基于多源观测数据统计分析的顶部电离层电子密度剖面及积分电子含量的建模研究

The topside ionosphere is an important part of the whole ionospheric system, which contributes more than 2/3 of the ionospheric integrated electron content (or the so-called total electron content-TEC, a parameter which has important impacts on satellite navigation and positioning errors, etc). Improvement of the topside ionospheric electron density profile model has been one of the taskforce activities of the International Reference Ionosphere (IRI) community since many years. This research project is to study new ways to model the topside ionospheric electron density profile and the integrated electron content with methods other than those traditional ones used by previous researchers. This is to be achieved through studying the multi-scale spatial and temporal variations of the topside ionospheric electron density and its integrated content using multi-source data from both space- and ground-based observations, based on comprehensive data analysis, supplemented with theoretical analysis. We will firstly study the statistical properties and features of the topside ionospheric electron density and its integrated content, including their global variations with geographical/geomagnetic latitudes/longitudes and heights as well as their multi-scale temporal changes with local time, seasons and solar cycles. Then we will study the main mechanisms governing the variation behaviors of the topside ionospheric electron density and its integrated content, and couplings with the bottomside ionosphere and the plasmasphere/magnetosphere, trying to understand the controlling roles of the dynamical/ electro-dynamical processes in the coupling processes and the effects of the solar activities and geomagnetic disturbances on the variations of the topside ionosphere. Lastly, based on the results obtained by the above steps, we will study and search the modeling technique suitable to model the multi-scale spatial and temporal variation features of the topside ionospheric electron density and its integrated content by trying methods such as Eigen mode decomposition, combined with harmonic analysis, correlative and regression analysis, data assimilation, etc. The goal of this research project is to provide a basis for the construction of space weather models and prediction/forecasting, and to contribute to the improvement of the IRI’s topside electron density profile model.

顶部电离层是整个电离层系统的重要组成部分，对卫星导航等的误差有重要影响的电离层积分电子含量2/3以上来自该区的贡献。改善或重建顶部电离层电子密度剖面模型是国际参考电离层组织倡导的重要课题。本项目拟用不同于传统经验建模思路的方法研究顶部电离层建模。利用天基与地基多源观测资料，采用现代先进的综合数据统计分析法，定量研究顶部电离层电子密度及积分电子含量的全球空间分布特征及随地方时、季节、太阳活动周等多尺度时间变化的统计规律；通过数据对比与相关性分析，结合理论分析研究顶部电离层电子密度及积分电子含量变化特征的形成机理，了解(电)动力学过程在其中的作用机制，揭示太阳活动、地磁扰动等因素对顶部电离层电子密度及积分电子含量变化特征的控制行为；最后尝试用本征模分解法，结合谐波分析、相关分析、回归分析与数据同化等技术，研究顶部电离层电子密度与积分电子含量的建模方法。本项目的研究可为空间天气的建模与预报服务。

顶部电离层是整个电离层系统的重要组成部分，对卫星导航等的误差有重要影响的电离层积分电子含量2/3以上来自该区的贡献。改善或重建顶部电离层电子密度剖面模型是国际参考电离层组织倡导的重要课题。本项目研究了包括顶部电离层在内的全球电离层电子密度的时空变化规律及其形成机理，并对其进行了建模研究。本项目的研究还积累了各种数据库，特别是三维网格化的全球电离层电子密度数据库，可为后续研究提供便利的数据基础。采用的建模方法及所建模型可为空间天气建模与预报服务提供参考。..首先我们对网格化的电子密度数据集进行经验正交函数（EOF）分析。 EOF分析把网格化电子密度数据集分解为一系列的本征模或本征函数（Ei)和相应的系数(Ai)。本征函数（Ei)代表电子密度随地磁纬度、磁地方时以及高度的变化，相应的EOF系数(Ai)代表电子密度随季节以及太阳活动周水平的变化。我们得到的结果表明，分解得到的各阶主要 EOF分量 (Ei, Ai) 具有不同的三维空间结构特征和时间变化规律，表征了不同的物理过程和机制对电离层电子密度（Ne）空间结构与时间变化的控制与影响作用。具体而言:第一阶EOF分量主要表达Ne的平均全球结构及其随季节和太阳活动周的时间变化;第二阶EOF分量主要表达太阳天顶角的季节变化对电离层的控制作用；第三阶EOF分量主要表达Ne的峰值高度受各种因素的作用而产生的抬降效应；第四、五阶EOF分量分别表达南、北半球电离层板厚的变化特征。.机理研究表明，电子密度的这些时空变化特征，主要可归因于：(1)作为电离层电离源的太阳辐射强度的变化；(2)赤道地区的电动力学产生的喷泉效应；(3)太阳天顶角随季节的变化导致太阳辐射对中性大气的电离产生率的变化；(4)热层大气环流引起的背景中性大气层氧氮浓度比［O/N2］的季节变化导致离子电离率和复合率的变化；(5)热层大气环流引起的风场对电离层的抬升与降低作用导致离子电离率和复合率的变化。.最后，利用EOF分解得到的基函数和相应的EOF系数，结合谐波与回归分析方法，对全球电离层电子密度进行了经验建模研究。与观测结果的对比表明所建模型能够较好地再现观测结果中全球电离层电子密度的主要变化特征。