[论文解读] Impact of Solar Activity on the Ionosphere/Thermosphere during Geomagnetic Quiet Time for CTIPe and TIE-GCM

A. Fitzmaurice, M. M. Kuznetsova+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2017

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用CTIPe和TIE-GCM模型，在地磁平静条件下评估了不同太阳活动水平（以F10.7通量衡量）对电离层/热层建模的影响。结果表明，太阳活动对总电子含量（TEC）输出的影响最为显著，TIE-GCM总体产生的TEC值高于CTIPe，但CTIPe v3.2尽管整体TEC值偏高，仍与观测数据最为吻合。

ABSTRACT

This study examines the impact that solar activity has on model results during geomagnetic quiet time for the ionosphere/thermosphere models: the Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere Electrodynamics Model (CTIPe) and the Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (TIE-GCM). Using varying F10.7 flux values as a measurement of solar activity, the models were run over a two-day period with the constant parameters Kp= 2, n= 3 cm^3, and v= 400 km/s. Four F10.7 values (70, 110, 150, and 190) were selected based off of the average F10.7 values for geomagnetic quiet days across the current solar cycle. Our analysis of the model results showed that solar activity has the greatest effect on TEC output and the least effect on hmF2 and O/N2 output. Overall, TIE-GCM output tends to be higher than CTIPe, however, inconsistent values across the two-day CTIPe v3.1 output suggests that this model needs a longer warm-up period. When visually compared against observed data, CTIPe v3.2 performs the best, although all models greatly overestimated values for TEC. Analyses of models during geomagnetic quiet time are important in establishing a baseline which can be compared against storm data. An example of this was completed at the end of the study, using storm data obtained from Millstone Observatory on March 17, 2013. In this analysis, we found that TIE-GCM using the Weimer model to calculate the high-latitude electric potential provided more accurate results. Continued research in this area will be useful for understanding the impact of geomagnetic storms on the thermosphere/ionosphere.

研究动机与目标

• 评估太阳活动在地磁平静期间对电离层/热层模型输出的影响。
• 在一致的地磁平静条件下，比较CTIPe与TIE-GCM的模型表现。
• 基于观测数据评估模型准确性，特别是总电子含量（TEC）、hmF2和O/N2。
• 建立地磁平静期行为基线，以便与风暴期间的数据进行比较。
• 确定实现准确地磁平静期模拟的最佳模型配置及太阳强迫输入。

提出的方法

• 使用CTIPe和TIE-GCM模拟两个白天周期，固定Kp=2、n=3 cm³和v=400 km/s，以隔离太阳活动的影响。
• 将F10.7通量值设为70、110、150和190 sfu，以代表地磁平静条件下的不同太阳活动水平。
• 在TIE-GCM中采用Weimer模型表示高纬度电势，以改善电场的表示。
• 比较两种模型在不同F10.7水平下的输出结果（TEC、hmF2、O/N2），评估其敏感性。
• 基于2013年3月17日米尔斯顿天文台在地磁风暴期间的观测数据验证结果。
• 通过视觉和定量比较模型输出与观测数据，评估准确性及模型一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地磁平静期间，太阳活动（以F10.7通量衡量）如何影响CTIPe和TIE-GCM中的TEC、hmF2和O/N2？
• RQ2 在地磁平静条件下，CTIPe与TIE-GCM中哪一模型能产生更准确的电离层/热层输出？
• RQ3 模型初始化和预热持续时间对CTIPe输出的一致性和可靠性有何影响？
• RQ4 模型结果与米尔斯顿天文台在地磁风暴期间的真实观测数据相比如何？
• RQ5 哪种模型配置（如Weimer高纬度电势模型）在风暴事件期间能与观测到的TEC达成更好一致性？

主要发现

• 太阳活动对TEC输出的影响最强，F10.7值越高，两种模型中的TEC均随之增加。
• hmF2和O/N2输出的敏感性最低，表明这些参数在平静期间对太阳强迫的响应较弱。
• TIE-GCM在所有F10.7水平下均持续产生高于CTIPe的值，表明模型构型或参数化存在系统性偏差。
• 尽管所有模型均存在整体TEC偏高现象，CTIPe v3.2在TEC表示方面与观测数据最为吻合。
• CTIPe v3.1在两个白天模拟中输出值不一致，表明需要更长的预热期以获得稳定结果。
• 在与米尔斯顿天文台数据对比验证后，采用Weimer模型表示高纬度电势的TIE-GCM在风暴期间模拟中表现更准确。