[发明专利]一种引入CM模型的电离层等效电流体系逐小时反演方法

说明书

本发明公开了一种引入CM模型的电离层等效电流体系逐小时反演方法，通过收集记录全球地磁台站地磁场矢量原始数据、消除原始数据中的长期项和趋势项等背景变化，继而对单台数据作主成分分析,获得地磁日变场成分,作为电离层等效电流逐小时反演的地磁日变场基础数据；再利用CM磁场模型，计算全球网格点电离层电流磁场成分的模型磁场数据。进一步联合实测数据和模型数据进行网格化插值,得到电离层等效电流逐小时反演的全球地磁日变场数据；最终基于球谐分析方法,将全球地磁日变场网格化数据进行内外源场分离,得到外源场对应为电离层等效电流磁位，再根据毕奥‑萨法尔定律给出的磁场与电流之间关系式，反演计算得到逐小时电离层等效电流。

技术领域

本发明属于地球变化磁场与电离层电流资料数字梳理及研究领域，涉及一种引入CM模型的电离层等效电流体系逐小时反演方法。

背景技术

电离层等效电流体系反演算法是基于1839年数学家高斯提出的地磁场位场理论，借助高斯-施密特方法，可将地球基本磁场分为内、外源两部分。算法的基本思路是：假设产生磁场的电流位于某一高度的二维球壳上(如电离层的E区)，先用正演方法(球谐分析理论)建立已知电流体系所产生的磁场表达式，然后基于全球地磁场观测资料求解高斯系数，进而利用磁场和电流的关系式推导出电流，外源场对应为电离层等效电流体系。基于位场理论，球谐分析方法实现了对地球物理参量空间分布的简洁数学表达，因此在地磁和重力等领域得到了广泛应用。

地磁日变场(简称Sq)是电离层等效电流反演算法的数据基础，因此其数据质量和台站数目及分布都是影响反演结果的重要因素。而由于地磁场记录是地球内外部多源磁场信号叠加，如何获得对地磁日变场的有效提取是反演计算中的关键环节。通过剔除地磁场记录中的长期变化后，平均计算可以有效消除短时磁扰。因此，电离层等效电流反演目前应用较多的是逐月反演和逐日反演，即利用经月平均计算或傅里叶变换等提取每日地磁日变场，其数据作为反演算法的数据输入，进而实现逐月/逐日的电离层等效电流体系反演。

但是，对于更高时间精度的电离层等效电流体系反演，如逐小时反演，则需要在提取同一时刻全球台站地磁日变场基础上，针对全球所有台站单个时刻日变场的“瞬时”值数据，重新网格插值，进而计算得到全球“日变场”数据。显而易见，受地形地貌和各国经济条件的限制，全球地磁台站的空间分布存在明显缺陷，欧美地区台站密集而海洋区域台站空白。全球地磁台站的空间分布不均匀，导致电离层等效电流反演的时间精度极大地受到限制，严重制约进一步认识电离层等效电流的瞬时空间分布和动态变化。

主成分分析方法具有非人为指定基函数，而是从资料中“自然生成”的特点，近年来被广泛应用于电离层和地磁数据的分析中，能够提高地磁日变场的提取质量。此外，克服全球台站分布不均匀的缺陷，获得较理想的地磁日变场全球网格数据，是实现电离层等效电流逐小时反演稳定性的关键。而CM(Comprehensive Modeling)综合磁场模型，作为20世纪90年代美国宇航局和丹麦空间研究所联合发展的地磁场建模新方法，它具有计算全球基本磁场和变化磁场的能力，其中电离层场及其感应场模块单元可以计算由电离层电流及其感应电流所产生的地磁日变场。因此引入CM模型值作为地基站点数据的补充，可以有效弥补全球台站空间分布的不足,以满足电离层等效电流逐小时反演的数据需要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种引入CM模型的电离层等效电流体系逐小时反演方法。首先利用主成分分析方法提取单台地磁日变场，再根据CM地磁场模型计算得到模型数据作为站点数据补充，联合实测数据和CM模型数据进行网格化处理计算得到“瞬时(逐小时)”全球地磁日变场数据，进而运用球谐分析算法来实现电离层等效电流的逐小时反演。

本发明所述的一种引入CM模型的电离层等效电流体系逐小时反演方法，包括以下步骤：

S1收集记录全球地磁台站地磁场矢量原始数据；