IRI参考电离层模型在高度60100 km的精度分析Word文件下载.docx

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电子密度精度 

Lomb-Scargle周期谱 

AccuracyanalysisofIRI2016internationalreferenceionosphereataltitudeof60~100km

Abstract:

Thelow-altitudeionosphere（60~100km）hasgreatinfluenceonradiopropagationandmeasurement.IRI2016isawidelyusedinternationalreferenceionosphericmodel.Therefore,itisofgreatpracticalsignificancetoanalyzethereliabilityofitselectrondensityatanaltitudeof60~100km.Basedonelectrondensitydata（2014-2016）providedbymedium-frequency（MF）radarinLangfang,thereliabilityofelectrondensityofIRI2016modelatanaltitudeof60~100kminthemid-latitudewasquantitativelyanalyzedinthisstudyusingdeviation,absolutedifference,correlationcoefficient,relativedeviationandLomb-Scargleperiodogram.Atthealtitudeof60~100kminthemid-latitude,theresultsshowedasfollows:

①Thedeviation,absolutedifferenceandrelativedeviationofelectrondensitywascloselyrelatedtoseason.Atthealtitudeof86~100km,theyincreasedrapidlywiththeincreaseofaltitude.Inaddition,correlationcoefficientwasalsocloselyrelatedtoseason,butpresentedanalternationofincreasinganddecreasingwiththeincreaseofaltitude.②TheelectrondensityaccuracyoftheIRI2016modelwasrelatedtosolaractivityandgeomagneticconditions,andhadthehighestaccuracyunderlowsolaractivityandmagnetictranquility.③TheelectrondensityofMFradarandIRI2016modelatthealtitudeof82~84kmbothshowedsignificant（verifiedby90%significancetest）quasi-diurnaltidalwaveandquasi-8-hourgravitywave.Meanwhile,IRI2016modelpresentedsignificantquasi-semidiurnaltidalwave,whichwasnotfoundinMFradar.Atthealtitudeof86~92km,theelectrondensityofbothMFradarandIRI2016modelhadsignificantquasi-diurnaltidalwaveandquasi-semidiurnaltidalwave,butnoquasi-8-hourgravitywave.④TheelectrondensityofbothMFradarandIRI2016modelshoweddifferencesinsignificantwaveperiodandpowerspectrumatthesamealtitude,andthesignificantwaveperiodandpowerspectrumhaddifferencesamongdifferentaltitudes.⑤Quasi-diurnaltidalwaveplayedamainroleinthechangeoftheelectrondensityofbothMFradarandIRI2016modelatthealtitudeof82~92km.Quasi-8-hourgravitywaveplayedasecondaryroleatthealtitudeof82km,andquasi-semidiurnaltidalwaveplayedasecondaryroleatthealtitudeof86~92km.

Keywords:

IRI2016model 

MFradar 

electrondensityaccuracy 

Lomb-Scargleperiodiagram 

60~100km为低电离层高空范围，该高空范围内的电子密度较小、空气密度较大，对高频无线电波传播具有比较大的影响，甚至会导致无线电通信的中断；

同时，该高度区域内的电子密度变化，常常会影响低频、甚低频无线电导航及定位系统的精度。

随着以无线电测量为主要手段的遥感遥测及卫星导航的广泛应用，研究电离层时空物理特性及其建模和预测显得越来越重要。

目前，在高度60~100km区域，常用的电离层垂直探测仪无法探测它，卫星、探空气球也无法到达该高度区域，且卫星探测的空间分辨率较低（千米量级），虽然探空火箭可以探测该高度区域，但价格不菲，不利于进行长期连续性探测，难以取得连续性资料。

中频雷达可以长期地、连续地进行探测，从而得到连续性资料，但同样因为价格昂贵，只能在少数研究单位进行，因此，已有的高度60~100km范围内电子密度观测数据不能较好地满足业务需求。

为解决该问题，大量学者通过构建电离层经验模型补偿观测数据缺失的问题，并对所构建的电离层模型性能、精度等特征进行了一系列研究，取得了大量成果[1-4]。

目前，最具代表性、应用广泛的电离层经验模型是由国际空间委员会（CommitteeOnSpaceResearch,COSPAR）和国际无线电联盟（InternationalUnionofRadioScience,URSI）共同发起的项目——国际参考电离层模型（InternationalReferenceIonosphere，IRI）[5-6]。

该模型通过利用卫星资料、探空火箭资料及非相干散射雷达等观测数据，同时引入太阳活动、地磁指数，并融合多个大气模型，在给定年份、日期、时间、地理（磁）纬度和经度等要素情况下，能够较为准确地描述全球范围内特定时间和地点的电离层形态变化。

目前，IRI模型已广泛应用于电离层形态学和空间工程电波修正等研究[7]，国内外专家针对该模型做了大量的工作[8-21]，取得一系列重要成果。

例如，文献[17]探讨了国际参考电离层模型IRI输出参数与测高仪垂测数据的相关性，并进一步分析了COSMIC掩星和IRI模型在不同地方时高估或低估垂测参数的分布特征；

文献[18]提出将电离层薄层高度作为约束条件对IRI模型确定的电子密度峰值高度的均值进行参数约束估计，得到一种改进的电离层模型算法，并利用Swarm卫星GPS观测数据对其进行验证；

文献[20]利用IRI模型分析了电离层薄层高度的时空变化规律，提出了基于应用中STEC的电离层改正误差分析理论，分析了电离层薄层高度变化的相关影响。

基于高度60~100km范围内的电子密度观测数据不能较好地满足日益增长的业务需求，且IRI2016作为目前最新的国际参考电离层模型，因此，统计该模型电子密度精度特征具有重要的实际意义。

本文以2014—2016年廊坊中频雷达电子密度资料为基准，通过利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差、Lomb-Scargle周期图方法，对IRI2016模型电子密度在中纬度地区60~100km高度范围内的精度进行统计分析。

其中，本文研究所用廊坊中频雷达、IRI2016模型电子密度资料的时间分辨率为1h、空间分辨率为2km；

在使用IRI2016模型输出电子密度时，该模型的可选外部辅助参数值（如F10.7，AP指数等）均为默认值，从而初步得到IRI2016模型在中纬度60~100km高度的精度特征。

1资料简介及方法1.1IRI模型

国际参考电离层模型是标准经验预报模型，它是IRI工作组从1960年开始，在空间研究委员会和国际无线电科学联合会的资助下，利用全球180多个地面观察站的观测数据建立起来的，其中IRI2016为目前最新版本。

IRI模型成型于1975年，其数据主要来源于地面、卫星和火箭探测，主要描述了海拔高度50~1500km范围内平静地磁场条件下非极区电离层各特征参量（电子密度、离子温度、电子温度、TEC最大值等）的平均值，给出较好的全球电离层形态，其电子密度单位为“个/m3”。

IRI模型相对复杂，但电离层改正精度较高，在无线电通信等领域得到广泛应用[22]。

1.2廊坊中频雷达

在2009年5月，中国科学院空间科学与应用研究中心在廊坊安装了一部可重部署的中频雷达，其主要参数见表1，所得到的电子密度单位为“个/cm3”，因此，对IRI2016模型电子密度精度分析之前，需先将电子密度单位统一，本文统一为“个/cm3”。

表1 

廊坊中频雷达主要参数Tab.1 

MainparametersofLangfangMFradar

探测模式

SAM

坐标

（39.4°

N，116.7°

E）

探测高度/km

60~100

探测物理量

风场、电子密度

峰值功率/KW

~64

工作频率/MHz

1.99

高度分辨率/km

2

时间分辨率/min

4

相干积累个数

32（白天），16（晚上）

脉冲重复频率/Hz

80（白天），40（晚上）

表选项 

1.3方法

IRI2016模型与中频雷达之间电子密度的偏差、绝对差、相关系数和相对偏差计算公式如下

（1）

（2）

（3）

（4）

式中，Bias为偏差；

Mad为绝对差;

RR为相关系数;

RBias为相对偏差；

n为样本数，x和y分别代表IRI2016模型电子密度、中频雷达电子密度，

。

2IRI2016模型精度分析2.1偏差

IRI2016模型与中频雷达之间的电子密度偏差、不同季节电子密度偏差随高度变化特征如图1所示。

在图1（a）中，偏差在高度60~86km内变化不大，且以负值为主，随后开始转化为正值，且随高度增加，偏差值越大，并在高度100km达到最大值；

在高度60~100km的偏差值范围为-797.8945（86km）~3.6550×

104（个/cm3）（100km），平均值为5.9764×

103（个/cm3）；

IRI2016模型与中频雷达之间电子密度偏差特征与季节有关（图1（b）），其中的春、夏、秋、冬分别为3—5月、6—8月、9—11月、12—2月（下同），不同季节的偏差在高度60~86km均以负值为主、且相差不大；

而在高度88~100km以正值为主、且随高度增加而快速增大（此时，不同季节之间的偏差值开始出现明显差异特征，同一高度层的偏差值从小到大分别为冬季、秋季、春季和夏季）。

在高度60~100km，春季、夏季、秋季、冬季的偏差值范围分别为“-587.7255（84km）~3.7763×

104（个/cm3）（100km）”、“-580.1179（84km）~5.0276×

104（个/cm3）（100km）”、“-929.7492（86km）~3.1880×

104（个/cm3）（100km）”、“-1.1979×

103（86km）~2.5017×

104（个/cm3）（100km）”，平均值分别为6.3318×

103（个/cm3）、8.6288×

103（个/cm3）、5.0719×

103（个/cm3）、3.6472×

103（个/cm3）。

图1 

2014—2016年IRI2016模型与中频雷达之间电子密度偏差及不同季节电子密度偏差的垂直廓线Fig.1 

Theverticalprofileofelectrondensitydeviation,electrondensitydeviationindifferentseasonsbetweenIRI2016modelandMFradarduring2014—2016

图选项 

2.2绝对差

图2描述了IRI2016模型与中频雷达之间的电子密度绝对差、不同季节电子密度绝对差随高度变化特征。

从图2（a）可看出，高度60~86km内的绝对差变化不大，随高度增加呈现出缓慢减小、缓慢增大的变化趋势特征，而在高度88~100km范围内随高度增加而快速增大，在100km达到最大值；

绝对差在高度60~100km的值范围为147.1343（70km）~3.9706×

104（个/cm3）（100km），平均值为7.3573×

类似偏差，不同季节的电子密度绝对差随高度增加同样存在差异，且高度越高，差异特征越明显，在高度100km的差异最明显（图2（b）），在高度60~86km，不同季节之间的电子密度绝对差均随高度增加均呈现出缓慢减小、缓慢增大变化趋势特征，但差异不大；

而在高度88~100km，不同季节之间的电子密度绝对差均随高度增加而快速增大，且可以明显看出同一高度层的绝对差依小到大均为冬季、秋季、春季、夏季。

在高度60~100km，春季、夏季、秋季、冬季的电子密度绝对差值范围分别为“153.7600（70km）~4.5255×

104（个/cm3）（100km）”、131.0259（70km）~5.1903×

104（个/cm3）（100km）、“124.6987（72km）~3.4110×

104（个/cm3）（100km）”、“158.5786（72km）~2.7327×

104（个/cm3）（100km）”，平均值分别为8.3926×

103（个/cm3）、9.6124×

103（个/cm3）、6.3186×

103（个/cm3）、5.0764×

从上述分析可知，偏差、绝对差的最大值均出现在顶层（100km），但最小值均未出现在底层（60km）。

图2 

2014—2016年IRI2016模型与中频雷达之间的电子密度绝对差及不同季节电子密度绝对差的垂直廓线Fig.2 

Theverticalprofileofelectrondensityabsolutedifference,electrondensityabsolutedifferenceindifferentseasonsbetweenIRI2016modelandMFradarduring2014—2016

2.3相关系数

IRI2016模型与中频雷达之间的电子密度相关系数、不同季节电子密度相关系数值随高度变化特征如图3所示。

在图3（a）中，高度80~86km范围内为负相关，其他高度范围为正相关，但相关系数值较小（最大值不超过0.25），与偏差、绝对差随高度变化特征不同，相关系数随高度增加呈现出增大、减小的交替变化特征；

在高度60~100km的相关系数值范围为-0.0766（82km）~0.2289（94km），平均值为0.0799。

从图3（b）可明显看出，不同季节之间的电子密度相关系数值随高度增加存在明显差异，但呈现出较一致的增大、减小交替变化特征；

在高度60~100km，春季、夏季、秋季、冬季的相关系数值范围分别为“0.0253（86km）~0.4388（74km）”、“-0.1163（100km）~0.1270（74km）”、“-0.0999（100km）~0.1228（92km）”和“-0.1889（82km）~0.1665（92km）”，平均值分别为0.2232、0.0036、0.0068和-0.0114；

从上述分析可看出，不同季节的电子密度相关系数值在整个高度层均较小，最大值不超过0.45，且在某些高度层均存在负值。

图3 

2014—2016年IRI2016模型与中频雷达之间电子密度相关系数及不同季节电子密度相关系数的垂直廓线Fig.3 

Theverticalprofileofelectrondensitycorrelationcoefficient,electrondensitycorrelationcoefficientindifferentseasonsbetweenIRI2016modelandMFradarduring2014—2016

2.4相对偏差

IRI2016模型与中频雷达之间的电子密度相对偏差、不同季节电子密度相对偏差随高度变化特征如图4所示。

在图4（a）中，相对偏差在高度60~86km内变化不大，且以负值为主，而在高度88~100km范围内随高度增加而快速增大，且均为正值，在高度100km达到最大值；

在整个高度范围内，相对偏差的值范围为-79.2611%（60km）~632.7344%（100km），平均值为93.6002%；

不同季节之间的电子密度相对偏差随高度变化存在较明显差异（图4（b）），其中，在高度60~90km，各高度层的相对偏差值由小到大依次均为夏季、春季、秋季、冬季；

当高度超过90km时，随着高度增大，不同季节的相对偏差均快速增大，且均为正值，此时各高度层上的相对偏差值由小到大依次分别为春季、冬季、秋季、夏季，与高度60~90km存在一定差异。

在整个高度范围内，春季、夏季、秋季、冬季的相对偏差值范围分别为-76.3101%（66km）~303.3330%（100km）、-73.0776%（66km）~1.2624×

103%（100km）、-79.2207%（66km）~762.5423（100km）、-90.4584%（66km）~622.6916%（100km），平均值分别为47.8001%、204.7495%、103.5991%、62.1428%，由小到大依次分别为春季、冬季、秋季、夏季。

图4 

2014—2016年IRI2016模型与中频雷达之间电子密度相对偏差及不同季节电子密度相对偏差的垂直廓线Fig.4 

Theverticalprofileofelectrondensityrelativedeviation,electrondensityrelativedeviationindifferentseasonsbetweenIRI2016modelandMFradarduring2014—2016

3不同地磁、太阳活动条件的IRI2016模型精度特征

为反映不同地磁、太阳活动条件下的IRI2016模型精度特征，基于文献[23]，本文将太阳活动分为太阳活动低年（F10.7≤70）、太阳活动高年（F10.7≥200）；

地磁条件分为磁宁静（Ap≤5）、磁暴（Ap≥120）。

图5为2014—2016年（时间分辨率为1h） 

F10.7和Ap的变化特征，其中，横坐标样本数，共有26304个（即：

24×

（365+365+366）），图5（a）中的粗黑虚线、粗红虚线分别代表F10.7=200、F10.7=70，图5（b）中则分别代表Ap=120、Ap=5；

针对2014—2016年的F10.7和Ap变化特征，本文按地磁条件、太阳活动分为4类，分别为①F10.7≤70，Ap≤5，总样本数为60；

②F10.7≤70，Ap≥120，总样本数为0；

③F10.7≥200，Ap≤5，总样本数为150；

④F10.7≥200，Ap≥120，总样本数为3。

由于②的样本数为0、④的样本数仅为3，下面仅针对①、③条件情况下的IRI2016模型电子密度精度特征进行研究。

图5 

2014—2016年F10.7和Ap随时间变化特征Fig.5 

F10.7 

and 

Ap 

variationwithtimeduring2014—2016

3.1在F10.7≤70，Ap≤5条件下

在2014—2016年，共有60个样本满足F10.7≤70，Ap≤5条件，在该太阳活动、地磁条件下，IRI2016模型与中频雷达之间电子密度的偏差、绝对差、相对偏差和相关系数随高度变化特征如图6所示。

其偏差在高度60~88km以负值为主，且随高度变化较小，随后开始转化为正值，且随高度增加而快速