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基于热层电离层耦合数据同化的热层参量估计何建辉门一,乐新安‘”地球物理学报—/摘要本文采用高效集合卡尔曼滤波算法和背景场热层电离层理论模式7⒘,,结果表明,由于中性成分优化,在地磁平静条件下其预报时间尺度可长达/第卷第年何建辉,乐新安..,琩:./.,琩:./.,,ü峡ǘ瞬ㄋ惴ㄍ缋氩鉚关键词电离层;集合卡尔曼滤波;数据同化;预报;参量优化痗中图分类号收稿日期——,招薅ǜ’”,’’——.,┛占浠肪彻乙巴夤鄄庋芯空荆泄蒲г旱刂视氲厍蛭锢硌芯克本泄蒲г捍笱У厍蛴胄行强蒲аг海本猙—基金项目中国科学院重大科技基础设施开放研究项目“基于子午工程的中低纬大气层一电离层的相互作用研究”和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目手第一作者简介何建辉,年生,中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生,目前从事电离层研究.:...ㄑ蹲髡呃中掳玻校芯吭保┦可际Γ种饕4邮碌缋氩阆喙匮芯浚瓻—:甶產甤琘甌.,琣琁,,,珻琁,
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集合卡尔曼滤波电离层热层数据同化系统引言灰粁:琟一危,公式中海;表示当前时刻背景值和观测数据,,.,;,并过了众多研究检验,,!⒏叨一篐:∑疦电离层受到一系列外驱动的影响,包括来自太阳的极紫外辐射、行星际条件、极区电场以及低层的重力波、潮汐、和行星波等,⒊煞帧⒎绯〉各种尺度的变化,也会在电离尤其是进行预报,,截止到目前热层观测依然十分匮乏,,众多研究已证实,基于热层电离层耦合数据同化系统,通过同化大量电离层电子密度相关观测,优化热层参量,比如中性质量密度、中性成分以及中性风场等,可以有效提升电离层预报时长和精度如肈疐疌电子密度剖面观测数据,重要的,其改善效果能达到大于飨杂庞谥更新电离层参量的背ぃ甅同样利用,证明了同化/∧芄辉谌炔愕缋层耦合同化中被很好地优化,,进而提高系统预报能力,并基于全球空地基、癟/Ⅵ观测构型设计了系列观测系统模拟实验,—作为背景模型,因为该理论模式充分考虑了电离层热层物理,代码经为半标高、时间为集合卡尔曼滤波同化算法集合卡尔曼滤波是一种基于贝叶斯理论的递归数据同化算法,分为更新和预测两个步骤,.更新阶段主要是将观测数据融人模式中,实现当前时刻模型背景值的优化,,⋯,%.疦.,;钜籋,地球物理学报卷.:,.瑃甌.;;;;.,;.,,;.,;.,;
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一而虿事隆阂皇俊唬R弧R弧丢一去∑鄄庀低衬D馐笛樯杓实验结果钆一,⋯,硎灸P屯瘢甈:,￡琀琄琑直鸨预测阶段是指模型背景值和误差协方差随时问向前传播,,集合卡尔曼滤波算体的引入,面临超大矩阵计算和存储,,我们采用稀疏矩本研究通过设计观测系统模拟实验来检验同化;集合体个数选择为个;,它是通过下式计算得到的:,图给出一个压力面上值逐渐增加,并且更加接近于“真实”“真实”值平均偏差为小于控制结果与“真实”、观测误差、观测算子、,并假设样本符合正态分布,,,:图给出了年找惶熘腥虻鼗鵌鄄台站位置和掩星观测切点位置;,真实场是—在太阳活动指数#柚梦⒌卮呕疃甘齂时的模拟结果,并基于上述真实观测构型采样,得到的结果称之为“真实”,我们利用#扔约癒扔时驱动模式生成控制场,并利用真实观测构型采样,,我们开展了年至:的个小时集合同化实验以及日:至日:,在整个同化和预报阶段太阳活动指数。,以及地磁活动指数始终为和渌问柚萌缦拢和奔浯翱为痪值鼗问谌隹占浞较蛏仙柚眉涓舴别是,纬度方向!⒕确较R约案叨确较括电子密度、氧原子离子、中性温度、氧原子和氧气分子百分比。、、簟、.通过同化已有的观测参量达到对未观测参量进在.,垂鄄獠瘟康牡髡饕J峭过包含在背景误差协方差中与已知观测参量之问的理论模型的约束,,琓,,弦。分别表示压力ノ唬篘/,在选中的压力面上,“真实”温度值大于控制值,这是由于“真实”,被估计的全球平均温度值,在整个集合同化阶段该压力面上被估计的温度馐切∮诳刂平果与“真实”值的平均偏差萃对于被估计的积分氧氮比全球均值,也是随着同化的进行越来越接近于“真实”“真实”值的平均偏差为,,我们可以发现热层参量的改善是有限的,尤其对于热层温度,这主要是由于牡缱用芏裙鄄馐怯邢薜模在模式中主同化模拟实验中我们并没有对U庖磺罱何建辉等:基于热层电离层耦合数据同化的热层参量估计¨/.,,:儿’
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月日一天内ㄕ疚恢黑色三角形点虲谛枪鄄馇械阄恢黑色点植纪迹篻/‘地球物理学报:卷年一天内佬侵行灾柿棵芏裙鄄夤斓婪植纪迹年找惶炷赥/;
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,在值,这是由于“真实”,被估计的轨道位置处的百分比,可以看出被估计的中性质量密度值提升比值逐渐接近于“真实”值,这说明同化行вィ幢还兰频幕盅醯1戎党鱿止指恼那内“真实”积分氧氮比值与被估计值之问的差值图,化,,,使得已知观测参量与未观测参量之问的相关性可能被错误地统计,,说明在除这些电子密度水平梯度变化剧烈区域,值得注意的是,、中性质量密度估计评估我们利用佬侵行灾柿棵芏裙鄄夂疓盅醯1裙鄄獾墓剐停酝验结果进行采样,、“真实”值以及被估计的中性质量密度值,以及一天内疓观测路径上的控制值、“真实”,这里的“真实”中观测构型,通过采样上述—计算的卫星观测位置上,“真实”中性质量密度值大于控制的中性质量密度逐渐变大,并且更加接近于“真实”值,这是由于鄄饬勘恢鸾ネ峦急示的是被估计的中性质量密度相较于控制结果提升最高能达到接近%.图显示,在同化开始阶段,,,:时刻至:时刻孀臫观测数据的不断同氮比值与“真实”值开始出现较大偏差,,结合图结果,全球平均积分氧氮比值在整个阶段是提升以外的其他位置处,⒅,预报时间段选择为至日:报阶段太阳活动指数#约暗卮呕疃甘齂终为和给出了在选取的预报佬枪旒N恢蒙系目刂浦怠ⅰ罢媸怠敝岛驮报的中性质量密度值,“真实”中性质构型,通过采样上述—,随着预报的进行,预报的中性质量密度值逐渐变小,并且更加接近于何建辉等:基于热层电离层耦合数据同化的热层参量估计刂剖笛槠骄露圆形标注线注线ⅰ罢媸怠被盅醯1戎三角形标注线约氨还计的平均积分氧氮比值叫伪曜⑾随时间变化图图个小时集合同化实验内在一个压力面上“真实”平均温度切伪曜⑾以及被估计的平均温度叫伪曜⑾随时间变化图;鲂∈奔同化实验内全球平均的控制实验积分氧氮比值残伪∑/瑃皌”.,琭皌”瑀皌”瑀
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控制值,#脑けń锥危けǖ闹行灾柿密度相较于控制结果提升的百分比仍然可以达到プ笥遥馑得髦行灾柿棵芏仍けㄊ蔽食叨饶芄淮到近为了研究哪一个热层参量在中性质量密度预报改进中起主导作用,图隽薈卫星观测位置处的“真实”、⒖刂埔约霸けǖ娜蚱骄地球物理学呼卷希篊卫星观测位置处的控制实验中性质量密度值阆、“真实”:、“真实”:被估计的积分氧氮比值相较于控制结果提升的百分比/∑疦;.图疓加一¨痮胃簍瑃皌”.琭畉”瑀甌∑“眃皌”.:装,
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,预报的中性温度逐渐变小,。预报的中性温度相较于控制结果提升的百分比已经低于ィ然而,根据图梢钥闯觯谠けǖ牡鲂∈保预报的积分氧氮比值相较于控制结果提升的百分何建辉等:“真实”:佬枪鄄馕恢么Φ目刂剖笛橹行灾柿棵芏戎点线ⅰ:预报的中性质量密度相较于控制结果提升的百分比/岜舳如摁遏都覱∞∞舳加蕖蕖蕖们舳∞∞摁丁蕖轔∞舳。/皌”.言簍瑃畉”琩琭皌”瑀甌一。一\趈Α忠灰弧W╱≈一一。一\謏忠灰弧R唬躸口止鉏一。一\蚸砖一一。一\。勺:∞一—二,■■■●■一:—
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摹翟崧酆吞致存在效果,但更优的密度估计需要对模式驱动——保持为.%.这说明中性成分可能在提高中性效果较差,、雷达成像、短波通信等科学研究和工程应用提本文通过观测系统模拟实验,研究发现:基于开比为.%,,通过同化电离层鄄猓梢杂行U炔阒行灾柿棵芏群突分氧氮比值,,而电离层观测正急剧增加,,中性成分在电子密度水平梯度变化剧烈区域是不足的,,国内外开发的数据同化现报系统,着眼于区域或全球电离层环境实时监测的目的,可为卫星供及时、准确、有效的电离层参量信息⒍斓龋疚氖褂玫牡缋氩闳炔慵峡ǘ瞬ㄍ系统采用稀疏矩阵来进行相关的超大矩阵存储和计算,大大节约了计算量,使得同化实验能够在普通工作站上完成,:预报的中性温度相较于控制结果提升的百分比图けń锥稳蚱骄目刂剖笛榛盅醯1戎圆形标注线ⅰ罢媸怠逼骄盅醯1戎三角形标注线以及预报的平均积分氧氮比值叫伪曜⑾在整个图希涸けń锥蜟卫星观测采样位置处的控制实验中性温度值阆、“真实”中性温度值迪以及预报阶段内随时间变化图∑/..血簍皌”.琩琭皌”瑀甌瑃,皌”畆琀琇琫
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附中文参考文献何建辉等::一疌篢.:琖阿尔察,刘四清,黄文耿等..中国电离层直ㄏ低常球物理学报,琩:./.,琩:./.:—,琈../...琩:./..,,..:./.篠..一疌/,甌痡./:,琍,琩:./—:,..:—琩:琇珻—.甋猤:,琕,:—;琘..猯篛琑琑瓵甋篈.,,,.西诅咒”:—,