极地研究

极地研究 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (2): 289-303.DOI: 10.13679/j.jdyj.20250086

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电离层电导率伴随模型的建立及敏感性分析

杨鸿阳1, 虞千1, 牛壮1, 郭兵2, 吕佳锟2, 李汇军1, 成巍2   

  1. 1南京航空航天大学临近空间环境实验室, 江苏 南京 210019;
    2北京应用气象研究所, 北京 100029
  • 出版日期:2026-06-30 发布日期:2026-07-13
  • 通讯作者: 成巍

Development and sensitivity analysis of an ionospheric conductivity adjoint model

YANG Hongyang1, YU Qian1, NIU Zhuang1, GUO Bing2, LYU Jiakun2, LI Huijun1, CHENG Wei2   

  1. 1Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Academy of Astronautics, Nanjing 210019, China;
    2Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China
  • Online:2026-06-30 Published:2026-07-13

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摘要：

针对电离层电导率物理模型在实际应用中误差来源分析相对稀缺的问题, 本文从电导率物理模型出发, 导出电离层电导率伴随模型, 首次实现了电离层电导率物理模型敏感性分析方法的创新。基于国际参考电离层模型(IRI2020)、中性大气模型(MSISE2.0)和地磁模型(IGRF14), 本文实现了电离层电导率张量的量化分析, 并以伴随模型为依据, 实现了电导率物理模型的敏感性分析。本文向磁场强度、电子数密度、电子温度、离子数密度和离子温度分别引入相对误差(Δ=0.01、0.1、1、10), 通过对比直接扰动与伴随预测, 验证了伴随模型线性近似的有效性。结果表明: 在所有考察误差范围内, 电导率误差与输入误差始终保持良好的线性关系(偏差<3%), 即使Δ=10时也未出现发散。分析给出了各参数引入不同水平白噪声误差后对电离层电导率张量定量计算结果的影响。结果表明: 磁场强度、电子数密度和电子温度的模型误差是当前基于电离层电导率物理模型计算电导率张量的主要误差来源。伴随模型量化分析进一步发现: 在电离层E层峰值高度处, 当Δ=0.01时, 磁场强度和电子数密度的模型误差引起约1%的电导率张量变化, 呈线性关系; 而离子参数(离子数密度、离子温度)的同等误差影响不足0.2%; 当Δ增大至0.01、1、10时, 电导率相对误差相应等比例增大。这表明E层电导率建模误差主要来源于磁场强度、电子数密度和电子温度。上述模型敏感性分析量化结果为未来电离层探测任务规划、计算电导率所需相关模型性能指标提升、有效控制电离层电导率模型计算误差等需求提供了理论依据。

关键词: 电离层电导率, 物理模型, 伴随模型, 敏感性分析

Key words: ionospheric conductivity, physical model, adjoint model, sensitivity analysis