一种区域电离层暴事件识别及分级方法与流程

1.本发明属于电离层物理研究领域，特别涉及该领域中的一种区域电离层暴事件识别及分级方法。


背景技术：

2.电离层变化极其复杂，根源是其控制因素繁多。电离层f区的离化源是太阳紫外、极紫外和x射线等，所以太阳活动对电离层有着决定性的影响。f区除受太阳活动控制外，还受各种动力学过程的影响，如赤道电激流对低纬度f区的影响、热层环流的影响、e
×
b漂移影响等。这些动力学过程受控于地磁场，因此地磁活动亦影响着电离层f2层临界频率(fof2)的大小。另外，中性大气各成分密度的大小也受地磁的影响，进一步影响电离层电子密度的大小。受到众多因素的影响，电离层除了具有通常存在的昼夜日变化、季节变化、11年太阳活动变化外，还存在显著的逐日变化和暴时变化。电离层f2层临界频率fof2是电离层的关键参数之一，中纬地区电离层fof2的逐日变化通常高达15％左右，在磁暴期间，fof2的变化会超过30％。这些电离层变化会对无线电系统产生不利影响，严重时可能引起通讯中断。为提高通信、定位、雷达、导航等无线电系统的工作性能。电离层正暴会导致折射延迟增加、测量误差增大，电离层负暴会导致短波最高可用频率降低、可用频段变窄甚至中断(如图1所示)。如何利用电离层观测数据合理表征电离层扰动，为相关信息系统提供及时有效的电离层扰动预警信息，对于电子信息系统在电离层扰动期间的性能发挥起着至关重要的作用。
3.目前对于电离层扰动检测较为常用的方法是利用fof2或总电子含量(tec)相对于参考值(通常取月中值)的相对偏差作为电离层f2层扰动程度的度量，但已有研究表明这种表示方法包含了电离层中存在的季节、地方时变化，不能更好的反映电离层暴时变化。此外，现有表示电离层扰动的方法多是基于单个观测站点的数据考虑电离层暴的时间持续性特征而定义的，而对于电离层暴事件的区域分布特征缺乏考虑，这可能导致这些检测方法给出的电离层暴信息与真实情况存在偏差。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中对电离层暴事件识别存在的不足之处，如表示方法没有滤除电离层中存在的规律性变化，对电离层扰动强度计算不合理；没有考虑电离层暴事件的区域性发展规律等，提出了一种基于电离层垂直探测参数fof2的综合考虑电离层扰动时间持续性及区域发展规律的电离层暴事件识别及分级方法。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种区域电离层暴事件识别方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
7.步骤1，收集整理我国区域不同观测站电离层fof2数据，去除异常数据、无效数据：
8.收集我国区域不同观测站电离层fof2数据，数据覆盖太阳活动高年、低年、不同季节、地方时，数据不少于5年；统计过程中去除数据中的说明符号以及不符合电离层变化规
律的异常数据；
9.步骤2，计算各观测站fof2数据相对参考值的相对偏差，参考值取对应时刻前27天中值，相对偏差计算公式为：
[0010][0011]
上式中，fo表示电离层fof2观测值，fm表示相应时刻的参考值；
[0012]
步骤3，计算表示单个观测点的扰动指数p，计算公式为：
[0013][0014]
上式中，μ、σ分别表示不同季节、地方时条件下df的平均值和标准偏差，标准偏差的计算公式为：
[0015][0016]
上式中，xi表示df值，s表示每种分类中df数据的个数，表示每种分类中df的平均值；
[0017]
步骤4，以地理纬度35
°
将我国分为北部和南部两个区域，选取某一区域各观测站点t时刻及其之前3小时内计算的p指数，如果p指数大于2.5或者小于-2的数据达到了所选取数据总数的1/3及以上，则认为发生了一次电离层暴事件。
[0018]
一种区域电离层暴事件分级方法，其改进之处在于：在识别方法的步骤4之后，将所选取p指数中大于2.5或者小于-2的数据进行平均，得到表征电离层暴事件强度的指数pi，计算公式为：
[0019][0020]
上式中，n表示某一区域内观测站点个数；
[0021]
确定电离层暴事件的强度分级规则如下：
[0022]
电离层暴事件强度级别取值范围正相强电离层暴pi≥5正相中等电离层暴4≤pi＜5正相弱电离层暴2.5≤pi＜4平静(无电离层暴)-2＜pi＜2.5负相弱电离层暴-3＜pi≤-2负相中等电离层暴-4＜pi≤-3负相强电离层暴pi≤-4。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
本发明所公开的识别方法计算简单，可以有效的消除电离层自身的变化，可以更
加合理的表示一些异常因素引起的电离层扰动。识别结果可以为相关信息系统提供及时有效的电离层扰动预警信息，对电子信息系统的系统设计及其在电离层扰动期间的性能发挥起到重要作用。
[0025]
本发明所公开的分级方法，利用我国不同地区电离层观测站fof2数据，统计分析电离层fof2参数在磁暴期间的变化分布规律，提出了适用于我国地区的电离层暴分级方法。
附图说明
[0026]
图1是电离层暴引起短波可用频段变窄的示意图；
[0027]
图2是本发明所公开分级方法的流程图；
[0028]
图3是2015年3月17—19日我国区域电离层扰动指数图；
[0029]
图4是2015年10月7—9日我国区域电离层扰动指数图。
具体实施方式
[0030]
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。
[0031]
实施例1，本实施例公开了一种区域电离层暴事件识别方法，包括如下步骤：
[0032]
步骤1，收集整理我国区域不同观测站电离层fof2数据，去除异常数据、无效数据等：
[0033]
收集我国区域不同观测站电离层fof2数据，数据覆盖太阳活动高年、低年、不同季节、地方时，数据不少于5年；各观测站的位置如下表所示：
[0034][0035]
所选择fof2数据为电离层垂直探测电离图的人工度量数据，根据电离层垂直探测度量规则，度量结果中包含了表示不同含义的符号，如表示机器故障、扩展f等现象的度量
符号，统计过程中去除数据中的说明符号以及一些不符合电离层变化规律的异常数据；
[0036]
步骤2，计算各观测站fof2数据相对参考值的相对偏差，参考值取对应时刻前27天中值，相对偏差计算公式为：
[0037][0038]
上式中，fo表示电离层fof2观测值，fm表示相应时刻的参考值；
[0039]
步骤3，考虑电离层的季节、地方时变化特征，按照不同季节(夏季、冬季、春秋)、地方时将所计算的df进行分类。计算表示单个观测点的扰动指数p，计算公式为：
[0040][0041]
上式中，μ、σ分别表示不同季节、地方时条件下df的平均值和标准偏差，标准偏差的计算公式为：
[0042][0043]
上式中，xi表示df值，s表示每种分类中df数据的个数，表示每种分类中df的平均值；
[0044]
步骤4，考虑电离层变化的区域分布特征，以地理纬度35
°
将我国分为北部和南部两个区域，选取某一区域各观测站点t时刻及其之前3小时内计算的p指数，如果p指数大于2.5或者小于-2的数据达到了所选取数据总数的1/3及以上，则认为发生了一次电离层暴事件。
[0045]
如图2所示，本实施例还公开了一种区域电离层暴事件分级方法，在识别方法的步骤4之后，将所选取p指数中大于2.5或者小于-2的数据进行平均，得到表征电离层暴事件强度的指数pi，计算公式为：
[0046][0047]
上式中，n表示某一区域内观测站点个数；
[0048]
如果按照此方法没有识别到电离层暴事件，则将所选取的p数据进行平均作为该时刻的电离层暴事件表征指数。
[0049]
选取历史磁暴期间(磁暴开始前24小时及开始后72小时共96个小时)的电离层暴表征指数pi数据，对其进行统计分析。
[0050]
根据表征指数不同区间的发生概率并考虑电离层暴事件发生的客观物理规律，确定电离层暴事件的强度分级规则。
[0051]
确定电离层暴事件的强度分级规则如下：
[0052][0053][0054]
为了验证本发明对我国区域电离层暴事件识别的有效性，本实施例给出了2015—2017年磁暴期间我国区域电离层暴事件的发生情况，如下表所示。表中-3、-2、-1分别表示负相强、中等、弱电离层暴事件，3、2、1分别表示正相强、中等、弱电离层暴事件。下表中2015—2017年发生的86次磁暴事件中(dst《-30nt)我国北部地区发生弱、中、强电离层暴事件的次数分别为45、4、2，南部地区发生弱、中、强电离层暴事件的次数分别为28、3、3。
[0055][0056][0057]
本实施例给出了2015年3月17-19日超强磁暴期间我国区域电离层暴事件发生情况，此次磁暴期间地磁活动指数dst最小值达到了-224nt。图3给出了此次磁暴事件期间我国不同区域电离层扰动程度，17日20:00ut开始，我国北部地区开始出现负相电离层扰动，
随后逐渐增强，18日11:00ut开始减弱，至19日10时基本恢复平静状态。我国南部地区负相电离层扰动较北部地区开始时间略有滞后，持续时间也较短，18日16:00ut各站扰动基本恢复平静状态。本发明识别方法及时有效的识别出了此次电离层暴事件。
[0058]
本实施例给出了2015年10月7-9日强磁暴事件期间我国区域电离层暴事件发生情况。此次磁暴期间地磁活动指数dst最小值为-124nt。图4给出了此次磁暴事件期间我国不同区域电离层扰动程度，此次磁暴事件期间，我国北部地区发生了负相电离层扰动，而南部地区电离层没有发生明显扰动，本发明提出的电离层扰动指数较好的反映了我国不同区域的电离层状态，给出了电离层暴事件合理的识别结果。
[0059]
以上实施例说明本专利方法计算得到的区域电离层扰动指数能够反映磁暴引起的不同区域电离层f2扰动程度，能够识别出不同级别的电离层暴事件。