地基GNSS和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析

摘要

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值.地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一.通过观测系统仿真试验(observation system simulation experiments,OSSE)对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量(total electron content,TEC)及三维电子密度参量技术得分(skill score,SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响.2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升.3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC.4)现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5)随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势.随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用,相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.