李傳榮張志瑋李子揚朱小華1）中國科學院定量遙感信息技術(shù)重點實驗室，北京 1000942）中國科學院光電研究院，北京 1000943）中國科學院大學，北京 100049

基于DEMETER衛(wèi)星電子濃度探測數(shù)據(jù)的不同時間序列預測模型研究

李傳榮1，2）張志瑋1，2，3）李子揚1，2）朱小華1，2）
1）中國科學院定量遙感信息技術(shù)重點實驗室，北京 100094
2）中國科學院光電研究院，北京 100094
3）中國科學院大學，北京 100049

在地震前兆電離層擾動研究中，復雜的電離層環(huán)境會導致衛(wèi)星電磁探測載荷的性能及工作狀態(tài)發(fā)生變化。目前探測載荷性能分析多以實驗室檢測定標和野外實驗手段與其他探測數(shù)據(jù)對比分析為主，不能滿足高頻次的載荷性能與數(shù)據(jù)質(zhì)量評價需求，所以，有必要進行同一電離層參量星上探測數(shù)據(jù)的對比分析。由于同期在軌衛(wèi)星較少，因此，通過建立電磁衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)時間序列預測模型進行時間匹配，開展不同期在軌衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)交叉檢驗研究，同時，利用電磁衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)建立時間序列預測模型構(gòu)建電離層背景場，分析地震相關的空間電磁事件引起的電離層擾動。

選取DEMETER電磁衛(wèi)星2006年1月至2010年11月郎繆爾探針（ISL）探測的電子濃度數(shù)據(jù)（Ne）。剔除磁暴發(fā)生時的數(shù)據(jù)，并將地球表面以2°×2°的經(jīng)緯度間隔劃分經(jīng)緯度格網(wǎng)，收集Ne數(shù)據(jù)形成網(wǎng)格中心點的時間序列數(shù)據(jù)，組成2006年1月至2010年11月的月平均時間序列數(shù)據(jù)，對IRI模型模擬衛(wèi)星軌道高度處Ne的精度進行分析，同時基于Ne的季節(jié)特征建立了ARIMA時間序列預測模型，最后分析兩種模型預測Ne的相對誤差。

利用國際通用電離層模型IRI模擬預測衛(wèi)星軌道高度處Ne數(shù)據(jù)，并利用ISL探測Ne驗證IRI在不同緯度預測Ne數(shù)據(jù)的相對誤差。隨機選取30°E從60°N～60°S間隔10°不同緯度點為研究點進行驗證。最后驗證的結(jié)果為在高緯度地區(qū)IRI模擬Ne相對誤差較低，在中低緯度地區(qū)模擬Ne相對誤差較高。

根據(jù)ISL探測Ne數(shù)據(jù)明顯的季節(jié)變化特征，采用時間序列分析方法中的自回歸移動平均模型（ARIMA）建模方法建立時間序列預測模型，通過對非平穩(wěn)的有周期性變化特征的時間序列進行季節(jié)差分和非季節(jié)差分后變?yōu)槠椒€(wěn)序列構(gòu)建ARIMA模型，采用（60°N ，30°E）處2006年1月至2009年12月ISL探測Ne數(shù)據(jù)建立ARIMA模型，并利用2010年1～11月ISL探測Ne數(shù)據(jù)驗證模型給出兩種時間序列預測模型預測結(jié)果分析。

這里給出兩種時間序列預測模型在2010年1～11月預測值與ISL探測Ne的相對誤差圖。從圖1可以看出，ARIMA模型預測4個月的相對誤差在10%以下，而預測超過6個月后相對誤差增長較快。IRI模型的預測相對誤差則一直保持在20%左右，預測誤差沒有隨著預測時間越長而顯著增大。

通過對兩種時間序列預測模型的研究可以得出：IRI模型在高緯度地區(qū)模擬Ne精度較高，可以考慮在高緯地區(qū)利用IRI模型模擬數(shù)據(jù)進行時間匹配，進而開展星上電磁探測數(shù)據(jù)交叉檢驗研究；同時，ARIMA時間序列模型在短期預測中預測精度較高，可以在與地震有關的電離層擾動分析中，利用ARIMA模型預測分析時段電離層背景值，進而有效的分離出電離層擾動。

圖1　IRI和ARIMA模型預測值相對誤差變化圖