全球电离层电子密度再分析数据的评估与气候学研究

As a result of ionospheric data assimilation based on massive observations, ionospheric electron densities reanalysis solves the problem of heterogeneity in observations and has the advantage of continuously temporal and spatial distribution, therefore, it is very suitable to study the characteristics of variations of the ionospheric electron density on the global and climatological scale. However, due to the lack of systematic evaluation and limited studies on the ionospheric climatology based on the reanalyzed data so far, it is necessary to carry out the corresponding work. Utilizing ground-based and space-borne observations and inversions of ionospheric electron density, mainly considering the factors including altitude, latitude, local time, season, geomagnetic and solar activities, this project is designed to investigate the deviations of the reanalyzed electron density compared to observations and the modelled results and quantitatively evaluate the precision of the reanalyzed results. Furthermore, we plan to separately contrast the observations, the reanalysis and the modelled results to study the cubic structure and the temporal evolution of the ionospheric climatological phenomena including Equatorial Ionospheric Anomaly (EIA) and Winter Anomaly. This study will be conductive to systematically evaluate the factors which influence the precision of the reanalyzed results and further understanding of the ionospheric climatological phenomena.

电子密度再分析数据是借助电离层数据同化技术而从海量的观测资料中得到的结果，它解决了传统观测资料的非均一性问题，具有连续时空分布的显著优势，因而非常适于研究全球尺度和气候学尺度上的电离层电子密度的变化特征。目前，再分析数据还缺乏较为系统的精度评估，而且它在许多电离层气候学现象中的研究还非常有限，亟需展开相应的工作。本项目拟根据地基和天基电离层电子密度观测和反演资料，以高度、纬度、地方时、季节、地磁活动水平、太阳活动水平等因素为主线，根据电子密度再分析数据以及气候学模型估计结果相对于观测资料在不同因素组合条件下的偏差，定量地评估电子密度再分析数据的精度；在此基础上，拟采用实际观测、再分析数据、气候学模型估计结果三组资料对照研究的方式，着重探讨赤道异常和冬季异常这两个电离层气候学现象的立体结构和时间演化。本项目的实施有助于更系统地理解影响电子密度再分析数据精度的因素，深化电离层气候学现象的认识。

地球电离层的电子密度，它是一组关于时间和空间（经度、纬度、高度）的多维数据集，涉及的维度较多，一直缺乏关于它的整体观测。本项目中的再分析方法，就是从各种离散的电离层观测资料出发，试图得到一个涵盖全部电离层空间的电子密度数据集的过程。为了评估这个再分析模型，本项目开展了一系列的工作，与传统的气候学模型比对发现，再分析模型可以更好地描述各种常见的电离层气候学现象，包括威德尔异常、极区粒子沉降、北美洲在太阳极低年的冬季异常消失等现象，取得的研究结果详列如下：.（a）.利用2012年的NmF2和TEC数据，对比了IRI模型和同化模型中的威德尔海异常现象，结果表明，两者符合得较好；.（b）.利用2008年125 km高度的电子密度数据，对比了IRI模型和同化模型中的极区电子密度沉降现象，结果表明，IRI模型不能表达这个特征，而同化模型可以较好地还原这个现象；.（c）.利用2007年美洲扇区和澳大利亚扇区的NmF2和TEC数据，分析了太阳极低年的TEC冬季异常在北美洲扇区消失的现象，结果表明，IRI模式无法反映该现象，而再分析TEC则没有冬季异常现象，相比于IRI模型能更好地再现冬季异常的存在与否，与观测结果更为吻合。.在上述工作之外，项目还针对目前的多GNSS观测进行了单站TEC提取的方法探索，设计了关于卫星星座组合、局部球对称的时空域门限的详细实验，并与GIM结果进行比对，结果表明，利用三系统的混合GNSS观测，可以在单个台站实现TEC和组合DCB的提取，并且与GIM辅助法得到的结果较为吻合，预期在未来有机会扩充到多系统的数据同化实例中，或者集成到单个GNSS接收机的内部，开发更有应用价值的电离层产品。