电离层长期变化趋势的观测分析与模拟研究

电离层垂测已经有近百年的历史，分析这些数据显示电离层峰值电子浓度有长期变化的趋势，但是不同的台站得到的变化趋势有显著的不同，有的甚至相互矛盾(有的增加，有的减少)。关于电离层长期变化趋势的原因，不同的学者有不同的解释，目前提出的主要解释有温室效应和地球主磁场的变化(磁极漂移，磁场强度变化，主磁场西漂等)等。本项目拟同时结合观测数据和理论模式，对这些因素造成的电离层长期变化趋势的相对重要性进行研究，并揭示这些相对重要性随空间的分布特征。首先收集全世界的测高仪观测资料，利用人工神经网络方法分析其长期变化趋势，得到电离层长期变化趋势的空间分布特征，然后完善我们现有的电离层理论模式，模拟研究地球主磁场变化和温室效应导致的电离层长期变化趋势在全球的空间分布，结合数据分析和理论模拟结果，估算这些因素的相对重要性。本项目对认识温室效应导致的电离层变化及电离层-地磁耦合研究有较大的科学价值.

本项目中，我们采用经验模式对COSMIC观测掩星事件进行模拟，通过比较Abel反演电子密度与模式对应值，量化了Abel反演误差的分布。模拟结果显示：Abel反演的电子密度在F层有较好的精度，但在低高度和低纬度有较大误差，能造成虚假的等离子体空洞及纬向的三峰结构。在此基础上，我们实验了利用数据同化辅助反演的办法，模拟及实际数据反演表明该方法能有效的消除Abel反演造成的大尺度误差。同时，我们利用经验电离层模式作为背景场，分别构建了中国局域及全球的电离层数据同化模式。针对中国及周边已有的观测台站，我们做了观测系统模拟实验，确认了该模式的稳定性和有效性。利用全球数据同化模式，我们把2002-2012年所有的IGS地基观测、空基无线电掩星(CHAMP, GRACE, COSMIC, SAC-C, TerraSAR-X, Metop-A)观测、Jason-1/2高度仪观测等同时同化到模式中，进而产生全球三维电子密度的再分析场，我们利用全球测高仪观测和Poker Flat非相干散射雷达观测进行独立验证表明：再分析场精度显著优于IRI预报值。