主要是由于采用了不同的加速度标校以及空气动力系数计算策略.本文反演得到的热层密度较HASDM模型表现为正的系统性偏差且幅度在4%以内,而Doornbos的结果较HASDM模型约系统性偏小4%-7%,二者与HASDM模型的标准差均为30%左右.另外,本文反演密度与NRLMSISE00模型之间存在约30%-40%的系统性bias,其STD也在30%左右.

基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年)CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析,得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量.研究结果表明,ρ受太阳活动影响较大,其太阳周变化分量与F_(10.7)指数变化之间的相关系数可高达94.5%;ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小,且在中高纬地区,南半球的值明显大于北半球的值,在低纬地区则出现基本对称的双峰分布,即赤道质量密度异常(EMA)结构.在ρ的年变化中,呈现出明显的季节变化,即夏季低冬季高;同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强,随纬度增加而增强.将本文结果与经验模式NRLMSISEOO在观测条件下的输出数据进行对比,发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致,但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小,年变化幅度略大,且NRLMSISEOO模式不能再现EMA结构.研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.

利用星载加速度计数据反演高层大气密度的方法

为有效监测高层大气密度,研究利用CHAMP卫星的加速度计数据和相关测量数据反演高层大气密度的方法,该方法采用卫星切线方向的加速度观测数据和动力学模型计算大气密度,运用HWM93模式模拟风场。并对反演的误差进行了详细分析,反演的总误差为10%~15%,将中低纬度CHAMP密度数据与NRLM-SISE00模式值进行比对,结果显示两者有较好的一致性,平均残差为0.03,均方根误差为0.23。此外,数据显示磁暴时大气密度明显增大,并存在清晰的波动特征。结果表明,该方法可以有效地反演大气密度。

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002--2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00 LT和15:00 LT左右较大,10:00 LT和20:00 LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_(10.7)指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACE A/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3 h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.