基于电离层数据同化提取热层信息并研究其长期及气候学变化

After several decades of development, ionospheric measurements have accumulated very abundant and long-term data. But the neutral density observation of the thermosphere is still scarce. The thermosphere and ionosphere is in a coupling system. The behaviors of ionosphere actually reflect the information of the thermosphere. The data assimilation makes use of the reality of the observations and also physical process of the ionospheric model. Thus we can get the thermosphere gas information via the data assimilation method. On the basis of multiple ionospheric observation resources like the key parameters of ionosphere, NmF2, hmF2, TEC, and the ionospheric and thermospheric coupling model developed by our group, this program will develop the new assimilation method to get the thermospheric gas density and dynamic information. To verify the effective of the new assimilation method, we need to do substantial modeling test. First use the empirical model data as the assumed observation field, and add some disturbances to the observation. And then evaluate the effective of our assimilation method. In addition, we also evaluate the effective of the method by using the actual observed data from ionospheric and thermospheric measurements. Finally, we will carry out the study on the long-term changes and climatology of thermosphere on the basis of the inversed thermosphere gas and dynamic information and also study the coupling of ionosphere and thermosphere during the space weather events.

经过几十年的发展，电离层观测积累了丰富的长期数据，但热层的中性大气观测依然比较少，电离层热层是一个紧密耦合的系统，电离层热层耦合系统中电离层的行文变化本身蕴含了热层的信息。数据同化充分利用了观测数据的真实性以及电离层热层模式蕴含的物理过程，因此通过数据同化的方法可以提取热层大气信息。本项目拟基于实验室自主电离层热层耦合模式，初步试验以多种电离层关键参量如F2层峰值密度、峰值高度以及总电子含量，发展合适的同化新算法提取背景热层大气及动力学信息。为了验证算法的有效性，需要做充分的模拟试验工作。即利用经验模式生成假设的观测场，在此观测场上加各种扰动，以此检验数据同化算法的有效性。同时也将利用现有的大气密度数据来检验反演大气数据的有效性。在此基础上，基于丰富长期电离层资料反演热层大气信息并研究其长期及气候学变化，另外开展空间天气事件中电离层热层耦合变化研究。

本项目按计划进行，取得了预期成果，主要是基于大量电离观测数据，并结合全球电离层热层-理论模式，并开发电离层经验模型以及数据同化模式，基于这些模型和数据重点研究了电离层热层大尺度空间结构变化特征（经度结构和纬度结构）、太阳辐射剧变下动力学影响、热层气候学变化特征等。在经度结构方面，我们基于大量掩星观测数据，经过细致分析，首次发现中纬电离层四波结构特征，并结合热层观测与理论模式模拟分析，提出了形成中纬四波结构的主要控制机制：低层大气潮汐向上直接传播扰动电离层形成电离层经度变化。在纬度结构方面，重点研究了中纬槽结构在南北半球的经度变化差异，揭示地磁场构型对中纬槽的重要控制机制，并进一步研究了在不同磁暴事件期间电离层中纬槽的演化特征。在空间天气扰动研究方面，首次我们发现了北美地区出现了带状结构的电离层扰动响应，通过观测与模拟，分析了其主要控制机制；然后，利用2020年6月21日发生在我国南方地区的日全食过程，通过数据分析和理论模拟，研究了日食期间共轭半球电离扰动及其重要控制机制，提出光电子跨半球输运是一个重要因素。在电离层建模方法，为了充分利用大量电离层观测数据，尽量减少平滑过程，我们首次提出了网格化全球电离层电子密度建模的概念，发展了一个新的高精度电离层经验模型。在电离层数据同化方面，我们提出了基于高精度电离层背景模型和高精度电离层观测的数据同化方法，建立了能同化模拟电离层逐日变化的中低纬电离层数据同化测试系统。