中国区域foF2和hmF2的观测与IRI预测结果的对比研究

发布时间：2020-06-28 12:45

【摘要】：电离层F2层临界频率(简称foF2)和F2层峰值电子密度对应高度(简称hmF2)是电离层F2层相关特征参数中非常关键的参数。foF2和hmF2在电离层研究和通信中有着重要作用。国际参考电离层(International Reference Ionosphere,简称IRI)模型是电离层研究中应用最为广泛的低地磁活动条件下的经验模型,其最新版本为IRI-2016。由于IRI模型未使用中国地区的电离层参数数据,因此有必要对IRI模型在中国区域内的适用性进行评估和研究。本文利用2013年至2016年的三亚(18.3°N,109.6°E)数字测高仪观测数据以及2014年(太阳活动高年)和2016年(太阳活动低年)的武汉(30.54°N,114.34°E)、北京(39.98°N,116.37°E)、漠河(53.49°N,122.34°E)数字测高仪的观测数据,分析了foF2和hmF2在地磁平静期间(Kp≤3)的实测值的日(昼夜)变化、季节变化和年变化,并且将电离层测高仪观测数据与相应的IRI-2016模型的预测值进行了对比分析,得出了中国区域电离层变化特征以及与IRI模型对比结果的详细信息,为改进IRI模型在中国区域的预报准确度提供了参考依据。本文开展了如下研究工作。一、开发了数字测高仪观测数据(即foF2和hmF2)处理程序和数字测高仪观测数据与IRI-2016预测结果的对比分析程序,验证了程序的正确性。利用数字测高仪观测数据处理程序分析了三亚、武汉、北京、漠河数字测高仪的foF2和hmF2观测值的日(昼夜)变化、季节变化和年变化,分析结果如下。1、比较2013年、2014年和2015年的三亚foF2观测值发现,在太阳活动高年2014年foF2随季节变化最明显,春秋季出现双峰现象和夜间增强现象。在2014年,武汉、北京、漠河的foF2观测值未出现双峰现象和夜间增强现象。2014年三亚、武汉、北京和漠河的foF2观测值都出现了全年白天的最小值出现在夏季、夜间恢复正常的半年异常和冬季异常现象。2、2014年,三亚、武汉、北京、漠河的foF2观测值最大值分别是18.2 MHz、16.1 MHz、14.3 MHz、13.5 MHz,即随着台站纬度的升高,foF2观测值递减,且foF2观测值最大值的出现时刻从8 UT提前至4 UT。2014年,四个台站的foF2观测值的最小值无明显变化,但维持在最小值的时间随着纬度的增加不断延长。3、2016年hmF2观测值在三亚和武汉都出现明显的双峰现象。2016年三亚hmF2观测值在6 UT和16 UT出现两个明显的峰值,且在14-20 UT(即地方时夜间)增强明显。2016年,随着纬度升高,三亚、武汉、北京、漠河同时刻的hmF2观测值不断降低,武汉、北京和漠河hmF2观测值的最大值出现在16-18 UT(即0-2 LT)。二、利用数字测高仪观测数据与IRI-2016预测结果的对比分析程序将三亚、武汉、北京、漠河数字测高仪的foF2观测值与对应的IRI-2016模型foF2预测值进行了对比分析,发现以下结果。IRI-2016模型foF2预测值能很好地预测foF2随太阳活动的变化趋势,但不能很好地预测低纬度地区的异常现象,对三亚实测值普遍低估尤其是地方时夜间低估严重,白天预测结果较好。2014年,IRI-2016模型系数CCIR和URSI的foF2预测值在0-12 UT期间预测准确度较高。2014年,IRI-2016的foF2预测值在位于中纬度地区的北京和漠河比在位于中低纬地区的三亚和武汉的预测准确度高。IRI-2016模型系数为URSI时预测foF2在12-22 UT(即地方时夜间)比CCIR低估观测值更严重。因此,本文的分析结果表明,在中国选择CCIR系数预测foF2的真实值较为准确。三、利用数字测高仪观测数据与IRI-2016预测结果的对比分析程序将三亚、武汉、北京、漠河数字测高仪的hmF2观测值与IRI-2016模型的AMTB2013模式、BSE-1979模式和SHU-2015模式给出的hmF2预测值进行了对比,得到的结果如下。2016年,IRI-2016模型分别选用模式AMTB2013、BSE-1979和SHU-2015得到的预测值与三亚、武汉、北京、漠河台站的hmF2观测结果基本相同,IRI-2016模型预报hmF2的准确度比预报foF2的准确度有明显提高。2016年,IRI-2016模型预测四个台站的hmF2时,选择模式AMTB2013时高估最严重,模式BSE-1979次之,模式SHU-2015则低估。2016年,选择IRI-2016的模式SHU-2015预测hmF2最为准确。本文的分析结果表明,在中国选择IRI-2016模型的SHU-2015模式预测hmF2的真实值较为准确。
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P352
【图文】：

示意图,电离层,电子密度,示意图

区域 foF2 和 hmF2 的观测与 IRI 预测结果的对比研究6图2.1 电离层各层电子密度在白天和夜间随高度的分布示意图[28]D 层：离地面高度约 50 至 90 公里，是电离层的最低层，主要由 X 射线和 LymanAlpha 射线产生光电离，电子密度峰值范围为 109~1010m-3，大气成分主要为氮气和氧气，还有少量一氧化氮。由于D层高度较低，受到太阳的辐射较小，导致其电离程度低且只存在于白天。该层对电磁波有较大程度吸收。E 层：离地面高度约 90 至 140 公里，主要由太阳软 X 射线以及 EUV 引起光电离，大气成分主要是 NO+和 O2+。由于受到大气潮汐的驱动

模型输入,自变量,版本,在线版

以使用其在线计算功能得到具体地区的电离层数据并与其他相关数据进行对比研究。IRI 模型会根据数据的丰富与模型算法的改进来对模型不断进行更新。IRI 版本历经IRI-78 (Rawer 等 ,1978) 、 IRI-85 (Bilitza,1986) 、 IRI-1990 (Bilitza,1990) 、 IRI-2000(Bilitza,2001)、IR-2007 和 IRI-2012(Bilitza 等,2013)[10]和 IRI-2016。目前，IRI-2016 是最新的版本，基于最新的数据和电离层时空变化的数学描述模式，与神经网络（NN）模型相结合给出两种新模式[11]预测 hmF2 的新模式(AMTB2013 and SHU model）。IRI的预报准确度也随着版本更新不断提高，甚至可以被用来进行天气预报。然而在过去，IRI 模型在预测 foF2 所用 CCIR 或 URSI 系数的生成时，没有采用中国区域的有关 foF2电离层特征参数，而 CCIR 系数和 URSI 系数用于预测 foF2 的重要系数。§2.2.2 国际参考电离层使用方法IRI 官网提供 IRI-2016 模型的三个版本分别是 Fortran、Online 和 Python。本文选择的版本是 Online，也就是在线版。IRI-2016 模型在线版的在线计算网址为https://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/iri2016_vitmo.php。

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