第三十卷 第十期 - 2016年十月七日 PDF
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電離層太空天氣與飛航
陳佳宏1*、林建宏1、詹劭勳2
1國立成功大學地球科學系
2國立成功大學航空太空工程學系
 
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烈的颱風所帶來的狂風暴雨,會造成我們人類生活上的災害。在高層大氣(電離層,距地表約50公里到1000公里左右的高度)中,因為受到太陽幅射游離作用而產生大量電漿,並且會因為太陽磁暴的影響而造成電漿劇烈的變動,這些電漿的變動會影響電波的傳播,進而造成衛星通訊的干擾中斷與衛星定位導航的失準。近年美國與日本積極利用衛星定位發展航空飛機的起降導航與定位系統,要如何減少定位誤差及確認飛安是其中最大要克服的難題。因此如何正確得知電漿的變化甚至是預報,就如同天氣預報一樣,是一件與我們民生息息相關的課題。

本研究利用資料同化方法同化地面GPS全電子含量(Total Electron Content, TEC),發展一套預報地球電離層中電漿變化的系統,並且進一步分析當太陽磁暴來臨時,不同同化頻率與中性大氣成份如何影響電漿預報結果的好壞。研究結果顯示,因為磁暴會造成電漿快速且劇烈的變動,因此越高頻率的資料同化週期越能夠即時獲取較正確的電漿變化,並改善電漿預報的結果。另外一方面,雖然系統只有同化GPSTEC觀測資料,但是高層大氣的中性參數(如中性風、溫度與中性濃度)在系統中也會跟著改變,並且影響電漿預報的趨勢改變預報系統的走向。這個結果可以由圖一的全球中性氧原子與氮分子比(O/N2)的分布得知。圖一顯示60分鐘(c)的同化結果與真實衛星觀測資料(a)差距非常大,但是這個差距在30分鐘(d)與10分鐘(e)的同化週期下被改善,說明磁暴時期高頻率的同化週期的確能夠有效改善模式的發展。

這套系統仍在發展與改善中,將來可望同時同化不同類型的觀測資料(如地面雷達與衛星觀測)提高預報可信度,並完成自動作業化程序以提供電波通訊與飛航導航相關之電離層太空天氣預報。
圖一、全球中性氧原子與氮分子比(O/N2)分布情形。(a)圖為TIMED-GUVI人造衛星觀測資料,(b)圖為理論模式結果(沒有進行資料同化之模式值),(c)圖為60分鐘頻率之資料同化結果,(d)為30分鐘頻率之資料同化結果,(e)圖為10分鐘頻率之資料同化結果。
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