中纬度局地电离层TEC与地磁变化场时空相关性分析与建模研究

The ionospheric TEC (Total Electron Content, TEC) and geomagnetic variation field are two important components of the Earth space electromagnetic environment. Previous observations have shown that there do exist close relationship between them. But some of the key problems remain unresolved, such as the timing relationships, the variation trends, the extreme value relationship, the rate of change, the phase relationships and so on. The subject intends to observe the ionospheric TEC and the three-component geomagnetic field synchronously at the same point by the joint observation experiment, and the observation stations are distributed by multiple geometries and multiple space scales in order to get the local high time and space resolution data. Then, based on the dynamic system theory, the nonlinear and non-stationary features of the ionospheric TEC and geomagnetic variation field time series (both the quiet and disturbed period of the space environment) are analyzed, the focus study is to find out the spatiotemporal relationship between them. And on this basis, the empirically comprehensive model of the ionospheric TEC and geomagnetic variation field is established. The results of the subject not only can improve the ionospheric TEC prediction accuracy and reliability, but also can provide the theoretical basis and technical support for the monitoring of the local near-space environment.

电离层TEC和地磁场是地球空间电磁环境的两个重要组成部分。以往的观测表明电离层TEC变化与地磁场扰动之间存在着密切联系。但其中一些关键问题仍然没有解决。例如二者的时序关系，变化趋势、极值对应性、变化率和相位关系等等。本课题拟采用多种几何布站、多种尺度方式对电离层TEC与地磁三分量进行同点同时联合观测，获取局地电离层TEC与地磁场的高时间和空间分辨率数据；从系统动力学的角度，对平静时期和地磁扰动时期电离层TEC与地磁场观测数据进行非线性非平稳时间序列分析，重点研究电离层TEC与地磁场扰动之间时空相关特性；进而在此基础上建立电离层TEC与地磁场的综合预测模型。本课题研究结果不仅可以提高电离层TEC预测精度与可靠性，而且可以为局地临近空间环境监测提供理论基础和技术支持。

地球变化磁场和电离层是地球空间电磁环境的两个重要组成部分。以往的观测表明电离层TEC变化与地磁场的扰动之间存在着密切联系，但两者的具体关联性，例如时序关系、变化趋势、极值对应性、变化率和相位关系等，仍缺乏较为深入的研究。因此，本课题对中纬度区域电离层TEC与地磁变化场的相关关系进行了研究，并尝试融合两种数据进行联合建模。完成的工作包括：（1）建立了多个高精度电离层TEC和地球变化磁场的联合观测台站，并利用同步观测的数据和从国家地磁台网中心、IGS网站等获取的数据，建立了有针对性的、局地的（战区级）电离层TEC和地磁变化场数据库。（2）研究了电离层TEC和地球变化磁场各自时间序列的非线性、非平稳性、时频特性、时空特性和复杂度特性等。（3）分别统计分析了电离层TEC与地球变化磁场在扰动时期和平静时期变化规律的相关关系。（4）在分别对电离层TEC和地球变化磁场进行单独建模预测的基础上，融合两者相关性分析的结果对各自的模型进行修正，从而建立联合观测模型。（5）研究了全球不同空间位置电离层VTEC之间的相互作用，利用贝叶斯概率图模型构建了关于电离层不同空间位置之间因果关系的复杂网络，然后分别对电离层网络进行了多项检测。（6）将秩-1的张量分解引入到电离层时空分析当中，更加精确地获得了电离层VTEC在时间、经度以及地磁纬度上的大尺度变化特点。（7）利用隐马尔可夫模型分析地磁变化场不对称性特征。. 本课题的意义在于：通过对地球变化磁场与电离层TEC相关关系的研究，发现两者确实存在一些规律性的联系，这一方面对于认知两者变化关系、探索空间电磁环境的变化规律有着重要的理论意义，另一方面为监测空间电磁环境的变化、预测灾害性空间天气、进行核爆探测等实际应用提供了理论基础和技术支持；而对两者的联合建模研究，既可以提高电离层TEC预测精度与可靠性，又可以用于分析地磁导航信息的准确性。