子午工程成果报道篇|AI助力揭示电离层变化“奥秘”

本期摘要

     子午工程团队成员中国科学技术大学薛向辉教授研究团队，利用子午工程地基多台站的电离层数字测高仪，结合卫星天基观测数据与太阳活动等信息，在电离层突发E层的人工智能建模与预报方面开展了相关工作。该研究阐述了外界因素与突发E 层的复杂关系，揭示了电离层E区域气候学演化的主要过程与控制因素，对探索地球中高层大气的结构和长期演化具有重要意义。相关工作已经发表在学科权威期刊《Atmospheric Chemistry and Physics》上。第一作者为田鹏浩，通讯作者为于秉坤研究员和薛向辉教授。该成果被评选为子午工程2023年度优秀成果。

     太阳辐射会使地球大气发生电离，电离层不规则体是电离产生的等离子体分布不均匀而出现的结构。在海拔80至130千米的高度，这部分区域的大气在太阳辐射下发生部分电离并产生大量的电子，被称为电离层E层。同时外太空流星体进入这片区域会产生由金属成分（钠、铁等）组成的烧蚀物质。这些金属成分在复杂的外界因素下汇聚形成稠密的E区不均匀体（突发E层），其产生和出现具有很强的不确定性，演化机制也尚未明确，但是却极大的影响着空间通讯的准确性和稳定性。因此，电离层不均匀体的建模和预测研究是空间科学关注的前沿科学问题之一。

     研究团队在前期工作中利用经验模型对全球电离层突发E层进行建模，但缺乏对小尺度结构的预报能力。在最新的工作中，我们基于子午工程的电离层数字测高仪数据，初步探索了不同驱动因素对电离层E区不均匀体演化的影响。结合天基卫星观测，进一步提出了更精确的E区不均匀体的气候学重构模型（图1），有效捕捉了外界变化与电离层E区不均匀体之间的复杂关系（图2）。联合多个国内电离层数字测高仪（北京、武汉、漠河、三亚和邵阳）进行对比验证，进一步证实了模型的有效性和优越的预报能力。此外，研究团队基于该模型开发了全球范围的预测应用（图3），该应用可以为研究人员提供覆盖完整太阳活动周期（2002-2025）的E区不均匀体预报信息，预计对极端空间天气事件的预警做出重大贡献。

图1 基于人工智能技术重构全球电离层E区不均匀体示意图

图2 全球电离层E区不均匀体气候学观测结果和模型预测结果

图3 研究团队开发的SELF-ANN（Sporadic E Layer Forecast using Artificial Neural Networks）应用和有效预测的时间范围

    该研究成果为AI在空间天气建模领域提供了新思路。随着我国子午工程二期建设和深空探测日益推进，本项工作可为深入理解和预测空间环境变化提供模型支持，更好地评估中高层大气对无线电波传播的影响，这对保证长距离空间通信的稳定性和安全性至关重要。

   该研究成果以“Ionospheric irregularity reconstruction using multisource data fusion via deep learning”为题发表于国际权威学术期刊Atmospheric Chemistry and Physics上。该研究工作得到了量子科技创新计划、深空探测实验室前沿科学研究计划、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、科技部重点研发计划、国家自然科学基金等资助。同时，中国科学技术大学超级计算中心为本研究提供模拟支持。

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https://doi.org/10.5194/acp-23-13413-2023