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中国区域掩星观测与IRI-2016电离层峰值参数的比较.docx
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中国区域掩星观测与IRI-2016电离层峰值参数的比较.docx
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作为最为广泛使用的电离层经验模型之一,国际参考电离层模型(international
reference ionosphere, IRI)对电离层研究和应用具有十分重要的意义
[1]
。IRI 模型利用了垂
测仪、非相干散射雷达、卫星观测及探空火箭数据,可以输出任意指定时间和经纬度的
60~2 000 km 的电子密度和总电子含量(total electron content, TEC)等多种电离层参数
信息
[2]
。自 1972 年以来,随着电离层观测数据的积累、观测技术的革新和建模方法的改
进,IRI 模型已发布了多个版本,目前最新版本为 IRI-2016
[3-4]
。
峰值密度 NmF2 和峰值高度 hmF2 是表征电子密度廓线形态的重要参量。对于 NmF2
的计算,IRI-2016 模型中包含 IRI_CCIR 和 IRI_URSI 两种模型选项。对于 hmF2 的计
算,在旧版本模型使用的 IRI_CCIR hmF2 模型的基础上,IRI-2016 模型中另外新增了
IRI_AMTB 和 IRI_Shubin 两种模型选项。hmF2 的 IRI_CCIR 模型是基于 1954—1958 年
全球分布的约 150 个垂测仪观测资料,利用 hmF2 与参数 M(3 000)F2 的强相关关系由
M(3 000)F2 计算得到。其中,M(3 000)F2 为 3 000 km 高度处最大可用频率和 F2 层临界
频率(foF2)的比值。这种间接计算 hmF2 的方法有诸多缺陷。IRI-2016 模型中新增的两
种计算 hmF2 的模型选项直接对 hmF2 进行建模,不依赖 M(3 000)F2。其中,IRI_AMTB
模型是根据全球分布的 26 个垂测仪(其中包括中国区域的武汉站、安阳站和三亚站)在
1998—2006 年的 hmF2 观测值,纯粹利用地基垂测仪观测值进行建模
[5]
;IRI_Shubin 模
型的建立则使用了挑战性小卫星有效载荷(Challenging Minisatellite Payload,
CHAMP)、重力恢复与气候实验(Gravity Recovery and Climate Experiment,
GRACE)和气象、电离层和气候卫星联合观测系统(Constellation Observing System for
Meteorology, Ionosphere and Climate,COSMIC)3 个掩星任务的观测资料以及分布全球
的 62 个垂测仪于 1987—2012 年的观测数据
[6]
。
COSMIC 由美国国防部和中国台湾地区联合研制并于 2006-04-15 发射升空,在掩星
观测任务中具有里程碑的意义
[7]
。COSMIC 由 6 颗低轨卫星组成,轨道高度在 800 km 左
右,轨道倾角为 72°,并配备能够接收 GPS 信号的接收机。掩星事件发生时,GPS 信号
穿过电离层时受电子密度影响而发生折射,产生附加相位延迟。在信号直线传播和球对称
假设等前提下,由传播路径上的总电子含量使用 Abel 积分变换方法可得到电子密度廓线。
COSMIC 掩星反演结果已经得到了多种独立观测手段的验证
[8-10]
。
中国区域(70°E~140°E,15°N~55°N)跨越中低纬地区,电离层变化幅度较大。文
献[11]利用中国区域的 4 个垂测仪台站对 IRI-2016 模型在中国区域的性能进行了评估,但
只能对垂测仪台站周围的电离层特征进行验证分析。COSMIC 掩星观测具有全球覆盖、高
精度、垂直分辨率高等特点,可用于对 IRI-2016 模型在整个中国区域的表现进行分析。本
文的研究内容包括使用 2008—2014 年的 COSMIC 掩星数据对地磁平静条件下 IRI-2016
模型在中国区域的性能进行验证,并对 IRI-2016 模型在中国区域使用时不同 NmF2 和
hmF2 模型选项的输出结果进行统计分析,以确定 IRI-2016 模型在中国区域输出值的最优
选项。
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