[发明专利]一种高精度电离层区域短期预报方法

权利要求书

1.一种高精度电离层区域短期预报方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对所选区域按照经度、纬度和高度进行三维网格划分，其中经度步进2°，纬度步进2°，高度步进20km；

步骤2：建立电离层区域同化模型；

步骤21：电离层背景场重构，以国际参考电离层IRI模型为背景约束，以区域内垂测站电离图判读获得的F₂层临界频率foF2为数据驱动，运用kriging插值方法建立区域电离层背景场，具体步骤包括：

步骤211：根据IRI模型，得到R₁₂＝0和R₁₂＝100时，12个月一天24小时的foF2值模型图，R₁₂是IRI模型的一个输入参数，表示太阳黑子数13个月滑动平均值；

步骤212：根据R₁₂与foF2之间的线性关系，获得所重构区域内任一点与R₁₂之间的关系，上述点对应的即为月中值；

步骤213：给定垂测站位置某一天某时刻的foF2值，根据上面得到的该站R₁₂与foF2值之间的关系，获得等效太阳黑子数；

步骤214：判断各个垂测站得到的等效太阳黑子数是否相同，如相同则将等效太阳黑子数代入IRI模型计算区域重构结果，如不同则利用kriging插值方法获得区域内任一点的等效太阳黑子数；

步骤215：利用foF2与R₁₂之间的关系获得区域内任一点的foF2值，完成重构；

步骤22：误差协方差矩阵建立；

步骤221：建立观测误差协方差矩阵R，其表达式如下：

其中，R_ij为观测误差协方差矩阵元素，i和j表示观测点，y_i和y_j表示在第i点和第j点的观测值，η^o表示比例系数，取η^o＝0.043；

步骤222：建立背景场误差协方差矩阵P，假定背景场误差协方差在水平经度、纬度方向和高度方向误差都是高斯分布且可以分离，其表达式如下：

其中，P_ij为背景场误差协方差矩阵元素，i和j表示观测点，和表示在第i点和第j点的背景值，φ_ij、λ_ij和h_ij分别表示第i点和第j点在经度、纬度和高度上的距离，L_φ、L_λ和L_h分别是模式在这三个方向的相关距离，在水平经度方向取10°、纬度方向取5°、高度方向取60km，η^b是模式误差与模式值的线性系数，取η^b＝0.43；

步骤23：数据同化建模；

采用基于Kalman滤波的数据同化技术进行同化建模，获得分析场X^a，即最终的电离层区域同化模型结果，其计算公式如下：

K＝P_t^bH^T(HP_t^bH^T+R)^-1

其中，x^b表示背景场向量，使用步骤21建立的电离层背景场作为背景场向量；y表示观测向量，使用垂测站电离图反演得到的电子浓度剖面数据作为观测向量；H表示观测算子，使得模式向量向观测向量转换，完成背景场向观测点的空间插值和物理量转化，对于电子浓度剖面数据而言，观测算子仅进行空间插值；P^b表示背景误差协方差矩阵，使用步骤222建立的背景误差协方差矩阵；R表示观测误差协方差矩阵，使用步骤221建立的观测误差协方差矩阵；矩阵K称作增益矩阵；

步骤3：采用电离层参数短期预报的综合模型建立电离层单站短期预报方法，该方法的输入为单个观测站前30天电离层数据，输出为该观测站未来24h以内的短期预报值；

步骤4：建立电离层区域现报和提前2h内预报方法：采用基于Kalman滤波的电离层区域同化预报技术实现电离层区域现报和提前2h内预报，其计算公式如下：

其中L是对角矩阵，表示先前的观测数据随着时间的推移对同化结果的影响呈指数衰减；△T表示时间步长，0≤△T2h；τ表示电离层的时间相关尺度，τ取5h；背景场向量x^b、观测向量y、观测算子H和增益矩阵K的计算方法同步骤2；

步骤5：建立电离层区域提前2h—24h预报方法：首先利用步骤3的电离层单站短期预报方法对区域内观测站数据进行短期预报，获得任一站未来2h—24h的预报值，然后对于未来2h—24h中某一时刻的区域预报，利用步骤2建立的电离层区域同化模型进行计算，其中背景场向量x^b、观测算子H和增益矩阵K的计算方法同步骤2，而观测向量y则使用该时刻观测站数据的预报值。