[發明專利]一種引入CM模型的電離層等效電流體系逐小時反演方法

在審

• 申請號: 202210064963.2
• 申請日: 2022-01-20
• 公開（公告）號: CN114397706A
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 吳迎燕;呂曉健
• 申請（專利權）人: 中國地震局地震預測研究所
• 主分類號: G01V3/38
• 分類號: G01V3/38;G01V3/40;G06F30/20
• 代理公司: 成都宏田知識產權代理事務所(普通合伙) 51337
• 代理人: 石小麗

本發明公開了一種引入CM模型的電離層等效電流體系逐小時反演方法，通過收集記錄全球地磁臺站地磁場矢量原始數據、消除原始數據中的長期項和趨勢項等背景變化，繼而對單臺數據作主成分分析,獲得地磁日變場成分,作為電離層等效電流逐小時反演的地磁日變場基礎數據；再利用CM磁場模型，計算全球網格點電離層電流磁場成分的模型磁場數據。進一步聯合實測數據和模型數據進行網格化插值,得到電離層等效電流逐小時反演的全球地磁日變場數據；最終基于球諧分析方法,將全球地磁日變場網格化數據進行內外源場分離,得到外源場對應為電離層等效電流磁位，再根據畢奧?薩法爾定律給出的磁場與電流之間關系式，反演計算得到逐小時電離層等效電流。

技術領域

本發明屬于地球變化磁場與電離層電流資料數字梳理及研究領域，涉及一種引入CM模型的電離層等效電流體系逐小時反演方法。

背景技術

電離層等效電流體系反演算法是基于1839年數學家高斯提出的地磁場位場理論，借助高斯-施密特方法，可將地球基本磁場分為內、外源兩部分。算法的基本思路是：假設產生磁場的電流位于某一高度的二維球殼上(如電離層的E區)，先用正演方法(球諧分析理論)建立已知電流體系所產生的磁場表達式，然后基于全球地磁場觀測資料求解高斯系數，進而利用磁場和電流的關系式推導出電流，外源場對應為電離層等效電流體系。基于位場理論，球諧分析方法實現了對地球物理參量空間分布的簡潔數學表達，因此在地磁和重力等領域得到了廣泛應用。

地磁日變場(簡稱Sq)是電離層等效電流反演算法的數據基礎，因此其數據質量和臺站數目及分布都是影響反演結果的重要因素。而由于地磁場記錄是地球內外部多源磁場信號疊加，如何獲得對地磁日變場的有效提取是反演計算中的關鍵環節。通過剔除地磁場記錄中的長期變化后，平均計算可以有效消除短時磁擾。因此，電離層等效電流反演目前應用較多的是逐月反演和逐日反演，即利用經月平均計算或傅里葉變換等提取每日地磁日變場，其數據作為反演算法的數據輸入，進而實現逐月/逐日的電離層等效電流體系反演。

但是，對于更高時間精度的電離層等效電流體系反演，如逐小時反演，則需要在提取同一時刻全球臺站地磁日變場基礎上，針對全球所有臺站單個時刻日變場的“瞬時”值數據，重新網格插值，進而計算得到全球“日變場”數據。顯而易見，受地形地貌和各國經濟條件的限制，全球地磁臺站的空間分布存在明顯缺陷，歐美地區臺站密集而海洋區域臺站空白。全球地磁臺站的空間分布不均勻，導致電離層等效電流反演的時間精度極大地受到限制，嚴重制約進一步認識電離層等效電流的瞬時空間分布和動態變化。

主成分分析方法具有非人為指定基函數，而是從資料中“自然生成”的特點，近年來被廣泛應用于電離層和地磁數據的分析中，能夠提高地磁日變場的提取質量。此外，克服全球臺站分布不均勻的缺陷，獲得較理想的地磁日變場全球網格數據，是實現電離層等效電流逐小時反演穩定性的關鍵。而CM(Comprehensive Modeling)綜合磁場模型，作為20世紀90年代美國宇航局和丹麥空間研究所聯合發展的地磁場建模新方法，它具有計算全球基本磁場和變化磁場的能力，其中電離層場及其感應場模塊單元可以計算由電離層電流及其感應電流所產生的地磁日變場。因此引入CM模型值作為地基站點數據的補充，可以有效彌補全球臺站空間分布的不足,以滿足電離層等效電流逐小時反演的數據需要。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種引入CM模型的電離層等效電流體系逐小時反演方法。首先利用主成分分析方法提取單臺地磁日變場，再根據CM地磁場模型計算得到模型數據作為站點數據補充，聯合實測數據和CM模型數據進行網格化處理計算得到“瞬時(逐小時)”全球地磁日變場數據，進而運用球諧分析算法來實現電離層等效電流的逐小時反演。

本發明所述的一種引入CM模型的電離層等效電流體系逐小時反演方法，包括以下步驟：

S1收集記錄全球地磁臺站地磁場矢量原始數據；