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基于COSMIC数据开展全球电离层fof2建模及变化特征研究

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科学技术与工程 2022年第34期22卷 15036-15042页

作者：陈林峰程云鹏陆军工程大学通信工程学院南京210000 国防科技大学气象海洋学院长沙410000

电离层fof2是短波通信、天波超视距雷达系统所需的关键环境参数,使用2006—2014年COMSIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere,and climate)掩星电离层数据和多项式方法,自主构建了高精度全球电离层fof2经验模型,并使用2015—2019年观测数据进行独立检验。本模型结果与建模及独立检验时段电离层fof2观测数据的相关系数分别为0.948和0.937,平均偏差分别为2.38%和3.08%,相对误差分别为11.72%和12.69%。利用该模型研究了电离层fof2时空变化特征,结果表明电离层fof2日夜变化幅度随纬度增加而变大,春秋分季期间南半球日夜变化幅度显著高于北半球,而夏季半球则远低于冬季半球。电离层fof2季节变化幅度随纬度增加而变大,夜间电离层fof2的季节变化以年特征为主,白天则包含了显著的年、半年特征,夜间季节变化幅度明显高于白天,南半球显著高于北半球。电离层fof2中纬槽现象主要出现在春秋分季夜间,经度方向四波结构主要出现在太阳活动低年和春秋分季期间。

关键词： COSMIC电离层数据电离层fof2 多项式方法经验模型时空变化特征

三亚地区电离层fof2变化特征及其预测研究

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三亚地区电离层foF2变化特征及其预测研究

作者：阮鹏飞中南民族大学

学位级别：硕士

电离层是地球高层大气部分电离的区域,其中存在着大量的带电粒子。无线电波通过各向异性的电离层传播时,会发生折射、散射、吸收等现象,依赖无线电工作的通信设备、导航系统就会受到影响。随着科技的发展,人类迫切的需要知道电离层更深... 详细信息

电离层是地球高层大气部分电离的区域,其中存在着大量的带电粒子。无线电波通过各向异性的电离层传播时,会发生折射、散射、吸收等现象,依赖无线电工作的通信设备、导航系统就会受到影响。随着科技的发展,人类迫切的需要知道电离层更深入的变化过程。本文基于数字测高仪的观测资料,对我国三亚地区电离层F2层临界频率（fof2）的周日变化、季节变化特征以及与太阳活动和地磁活动的关系做出了相应的分析。利用观测数据,结合混沌理论和RBF神经网络模型,在一定范围内预测fof2的变化,将预测结果与实测数据和国际参考电离层模型（International Reference Ionosphere,IRI）中的数据进行对比分析。首先,本文介绍了电离层的基础知识和相关的物理化学变化,描述了电离层研究中所用到的方法,阐述了电离层的发展历程以及研究现状,并说明了电离层研究中所用到的各种探测技术和手段。然后,根据电离层数字测高仪记录的观测资料,通过对电离层频高图进行标定,获取到相应的电离层fof2数据。本文选取海南三亚台站（18.34°N,109.62°E）2013年的观测资料研究电离层fof2的变化特征。结果表明,fof2具有明显的日变化特征,在正午之后达到极大值,然后逐渐减小,到黎明时分左右达到极小值。极大值和极小值出现时间分别对应于地方时15:00LT和06:00LT左右。电离层fof2的周日变化对季节也具有很强的依赖。两分季节（春秋）电离层fof2的变化幅度要比两至季节（冬夏）大,极大值在春季和秋季比其他季节要高,而在夏季要比其他季节低,极小值在夏季则比其他季节更大,表现出了明显的半年异常。冬季太阳辐射较弱,但电离层fof2在白昼时段的变化水平要比在夏季高,存在冬季异常现象。太阳活动性水平也影响着电离层fof2的变化。统计结果表明,fof2随太阳活动性增强而增大。相较于低等太阳活动,fof2在中等太阳活动下有所上升。电离层fof2变化明显受到地磁扰动的影响。磁静时期,电离层fof2的日变化较为平稳。磁扰时期,相应的fof2对平均水平有明显的偏移。IRI-2016模型值能够表现出三亚地区电离层fof2的变化特征,但在昼夜,季节以及太阳、地磁活动方面与实测值仍存在差异。最后,利用三亚地区2013年电离层fof2的观测数据,分析其混沌特性并进行预报。三亚地区电离层fof2时间序列存在确定的时间延迟和嵌入维数,其最大Lyapunov指数为0.1264,表明fof2时间序列存在混沌特征。重构fof2时间序列,通过RBF神经网络模型和Volterra模型,获得预测结果,将预测结果与实测数据和由国际参考电离层（IRI）模型导出的数据进行对比分析。结果表明,相较于IRI模型,运用RBF模型和Volterra模型预测得到的结果在均方根误差和相对误差上有很大提高。RBF模型的预测效果要稍强于Volterra模型。利用RBF神经网络对fof2时间序列进行预测时存在一个时间尺度。在该尺度范围内,预测结果较准确。随着预测步数增加,fof2预测值的精度将会下降。本文对三亚地区2013年电离层fof2参数进行研究,得到其基本变化特征并简要分析其发生的原因,运用不同模型预报fof2的变化并取得了较好的效果。本文方法可应用于电离层其他特征参量变化的研究,具有一定的科学意义和应用价值。

关键词：电离层fof2 周日变化季节变化混沌神经网络预测

三亚地区电离层fof2的混沌特性分析及其预测研究

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中南民族大学学报（自然科学版） 2019年第2期38卷 231-237页

作者：朱正平阮鹏飞中南民族大学电子信息工程学院

利用三亚台站2013年电离层fof2观测数据,讨论了电离层fof2的混沌特性及其预测.采用改进的C-C算法确定时间延迟和嵌入维数,计算最大李雅普诺夫指数,定量地印证fof2时间序列具有混沌特性.基于RBF神经网络的方法对fof2参量进行短期预报,并... 详细信息

利用三亚台站2013年电离层fof2观测数据,讨论了电离层fof2的混沌特性及其预测.采用改进的C-C算法确定时间延迟和嵌入维数,计算最大李雅普诺夫指数,定量地印证fof2时间序列具有混沌特性.基于RBF神经网络的方法对fof2参量进行短期预报,并将预报结果与Volterra模型、IRI模型和实测数据进行对比.结果表明,采用RBF神经网络法可成功预测fof2的变化,相比于国际参考电离层模型有较大提高,较Volterra模型也有一定提升.在一定时间尺度内,RBF神经网络预测结果较为准确,预测误差较小,超出该预测范围,预测效果将变差.

关键词：电离层fof2 混沌神经网络预测

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基于灰色理论的f_oF_2短期预报方法

电波科学学报 2013年第5期28卷 941-946页

作者：刘芸江肖瑶李曼戴铂空军工程大学信息与导航学院陕西西安710077

将灰色理论应用于电离层fof2的短期预报中,基于灰色距离信息熵确定样本序列最佳灰色预报长度,构建基于残差修正的预报模型,并利用中国地区多个观测站的观测数据进行检验.研究表明:平均灰色距离信息熵的计算结果反映了太阳自转的周期性影... 详细信息

将灰色理论应用于电离层fof2的短期预报中,基于灰色距离信息熵确定样本序列最佳灰色预报长度,构建基于残差修正的预报模型,并利用中国地区多个观测站的观测数据进行检验.研究表明:平均灰色距离信息熵的计算结果反映了太阳自转的周期性影响;高纬度地区预报方法的精度高于低纬度地区,且在太阳活动较为剧烈的季节,预报方法的误差相对较大;提前1d预报结果的平均相对残差在1MHz以内,平均精度在90%以上.为今后电离层短期预报提供了一种新思路.

关键词：电离层fof2 短期预报灰色理论

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中国大陆14次强震前电离层异常统计分析

电波科学学报 2012年第3期27卷 507-512,635页

作者：徐彤胡艳莉吴健李春斌吴振森索玉成冯健中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室山东青岛266107 西安电子科技大学陕西西安710071

地震电离层扰动规律统计分析对开展地震监测、预测意义重大。利用四分位数法对中国大陆地区14次Ms≥7.0地震前电离层fof2进行了统计,进一步证实了地震电离层异常的存在,并分析了地震电离层异常扰动的时间、空间分布规律以及扰动形态特点... 详细信息

地震电离层扰动规律统计分析对开展地震监测、预测意义重大。利用四分位数法对中国大陆地区14次Ms≥7.0地震前电离层fof2进行了统计,进一步证实了地震电离层异常的存在,并分析了地震电离层异常扰动的时间、空间分布规律以及扰动形态特点,给出电离层fof2扰动与地震各要素之间的关系。统计结果表明:85.7%(12次)的地震在震前出现电离层异常,并且大部分分布在震前7天以内的11∶00LT～17∶00LT;此外,电离层fof2扰动幅度与即将发生的地震震级、震源深度、震中距离存在不同程度的相关性。

关键词：地震电离层fof2 地震电离层扰动

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H_2释放扰动电离层的数值模拟

大气科学学报 2013年第4期36卷 499-503页

作者：汪四成方涵先杨升高翁利斌解放军理工大学气象海洋学院江苏南京211101

由于电离层中分子性离子与电子的复合要比氧离子与电子的复合快得多,因此H2在电离层高度释放可有效地引起电子的消耗。本文基于一个包括中性气体扩散方程和离子化学反应方程的二维动力学模型,对H2在电离层高度释放过程进行了数值模拟研... 详细信息

由于电离层中分子性离子与电子的复合要比氧离子与电子的复合快得多,因此H2在电离层高度释放可有效地引起电子的消耗。本文基于一个包括中性气体扩散方程和离子化学反应方程的二维动力学模型,对H2在电离层高度释放过程进行了数值模拟研究,并分析了不同释放条件下的电子扰动特性。结果表明:1)500mol H2释放后,迅速向周围空间扩散,释放中心处的电子密度30s内下降了近4%,F2层临界频率下降了1%左右;2)在不同高度处释放H2时,最大的电子密度相对变化率并不是在峰值高度附近处释放时出现的;3)释放化学物质的量越多,电子密度的扰动幅度也越大,但两者之间并不存在线性关系;4)相同量的H2在电离层峰值高度处释放,白天的电子密度扰动幅度要大于夜间的扰动幅度。

关键词：化学物质释放电离层人工改变电离层fof2