30、利用集合卡尔曼滤波器对电离层 - 热层进行精确建模

利用集合卡尔曼滤波器对电离层 - 热层进行精确建模

1. 引言

电离层 - 热层环境是众多太空基础设施的所在之处，对许多卫星所受的阻力起着主导作用。因此，准确理解和描述这一高层大气环境对于保障太空基础设施的安全至关重要。

目前有多种模拟电离层 - 热层的模型，例如质谱 - 非相干散射（MSIS）模型、NCAR 热层 - 电离层 - 电动力学通用环流模型（TIE - GCM）以及全球电离层 - 热层模型（GITM）等。尽管这些模型涵盖了大部分相关物理过程，但如果没有适当的预先校准和初始条件，它们的预测误差可能会相当大。

数据同化方法能够将模型信息、观测数据以及相应的误差统计信息相结合，从而提供对系统真实状态的更精确近似。这些方法在地球物理科学领域得到了广泛应用，包括大气科学、空间天气以及气候和海洋科学等。近年来，数据同化方法也越来越多地应用于日球物理学和高层大气科学领域。

本文将介绍如何将集合卡尔曼滤波器（EnKF）应用于 GITM 模型，以更好地近似电离层 - 热层的密度。太阳活动是电离层 - 热层变化的主要驱动因素之一，其影响通过 F10.7 太阳射电通量参数来体现。为了提高 GITM 的预测能力，同化过程将对模型变量进行修正，并估计合适的 F10.7 参数值。

2. 电离层 - 热层模型与同化方法

2.1 电离层 - 热层模型

GITM 是一个基于物理的模型，它通过求解完整的纳维 - 斯托克斯方程来计算多种中性和带电成分的密度、速度和温度。该模型明确求解了 O、O₂、N(²D)、N(²T)、N(⁴S)、N₂、NO、H 和 He 等中性成分的密度，以及 O⁺(⁴S)、O⁺(²D)、O⁺(²P