Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Эмпирическое моделирование частотных параметров рассеянных отражений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Эмпирическое моделирование частотных параметров рассеянных отражений"

РГ6 00 - 1 ПАК 1393

Российская Академия наук Сибирское отделение

Институт солнечно-земной ¿['лзлки

На правах рукописи

Гудкова Татьяна Витальевна

ЭМПИРИЧЕСКОЕ Ш ДЕЛ ИРО В АН Ж ЧАСТОТНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАССЕЯННЫХ ОТРАЖЕНИЙ

Специальность 04.00.22 - Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск ГЭЭЗ

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте прикладной физики при Иркутском государственно;.", университете.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

Путинская М.Л.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук кандидат физико-математических наук

Афраймович Э.Л. Кудряше? Г.С.

Зелущая организация: Н15Р5И,г.Нижний Нэвгоро:

Защита состоится "_" 1ЭЭЗг.

я __часов на заседании специализированного совета Д.003.24.01

при Институте солнечно-земной физики СО РАН 664033, йркутск-33, а/я 4026. ИСЗФ

С диссертацией дакно ознакомиться в научной библиотеке ИСЗФ. Автореферат разослан "_"_1Э93г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

Галкин А.'И.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Для расчетов параметров среды на трассах распространения радиоволн необходимо создание таких математических моделей ионосферы, которые могут быть использованы в прогностических целях. Содержание и общая структура таких моделей должны максимально использовать имеющуюся научную информацию о физических свойствах среда и их изменениях в различных геофизических условиях. Из всех экспериментальных данных статистически достоверны!.: массивом являются только данные вертикального зондирования ионосферы, на основе которых строятся эмпирические модели. Однако почти все созданные модели описывают лишь некоторые средние, сглалешше значения ионосферных параметров -фон. Такие фоновые модели мало пригодны для прикладных целей, т.к. средние значения, очинённые от флуктуации, далеко неполно отражают реальное состояние ионосферы. Тем не менее, найден удачный метод и оптимальная структура моделей фона, созданы полуэмпирические или гибридные модели, легко адаптирующиеся к заданным геофизическим условиям.

С моделями флуктуаций дело обстоит иначе. Несмотря на большое количество работ, посвященных неоднородной структуре ионосферы и, в частности, Г -спорадическому, пока еце"очень мало сделано в плане создания моделей статистически неоднородной ионосферы. Известны только первые попытки систематизации экспериментальных данных в форме Э1.шрических моделей. Полные теоретические модели отсутствуют. Получены лишь фрагменты теоретических моделей некоторых типов неоднородностей: в приэкваториальной зоне с учетом неустойчивости Рэлея-Тейлора, дополненной кинетически, а эффектами, и в гврораяьной зоне с учетом градиентно-дрейфовоп неустойчивости. Б моделях для средних ¡лирот принимаются в рассмотрение эффекты, связанные с ветрами в нейтральной атмосфере. Однако наших знаний о процессах и механизма:';, приво-" дящих 1: р , явно недостаточно. В связи с этим особый

интерес представляют модели флуктуаций, основанные на экспериментальных данных зертикагьпого зондирования, в частности, эмпирическая модель статистически неоднородной области Р .

В настоящее время имеется единственная эмпирическая модель Спнглтона, которая монет быть применима к явлению F -spzead для максимума солнечной активности. По эмпирическим формулам дм , полученным по данным мерцаний радиосигналов, рассчитывается величина Л/ л вероятность F -рассеяния. Массив данных БЗ используется только для сравнения результатов модели с экспериментом. Поскольку данные по мерцаниям получены как для высот максимум слоя F2, так и выше, то вероятности F-spread , рассчитанные Синглтоноп оказываются выше, чем дают станции ВЗ. Достоинством предлагаемой модели является удовлетворительное согласие результатов с экспериментом, а такзе тот факт, что используется та ;:.е методика, по которой построена эмпирическая модель фона гибридной модели ионосферы, созданной в ИГУ, что позволяет стыковать модель флуктуаций с фоновой моделью ионосферы. Построение такой модели является актуальным, т.к. требует от исследователей распространения радиоволн нового подхода к решению прикладных задач. Модель глобального распределения вероятности и &N , предлагаемая автором, построена по данным индексов F -spread , полученным при вертикальном зондировании с привлечением метода разложения поля данных в ряд по естественным ортогональны:.! функциям и метода регрессионного анализа. Данная работа посвяцена эмпирическому моделированию Aj и вероятности F -рассеяш;я для широкого спектра гео-гелиофлзиче-скпх условий.

Целью работы является создание прогностической регрессионной модели вероятности и индексов рассеянных отражений, которые обобщают экспериментальный материал по F -spread , накопленный на станциях вертикального зондирования.

Научная новизна.

1. Обнаруяена сезошо-суточная зависимость индексов F -sptead з области экваториальной аномалии.

2." Исследована зависимость частотных параметров F -spread, от сезона и времени суток в области главного ионосферного провала.

3. Создана эмпирическая модель индексов F - spread , в которой впервые попользовано поле данных рассеянных отражений

при вертикальном зондировании, обработанное методом разложения в ряд по естественным ортогональный функциям.

4. Получена возможность прогноза интенсивности Р -¿р!еас1 частотного и диапазонного типов для различных точек земного шара н конкретных радиотрасс.

Практическая значимость.

1. Подход, применяемый при разработке статистической модели фона, используется при разработке эмпирической модели параметров Р - ¿ргеас/ .

2. Представленная регрессионная модель может слуяить дополнением для фоновой статистической модели в случаях появления

Р -¿ргеас/ и может быть использована при расчете КВ радиотрасс .

На защиту выносятся:

1. Прикладная статистическая модель частотных и вероятностных параметров Р -$ргеас1 , основанная на разложении полей данных вертикального зондирования в ряд по естественным ортогональны.! функция:.! времени и координаты и регрессионном анализе коэффициентов разложения.

2. Исследование вариации параметров рассеянных отражений морфологически и с помощью эмпирической модели.

Внедрение результатов.

Исследования, результаты которое приводятся з диссертации, используются при выполнении НИР Ленинградским научно-производственным объединением "Вектор" и Арктическим научно-исследовательским институтом Гсскомгидгсмета.

Личное участие. Автором были получены все регрессионные зависимости, приведенные в диссертации, а также проведена стыковка модели с гибридной моделью ионосферы. Автору принадлежат все выводы работы.

Публикации. Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 27 печатных работах, материаты диссертации использовались в научно-исследовательских отчетах.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были представлены на Всесоюзном совещании "Крупномасштабная структура субавроральной ионосферы", г.Якутск, 1581 г.; на Ш Всесоюзном совещании "Неоднородная структура ионосферы", г.Алма-Ата, 1361 г.; на Л Всесоюзной семинаре по моделированию ионосферы, г.Томск, 1381 г.; на У Всесоюзной совещании "Волновые возмущения", г.Батуми, 1982 г.; на Ш Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и ионосферно-магнитосферные связи", г.Мурманск, 1984 г.; на Всесоюзно;.! совещании "Неоднородная структура ионосферы п ее влияние в задачах распространения радиоволн',' г.Троицк, 1984 г.; на УП Всесоюзном сешнаре по математическому моделированию ионосферных процессов, г.Иркутск, 1984 г.; на 1У Междуведомственном совещании "Неоднородная структура ионосферы", г.Душанбе, 1964 г.; на региональной научно-технической конференции, г.Новосибирск, 1985 г.; на 1У Всесоюзном сешнаре "Ионосферное прогнозирование", г.Новосибирск, 1985 г.; на Всесоюзном сешнаре "Ыагнитосферно-ионосферные связи", г.Апатиты, 1986 г.; на УП сешнаре по ионосферному моделированию, г.Ростов-на-Дону, 1986 г.; на ХУ Всесоюзной конференции по распространении радиоволн, г.Алма-Ата, 1987 г.; на У Всесоюзном сешнаре по ионосферному прогнозированию, г.Суздаль, 1987 .г.; на Междуведомственном семинаре-совещании "Явление Р -¿рмай в естественных условиях и во время возмущения ионосферы мощным КВ-передатчиком", г.Горьки::, 1968 г.; на X Всесоюзном семпнарс по коносмеркому моделированию, г..Мурманск, 1969 г., а такие обседались на семинарах отдела радиофизически:: исследований НИППФ при ИГУ, г.Иркутск.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения трех глаз, заключения г. приложении. Общи!: объем страниц, включая 25 рисунков п 14 таблиц, а такче список литературы из 91 наименования.

дРАЕОЕ СО^Р-ЖЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность исследовали!:, определена цель работ :: сформулирована новизна получен ных результатов. ¡Сратко изложено основное содержание работк.

Первая глава диссертации посвящена исследованию морфологических особенностей интенсивности и вероятности явления Р -рассеяния. В качестве исходного массива были выбраны еяечасные значения индексов F-sptead для ~ 50 станций вертикального зондирования. Индекс S = 0,1,2,3 соответствует рассеянию отраженного от ионосферы сигнала на a/ - 0; 0.25; 0.5; 0.75 МГц на ионограммах вертикального зондирования. Рассматривается поведение индекса в различных широтных регионах, для всех сезонов и двух II-летних цаклов солнечной активности. В результате морфологической обработки ежечасных параметров F - spread на очень большом экспериментальном материале подтверздены основные закономерности в поведении параметров среднеанротного F -spread , полученные ранее другими авторами, а такге наздены неизвестные ранее вариации вероятности и интенсивности этого явления:

1. в области экватора поведение индексов рассеянных отражений и вероятности Р -spiead существенно зависит от сезона и долготы. Эффект наиболее вкраяен в июне при высокой солнечной активности в долготном интервата, соответствующем Азиатскому сектору, что совпадает с поведением экватораатьной электроструи;

2. в области главного ионосферного провала обнаружено, что в годы низкой солнечной активности зимой широтный ход I повторяет ход электронной концентрации. Наедены сззонно-суточные закономерности в поведении вероятнеета Р -spiead :: индексов s з провате з различных долготнкх интервала:. Паяболос четко прозат в интенсивности F -spzead проявляется з 2вропейско.\: секторе. ЭфТект наиболее выражен на круты:; градиента; электронной концентрации: на полярной и экваториальной кромка:;

3. в средних шпротах появление F -рассеяния связано с волнообразным изменением параметров ионосферы, которые могут быть вызваны прохождением крупномасштабных ионосферных возмуще-Ш5Й, что особенно проявляется в период низкой солнечной активности .

Вторая глава описывает методику и результаты построения эмпирической модели вариаций индексов S и вероятностей их появления с геофизическими параметрами для различных широтных регионов.

6

Для построения модели были использованы естественные ортогональные функции времени и координаты и регрессионный анализ коэффициентов разложения. Набор индексов Р -рассеяния и вероятностей Р 52 станций за годы высокой (1958-1959 гг.), средней (1966-1967 гг.) и низкой (1964-1965 гг.) активности Солнца отдельно для каждого из четырех сезонов представлялся в виде „ ю л

¿па, шщ У у т ф >

где Х^ , УГ(Ф) - естественные ортогональные функции времени / и координаты V , которые представляют собой собственные функции ортогональной матрицы данных, - коэффициенты разложения, определяемые из условия ортогональности Ху ({> и У^ С <Р) . Далее, пользуясь методом множественного регрессионного анализа, коэффициенты разложения представлены в виде: . ма .

где ^ Ю 7 ~ сРеДнеиосячный индекс солнечной активности, Кр - трехчасовой индекс магнитной активности, считая от 00иг каждого дня. Для разложения вероятности используется среднегодовой индекс г;. Коэффициенты находились методом наимень-пих квадратов. Здесь использовался метод шагового регрессионного анализа, т.е. фактор включался в уравнение только, если Р -:;р::тсрпй был нё меньше трех. Полученные таким образом естественные ортогональные /---пази и регрессионные коэфйзцвек?!: позволь::;? рассчитать велн'-ингг ¡ Р для любого дня и часа:

Ш, % )

¿в ¿оа> _

Ра, V, V ' ^ V

Таким образом, па основе обдирного материала станций ВЗ по индексам рассеянных отражений создана регрессионная модель вероятностей Р и А /и для различных сезонов, активностей Солнца, планетарных Кр -индексов для экваториальной, среднего-ротной и субавроратыюй областей.

Подчеркнуто, что модель отражает основные закономерности в поведении величин Р и л/ц . В частности, б области экваториальной аномалии поведение этих величин может быть связано с поведением электроджета. Ложно предположить, что плазменные

£ {

"пузыри" поднимаются до плазмосферных трубок и диффундируют вдоль них на средние широты, вызывая F - spread

Найдено, что в области главного ионосферного провала ход Р и й/вз , полученный из модели, повторяет ход критических частот. В минимальной точке провала нет высыпаний, поэтому и величины Р и ifg3 резко уменьшаются.

Модель хорошо отражает эксперимент, описанный в главе I, и основные закономерности /'-рассеяния. Дисперсия модели, в средних шротах равна 0,С8, на экваторе /"=0,09, в высоких широтах & = 0,14. Для индексов f дисперсия в средних широтах $ ~ 0,26, на экваторе ¿Г = 0,30, в авроральной зоне 0,37.

Третья глава диссертации описывает прогнозирование частотных параметров Р - spread . В первом-третьем параграфах рассмотрены эмпирическая модель фоновой ионосферной плазмы, на которой основано прогнозирование параметра 4г • Описав блок

Ai

построения регрессионной модели индексов S , рассматривается процедура расчета величины Д/ на заданной трассе. Четвертый параграф) содержит результаты прогнозирования ifg3 и Р в глобальном масштабе, для отдельных станций конкретных радиотрасс. Проводится сравнение прогноза с экспериментом. Пятый параграф' посвящен прогнозированию величины Л1 - высотного интервала дпихТузности в области критической частоты по модели рассеянных отражений. Ьклн найдены зависимости между i£g3 ' к А1 и рассчитаны для различных размеров неоднорсднсс-

те:; вдоль конкретной радиотрассы. Приводятся также высотные

¿М -т .. Ш

хода -¡J- • Параграо жесто,; содержит сравнение величины zzg^f со спутниковыми данными в глобальном масштабе, отмечается их удовлетворительное согласие. Седьмой параграф содержит сравнение разработанной автором эмпирической модели мерцаний сигнатов спутников и модели P-spzead в высоких широтах. Отмечается их качественное согласие. Восьмой параграф посвящен разработанной автором модели критических частот fffF2 в период Р-sptead . Отмечается, ЧТО В I.iOi.'SHT Н&ЧЭЛО. и конца Р -рассеяния на экваториальных и высокоширотны:: станциях fBPt отличается 0Т /отеД на 1+2 1лГц, что позволяет прогнозировать начато этого явления. Девятый параграф содержит результаты прогнозирования "¡НЧ и СЧ на коротких трассат по модели рассеянных отражений. Получено хорошее соответствие модельных и экспериментам-

I;

ных значений &fB3 и ¿/ш , между которыми найдены регрессионные зависимости. Приведены рассчитанные спектры неоднородное тей, вызывающих F - spread .

В заключении сформулированы основные выводы диссертации:

1. Создана эмпирическая модель индексов и вероятностей F-spzead в различных широтных регионах. В основу модели полонен метод разложения данных вертикального зондирования по параметрам F-sprnd в ряд по естественным ортогональным функциям времени и координаты п регрессионный анализ . коэффициентов разложения.

2. Показана возможность применения разработанной модели для целей долгосрочного прогноза параметров F-spzead в глобальном масштабе и на заданной трассе. Проведенное сравнение результатов модели с экспериментальными данными показало хорошее согласие."Получены основные закономерности в поведении рассеянных отражений в области экваториальной аномалии, главного провала и на средних шротах.

3. Проведено сравнение результатов модели с результатами, -полученными нами по методике, предложенной Синглтоном, основанной на эмпирических формулах, подобранных для данных мерцаний, радиоволн. Получено, что предлагаемая нами водель дает результаты, более близкие к эксперименту-.

4. Показана возможность применения метода Н0*> для описания массива данных по морцалпям для конкретны:: условий.

5. Исследована зоз;<зо.зюсть щ>пмз:юп::я рз~уз:ь?атоз разработанной модели для расчета J34 на задана::-: трасса:.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работа::

1. Кутпмсг.ая М.А., Гудкова Т.З. Регрессионная модель индексов рассеянных отражений. - Иркутск: ИГУ, 1957. - 192 с.

2. Кутимская ¡.I.A., Раджабова О .LI., Гудкова Т.З. F-рассеяние в области глазного ионосферного провата // Всесоюзное совещание. Крупномасштабная структура субазроралыюй ионосферы; Тез.докл. - Якутск, ISÖI. - 22 с.

3. Гудкова Т.З., Кутимсг.ая I.I.A. Морфологические особенности в поведении индексов F -рассеяния для среднсппротных станций. - Рук.дед. в ВИНИТИ, 19.02.62, ;; 779-82Деп.

Э

4. Кутимская ¡.¡.А., Радоабова 0П>1., ГудковаТ.В., Пенько-ва Е.И. • Р-рассеяния в области главного ионосферного провала. Рук.деп. в ВИНИТИ, 19.02.82, й 780-82Деп.

' 5. ГудковаТ.В., Кутимская и.А., Зезель И.В. Вероятностная модель индексов Р -рассеяния для экваториальны:: .шрот. Рук.деп. в ВИНИТИ, 6.09.82, й 4732-82Деп.

6. Гудкова Т.В., Кутимская 1.1.А. Эмпирическая модель Р-рассеяния для средних пирот с учетом солнечной активности. Рук.деп. в ВИНИТИ, 4.02.83, в 636-83Деп.

,.7. Кутимская М.А., Гудкова Т.В. Дёа подхода к эмпирическому моделированию спорадического слоя Р . Рук.деп. в ВИНИВ', 24.11.83, Г; 6241-83Деп.

8. Гудкова Т.В., Кутимская 1.1.А. Эмпирическая модель рассеяния по частоте б области главного ионосферного провала. Рук.деп. в ВИНИТИ, 24.11.83, 6240-83Деп.

9. Гудкова Т.В., Кутимская 1.1.А., Шиукашвили З.Г., Папак-сениди А.Н. Морфологические особенности /'-рассеяния в области главного ионосферного провала Юглого полупария. Рук.деп.

в ВИНИТИ, 24.11.83 Деп, й 6242-83Деп.

1С. Кутимская Л.А., Радаабова 0..'.;., Гудкова Т.В., Нень-кова Е.И. /'-рассеяния в области главного ионосферного провала // I конференция молоды:: усзшг: ИГУ: Тез.докл. - Иркутск: :ту, 1983. - 40 с.

11. Путпмская ..1.А., Гудкеза Т.^., Везель И.В. Вероятностная моде.зь индексов /"-рассеян;для экваториальна: широт с учетом солнечной активности // I конференция молоды:: ученых ИГУ: Тез.дохл. - Иркутск: ИГУ, 1„83. - 49 с. .

12. Гудкова Т.В., Кутимская М.А. Эмпирическая модель рассеяния для средних широт с учетом солнечной активности // I конференция молодых учете: 1Т7: Тез.докл. - Иркутск: ИГУ, 1983. - 50 с.

13. Гудкова Т.В., Тутолмпна А.П., Кутимская ..I.Л. Вариации индексов рассеянных отражений з экваториальной зоне. Рук.дел. в ВИНИТИ, 31.10.83, 5856-бЗДеп.

14. Кутимская Л.к., Г^дкоза Т.В. Два подхода к эмпирическому моделированию спорадического слоя Р // И ко£/.ере:щяя молоды:': ученых ИГУ: Тез.докл. - Иркутск: ИГУ, 1984. - 59 с.

15.-Гудкова Т.В., Кутимская М.А. Эмпирическая модель рассеяния по частоте в области главного ионосферного провала // Iii Всесоюзное совещание. Полярная ионосфера и ионосферно-маг-нлтосферные связи: Тез.докл. - Апатиты, 1984.' - 61 с.

16. Кутимская М.А., ГудковаТ.В., Шиукашвлли В.Г., Папак-сениди А.Н.' Морфологические особенности ß -рассеяния в области главного ионосферного провала Ееного полушария // Всесоюзное совещание. Полярная ионосфера и ионосферно-магнитосферныо связи: Тез.докл. - Апатиты, 1964. - 62 с.

17. Тутолшна A.Ii., Кутимская ГЛ.А., Гудкова Т.В., Везель И.В. Вариации ионосферных параметров в период рассеянных отражений по данным вертикального зондирования и некогерентного рассеяния. Рук.деп. в ВИНИТИ, 21.02.84, J> 995-84Деп.

18. Тутолыина А.И., Кутимская М.А., Гудкова Т.В. Сравнительный анализ данных f -рассеяния, взятых из таблиц и / -графиков. Рук.деп. в ВИНИТИ, 14.09.84, ß 6262-84Деп.

19. Кутимская М.А., ГудковаТ.В. Эмпирическая модель

F - sptead , пригодная для расчетов характеристик радиотрасс // Региональная научно-техническая конференция: Тез. докл. - Новосибирск, 1985. - 22 с.

20. Кутимская М.А., ГудковаТ.В., Безель И.З. Зероятност нал модель индексов рассеянных отражений // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. - М.: Наука, I9S5. Т.71. - 66 с.

21. Кутимская М.А., Гудкова Т.В. Эмпирическая :.:сдель неоднородной структуры области F ионосферы с масштабами от сс тен метров до нескольких километров // Ионосфера и солнечно-земные связи. - Алма-Ата: Паука. Каз.ССР, 1385. - 134 с.

22. Кутимская М.А., Воробьев В.М., Гудкова Т.З. Корреляционный анализ индексов рассеянны:: отражений. Рук.деп. в ВИНИТИ, ЗС.07.86, 5539-В.

23. ГудкоБа Т.В., Кутимская М.А. Оцена интенсивности неоднородности: электронной концентрации по модели рассеянных отражений // Исследование по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. - М.: Наука, IS87. - Т.77. - 220 с.

24. Гудкова Т.В., Кутимская М.А. Эмпирическая модель ра сеяния по частоте в облает:; главного ионосферного провала // Комплексные исследования полярной ионосферы. - Апатиты: пзд-: АН СССР ПШ, 1967. - 22 с.

25. Гудкова Т.В. Прогнозирование пространственно-временных закономерностей явления Р -рассеяния // У конференции молодых ученых вузов Иркутской области.- - Иркутск, 1987. -

26. Гудкова Т.В., Кутимская М.А. Статистическая модель вероятности появления рассеянных отражений. Рук.деп. в ВИНИТИ, 12.01.88, 'О 198-В88Деп.

27. Гудкова Т.З. Прогнозирование пространственно-временных вариаций явления /-рассеяния. Рук.деп. в ВИНИТИ, 21.01.88, 5 583-388Деп.

100 с.