基于经验正交函数的地球同步轨道高能电子通量预报模型研究

发布时间：2020-10-16 15:44

　　 在磁暴期间辐射带中的高能电子通量经常会急剧的增加,这种现象被称为高能电子增强事件。高能电子具有极强的穿透力,严重危害航天器的安全。地球同步轨道位于赤道上方距离地心6.6Re处,这个区域运行着几百颗应用卫星,同时也是外辐射带的外边缘,其中充满了能量高达Me V的电子。因此建立一个可靠的同步轨道电子通量模型,预报高能电子事件,就能提前采取有效措施,降低高能电子对航天器造成的危害。高时间分辨率的电子通量模型既有理论价值又有应用价值。理论上,它能检验各种电子加速机制的正确性;应用上,它能够根据最近的电子通量波动状况及时有效地预警高能电子事件。而现有的预报模型主要是针对高能电子的日均值通量,很少讨论电子的5min均值通量。本文以此为背景提出了一种基于经验正交函数(EOF)方法的地球同步轨道高能电子通量5min均值预报模型。模型首先对能量大于2Me V电子通量的5min均值数据进行分析,提取出表征电子通量的世界时变化特征的EOF函数。然后以太阳风参数及地磁指数为因子利用卡尔曼滤波方法动态地拟合后一天的电子通量的EOF系数。最后结合EOF基函数给出后一天里能量大于2Me V电子通量的5min均值预报。对2003年1月至2006年6月的样本测试结果表明,本文的模型可以重构出电子通量的真实变化及高能电子增强事件期间的电子通量波动情况。模型能给出较好的5min均值通量预报,其在不同世界时内的平均预报效率为67%,最高预报效率为75%。结果表明本文基于经验正交函数方法的模型可以给出高时间分辨率的电子通量预报。
【学位单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：P353
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 高能电子预报模式的研究现状
    1.3 本文的研究内容和结构
第2章 辐射带中的电子
    2.1 带电粒子在磁场中的运动和绝热不变量
    2.2 电子通量的变化规律
        2.2.1 电子的生成
        2.2.2 电子的加速
        2.2.3 电子的损失
        2.2.4 电子的输运
    2.3 高能电子在磁暴期间的加速理论
        2.3.1 外源模式
        2.3.2 內源模式
    2.4 地球同步轨道模式
        2.4.1 线性滤波模型
        2.4.2 卡尔曼滤波模型
        2.4.3 径向扩散模型
        2.4.4 Low-E模型
    2.5 小结
第3章 建模方法
    3.1 经验正交函数(EOF)分析
        3.1.1 经验正交函数分析的基本理论
        3.1.2 二维经验正交展开的例子
    3.2 多元线性回归
    3.3 正交最小二乘法
        3.3.1 最小二乘算法的几何意义
        3.3.2 正交最小二乘算法
    3.4 卡尔曼滤波技术
    3.5 小结
第4章 电子通量 5MIN均值模型的研究
    4.1 电子通量数据的EOF分析
    4.2 电子EOF系数拟合因子的选取
    4.3 电子通量EOF系数的卡尔曼滤波拟合
    4.4 模型预报结果
        4.4.1 长期预报结果
        4.4.2 高能电子事件预报结果
        4.4.3 预报结果评估
    4.5 小结
第5章 结论和展望
参考文献
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致谢

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本文编号：2843453