利用多GNSS掩星任务资料研究全球电离层偶发E层形态及其对低层大气气候现象的响应
批准号:
42074027
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
徐晓华
依托单位:
学科分类:
卫星大地测量学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐晓华
中文摘要
偶发E层(Es层)是一种广受关注的非稳定电离层现象,利用各类观测资料获取Es信息并认识其时空形态特征有助于电离层建模中Es参数的精化,对保障通讯导航服务质量、提高空间天气和气候预报精度有重要意义。GNSS掩星资料具有全球分布、高精度、高垂直分辨率、长期稳定的特点,对Es研究有独特优势。本项目旨在利用多掩星任务的多类型产品,结合模式、全球垂测仪、太阳活动、地磁活动等数据,研究全球Es形态及其对低层大气气候现象的响应。主要内容为:研究利用多类型掩星产品确定Es参数的优化方法,并对单层与多层Es的区分准则进行精化;联合利用以COSMIC和FY-3C为代表的多掩星任务数据,以Es发生率、高度、厚度和强度为表征,研究全球Es时空分布及其与MLT风场、地磁场、太阳活动和地磁活动关系的形态特征;在对不同时间尺度Es形态变化规律进行讨论的基础上,分析其对ENSO和QBO的响应,并进行相应物理解释。
英文摘要
Sporadic E (Es) layer is an unstable phenomenon occurring in the ionosphere, which has been paid much attention. To extract Es information and to understand its time and space morphology based on different types of observations would benefit the refinement of the Es parameters in the modelling of the ionosphere, which is also of great importance for the ensurance of the quality of radio communication and navigation and for the improvement of the precision of space weather and climate forcast. Global Navigation Satellite System (GNSS) radio occultation (RO) observations, which are of high precision, high vertical resolution, global coverage and long stability, are of special advantages for the study of Es morphology over the globe. Different types of data products derived from multiple GNSS RO missions, together with model data, global ionosonde observations, solar activity and geomagnetic data, will be used in this project to study the global Es morphology and its response to the climatological phenomena of lower troposphere. Firstly, the methods to derive the Es parameters from multiple types of RO products will be refined, taking into consideration the difference between single-layer-type and multiple-layer-type Es. Then the temporal and spatial distributions of Es parameters, including the occurrence rate, the height, the thickness, and the intensity of Es, will be studied using data from multiple GNSS RO missions of multi organizations, including Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC), Fengyun-3C (FY-3C) and so on. The relationship between the temporal and spatial distributions of Es and the wind field of mesosphere/lower thermosphere (MLT), the solar activity and the geomagnetic activity will be studied. Based on the analysis about the variations of Es morphology of different time scales, the responses of Es activities to two large scale atmospheric patterns, Quasi-Biennial Oscillation (QBO) and ElNiño –Southern Oscillation (ENSO), will be studied and the interpretations will be given.
本项目旨在利用多GNSS掩星任务提供的多类型产品,研究闪烁E层(Es)形态及相关影响机制。主要完成了如下工作:首次提出结合IRI模型提供的背景信息、利用掩星电子密度廓线(EDPs)探测Es,进而反演Es发生率、强度、无偏强度和厚度的方法。发现所探测的Es强度高估了其层内金属离子的浓度,而无偏强度与Es发生率的分布特征相似、与火箭观测结果相符。首次利用掩星S4闪烁指数进行Es发生率时空变化特征的分析,研究了基于HWM14风场模型和IGRF12地磁场模型模拟的垂直离子汇聚(VIC)时空分布形态与Es之间的关系。发现风剪切带来的垂直离子汇聚是影响中纬地区Es发生率的地理分布、夏季最大值和日潮特征的重要因素。首次联合使用COSMIC和FY-3C的总电子含量(TEC)廓线,利用奇异谱分析(SSA)方法提取Es引发的TEC扰动。一方面,通过与全球垂测仪foEs数据比较,建立了从TEC扰动梯度最大值到以foEs表征的Es强度之间的优化转换模型,所建模型被进一步应用于全球Es强度反演和形态分析,发现相较于仅使用COSMIC数据,FY-3C数据的加入有利于更完整地展现高纬地区的Es强度分布和更细节的日潮与半日潮特征。另一方面,联合以TEC扰动表征的全球Es强度分布图、VIC模拟结果、太阳活动和地磁指数进行深度学习网络训练,建立了融合Es物理参数的深度学习模型,实现对全球Es强度时空分布的预测。首次利用FY-3C/3D的50Hz SNR数据进行Es探测,发现该类数据在Es高度和地方时分布的探测上存在局限性,但所得Es发生率的季节分布形态与基于COSMIC同类数据的结果基本一致。利用由COSMIC的50Hz SNR数据提取的Es强度信息,通过相关性分析,对不同纬度带内Es强度对ENSO和QBO的响应进行了讨论。此外,在利用掩星数据建立电子密度初值预测模型及融合地天基GNSS数据进行IRI模型驱动更新和电离层层析方面开展了具有创新性的工作,进而提出了附加掩星观测约束的Es三维结构重建方法,通过实验验证了重建结果的可靠性。相关成果丰富了基于掩星数据进行Es研究的理论与方法,并为后续联合地基与掩星数据进行电离层异常现象研究奠定了基础。
利用多GNSS掩星任务资料研究全球平流层重力波活动及其气候特征
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批准号:41774033
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项目类别:面上项目
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资助金额:69.0万元
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批准年份:2017
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负责人:徐晓华
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依托单位:
利用GPS掩星资料研究全球上对流层/下平流层气候变化特征
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批准号:41374036
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项目类别:面上项目
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资助金额:75.0万元
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批准年份:2013
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负责人:徐晓华
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依托单位:
利用GPS掩星探测全球对流层顶结构变化的研究
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批准号:40904002
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2009
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负责人:徐晓华
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依托单位:
国内基金
海外基金