一种基于垂直探测数据修正等效风场的方法与流程

1.本发明属于电离层环境预报领域，特别涉及该领域中的一种基于垂直探测数据修正等效风场的方法。


背景技术：

2.电离层是空间环境探测与研究中极为重要的区域，在空间工程、空间应用及空间环境的利用与开发中一直受到特别关注。电离层中存在足够的由于太阳辐射而离化的电离气体成分，以至于它能影响绝大部分波段的无线电波的传播特性，是影响空间信息链路畅通的重要环节。因此，对电离层状态的精确现报预报意义重大。
3.基于数值方法和计算技术，考虑大量物理、化学过程，通过连续性方程、动量方程及能量方程，物理模型可以模拟复杂的物理、化学过程，获得电离层状态参量如密度、速度、温度的时空分布。相比于经验模型，物理模型不依赖观测数据，能够从理论上洞察何种因素影响电离层的变化。然而，模型模拟结果受到多种因素影响，包括太阳辐射通量、中性成分密度、温度、风、电场等等，这些驱动因素均由经验模型给定，必然对计算结果带来误差。另外，理论模型不可能全面准确地考虑电离层当中的物理化学过程及扰动情况，再加上边界条件和初始条件的不确定性，及数值方法带来的误差，理论模型给出的结果往往与实际情况有很大偏差。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题就是针对电离层物理模型受驱动因素影响，模拟精度不高的问题，提供一种基于垂直探测数据修正等效风场的方法。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种基于垂直探测数据修正等效风场的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
7.步骤1，调试电离层物理模型和中性风模型hwm14；
8.步骤2，下载t时刻电离层垂直探测电离图，反演得到t时刻电离层参数：f2层峰值高度hmf2
ionosonde
(t)；
9.步骤3，下载物理模型输入参数，包括太阳活动指数f107、地磁活动指数ap；
10.步骤4，按照电离层物理模型输入参数格式，输入日期、时间、经纬度、太阳活动指数、地磁活动指数，利用hwm14计算的中性风场u
hwm14
(t)信息，计算电离层hmf2
model
(t)；
11.步骤5，其他输入参数不变，改变电离层物理模型输入参数中性风场，输入u1(t)计算得到hmf21(t)；输入u2(t)计算得到hmf22(t)，根据以下公式计算系数α：
[0012][0013]
步骤6，计算hwm14风场与电离层物理模型计算所需等效风场的差值δu，计算方法如下：
[0014][0015]
步骤7，推算t+δt时刻输入电离层物理模型所需等效风场u(t+δt)，计算方法如下：
[0016]
u(t+δt)＝u
hwm14
(t+δt)+δu
[0017]
步骤8，将步骤7中计算得到的u(t+δt)作为物理模型输入参数，计算t+δt时刻电离层参数。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
电离层中存在较多复杂的物理化学过程，而物理模型难以全面准确地描述这些过程，对电离层状态起至关重要作用的中性风场是导致计算结果不准确的重要原因。依照本发明所公开基于垂直探测数据修正等效风场的方法，经过对电离层物理模型驱动因素中性风场的修正，能够使输出结果更加接近实际，显著提高模型计算精度。作为电离层数值预报的核心，电离层物理模型模拟精度的提升，可为发展电离层数值现报、预报技术提供技术支撑。
附图说明
[0020]
图1是本发明方法的流程示意图；
[0021]
图2是用本发明方法修正前后模拟值与实际观测值的对比图。
具体实施方式
[0022]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]
实施例1，本实施例公开了一种基于垂直探测数据修正等效风场的方法，基于垂直探测获取的电离层f2层峰值高度hmf2，修正等效风场(物理模型驱动因素)，提高模型模拟精度。
[0024]
如图1所示，包括如下步骤：
[0025]
步骤1，调试电离层物理模型(高度范围：90-550km，时间步长：6分钟)和中性风模型hwm14(horizontal wind model)；
[0026]
步骤2，原始数据获取：
[0027]
互联网下载t时刻电离层垂直探测电离图，本实施例中具体为：2020年1月1日，12lt，北京站(40.11
°
n,116.28
°
e)，反演(或经验模型)得到t时刻电离层参数：f2层峰值高度hmf2
ionosonde
(t)；
[0028]
步骤3，互联网下载物理模型输入参数，包括太阳活动指数f107、地磁活动指数ap；
[0029]
步骤4，hmf2获取，从电离图中获取hmf2参数信息，利用电离层物理模型，计算观测数据相应时段及站点电离层hmf2：
[0030]
按照电离层物理模型输入参数格式，输入日期、时间、经纬度、太阳活动指数、地磁活动指数，利用hwm14计算的中性风场u
hwm14
(t)等信息，计算电离层hmf2
model
(t)；
[0031]
步骤5，hmf2与中性风场u的关系求解，通过改变电离层物理模型输入参数(风场)计算相应hmf2，求得当前条件下hmf2与中性风场u的关系：
[0032]
其他输入参数不变，改变电离层物理模型输入参数中性风场，输入u1(t)计算得到hmf21(t)；输入u2(t)计算得到hmf22(t)，根据以下公式计算系数α：
[0033][0034]
步骤6，模型等效风场与经验计算值关系获取，根据等效风场与模型输出参数hmf2关系，获取模型等效风场与经验计算值关系：
[0035]
计算hwm14风场与电离层物理模型计算所需等效风场的差值δu，计算方法如下：
[0036][0037]
步骤7，计算下一时刻等效风场，并作为电离层物理模型输入：
[0038]
推算t+δt时刻输入电离层物理模型所需等效风场u(t+δt)，计算方法如下：
[0039]
u(t+δt)＝u
hwm14
(t+δt)+δu
[0040]
步骤8，计算下一时刻电离层参数：
[0041]
将步骤7中计算得到的u(t+δt)作为物理模型输入参数，计算t+δt时刻电离层参数。
[0042]
图2是将本发明方法应用于电离层物理模型前后的计算结果与实际观测值的对比图。
[0043]
综上所述，本发明提出了一种基于垂直探测数据修正等效风场的方法，基于单站电离层f2层峰高hmf2垂直探测数据，以及电离层本身的物理过程(即电离层峰高与风场存在一定相关性)，修正电离层物理模型关键输入参数：等效风场，使模型计算结果更加接近实际，提高了模型精度。