SAMI2物理模型與東亞扇區(qū)GPS TEC數(shù)據(jù)比較研究

胡艷莉, 徐彤, 朱夢(mèng)言, 鄧忠新

(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266107)

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)主要有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)等. 這些定位系統(tǒng)都位于20 000 km以上,導(dǎo)航信號(hào)的傳輸都經(jīng)過電離層,不可避免地會(huì)受到電離層效應(yīng)的影響[1-2]. 電離層效應(yīng)誤差已成為導(dǎo)航定位的主要誤差源,其一階折射誤差正比于電離層電子濃度總含量(TEC). 電離層TEC監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究已成為空間天氣服務(wù)研究的重要內(nèi)容[3]. 因此,開展現(xiàn)有電離層模型TEC計(jì)算精度評(píng)估,非常重要.

目前電離層模型主要有兩類:1)基于觀測(cè)數(shù)據(jù),建立與太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)等控制因素線性或非線性關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如美國(guó)國(guó)際參考電離層(IRI)[4],歐洲的Nequick[5]等;2)基于“第一原理” (first principle),通過模擬電離層中的各種物理及化學(xué)過程,揭示電離層的行為機(jī)理的物理模型. 相比于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?理論模型可以幫助人們理解電離層的物理化學(xué)過程. 基于電離層物理模型的數(shù)據(jù)同化數(shù)值預(yù)報(bào)已成為空間天氣領(lǐng)域提高電離層預(yù)測(cè)能力,滿足衛(wèi)星導(dǎo)航與通訊需求的主流技術(shù)方向[6]. 目前,較為著名的電離層物理模型有美國(guó)大氣研究中心的TIMEGCM(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere-Electrodynamics General Circulation Model)[7]、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的SUPIM (Sheffield University Plasmasphere Ionosphere Model)[8]、俄羅斯的GSMTIP (Global Model of the Thermosphere-Ionosphere-Protonsphere)[9],以及美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室SAMI2 (Sami2 is Another Model of the Ionosphere)[10]模型等. 其中,SAMI2模型是目前為數(shù)不多的開源物理模型之一,已廣泛應(yīng)用到電離層對(duì)太陽(yáng)耀斑、磁暴、地震、高頻電波加熱等響應(yīng)的物理機(jī)制研究中. 然而,目前對(duì)該模型精度評(píng)估的研究較少. Huba等[11]開展了該模型與1999年11月24日07:28 UT-08:03 UT ARGOS(Advanced Research and Global Observation Satellite)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)氧原子離子O+密度、NmF2與觀測(cè)值吻合較好,但對(duì)比數(shù)據(jù)量有限,不具有統(tǒng)計(jì)意義,且局限在美洲扇區(qū). 在其他太陽(yáng)活動(dòng)年份(如低年),其他經(jīng)度扇區(qū)模型精度還需進(jìn)一步檢驗(yàn).

電離層物理模型的精度對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性有著重要的影響. 本文利用國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)電離層TEC數(shù)據(jù),檢驗(yàn)SAMI2模型在東亞扇區(qū)三個(gè)站點(diǎn)(覆蓋中低緯度及赤道地區(qū))的TEC計(jì)算精度,為基于SAMI2模型構(gòu)建背景誤差分布特征及開展該區(qū)域電離層數(shù)值預(yù)報(bào)研究可行性提供理論支持.

1 數(shù)據(jù)獲取及模型介紹

地面GPS雙頻接收機(jī)在每一時(shí)間歷元都能接收到多顆衛(wèi)星發(fā)射的雙頻相干信號(hào),可以提取電離層TEC信息,為了減少低仰角帶來(lái)的電離層TEC測(cè)量誤差,本文設(shè)定衛(wèi)星觀測(cè)截止仰角為45°. 首先,采用載波平滑碼偽距方法計(jì)算出每一時(shí)間歷元每一衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑上的電離層斜向TEC(sTEC). 然后,依據(jù)電離層薄殼模型,取電離層電子密度質(zhì)心高度為400 km,將sTEC轉(zhuǎn)換為穿刺點(diǎn)的電離層垂直TEC (vTEC). 最后,對(duì)15 min時(shí)間間隔內(nèi)的所有穿刺點(diǎn)的vTEC,采用Kriging插值方法擬合出各觀測(cè)站上空每15 min的vTEC數(shù)據(jù)[12]. 電離層TEC的單位為TECU (1 TECU=1016electrons/m2). 按照上述方法,對(duì)東亞扇區(qū)覆蓋中低緯及赤道地區(qū)的Beijing,Wuhan和Guam三個(gè)GPS觀測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,構(gòu)建了相應(yīng)的電離層vTEC數(shù)據(jù)(GPSTEC). 各觀測(cè)站地理及地磁位置如表1所示. 為了分析結(jié)果能夠覆蓋不同太陽(yáng)活動(dòng),選擇2014年和2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.

表1 GPS觀測(cè)站位置

SAMI2是美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL) 發(fā)展的一個(gè)二維低緯電離層理論模式[10]. 該模式考慮了七種帶電離子(O+, H+, He+, O2+, NO+, N+, N2+),可以計(jì)算距地面85 km到20 000 km區(qū)域的等離子體密度、速度和溫度. 模式沿磁力線求解等離子體連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程,結(jié)合離子數(shù)守恒和通量守恒原理考慮等離子體在電場(chǎng)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng). 模式的地磁場(chǎng)采用偏心偶極場(chǎng)近似,太陽(yáng)極紫外(EUV)輻射通量使用EUVAC模型,利用NRLMSISE00和HWM93經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┍尘爸行源髿饷芏?、溫度和風(fēng)場(chǎng),電場(chǎng)漂移采取Fejer經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算. SAMI2與其他理論模式相比最大的特點(diǎn)是在離子動(dòng)量方程中考慮了離子慣量. 本文利用SAMI2 模擬計(jì)算了表1中三個(gè)GPS觀測(cè)站的電離層TEC(SAMI2TEC),與GPSTEC進(jìn)行對(duì)比分析.

2比較結(jié)果

以太陽(yáng)活動(dòng)高年為例,對(duì)比SAMI2模擬電離層TEC結(jié)果與GPSTEC的周日變化特性. 圖1示出了2014年3月、6月、9月、12月各站電離層TEC月中值與SAMI2模擬結(jié)果的對(duì)比. 圖中藍(lán)色圓點(diǎn)為GPSTEC數(shù)據(jù),實(shí)線為月中值,虛線為以當(dāng)月F107中值為SAMI2輸入?yún)?shù)的模型計(jì)算結(jié)果,點(diǎn)線為SAMI2TEC和GPSTEC的均方根誤差 (RMSE):

RMSE=1n∑ni=1(TECSAMI2(i)-TECGPS(i))2，

(1)

式中:n為該時(shí)刻樣本個(gè)數(shù);TECSAMI2和TECGPS為模擬和觀測(cè)電離層TEC.

Beijing站夏季和秋季SAMI2TEC與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)差別較大,春季和冬季吻合較好,兩條曲線非常接近,具有一致的周日變化趨勢(shì),～06:00 LT出現(xiàn)極小值,隨后逐漸增大至～14:00 LT出現(xiàn)極大值. Beijing站冬季RMSE極大值僅為8 TECU. 在Wuhan站,SAMI2TEC與GPSTEC差別較大,尤其是在午后時(shí)段,春秋季,SAMI2TEC出現(xiàn)日落增強(qiáng)現(xiàn)象,而GPSTEC持續(xù)下降. Guam站在上午時(shí)段,SAMI2TEC與GPSTEC基本一致,～06:00 LT出現(xiàn)極小值,在～13:00 LT達(dá)到極大值,相比觀測(cè)數(shù)據(jù),SAMI2TEC午后下降緩慢,模擬值明顯大于觀測(cè)值. 總體上,從RMSE日變化趨勢(shì)來(lái)看,SAMI2TEC午前時(shí)段表現(xiàn)優(yōu)于午后. 電離層TEC的周日變化與太陽(yáng)的作用有關(guān),日出后由于太陽(yáng)輻射的增強(qiáng),中性成分光電離增強(qiáng),電離層電子密度開始增大,TEC隨之增大,增大的速度與地理位置、季節(jié)等多種因素有關(guān),通常在正午附近達(dá)到極大值,持續(xù)一段時(shí)間,隨后逐漸減小[13]. 太陽(yáng)活動(dòng)高年,日落前,赤道附近的電場(chǎng)增強(qiáng),通過與地球磁場(chǎng)的共同作用導(dǎo)致等離子體垂直漂移增強(qiáng),由此引起的傳輸效應(yīng)在日落后的數(shù)小時(shí)內(nèi)影響低緯電離層,從而造成日落至午夜TEC依然維持在較高水平,即日落增強(qiáng)現(xiàn)象. 太陽(yáng)活動(dòng)低年,該電場(chǎng)較弱,日落后低緯電離層TEC持續(xù)下降[14].

圖1 2014年電離層TEC周日變化

圖2 2014年和2017年12:00 LT電離層TEC季節(jié)變化

季節(jié)變化是電離層TEC的一個(gè)重要特征. 圖2示出了2014年和2017年三站電離層TECSAMI2模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)的季節(jié)變化(年變化)對(duì)比. 圖中,藍(lán)色圓點(diǎn)為GPS電離層TEC,實(shí)線為月中值,虛線為SAMI2模擬的電離層TEC,點(diǎn)線為二者RMSE. 從觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,各站季節(jié)變化規(guī)律類似,電離層TEC均表現(xiàn)出明顯的半年和季節(jié)變化特征,即在春秋季高于冬夏季(半年異常),冬季TEC高于夏季(冬季異常),太陽(yáng)活動(dòng)低年,Beijing站和Wuhan站年變化較為平緩. SAMI2TEC與GPSTEC季節(jié)變化趨勢(shì)一致,春秋出現(xiàn)雙峰,年極小值出現(xiàn)在夏季. 另外,太陽(yáng)活動(dòng)高年和低年模擬值在Guam站均與觀測(cè)吻合較好,在Beijing站和Wuhan站,SAMI2模擬的TEC明顯高于GPSTEC,僅在冬季差別較小. 電離層TEC的半年異?，F(xiàn)象較為明顯,由于在春秋季期間,太陽(yáng)直射點(diǎn)在赤道地區(qū),此時(shí)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的光電離作用達(dá)到最強(qiáng),白天東向電場(chǎng)也最強(qiáng),二者共同導(dǎo)致電離層電子密度增多,春秋季白天的電子密度比冬夏大. 太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)季節(jié)異?，F(xiàn)象有一定影響,太陽(yáng)活動(dòng)高年季節(jié)變化更顯著[13]. Rishbeth等[15]認(rèn)為,熱層大氣中O和N2密度比的變化導(dǎo)致了電子密度的變化. 夏季區(qū)流向冬季的大氣環(huán)流將相對(duì)較輕的氧原子O吹向冬季區(qū),而相對(duì)較重的氧分子O2和氮分子N2不易被吹走,留下較多. 結(jié)果是夏季區(qū)域中氧原子較少,冬季區(qū)域中氧原子相對(duì)增多,所以造成電子密度的“冬季異?！爆F(xiàn)象.

圖3是以IGS觀測(cè)數(shù)據(jù)為x軸,SAMI2模擬數(shù)據(jù)為y軸的相關(guān)性散點(diǎn)圖,實(shí)線為對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)做的線性擬合,r為散點(diǎn)圖的相關(guān)系數(shù).太陽(yáng)活動(dòng)高年及低年各站相關(guān)系數(shù)均在0.87以上,僅從2014及2017兩年的數(shù)據(jù)來(lái)看,太陽(yáng)活動(dòng). 磁赤道地區(qū)的Guam站相關(guān)性最好,太陽(yáng)活動(dòng)高年,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97,SAMI2在接近磁赤道地區(qū)表現(xiàn)最優(yōu). 另外,圖中實(shí)線均在虛線上方,絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)散點(diǎn)位于虛線上方,意味著SAMI2TEC大于實(shí)際觀測(cè)GPSTEC,這在圖1和圖2中也有所體現(xiàn). 圖4是SAMITEC觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)偏差分布直方圖，計(jì)算公式為.

Dev(%)=TECSAMI2-TECGPSTECGPS×100%.

(2)

圖3 SAMI2 TEC與GPS TEC相關(guān)性

圖4 電離層TEC相對(duì)偏差分布

同樣地,僅有很少部分相對(duì)偏差分布在零點(diǎn)左側(cè). 也就是說,無(wú)論太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱,本文所選三站電離層TEC模擬時(shí),SAMI2模型均有不同程度高估. Fang等[16]將電離層模型結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)SAMI2模擬的電離層F2層最大電子密度NmF2高于實(shí)測(cè)值. SAMI2模型中,激發(fā)態(tài)氮?dú)釴2(ν)對(duì)電離層中的主要成分O+損失的影響被忽略,對(duì)亞穩(wěn)態(tài)氮原子N(2D)的考慮也過于簡(jiǎn)單,這可能是SAMI2對(duì)TEC的計(jì)算結(jié)果明顯大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的原因之一. 另外,太陽(yáng)活動(dòng)低年偏差分布相對(duì)集中,在20%～30 %. 而太陽(yáng)活動(dòng)高年,Guam站與低年有類似分布,Beijing站和Wuhan站TEC相對(duì)偏差在0%～200%均有分布. 因此,物理模型SAMI2在赤道地區(qū)Guam站表現(xiàn)最優(yōu).

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室電離層物理模型SAMI2模擬了太陽(yáng)活動(dòng)高年2014年和太陽(yáng)活動(dòng)低年2017年?yáng)|亞扇區(qū)Beijing (40.3 °N, 116.2 °E)、Wuhan (30.5 °N, 114.4 °E)和Guam (13.6 °N, 144.8 °E)站的電離層TEC,通過與GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)IGSTEC進(jìn)行對(duì)比分析,檢驗(yàn)SAMI2在此區(qū)域的TEC計(jì)算精度. 獲得的主要結(jié)果總結(jié)如下:

1)電離層TEC周日分布上,上午時(shí)段SAMI2與觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合度優(yōu)于午后時(shí)段.

2)電離層TEC季節(jié)分布上,SAMI2TEC在冬季與觀測(cè)值偏差相對(duì)較小.

3)SAMI2TEC與GPSTEC相關(guān)系數(shù)各站均達(dá)到0.87以上,與赤道地區(qū)Guam站相關(guān)性最好. 相對(duì)偏差分布集中于20%～30%,太陽(yáng)活動(dòng)低年結(jié)果優(yōu)于太陽(yáng)活動(dòng)高年.

4)多數(shù)情況下,SAMI2TEC相對(duì)GPSTEC偏大.

以上分析初步獲取了電離層物理模型SAMI2的誤差特性,為模型的應(yīng)用提供了先驗(yàn)誤差信息. 然而,本研究在統(tǒng)計(jì)意義上尚不夠完善,下一步計(jì)劃利用更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取更具統(tǒng)計(jì)意義的SAMI2模型誤差統(tǒng)計(jì)特性.