nasa_logo(220x220).jpg
ITSPstormprobesCover.png
Global and Regional Total ElectronContent
Anthony Mannucci, Xing Meng,
Panagiotis Vergados, Attila Komjathy
JPL/Caltech
Collaborators: Sarah E. McDonald, John Emmert
NRL
1
© 2016 All Rights Reserved. Government sponsorship acknowledged.
CEDAR-GEM 2016
Ionosphere-Thermosphere Interactions:Modeling and Observations
nasa_logo(220x220).jpg
nasa_logo(220x220).jpg
Outline
Key points from John’s presentation
Regional test
Global ionosphere maps (GIM) and thermosphere-ionosphere science
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
2
nasa_logo(220x220).jpg
Using GIM For Decade-Scale Investigations
Changing station distribution
Consistent processing
Systematic error
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
3
nasa_logo(220x220).jpg
Station Distribution
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
4
Determine bias between these runs
Bias observed but acceptable for the science
nasa_logo(220x220).jpg
Consistent Processing
Reprocessed 35, 50 and 100 station distributions for20-year period, each
“Fiducial” or “anchor” station approach to selecting stationdistribution
Station distribution could vary a little over time
Algorithm to select broad station spread was used
Local time reference frame and temporal smoothingbridges spatial gaps effectively
Daily GPS receiver and satellite bias estimation
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
5
nasa_logo(220x220).jpg
Global Mapping Algorithm
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
6
is the measured biased slant TEC;
(differential simulated measurements added for regularization)
is the elevation scaling function, elevation E, iono height h
is the horizontal basis function (C2 local support, covers sphereuniformly); (lat, lon) is latitude and solar local time
are the basis function coefficients solved for in the Kalman filter(stochastic parameter model), indexed by horizontal (i) indices;
are the satellite and receiver instrumental biases.
where
Single shell model used
Biases co-estimated with TEC daily
One bias fixed for well-posedness
Some solar cycle dependence to be expected
E = 90°
E = 10°
zero
Ratiodeterminedby E change
adjust
nasa_logo(220x220).jpg
Regional Case Study: Daily Average
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
7
ZIMM_1995_1996.jpeg
ZIMM_2008_2009.jpeg
PIE1_1995_1996.jpeg
PIE1_2008_2009.jpeg
Stn
Years
TEC
ZIMM
‘95-’96
8.1
ZIMM
08-’09
6.7
PIE1
95-’96
10.5
PIE1
08-’09
8.5
zimm.png
pie1.png
Recent solar minperiod lower by17%-19%
Line of sight verticalTEC averaged usingbiases determined byGIM
nasa_logo(220x220).jpg
Why A Global Map Product?
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
8
MIT-Madrigal-tec-20080101-00-00.png
http://cedar.openmadrigal.org/
E.g. widely available TEC data product from Madrigal(MIT Haystack Observatory)
Advantages of GIM
Global averaging is more consistent
Strongly data-driven, minimal dependence onclimatology
Consistent bias processing
Disadvantages of GIM
No physical model
Cannot be used for forecast
nasa_logo(220x220).jpg
GIM Application: Mid-Latitude Trough
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
9
YizGIM Ppause.pdf                                              00748FE1Macintosh HD                   BCCE9119:
YizIMAGE Ppause.pdf                                            00748FE1Macintosh HD                   BCCE9119:
Yizengaw, E., et al.,  Thecorrelation between mid-latitude trough and the
plasmapause, Geophys. Res.Lett., 2005.
Global Ionospheric Maps(GIM), generated usingground based GPSreceivers, are used todetect the globallyextended mid-latitude
trough; while globalIMAGE EUV pictures areused to estimate theplasmapauseposition…The twoindependentobservations (mid-latitude trough andplasmapause positions)and an empirical modelhave been compared ona global scale and foundto be in excellentagreement.
nasa_logo(220x220).jpg
Storm Study Using GIM and the GlobalThermosphere Ionosphere Model (GITM)
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
10
omni_2011and2012compare_wCIR.pdf
V
N
T
|B|
Bz
Bx
By
SYM-H
AE
CIR
April 2011         May 2012
OMNI data showssimilar solar windconditions for the twoevents: 1 hour shift
GITM: Ridley et al., 2006
nasa_logo(220x220).jpg
Differential TEC Maps
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
11
Screen Shot 2016-06-17 at 4.00.24 PM.png
GIM TEC map example – April 2011
7 quiet daysbefore theevent withdaily Ap < 7
difference TEC
difference TEC in %
nasa_logo(220x220).jpg
GIM TEC Response
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
12
Screen Shot 2016-06-17 at 4.01.09 PM.png
00UT  30 April 2011
Screen Shot 2016-06-17 at 4.17.18 PM.png
01UT  9 May 2012
Screen Shot 2016-06-17 at 4.22.20 PM.png
Screen Shot 2016-06-17 at 5.12.06 PM.png
2011    2012
During the April 2011 event, the maximum TEC disturbance (positive) occurs at 0 UT 04/30 over northpacific/US west coast region. Strong positive TEC disturbances >  50% lasts for about 4 hours
For the May 2012 event, the maximum TEC disturbance (positive) occurs hour later in similarregion, yet much weaker than in the April 2011 event.
nasa_logo(220x220).jpg
TEC Response GITM
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
13
Screen Shot 2016-06-17 at 4.47.10 PM.png
04UT  01 May 2011
Screen Shot 2016-06-17 at 4.47.58 PM.png
05UT  10 May 2012
Screen Shot 2016-06-17 at 4.41.30 PM.png
00UT  30 April 2011
Screen Shot 2016-06-17 at 4.44.43 PM.png
01UT  9 May 2012
No positive storm over north pacific
GITM simulations of the two events share more similarities than in the GIM data
Persistent equatorial negative TEC disturbances during most time in both events
nasa_logo(220x220).jpg
Conclusions
A 20-year GIM “reanalysis” has been developed aspart of a project to understand long-term upperatmosphere change
A carefully developed algorithm has uniqueadvantages for a number of investigations
Nevertheless, the possibility of systematic errormust be rigorously addressed
The GIM database will be made available as part ofNASA-funded effort
We are also using the maps as a tool in a study tounderstand TEC forecasting using the GlobalIonosphere Thermosphere Model (GITM)
June 24, 2016
Iono-Thermo CEDAR 2016
14