基于理论模式GOLD天底数据同化研究热层大气可预报性
批准号:
42104160
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
何建辉
依托单位:
学科分类:
空间天气学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
何建辉
中文摘要
准确表征和预报热层大气对近地卫星轨道环境至关重要。先前研究认为热层大气变化缓慢,对过去的“记忆”可长达至数天,进而能够对其预报。然而,热层大气预报不仅依赖于准确的物理模型和初始场信息,而且取决于模型外部驱动参数。限于先前热层探测数据匮乏,学界对于热层在何种条件下可以准确预报,是否存在可预报的时间上限并未得到较好的认知。本项目将利用我们自主开发的基于理论模式同化系统同化GOLD中性温度和积分氧氮比天底探测数据,为理论模式预报提供准确初始场,并在同化过程中估计理论模型外部驱动参数。通过开展地磁平静日和不同空间天气事件期间(尤其是磁暴)热层大气预报研究,分析不同初始场和模型外部驱动参数估计对预报结果的影响,并探讨热层大气预报所需条件以及预报时长。该研究可以进一步加深我们对热层大气可预报性的认知,以期为日后近地卫星轨道环境预报提供关键依据。
英文摘要
Accurate specification and prediction of thermospheric state is critical to the low Earth orbit satellite environment. Previous studies suggest that the thermosphere changes so slowly, which means that it can “remember” the past for too long. However, the prediction of thermosphere depends on not only the initial field and first-principle model, but also the accurate estimation of model external drivers. Due to the lack of previous thermosphere observations, it is not clear that whether there is a needed conditions and limited time for thermosphere prediction in space community. In this program, based on our developed efficient ensemble Kalman filter assimilation system, the GOLD disk data (e.g., neutral temperature and neutral compositions) will be assimilated to provide an accurate initial field for theoretical model. Meanwhile, the model external drivers will be also estimated during the assimilation process. Through a series of researches on the thermosphere forecast during the geomagnetic quiet day and different space weather events (especially geomagnetic storm), the influence of the initial field and the model external drivers estimation on the forecast results will be analyzed. Meanwhile, the required conditions and forecast duration of the thermosphere will be also discussed. This study can further deepen our understanding of the forecast capability of thermosphere states, and provide the key evidence for the prediction of the low Earth orbit satellite environment in the future.
准确表征和预报热层大气对近地卫星轨道环境至关重要。本项目基于自主研发的理论模式同化模型,结合常规电离层热层探测数据,系统开展了热层可预报性研究,取得了一系列重要成果,具体包括:(1)评估现有热层大气模式的预测精度。为了选择最优理论模型作为同化背景模型,针对磁暴期间,对国际通用的2个经验模型(DTM、MSIS)和4个理论模型(MAGE、CTIPe、WAM-IPE、WACCM-X)进行了对比分析。结果显示,这些模型在高层和低层大气的预测中,无论是幅度还是时空分布均与实际观测存在显著偏差,尤其是热层大气密度的偏差最大可达70%。(2)开发自主高效的中高层大气数据同化模式。基于集合卡尔曼滤波算法和稀疏矩阵技术,构建了一套高效的中高层大气数据同化模型,大幅降低了存储需求并显著提升了计算效率。该系统可稳定长时间同化多源电离层热层观测数据,如GNSS TEC、GOLD天底辐射等,为理论模式高效同化预报提供了技术保障。(3)评估初始场对理论模式热层预报效果的影响。开展了观测系统模拟实验,分别同化MIT TEC和GOLD天底中性温度。结果表明,同化MIT TEC数据显著改善了较高高度(>200公里)的中性温度预报,而同化GOLD天底中性温度对低高度温度预报效果尤为显著。同时,联合同化两类数据能够在全球范围内生成更精确的中性温度剖面预报结果。(4)磁暴期间热层大气密度的同化预报。通过同化热层中性成分观测数据,能够有效提升磁暴恢复相期间热层中性质量密度快速冷却效果,并实现了超过24小时的热层大气密度预报。本项目基于自主研发的理论模式同化模型,进一步加深了对热层大气可预报性的理解,为未来近地卫星轨道环境的精准预测提供了重要的技术支持和科学依据。项目资助下,共发表一作SCI论文5篇,并在国内外会议上汇报交流3次。
国内基金
海外基金