基于地基/FY-3C掩星GNSS研究台风过程电离层扰动规律与耦合机理

Typhoon can cause mesoscale and microscale ionospheric disturbance, which will pose a serious threat to GNSS safely operating. However, the law and coupling mechanism of the ionospheric disturbance caused by the typhoon are still not clear, because of the lack of systematic and intact research. Firstly, in order to acquire the ionosphere data of high spatial and temporal resolution, the inversion ionosphere TEC of ground-based GNSS and FY-3C Occultation GNSS launched in 2013 will be fused and the electron density will be tomographic. Then, considering the variety of ionosphere factors, the time and space position of the ionosphere disturbance caused by typhoon will be detected based on BP neural network model, and the abnormal values will be calculated by Kalman filter model. And then the characteristic data of ionosphere disturbance induced by typhoon in China during 2006-2020 and their correlation will be statistically obtained. At the last, the Coupling mode of typhoon and ionosphere will be built based on IRI2012 model, whose function variables are ionospheric data, spatial weather data and typhoon weather data. And then based on the theory of the top moving of the turbulent layer and the principle of photochemical reaction, the coupling mechanism of the ionospheric disturbance caused by the typhoon will be verified by numerical simulation based on the GRAPES model. In a word, it is of great significance for improving the ionosphere model and the level of ionosphere monitoring and warning, that will ensure the accuracy and reliability of GNSS. At the same time, it will also provide a new idea for the accurate typhoon prediction.

台风会引起电离层中小尺度扰动，对GNSS安全运行构成严重威胁。然而，台风引起电离层扰动的规律与耦合机理仍未明确，缺乏系统、完整的研究。本项目将基于地基/FY-3C掩星GNSS反演的电离层TEC数据进行融合并层析出电子密度，获取高时空分辨率的电离层数据；然后，基于BP神经网络和卡尔曼滤波模型建立多因子的电离层异常探测模型，确定电离层扰动的时空位置与异常值，并统计分析2006-2016年期间影响我国的台风引起电离层扰动的规律及其关联性；最后，以电离层数据、空间天气数据、台风气象资料为函数变量，基于IRI2012模型建立台风-电离层耦合模式；以湍流层顶移动理论、光化学作用原理等为基础，基于GRAPES模式数值模拟验证台风引起电离层扰动的耦合机理。本项目研究将有助于完善电离层模型、提高电离层监测与预警水平，对于保障GNSS安全、准确、可靠运行具有重要意义，也将为台风精确预报提供一种新思路。

台风会引起电离层扰动，甚至激发电离层闪烁，将显著降低GNSS可用性和完好性。然而，台风引起的电离层扰动是一种复杂的随机过程，其特征规律与耦合机理仍未明确。. 为此，本项目围绕多源GNSS电离层数据融合与层析、电离层异常探测方法、台风过程电离层扰动特征和耦合机理等方面开展了研究，基于太阳活动指数F10.7提出了探测能力、可靠性更强的电离层异常探测方法，利用地基GNSS、电离层闪烁仪、数字测高仪多源数据，统计分析了2006-2016年我国11个台风过程的电离层形态变化，发现其中有7个台风过程的电离层出现不规则性扰动，且一般出现在台风登陆前后一天和登陆当天；在地势较高地区登陆的台风的电离层扰动更为显著。因为，当台风登陆地势较高的地区时，由于地形的阻力效应, 空气中的高递减率为声重力波的发展创造了理想的条件，台风影响期间所激发的重力波可以传播到电离层高度并激发电离层扰动。利用FY-3C/COSMIC掩星GNSS、数字测高仪研究了2016年台风“莎莉卡”期间电离层的三维形态，结果表明：当台风上升气流和下降气流交替通过数字测高仪上空时，电离层F2层剖面电子密度出现以4小时为间隔的周期性异常现象；当台风登陆时，电离层的电离子在垂直方向漂移运动增强。利用GPS电离层闪烁监测仪对2011-2018年期间澳大利亚4个气旋期间的电离层闪烁进行研究发现：当热带气旋中心距离GPS电离层闪烁监测站最近且距离小于500km时，GPS电离层闪烁频率增多，且主要集中在地磁纬度7.5°S-10.1°S范围的气旋路径上方；当GPS卫星穿过气旋中心时，GPS电离层闪烁强度增强。针对气旋引起的电离层闪烁现象，提出了相应的耦合机制：首先气旋顶部湍流运动引起电场扰动将产生结构不规则的电离层，激发出电离层泡；当GPS信号穿过这些电离层泡时，GPS信号将会发生闪烁现象。. 2020年，我国北斗系统已经全面建成，迈入全球服务新时代。项目取得的重要研究成果，对于建立精准的电离层监测预警系统，保障北斗提供精准、可靠、完整的时空服务具有重要战略和实际意义。