低纬电离层暴时预报模型研究

目前已有的电离层暴时预报模型, 只考虑了电离层参数变化的自相关性或者电离层和地磁指数的互相关性, 忽略了电场扰动引起的等离子体漂移对电子密度分布的影响, 因而在低纬和赤道区域具有较大的误差. 结合当前对赤道和低纬电离层扰动电场研究的最新成果, 考虑太阳风和磁层穿透电场, 电离层扰动发电机电场以及中性风和中性成份在不同太阳活动等级, 不同季节和不同地方时对低纬电离层的影响, 建立单站和全球尺度内低纬暴时电离层参数的经验预报模型. 把适合小样本事件分析和预测的支持向量机方法应用到电离层预报中, 参照构建经验模型时获得的一些信息对输入参数进行筛选, 建立基于机器学习方法的预报模型. 把获得的支持向量信息反馈给经验模式, 对模型进行优化, 改善其预报精度. 本项目的预期成果对提高区域电离层的预报水平具有重要意义.

电场是影响低纬和赤道电离层形态的重要因素。磁暴期间，磁层和行星际电场穿透到电离层，和暴时热层环流引起的发电机电场交替或共同作用于电离层，导致赤道和低纬电离层出现复杂变化，从而严重影响了电离层特征参数的预报精度。本研究中，首先以电离层F层底部高度h’F和峰值高度hmF2的垂直漂移为例，验证了磁暴期间Fejer经验电场模型在我国低纬的适用性。随后，基于数十次强磁暴期间的历史观测数据，采用非线性拟合方法，研究获得了暴时低纬电离层foF2对扰动电场的响应特征。根据以上特征并结合电离层扰动的变化特性，构建了表征电离层扰动的经验关系，建立了以扰动电场为输入的低纬单站电离层暴时修正模型。引入了适合小样本数据统计回归的支持向量机技术，分别设计不同的输入参数，包括当前和近期的扰动电场数据、太阳地磁活动数据、近期电离层的相对变化等，建立了提前1－5小时预报单站暴时电离层foF2的经验模型。研究表明，磁暴期间我国低纬电离层的垂直漂移与Fejer经验电场具有较好的相关性。以Fejer经验电场为输入的电离层暴时修正模型，能较好的捕捉磁暴初相和主相期间由扰动电场引起的电离层变化，但对恢复相期间的电离层扰动无能为力。而对基于支持向量机技术建立的预报模型，由于考虑了扰动电场的带权积分和近期电离层参数的相对变化，其预报结果能较好的反应电离层暴的演化，只是随着预报提前量的增加，预报精度逐渐降低。项目执行过程中还开展了磁暴恢复相期间中性风和中性成分扰动对低纬电离层暴的影响规律研究，试图从中性扰动成分从高纬向低纬传播的延迟特性中提取低纬电离层暴时预报的输入因子。然而，由于上述物理过程极为复杂，未获得二者间可用的相关性。本项目执行过程中获得的主要成果对提高低纬电离层的预报精度具有重要意义。