基于DEMETER衛(wèi)星電子濃度探測(cè)數(shù)據(jù)的不同時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型研究

李傳榮張志瑋李子揚(yáng)朱小華1）中國(guó)科學(xué)院定量遙感信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1000942）中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京 1000943）中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

基于DEMETER衛(wèi)星電子濃度探測(cè)數(shù)據(jù)的不同時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型研究

李傳榮1，2）張志瑋1，2，3）李子揚(yáng)1，2）朱小華1，2）
1）中國(guó)科學(xué)院定量遙感信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094
2）中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京 100094
3）中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

在地震前兆電離層擾動(dòng)研究中，復(fù)雜的電離層環(huán)境會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星電磁探測(cè)載荷的性能及工作狀態(tài)發(fā)生變化。目前探測(cè)載荷性能分析多以實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)定標(biāo)和野外實(shí)驗(yàn)手段與其他探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析為主，不能滿(mǎn)足高頻次的載荷性能與數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)需求，所以，有必要進(jìn)行同一電離層參量星上探測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。由于同期在軌衛(wèi)星較少，因此，通過(guò)建立電磁衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型進(jìn)行時(shí)間匹配，開(kāi)展不同期在軌衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)交叉檢驗(yàn)研究，同時(shí)，利用電磁衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)建立時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型構(gòu)建電離層背景場(chǎng)，分析地震相關(guān)的空間電磁事件引起的電離層擾動(dòng)。

選取DEMETER電磁衛(wèi)星2006年1月至2010年11月郎繆爾探針（ISL）探測(cè)的電子濃度數(shù)據(jù)（Ne）。剔除磁暴發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)，并將地球表面以2°×2°的經(jīng)緯度間隔劃分經(jīng)緯度格網(wǎng)，收集Ne數(shù)據(jù)形成網(wǎng)格中心點(diǎn)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，組成2006年1月至2010年11月的月平均時(shí)間序列數(shù)據(jù)，對(duì)IRI模型模擬衛(wèi)星軌道高度處Ne的精度進(jìn)行分析，同時(shí)基于Ne的季節(jié)特征建立了ARIMA時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，最后分析兩種模型預(yù)測(cè)Ne的相對(duì)誤差。

利用國(guó)際通用電離層模型IRI模擬預(yù)測(cè)衛(wèi)星軌道高度處Ne數(shù)據(jù)，并利用ISL探測(cè)Ne驗(yàn)證IRI在不同緯度預(yù)測(cè)Ne數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差。隨機(jī)選取30°E從60°N～60°S間隔10°不同緯度點(diǎn)為研究點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。最后驗(yàn)證的結(jié)果為在高緯度地區(qū)IRI模擬Ne相對(duì)誤差較低，在中低緯度地區(qū)模擬Ne相對(duì)誤差較高。

根據(jù)ISL探測(cè)Ne數(shù)據(jù)明顯的季節(jié)變化特征，采用時(shí)間序列分析方法中的自回歸移動(dòng)平均模型（ARIMA）建模方法建立時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)非平穩(wěn)的有周期性變化特征的時(shí)間序列進(jìn)行季節(jié)差分和非季節(jié)差分后變?yōu)槠椒€(wěn)序列構(gòu)建ARIMA模型，采用（60°N ，30°E）處2006年1月至2009年12月ISL探測(cè)Ne數(shù)據(jù)建立ARIMA模型，并利用2010年1～11月ISL探測(cè)Ne數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型給出兩種時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析。

這里給出兩種時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型在2010年1～11月預(yù)測(cè)值與ISL探測(cè)Ne的相對(duì)誤差圖。從圖1可以看出，ARIMA模型預(yù)測(cè)4個(gè)月的相對(duì)誤差在10%以下，而預(yù)測(cè)超過(guò)6個(gè)月后相對(duì)誤差增長(zhǎng)較快。IRI模型的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差則一直保持在20%左右，預(yù)測(cè)誤差沒(méi)有隨著預(yù)測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)而顯著增大。

通過(guò)對(duì)兩種時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型的研究可以得出：IRI模型在高緯度地區(qū)模擬Ne精度較高，可以考慮在高緯地區(qū)利用IRI模型模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配，進(jìn)而開(kāi)展星上電磁探測(cè)數(shù)據(jù)交叉檢驗(yàn)研究；同時(shí)，ARIMA時(shí)間序列模型在短期預(yù)測(cè)中預(yù)測(cè)精度較高，可以在與地震有關(guān)的電離層擾動(dòng)分析中，利用ARIMA模型預(yù)測(cè)分析時(shí)段電離層背景值，進(jìn)而有效的分離出電離層擾動(dòng)。

圖1　IRI和ARIMA模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差變化圖