SAMI2物理模型与东亚扇区GPS TEC数据比较研究

胡艳莉, 徐彤, 朱梦言, 邓忠新

(中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,山东 青岛 266107)

0 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗卫星导航系统(BDS)等. 这些定位系统都位于20 000 km以上,导航信号的传输都经过电离层,不可避免地会受到电离层效应的影响[1-2]. 电离层效应误差已成为导航定位的主要误差源,其一阶折射误差正比于电离层电子浓度总含量(TEC). 电离层TEC监测预报研究已成为空间天气服务研究的重要内容[3]. 因此,开展现有电离层模型TEC计算精度评估,非常重要.

目前电离层模型主要有两类:1)基于观测数据,建立与太阳活动指数等控制因素线性或非线性关系的经验模型,如美国国际参考电离层(IRI)[4],欧洲的Nequick[5]等;2)基于“第一原理” (first principle),通过模拟电离层中的各种物理及化学过程,揭示电离层的行为机理的物理模型. 相比于经验模型,理论模型可以帮助人们理解电离层的物理化学过程. 基于电离层物理模型的数据同化数值预报已成为空间天气领域提高电离层预测能力,满足卫星导航与通讯需求的主流技术方向[6]. 目前,较为著名的电离层物理模型有美国大气研究中心的TIMEGCM(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere-Electrodynamics General Circulation Model)[7]、英国谢菲尔德大学的SUPIM (Sheffield University Plasmasphere Ionosphere Model)[8]、俄罗斯的GSMTIP (Global Model of the Thermosphere-Ionosphere-Protonsphere)[9],以及美国海军实验室SAMI2 (Sami2 is Another Model of the Ionosphere)[10]模型等. 其中,SAMI2模型是目前为数不多的开源物理模型之一,已广泛应用到电离层对太阳耀斑、磁暴、地震、高频电波加热等响应的物理机制研究中. 然而,目前对该模型精度评估的研究较少. Huba等[11]开展了该模型与1999年11月24日07:28 UT-08:03 UT ARGOS(Advanced Research and Global Observation Satellite)卫星数据对比,发现氧原子离子O+密度、NmF2与观测值吻合较好,但对比数据量有限,不具有统计意义,且局限在美洲扇区. 在其他太阳活动年份(如低年),其他经度扇区模型精度还需进一步检验.

电离层物理模型的精度对数值预报准确性有着重要的影响. 本文利用国际GNSS服务(IGS)电离层TEC数据,检验SAMI2模型在东亚扇区三个站点(覆盖中低纬度及赤道地区)的TEC计算精度,为基于SAMI2模型构建背景误差分布特征及开展该区域电离层数值预报研究可行性提供理论支持.

1 数据获取及模型介绍

地面GPS双频接收机在每一时间历元都能接收到多颗卫星发射的双频相干信号,可以提取电离层TEC信息,为了减少低仰角带来的电离层TEC测量误差,本文设定卫星观测截止仰角为45°. 首先,采用载波平滑码伪距方法计算出每一时间历元每一卫星信号传播路径上的电离层斜向TEC(sTEC). 然后,依据电离层薄壳模型,取电离层电子密度质心高度为400 km,将sTEC转换为穿刺点的电离层垂直TEC (vTEC). 最后,对15 min时间间隔内的所有穿刺点的vTEC,采用Kriging插值方法拟合出各观测站上空每15 min的vTEC数据[12]. 电离层TEC的单位为TECU (1 TECU=1016electrons/m2). 按照上述方法,对东亚扇区覆盖中低纬及赤道地区的Beijing,Wuhan和Guam三个GPS观测站的数据进行分析处理,构建了相应的电离层vTEC数据(GPSTEC). 各观测站地理及地磁位置如表1所示. 为了分析结果能够覆盖不同太阳活动,选择2014年和2017年的数据进行对比分析.

表1 GPS观测站位置

SAMI2是美国海军实验室(NRL) 发展的一个二维低纬电离层理论模式[10]. 该模式考虑了七种带电离子(O+, H+, He+, O2+, NO+, N+, N2+),可以计算距地面85 km到20 000 km区域的等离子体密度、速度和温度. 模式沿磁力线求解等离子体连续性方程、动量方程和能量方程,结合离子数守恒和通量守恒原理考虑等离子体在电场磁场作用下的运动. 模式的地磁场采用偏心偶极场近似,太阳极紫外(EUV)辐射通量使用EUVAC模型,利用NRLMSISE00和HWM93经验模型提供背景中性大气密度、温度和风场,电场漂移采取Fejer经验模型计算. SAMI2与其他理论模式相比最大的特点是在离子动量方程中考虑了离子惯量. 本文利用SAMI2 模拟计算了表1中三个GPS观测站的电离层TEC(SAMI2TEC),与GPSTEC进行对比分析.

2比较结果

以太阳活动高年为例,对比SAMI2模拟电离层TEC结果与GPSTEC的周日变化特性. 图1示出了2014年3月、6月、9月、12月各站电离层TEC月中值与SAMI2模拟结果的对比. 图中蓝色圆点为GPSTEC数据,实线为月中值,虚线为以当月F107中值为SAMI2输入参数的模型计算结果,点线为SAMI2TEC和GPSTEC的均方根误差 (RMSE):

RMSE=1n∑ni=1(TECSAMI2(i)-TECGPS(i))2，

(1)

式中:n为该时刻样本个数;TECSAMI2和TECGPS为模拟和观测电离层TEC.

Beijing站夏季和秋季SAMI2TEC与实际观测数据差别较大,春季和冬季吻合较好,两条曲线非常接近,具有一致的周日变化趋势,～06:00 LT出现极小值,随后逐渐增大至～14:00 LT出现极大值. Beijing站冬季RMSE极大值仅为8 TECU. 在Wuhan站,SAMI2TEC与GPSTEC差别较大,尤其是在午后时段,春秋季,SAMI2TEC出现日落增强现象,而GPSTEC持续下降. Guam站在上午时段,SAMI2TEC与GPSTEC基本一致,～06:00 LT出现极小值,在～13:00 LT达到极大值,相比观测数据,SAMI2TEC午后下降缓慢,模拟值明显大于观测值. 总体上,从RMSE日变化趋势来看,SAMI2TEC午前时段表现优于午后. 电离层TEC的周日变化与太阳的作用有关,日出后由于太阳辐射的增强,中性成分光电离增强,电离层电子密度开始增大,TEC随之增大,增大的速度与地理位置、季节等多种因素有关,通常在正午附近达到极大值,持续一段时间,随后逐渐减小[13]. 太阳活动高年,日落前,赤道附近的电场增强,通过与地球磁场的共同作用导致等离子体垂直漂移增强,由此引起的传输效应在日落后的数小时内影响低纬电离层,从而造成日落至午夜TEC依然维持在较高水平,即日落增强现象. 太阳活动低年,该电场较弱,日落后低纬电离层TEC持续下降[14].

图1 2014年电离层TEC周日变化

图2 2014年和2017年12:00 LT电离层TEC季节变化

季节变化是电离层TEC的一个重要特征. 图2示出了2014年和2017年三站电离层TECSAMI2模拟结果与观测数据的季节变化(年变化)对比. 图中,蓝色圆点为GPS电离层TEC,实线为月中值,虚线为SAMI2模拟的电离层TEC,点线为二者RMSE. 从观测数据来看,各站季节变化规律类似,电离层TEC均表现出明显的半年和季节变化特征,即在春秋季高于冬夏季(半年异常),冬季TEC高于夏季(冬季异常),太阳活动低年,Beijing站和Wuhan站年变化较为平缓. SAMI2TEC与GPSTEC季节变化趋势一致,春秋出现双峰,年极小值出现在夏季. 另外,太阳活动高年和低年模拟值在Guam站均与观测吻合较好,在Beijing站和Wuhan站,SAMI2模拟的TEC明显高于GPSTEC,仅在冬季差别较小. 电离层TEC的半年异常现象较为明显,由于在春秋季期间,太阳直射点在赤道地区,此时太阳辐射产生的光电离作用达到最强,白天东向电场也最强,二者共同导致电离层电子密度增多,春秋季白天的电子密度比冬夏大. 太阳活动强度对季节异常现象有一定影响,太阳活动高年季节变化更显著[13]. Rishbeth等[15]认为,热层大气中O和N2密度比的变化导致了电子密度的变化. 夏季区流向冬季的大气环流将相对较轻的氧原子O吹向冬季区,而相对较重的氧分子O2和氮分子N2不易被吹走,留下较多. 结果是夏季区域中氧原子较少,冬季区域中氧原子相对增多,所以造成电子密度的“冬季异常”现象.

图3是以IGS观测数据为x轴,SAMI2模拟数据为y轴的相关性散点图,实线为对数据点做的线性拟合,r为散点图的相关系数.太阳活动高年及低年各站相关系数均在0.87以上,仅从2014及2017两年的数据来看,太阳活动. 磁赤道地区的Guam站相关性最好,太阳活动高年,相关系数达到0.97,SAMI2在接近磁赤道地区表现最优. 另外,图中实线均在虚线上方,绝大部分数据散点位于虚线上方,意味着SAMI2TEC大于实际观测GPSTEC,这在图1和图2中也有所体现. 图4是SAMITEC观测数据相对偏差分布直方图，计算公式为.

Dev(%)=TECSAMI2-TECGPSTECGPS×100%.

(2)

图3 SAMI2 TEC与GPS TEC相关性

图4 电离层TEC相对偏差分布

同样地,仅有很少部分相对偏差分布在零点左侧. 也就是说,无论太阳活动强弱,本文所选三站电离层TEC模拟时,SAMI2模型均有不同程度高估. Fang等[16]将电离层模型结果与实测数据进行了对比,发现SAMI2模拟的电离层F2层最大电子密度NmF2高于实测值. SAMI2模型中,激发态氮气N2(ν)对电离层中的主要成分O+损失的影响被忽略,对亚稳态氮原子N(2D)的考虑也过于简单,这可能是SAMI2对TEC的计算结果明显大于实测数据的原因之一. 另外,太阳活动低年偏差分布相对集中,在20%～30 %. 而太阳活动高年,Guam站与低年有类似分布,Beijing站和Wuhan站TEC相对偏差在0%～200%均有分布. 因此,物理模型SAMI2在赤道地区Guam站表现最优.

3 结束语

本文利用美国海军实验室电离层物理模型SAMI2模拟了太阳活动高年2014年和太阳活动低年2017年东亚扇区Beijing (40.3 °N, 116.2 °E)、Wuhan (30.5 °N, 114.4 °E)和Guam (13.6 °N, 144.8 °E)站的电离层TEC,通过与GPS观测数据IGSTEC进行对比分析,检验SAMI2在此区域的TEC计算精度. 获得的主要结果总结如下:

1)电离层TEC周日分布上,上午时段SAMI2与观测数据吻合度优于午后时段.

2)电离层TEC季节分布上,SAMI2TEC在冬季与观测值偏差相对较小.

3)SAMI2TEC与GPSTEC相关系数各站均达到0.87以上,与赤道地区Guam站相关性最好. 相对偏差分布集中于20%～30%,太阳活动低年结果优于太阳活动高年.

4)多数情况下,SAMI2TEC相对GPSTEC偏大.

以上分析初步获取了电离层物理模型SAMI2的误差特性,为模型的应用提供了先验误差信息. 然而,本研究在统计意义上尚不够完善,下一步计划利用更多的观测数据获取更具统计意义的SAMI2模型误差统计特性.