Comparación de tres modelos ionosféricos sobre Europa

4ª Assembleia Luso Espanhola de Geodesia e Geofísica
4ª Asemblea Hispano Portuguesa de Geodesia y Geofisica
Figueira da Foz 2004
1
Comparación de tres modelos ionosféricos sobre Europa
Comparing three ionospheric models over Europe
E. Mohino(1), M. Gende(2, 3), C. Brunini(2), M. Herraiz(1) y S. M. Radicella(4).
(1)
Dpto. Geofísica y Meteorología, Universidad Complutense de Madrid, Avda. Complutense s/n 28040 Madrid, emohino@fis.ucm.es;
mherraiz@fis.ucm.es
(2)
Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas, Universidad Nacional de La Plata, Argentina, mgende@fcaglp.fcaglp.unlp.edu.ar;
claudio@fcaglp.fcaglp.unlp.edu.ar
(3)
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Argentina, mgende@fcaglp.fcaglp.unlp.edu.ar
(4)
Laboratorio de Aeronomía y Radio Propagación, ICTP, Trieste, Italia, rsandro@ictp.trieste.it
SUMMARY
This work compares vertical TEC values from three ionospheric models that predict mean ionospheric conditions. The
evaluated models are the International Reference Ionosphere (IRI), the Parametrized Ionospheric model (PIM) and the
NeQuick model. These models are compared with VTEC values that come from GPS data based ionospheric maps. The
comparison is done for non perturbed days (Dst>-50) near the solstice and the equinox using data from the past five years.
The evaluation area includes most of Europe avoiding the high latitudes. This work gives information about the efficiency
and reliability of each model. The main conclusion is that the best agreement with the GPS based maps is shown by the IRI.
This model performs better than the two others no matter the year or season under analysis.
1. INTRODUCCION
Actualmente existen varios modelos que intentan predecir el
estado de la ionosfera. Aquéllos basados en series de registros de
datos se conocen como modelos estadísticos empíricos, mientras
que los denominados paramétricos se basan en una parametrización
de modelos teóricos simplificados donde unas pocas variables de
entrada controlan el modelo.
En este trabajo se evalúa la eficiencia de tres modelos
ionosféricos climatológicos para predecir el contenido total
electrónico vertical (VTEC). Los modelos a evaluar son el
Internacional Reference Ionosphere (IRI), que surge del esfuerzo
conjunto de la Union Internacional de Radio Ciencias (URSI) y el
Comité de Investigación Espacial (COSPAR); el modelo NeQuick,
desarrollado por el Centro de Física Teórica de Trieste (ICTP)
junto con la Universidad Técnica de Graz y el Parametric
Ionosferic Model (PIM) producido por Computational Physics, Inc.
Para contrastar los modelos, se utilizan los mapas] por el Centro
Europeo de Determinación Orbital (CODE) del Instituto
Astronómico de Berna basados en datos GPS.
2. LOS MODELOS A COMPARAR
2.1 IRI (Bilitza, 1990) es probablemente el modelo empírico en
el que la comunidad internacional ha puesto más esfuerzo para su
desarrollo. Basado en observaciones ionosféricas clásicas, la
modelación de la parte baja de la ionosfera (bottomside) ha sido
muy estudiada y modificada, presentando un comportamiento
realista. La parte alta de la ionosfera (topside) esta basada en el
modelo de Bent (Bent y Llewellyn, 1973) y fue modifica una sola
vez y a criterio de varios autores sobrestima la densidad electrónica
de manera significativa. Oficialmente el límite máximo para
integrar los valores de IRI es de 1000 km, límite que se respeta en
este trabajo.
2.2 NeQuick (Hochegger et al., 2000) es parte de una familia
de modelos empíricos, junto con COSTPROF y NeUoG-plas, aptos
para aplicaciones a tiempo real. Los modelos poseen derivadas
espaciales continuas y pueden calcular la densidad electrónica a lo
largo de una dirección arbitraria. NeQuick se distingue de los otros
dos por su velocidad de ejecución y por modelar de forma
simplificada la parte alta de la ionosfera (topside) a través de una
capa semi-Epstein. La parte inferior (bottomside) se modela con
una modificación del modelo propuesto por Di Giovanni-Radicella
(Di Giovanni y Radicella, 1990). En el presente trabajo se ha
empleado este modelo utilizando valores diarios del flujo solar
(10.7 cm).
2.3 PIM (Daniel et al., 1995) es un modelo ionosférico y
plasmasférico global basado en una combinación de modelos
ionosféricos regionales teóricos y un modelo empírico de la
plasmasfera. Para la ionosfera PIM parametriza de manera sencilla
varios modelos teóricos complejos, por lo que demanda poco
esfuerzo computacional para obtener resultados. Para la
plasmasfera adopta el modelo empírico de Gallagher (Gallagher et
al., 1988). Posee como fuente de información una gran base de
datos de observaciones clásicas ajustadas por una serie de
funciones ortonormales y requiere como parámetros de entrada la
fecha del día, los índices solares F10.7 y R12, los índices
geomagnéticos Kp y la orientación de las componentes Y y Z del
campo magnético interplanetario.
3. LOS MAPAS DEL CODE
Los mapas del CODE (Schaer, 1999) están basados en la
combinación lineal de observaciones GPS llamada “libre de
geometría”. Describen a la ionosfera en el sistema de referencia
sol-fijo considerándola una capa de espesor infinitesimal a la altura
de la región F2. El resultado queda expresado en un desarrollo de
armónicos esféricos que estima el VTEC para toda la Tierra. Si
bien CODE asume algunas hipótesis físicas poco realistas, como la
anterior consideración de capa infinitesimal, y calcula junto con el
VTEC parámetros de calibración para los receptores y los satélites,
su eficacia ya ha sido probada. A pesar de que el modelo puede
producir valores con errores considerables en regiones donde hay
muy poca cobertura de datos y en latitudes bajas, estima la
ionosfera con errores usualmente inferiores a los 5 TECU en la
región europea de latitudes medias, donde existe una importante
cantidad de receptores GPS. En la actualidad y en términos
generales los mapas basados en observaciones GPS son los mejores
disponibles para obtener valores reales de VTEC. Es por esto que
aquí lo usaremos como patrón con el que comparar a los otros
modelos.
4. LA COMPARACION ENTRE MODELOS
Este trabajo centra la comparación entre modelos en la región
europea de latitudes medias, desde el paralelo 60 al 30 °N. El
estudio abarca longitudes desde –10 a 40 °E. Es posible asegurar el
buen funcionamiento de los mapas basados en observaciones GPS
sobre esta región (Brunini et al., 2002) debido a dos razones; en
primer lugar la ionosfera no presenta estructuras complicadas ni
fuertes gradientes que complicarían el modelado simple propuesto,
como sí ocurre en latitudes ecuatoriales y en la llamada región de
la anomalía; en segundo lugar la existencia de una gran cantidad de
receptores GPS en un área relativamente pequeña evita la
existencia de regiones donde el modelo se ve forzado a interpolar
sin datos.
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2
n
ECM=
∑
i=1
(VTEC MODELO -VTECCODE )
n-2
(1)
ECM (TECU)
16
14
12
10
8
6
2
0
14
marzo
junio
IRI
septiembre
NEQ
diciembre
PIM
Figura 3 – Error cuadrático medio por estaciones que presenta cada
modelo. (Seasonal root mean square for each model.)
11.84
10.26
6. CONCLUSIONES
10
8.00
8
6
4
2
0
IRI
NEQ
PIM
Figura 1 – Error cuadrático medio total que presenta cada modelo.
(Total root mean square for each model.)
5. RESULTADOS
En la figura 1 se resume el ECM total que presenta cada
modelo frente a los datos de VTEC obtenidos por CODE en la
region Europea en estudio. De esta figura se desprende que el IRI,
con un ECM de aproximadamente 8 TECU, es el modelo que
mejor se ajusta a los valores de VTEC del CODE.
Con el fin de analizar el comportamiento que muestra cada
modelo en funcion del año de estudio, se presenta en la figura 2 los
ECM de cada modelo separados por años. Se puede observar que el
PIM muestra peores resultados para aquellos años de alta actividad
solar (2000 y 2001). Sin embargo, el NeQuick y el IRI, en lugar de
seguir esta tendencia, incrementan su ECM de manera notable para
el año 2002.
16
14
ECM (TECU)
18
4
2
Donde el subíndice modelo debe ser reemplazado por IRI o
NeQuick o PIM.
12
Con objeto de analizar el comportamiento estacional, se
representa en la figura 3 el ECM que muestra cada modelo en
función de la época del año seleccionada (equinoccios y solsticios).
Se puede observar cómo el equinoccio de primavera resulta ser la
época en la que todos los modelos presentan mayores discrepancias
con los datos del CODE. Mientras que el comportamiento del
NeQuick no muestra grandes diferencias para el resto de las
estaciones del año, el PIM parece tener problemas en el equinoccio
de otoño. Es de destacar el buen comportamiento que muestra el
IRI para el solsticio de verano, momento en el que su ECM no
supera los 5.6 TECU.
ECM (TECU)
Con cada modelo se produce una rejilla equiespaciada de
VTEC con un paso de 2.5 grados en latitud y 5 en longitud. Cada
día está compuesto por 12 rejillas, cada una representa la condición
ionosférica para las horas impares. La comparación entre cada
modelo y el del CODE se hace mediante la resta de las respectivas
matrices de salida.
La ionosfera presenta distintas variaciones temporales: con la
hora del día, con la época del año y con el ciclo de manchas
solares. Para este trabajo se evaluaron cuatro días por año como
representativos de las condiciones de ambos equinoccios y
solsticios para los años 1998 a 2002, ambos incluidos.
El análisis no separara las distintas horas del día ni realiza un
estudio respecto de la posición geográfica. Todos los datos se
tratan de igual manera independientemente de su posición espacial
o de su ubicación temporal. Un análisis más detallado queda
pendiente como continuación de este trabajo.
La evaluación se hace calculando el error cuadrático medio
(ECM) de cada modelo respecto al mapa del CODE como se
expresa en la siguiente ecuación:
12
10
8
6
4
2
0
1998
1999
2000
IRI
NEQ
2001
2002
PIM
Figura 2 – Error cuadrático medio por años que presenta cada modelo.
(Root mean square per year for each model.)
En líneas generales, el modelo ionosférico internacional de
referencia (IRI) es el que mejor modela los valores de VTEC en la
zona europea bajo estudio. Este hecho se repite tanto en el análisis
global como en los realizados por estaciones y por años. De
manera global, el NeQuick muestra mejores resultados que el PIM
aunque este hecho no se mantiene para todas las condiciones, véase
por ejemplo el año 2002 o el solsticio invernal. Es necesario
señalar que el modelo NeQuick que se ha estado empleando
corresponde a la version disponible el 4 de Febrero de 2003. Desde
entonces, se han venido haciendo grandes esfuerzos con el fin de
mejorar el modelo. Estos esfuerzos están principalmente orientados
a la optimización de los valores de entrada del flujo solar. Estas
mejoras pueden contribuir en un futuro a la mejor adecuación de
los VTEC calculados por este modelo con los resueltos por el
CODE en la region europea que analiza el presente trabajo.
El trabajo presentado constituye un analisis preliminar de los
tres modelos ionosfericos IRI, NeQuick y PIM que se continuará
mediante la extensión del estudio a un mayor numero de días
proximos a los solsticios y equinoccios con objeto de reforzar estas
conclusiones preliminares. Así mismo, se analizará el
comportamiento de la versión mejorada del NeQuick.
7. REFERENCIAS
Bent, R. B. and S. K. Llewellyn (1973): “Documentation and description of the Bent
ionospheric model”. Space and Missile Organization, Los Angeles, CA, USA.
Bilitza, D. (Ed.) (1990): “International Reference Ionosphere 1990”. NSSDC 90-22,
Greenbelt, Maryland, USA.
Brunini C., M.A. Van Zele, A. Meza and M. Gende (2002): "Quiet and perturbed
ionospheric representation according to the electron content from GPS signals".
Journal of Geophysical Research, 108, A2, 10.1029/2002JA009346.
Daniell, R. E. Jr., L. D. Brown, D. N. Anderson, M. W. Fox, P. H. Doherty, D. T.
Decker, J. J. Sojka and R. W. Schunk (1995): “Parameterized ionospheric model:
A global ionospheric parameterization based on first principles models”. Radio
Sci., 30, 1499-1510.
Di Giovanni, G. and S. M. Radicella (1990): “An analytical model of the electron
density profile in the Ionosphere”. Adv. Space Res, 10, 11, 1127-1130.
Gallagher, D. L., P. D. Craven and R. H. Comfort (1988): “An empirical model of the
Earth’s Plasmasphere”. Adv. Space Res., 8, 8, 815-824.
Hochegger, G., B. Nava, S. M. Radicella and R. Leitinger (2000): “A family of
ionospheric models for different uses”. Phys. Chem. Earth (C), 25, 4, 295-299.
Schaer, S. (1999): “Mapping and Predicting the Earth's Ionosphere Using the Global
Positioning System”. Ph.D. Thesis. Astronomical Institute, University of Berne.