中低緯地區(qū)電離層數(shù)據(jù)同化研究

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1、中南民族大學碩士學位論文中低緯地區(qū)電離層數(shù)據(jù)同化研究姓名：王勇申請學位級別：碩士專業(yè)：等離子體物理指導教師：余濤2011-05中南民族大學碩士學位論文摘要地球電離層是空間天氣的顯示屏，上接磁層，下連中高層大氣，且與它們存在強烈的耦合，是地球空間區(qū)域中承上啟下的重要環(huán)節(jié)和關鍵層次。因此對電離層的研究具有重大科學意義。電離層里有足夠多的自由電子，能夠影響無線電波的傳播，對無線電通訊、衛(wèi)星導航、測量以及人類的空間活動都會產生重要的影響。所以對電離層的研究還具有重要的應用價值。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，飛行在電離層高度的航天器越來越多，電離層環(huán)境對其安全運行產生重要影響。

2、同時無線通訊也受電離層變化的干擾。因此現(xiàn)代航天、通信和導航等技術系統(tǒng)對電離層天氣和狀態(tài)的監(jiān)測和預報提出了明確需求。目前電離層預報主要有兩種方法，一種是利用歷史觀測進行電離層經(jīng)驗預報，這是目前電離層預報的主要方法，該方法廣泛應用于大量需要電離層預報的工程和技術系統(tǒng)中；另一種是電離層模式，它是電離層物理研究的有力工具。但以上兩種方法都有各自的缺陷?；跀?shù)據(jù)的經(jīng)驗預報雖然簡單可靠，但其本質上只是一種利用觀測數(shù)據(jù)進行簡單外推的數(shù)學方法，無法描述復雜多變的電離層狀態(tài)；立足于物理規(guī)律的模式由于對電離層物理過程理解的局限，存在計算方程簡化處理、初值和邊界值難以確定等不足。這些

3、缺陷是造成預報準確率不高的主要原因。為了有效的利用觀測和模式，更好的對電離層進行現(xiàn)報或預報，我們引進了數(shù)據(jù)同化。本文緊密圍繞我國中低緯地區(qū)，采用數(shù)據(jù)同化方法進行電離層現(xiàn)報或預報。首先，介紹了非線性最小二乘的原理、方程及其程序流程，并進行了一系列的數(shù)據(jù)同化驗證試驗，簡述了子午工程民用預報服務平臺電離層同化軟件的原理和測試情況；其次，在最小二乘的基礎上，我們還建立了最優(yōu)插值同化平臺，同化檢驗驗證了程序的正確性，隨后利用廈門電離層垂測儀2009年6-8月的電子濃度剖面觀測進行了五天某時刻的同化試驗及殘差分析；最后，我們還引入了基于集合方法的一種卡爾曼濾波－集合卡爾曼濾

4、波，并簡單介紹其原理、方程推導。本文主要研究內容及結果如下：1.結合電離層模擬和實測數(shù)據(jù)，基于非線性最小二乘，進行了一系列電離層數(shù)據(jù)同化試驗研究。（1）基于最小二乘，我們進行了一系列的電離層觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)同化試驗，主要分為兩類：觀測和背景都由經(jīng)驗模式IRI90提供的同化試驗，觀測分別由經(jīng)驗模式IRI2007和理論模式IGGCAS1D模擬背景模式為IRI90的同化試驗。試驗結果表明利用最小二乘法進行電離層數(shù)據(jù)同化和外驅動參量估算是可行的。oooo（2）結合子午工程，我們提出了10－60N（間隔10），120E經(jīng)度鏈上模擬觀測的同化試驗，并給出分析誤差。隨后我們利用子

5、午工程海南站和北京站電離層I中低緯地區(qū)電離層數(shù)據(jù)同化研究數(shù)字測高儀部分測試數(shù)據(jù)進行了進一步的試驗研究。結果表明：分析向觀測靠近，試驗結果有所改善。2.基于最小二乘，我們引進并搭建了最優(yōu)插值（OI）同化平臺，然后進行了平臺的驗證性檢驗以及結合實際電離層觀測數(shù)據(jù)的一系列同化試驗和殘差預報。（1）在參考氣象同化發(fā)展的基礎上，我們建立了最優(yōu)插值同化平臺。為了檢驗文中建立的同化正確性，我們進行了同化檢驗，其結果說明了平臺的正常運行和數(shù)值計算的正確性。（2）將廈門電離層垂測儀2009年6、7、8月的電子濃度剖面部分觀測數(shù)據(jù)進行同化試驗，試驗所用觀測數(shù)據(jù)具體時刻為6月15日U

6、Th=1100，7月22日UTh=1100，7月23日UTh=1100，8月6日UTh=1045，8月31日UTh=1115，給出同化分析圖。從圖中可以看出同化效果較為理想，也說明了我們建立的同化平臺運行良好。（3）利用同化試驗模式背景和分析的殘差，我們引入基于殘差和模式預報的殘差預報，具體預報時刻為2009年6月15日UTh=1115，7月22日UTh=1115，7月23日UTh=1115，8月6日UTh=1115，8月31日UTh=1130，并給出預報對比圖。整體上看，殘差預報能夠改善模式預報，有些效果甚至很理想。這說明這種預報方法值得嘗試。（4）為了在最優(yōu)

7、插值同化平臺中更準確的構建背景誤差協(xié)方差矩陣，我們介紹了基于集合方法的集合最優(yōu)插值（EnOI）。3.在前面工作的基礎上，為了更好的利用數(shù)據(jù)同化進行電離層現(xiàn)報或預報，我們引進了同樣基于集合方法的集合卡爾曼濾波（EnKF）。文中簡述了EnKF的原理、推導方程、流程圖及其優(yōu)缺點。關鍵詞：電離層；數(shù)據(jù)同化；非線性最小二乘；最優(yōu)插值；同化試驗II中南民族大學碩士學位論文AbstractTheearth’sionospherewhichdisplaysspaceweatheristheregionthatisimportantpartandkeylayerinthespac

8、e,whichisupt