Прогнозирование условий распространения декаметровых радиоволн в высоких широтах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

.0 -2 9 2

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА. ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛИ

На правах рукописи

ЕГОРОВА Лариса Витольдовна

УДК 350. 388. 2

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН В ВЫСОКИХ ШРОТАХ

01. 04. 03, - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание, ученой степени кандидата фнэико-натематич^ских наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте СДАНИЮ

Научные руководитель: доктор физико-математических наук,

прфессор Д. В. Благовещенский и кандидат физико-матенатических наук, В.М. Лукашкин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

прфессор Ю. К. Калинин кайднд. физико-математических наук,

П.В.Кища 1

Ведущая организация - Сиб. Институт земного магнетизма.

ионосферы и распространения радиоволн АН СССР ССиб. ИЗМИР. Г. Иркутск}

Защита диссертации состоится (£■¿'0/иЪ ¿Л. 1992 г.

в /¿/ час. пин. на заседании специализированного

совета К 002,83.01 Е Институте зенного иагнетизна, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР по адресу: 142092, г. Троицк Московской обл. Спроезд автобусами Н 531 от станции метро "Теплый стан" до остановки "ИЗМИРАН")

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР АНа. Автореферат разослан

./¿Г- £ !~С х 992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета при ИЗМИР АНе,

кандидат физико-математических наук Ю,С;СИТН0В

ОбЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАбОТН.

Актуальность тены. Работа ВЧ радиоканалов в высоких широтах отличается больший разнообразием состояний среды распространения декаиетровых волн.

Высокоширотная ионосфера и магнитосфера связаны между собой процессам электродинамического воздействия, главные из которых — проникновение электрических полей из магнитосферы на ионосферные высоты и высыпание корпускулярных частиц. Под их влиянием форнируется крупномасштабная структура полярной ионосферы: плазменное кольцо, главный ионосферный провал. язык ионизации. Интенсивность процессов магнитосферно-ионосферного взаимодействия в большой пере зависит от параметров солнечного ветра н меяпланетного магнитного поля^ однако, установить определенны? колличествениые соотношения меяду этими параметрами и ионосферными характеристиками на современном этапе не представляется возможный.

Сложность структуры высокоширотной ионосферы затрудняет надежность . работы ВЧ-радиолнннЙ,. Решение Практических задач, связанных С проблемами качества и' мадегносги Передачи информации на декамётровых волнах, определяет требования, предъявляемые к точности описания и прогнозирования ионосферных характеристик. Эти задачи решаются на основе моделирования состояния ионосферы.

В*°настоя№е время наименее разработанными являются вопросы прогнозирования ¡4 диагностики, состояния высокоширотных ионосферных радиоканалов. В литературе эти вопросы освещены Недостаточно и Только для ограниченного ряда гелео^еофиэическНх условий. Поэтому методы прогнозирования высокопиротных каналов!передачи информации представляют особый Интерес. ■."',

Краткосрочное СоперативноеЗ прогнозирование необходимо для правильного выбора частот' и быстрого вхоздения в связь, для переключения на другой диапазон рабочих частот до 'срыва связи. Прогнозирование . долено приводить ' к повышению надежности ионосферного: радиоканала/ Имеющиеся на сегодня математические модели высокоширотной;, " ионосфери позволяют • моделировать морфологиче^еую структуру, исследовать ее динамику с ростом магнитно^ активности, однако, они "громоздки,; .требуют в качестве

входных данных электрические паля, распределение высыпающихся частиц по энергиям, спектр ультрафиолетового излучения Солнца, состав нейтральной атмосферы и другие характеристики. Поэтоиу использовать эти .модели о краткосрочно« прогнозировании невозможно Вследствие этого в оперативном прогнозировании целесообразно применять вс-роптяаст но-статистические подели, использующие инерционные свойства ионосферы.

Преииуизэстеон прогзюзов такого гида является их автономность, так как в качество предикторов используются сани ионосферные данныа. При использования сети радиолиний наклонного зондирования СНЗЭ появляется возможность получения данных в реальной времени, а при сопрягсгкии аппаратуры ИЗ с сбслуинэаеиой радиолинией -возяоаиость прямого использования зтпи данных.

Цэльа настояний раСати являлась разработка иетоджк

чнслснкого прогнозирования отдакьиня паракэтров высокоггиротксго ионосферного ралюкакля*, пригомюЯ «иг ревэшх.? практических задач, по данные сдт;! . 1|рип»л;фШ„« рйднотрасс наклонного зондирования Сиз.'; г.^лос.;^..«. Для атого сило песбходаио проссетн ьгледувдле

- о1г-эяить ирсотраизтЕенпи-срэпеиш.« коррахяц^онииз сиял» парзи^тра Ь'2 ГЛ'г по ИЗ /уиг сдоу» ;;оз&хогигрзгкгсг радоавглм!? период, 1977-1975 гг. ;

:г5уч:»тг> «якэдику си^ктрсльпия »врсктер.^тк* ГЗ-зяая

¿.•о; праяьзо.: -.^псг^ ери ко дог.тпкдхьваго • С035 и

~.С1и.:1раоап:1:1 яьр;.эл В г. ;

- оп;>од-:з.::-ггь заВ1:сн::сзг:, ¡'срлтксер^^юго про™по:~а от

ГС'л'ЛОГеО^пгИЧиСКНХ УСЛОВШ'1

- разрпботать алгоритм рссчста прог;;|>.,,-, с ^ыш.адоваппен :;осхольких разнотипным продплторов Сд-днни^ 03, ИЗ, 1;,:гшгч1!.;,; дант::?;

- изучить возможность подключения к сиерл пилю,¡у прогнозу ¿.нональиого иода Е .

а

- нссладовать простраис; гоонно -с • тип у х.цтшу р.чспрс^олеиия .'■:рл»£?тра вероятности появления Е - ,л • т>«н!!) *№вы ьо данный .■■■¿хлсшюго зондирования за перпс: , а>-ли-чноИ лктллюоти С107Ь-19йЬ гг. 5.

Научная новизна пышнсшюй р..''о,- . оип» :!.• .» тал, чго:

разработана шгпзянкл и>; -и;!...хн'о чисм'и.юго прогнозирования, использующая и качввгии предикторов как

ионосферные С£ ¡?2, $2 ИНЧ, Е МНЧ, МЗОООЭ, так и магнитные С г*', К,

О ' А К

Кг>) дэнт.'с;

- проведена оценка точности оперативного прогнозирования с зависииостн от уровня магнитной и солнечной активности, от положения средней точки отражения радиотрассы относительно крупномасштабных высокошпротных ионосферных структур;

- -показана возможность использования аномальной кода Е и краткосрочной прогнозировании на полярных радиолиниях в диапазоне широт $'=56-69°, особенно в годы низкой солнечной активности;

- построена картина пространственно-временного распределения

параметра вероятности появления Е - мода за цикл солнечной

в

активности;

выявлена двухлетняя квазппериодичность в величине вероятности появления Е , период и амплитуда которой зависит от

о

сезона.

Практическая ценность выполненной работы определяется возможностью ее использования для оперативного прогнозирования диапазона рабочих частот, высокопглротного ионосферного радиоканала.

На заипту выносятся:

- методика вероятностно-статистического прогнозирования с использованием нескольких разнотипных предикторов и результатк расчетов прогнозов с учетом их зависимости от геофизической обстановки;

- методика использования аномального иода Е^ в оперативном пргнозировании;

- результаты расчета пространственно-временного распределения вероятности появления Е в цикле солнечной активности.

в

Личный вклад. Автор прикипала участие в постановке задачи и анализе полученных результатов. Разработка алгоритма программы нногофакгорноге> прогноза и прведение расчетов выполнены автором самостоятельно. Также самостоятельно проведены расчеты и анализ спектральной Функции параметров Е2 ИНЧ и ^ Кроме того, автор

приникала участие в сборе, аналнзе и, частично, в интерпретации монограмм.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на Всесоюзных семинарах: ' Ионосферное:

прогнозирование" С Калининград, 1"583г. Новосибирск, 1985г. ; Суздаль, ' 7 г , пг» ттрг-юи ионосферы" с'Иркутск, ] 9>0г. ^ ,

"Моносферное моделирование" СКазань, 1990г.}, на Всесоюзных сиипозиуиах; "Ионосфера и взаимодействие деканетровых радиоволн с ионосферной плазмой" С Звенигород, 19 88г.3, V симпозиум КАГ1Г по солнечно-земной Физике С Самарканд, 1989г.3, на Всесоюзной конференции по РРВ ' СХарькоч, 1990г. 5.- на Всесоюзной совещании "Геофизические явления в авроральной зоне" С Норильск, 1988г.Э, а такие на международной конференции УРСИ в Праге С1990Г.З.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Кроме того, материалы диссертации были использованы в иести научно-исследовательских отчетах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы 127 страниц машинописного текста, включая 29 рисунков и 15 таблиц. Список использованной литературы содержит 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РА60ТЫ.

Во рведеиии обоснована актуальность тепы диссертации, сформулирована ее цель, отмечена научная и практческая ценность работы.

В первой главе рассмотрены принципы прогнозирования, дан чекий обзор используемых с настоящее время способов прогнозирования, как-то: вероятностно-статистический, модельного описания и прогнозирование на основе изучения солнечно-земных связей. Более подробно описан метод экстраполяции. Рассмотрены пкратце особенности высокоширотной ионосферы на основе анализа научной литературы по данному вопросу.

Дана краткая характеристика структуры системы радиотрасс наклонного зондирования ионосферы, данные которых использованы в работе.

Зо вторй главе исследованы временные и пространственно -временные корреляционные связи параметра У2 МНЧ по данным наклонного зондирования ионосферы на сети радиотрасс в полярных ¡лнротах. Период наблюдений, по которому оелся расчет, для радиолинии Москва-Диксон СТ2> охпатызает 1976-1979 годы, для остальных трех трасс £Г1осква-}0горсх):!; !]Ьр~Т1; !Ъскза-о. ¡¡ейса-ТЗ; о. Хейса-Югорский Иар-Т4Г) - 1978-1979 гс^ы.

Показана изменчивость коэффициенте:) корреляции в - зависимости от широты средней точки отражения радиосигнала: более высокий

коэффициент вреиенной корреляции наблюдается на радиотрассах Т2 п ТЗ Середина точки отражения расположи« на исправленные геонагннтных сиротах ф' = 59°и 62° с. п. 3 и от уровня солиечноП' активности: средние значения коэффициента зрененноЧ1 к пространственной корреляции увеличиваются с ростом солнечной активности по всен сезонаи и суточные и.чтервалан.

Изучены закономерности пространственного . и врепенного изменения радиуса корреляции по данным НЗ днух радиолиний Т2 и ТЗ за 1978 год: радиус как вреиенной, так и пространственной корреляции существенно зависит от вреиэнн суток. Минимальные значения радиуса корреляции приходятся на утренние и вечерние часы, однако, даггэ для самых неблагоприятна часов Т С период и точение которого коэффициент вреиенной корреляции болыпз 0.5Э, как правило не кенее одного часа.

В этой главе такте показано влияние сложной структуры авроралыгой ионосферы в рлйопо диезного полярного каспа на прохождение КВ сигнала по данный радиотрассы о.Хейса-СП-22 СТ6} за 1979 год Ссредяяп точка отражения ф'- 75°Э. Известно, что днеомоП полярный касп при возиукзниъЕ: условиях , в средней, располагается иненко на этих широтах. Весь экспериментальный материал был разделен на три сезона, с каядон из которые , в свою очередь, прозедзна классификация по степени магнитной вознукэнностл, характеризуемой нидэксои Кр СКр <* 0-1, Кр = 2. Кр > Расчитызадся коэффициент временной корреляции со едзигон т = 1 час иэ совокупности ежечасных значений £ ШЧ для каядого сезона за период суток. Поскольку коэффициент корреляции здесь является показателен нестабильности состояния радиоканала, то его снижение з дневные часы при Кр й 3 говорит 'о сдопной динагшке ионосферы в этот период. Такин о$раэон, по.тоггэние дневного полярного каспа проявляется в ндаишуне значений ( коэффициента корреляции соответственно в 14 часоз VI летен, 13 чассо 1/Г в раонодэнствне п в 12 часов ЬТ зино".

Третья гласа поезягхзна сопрссан диианикн спектральньг; характеристик К2~слоя авроральней ионосферы пои вертикальной и наклонном эондирозанш:.

В диссертации рассмотрены нетодика расчета. спектральной Функции. Исследования проведены по измерениям К21"ИЧ на трассе НЗ Москва-Диксон и £ на станции Салехард за 1978 год Середняк

солнечная активность} с вагон отсчета экспериментальных данных АЪ=15 кинут. Проведен анализ зависимости спектров модности от геофизической остановки. Спектральные характеристики

исследовались при спокойных и возмущенных магнитных условиях.

Установлено, . что спектральная функция расчитаная по ионосфернчп данный. в 80% случаев и,теет максимум, период которого меняется в широком диапазоне С1-4 часаХ Длина периода основного максимума Т растет от лета к зиме Сна ст.Салехард значительно: от 2,1 до 3,8 часа; на трассе Москва-Диксон иеньше: от 1,8 до 2,3 часа5. При наличии магнитного возмущения Т уменьсзется с различный запаздыванием от 1 до 3 суток. В 2ЭН случаев Т^ уменьшается а день возникновения магнитного возмуеения. 13 дэтнее время при спокойных магнитных условиях спектральные характеристики аналогичны для параметра 1Г2 ШЧ СНЗЭ ч £оБ2 СВ35. При возмущении спектральная функция ведэт себя в разявсеяных точках по-разноиу. Спектральныз характеристики изменяются с течение суток. При спокойной магнитной обстановке дневном спектр имеет один паксикуи, ночной - два. При воэмушании спактрчльная функция меняется различным образом; например, днеи аогут появиться несколько максимумов, ночью лох;эт возилхг;угь одни иощиШ пик.

3 четвертой глав."* приводятся результата опилю. о оперативного прогнозирования некоторых частотиык характеристик радиолиний СР2 ШЧ, Е КНЧ, ННЧХ Оаииаавтся гакпге потодака ,по которой селся зхст пргчоз. Выявлена згзисииссть эффективное!!» прогноза от аза;;инаго положения сгк.рнси; и обслуга»ваеной"" С радиолиния на которую ведется ХрогнсьЭ трасс. Показана зависимость точности прогноза от уровня солнечно!,- активности - с увеличение« солнечной активности осибка пргноза ладзот на ссек радпотрассоя во все сезоны}.

Определена такке влияние кагнигкой активности на пргиоэ: точность пргноза умоньшотсп с ростом Кр летом к в р-енодэкствне, зииой а® она зависит в бояькгй степени от положения средней течки радиотрассы относительно пысоксгироттк крупномасштабных

ионосферных аноиалий.

В этой главе такае провадэно сравкеяиз различных вариантов статистического оперативного про'нозиройания, отличающихся видом пргноза, числом и составон пре^икторао. Наибольиую точность

обеспечивает комбинированный прогноз С временной з сочетании с лространственно-временныгО при разнотипных предикторах, каковыми .могут являться индексы магнитной активности г^. К, Кр, а такяг ионосферные параметры ]МГ2, М3000, Б"2 МНЧ. Однако, выигрыш в точности невелик Сс фактором 1,1-1,23 и поэтому простой временной прогноз по текукему значению пргнознруемого параметра использовать более рационально.

В пятой главе исследуется роль спорадической ионизации Я-области и формировании условий КВ-связи на еисоких широтах. Проанализировано пдияние аномальных анональных кодов Е на

а

диапазон частот и вероятность прохождения радиоволн. Показано, что на коротких полярных рздиолнлнях, особенно в годы низкой солнечной

активности следует вести прогноз ориентируясь днеп на регулярный

о

иод Е2 М31Ч, а ночью на аномальный Еа КЯЧ. Ев~и^д рационально использовать при оперативной прогнозировании на всех полярных радиолиниях в диапазоне широт ф'- 56-69° северной ишроты в годы низкой солнечной активности, а при активном Солнце на широтах ф'> О0°в но-шсэ гремя.

Для изучения пространственно-временного распределения герояткости появления Е были использованы данные наклонного

а

зондирования пяти радиотрасс СТ1-Т5), за 1985 год СИ = 17,93 и даннкэ дэух радиолиний Носква-ИгорскиЯ Шар СТ13 и Лосква-Диксон СТ23 за Д 977-192£>годи. И величине вероятности появления Е^ сбнаругена доухлетняя кванпэриодичность, период и д«плитуда которой зависят от сезона. Поскольку радиолинии Т1 и Т2 г?ряяются двухскачковьаш для иода Е. нозно утверядать, что ярлвя;?а двухлетней квазипериодичности в вероятности появления ¡Е^ охватывает достаточно протяганную область по широте.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

ь. Заключенно.

О работе использованы материала ионосферных наблюдений, пылолнещж на систенэ трасс наклонного зондирования ионосферы за период 1976 - 1936 года для изучения возможности прогнозирования некоторых парлнатров коротковолнового канала радиосвязи. Уникальность данной работы заключается в тон, что вперЕыз произведен опитниП численный оперативный прогноз параметра Е2 ПНЧ

для различных широт в диапазоне 56 - 75° геомагнитной с. ш. за

цикл солнечной активности, причем в качестве предикторов

использованы различные геофизические параметры: Кр, К, Е^ МНЧ,

£ Рг. Кроме того, впервые в величине вероятности появления Е и

о ®

полярных киротах выявлена кваэидвухлетняя периодичность, период и

амплитуда которой зависят от сезона.

Получены следующие результаты:

13 Исскздоагшия временной и пространственной корреляции по данным НЗ показали, что коэффициент корреляции при т = 1 часу о дневные часы доходят до 0,7 - 0,9. а радиус корреляции днем да 4 -8. ночью 4-6 чааов.

25 Показана еозноаность анализа воздействия крупномасштабны; ионосферных структур, в частности, дневного полярного каспа, на условия распространения декаметрооьсг радиоволя по

экспериментальным данньЕ1 наклонного зондирования ионосферы.

35 В спектре моцггасти, рассчитано» по данным НЗ, виде лак Квазипериод Т = 1 - 4 часа, величина и амплитуда которого зависят от магнитной возмукэнности и времени суто»;.

45 Выявлена зависимость точности оперативного пространственно - временного прогноза от ряда факторов: времени суток, сезона, уровня магнитной активности и положения радиотрассы относительно крупномасштабных ионосферных структур, о тэкеэ от уровня солнечной активности. Качество прогноза растет с увеличением активности Солнца: ошибка прогноза уменьшается в 1 ,3 раза и 1979 году С\}=1555 по сравнении с.1977 годом СИ=28>.

55 С целью определения эффективности прогноза вычислен коэффициент расхождения V, являклгийсп более информативны:: показателем прй оценке качества прогноза, чей относительная опибка пргноза. Чем меньше коэффициент расхождения,.тем точнее прогно-

65 Разработан алгоритм вычисления многофакторнаго оперативного пргноза. Проведено сравнение различных вида:; оперативного прогноза, отличающихся числом и составом предикторов. Наибольшую точность обеспечивает коиЗшгироаанный прогноз прк раэнотипных предикторах, однако число предикторов не доякно превышать трех. «

75 Впервые проведзн оперативный статистический прогноз с учетом аномального иода Е для полярных радиотрасс при анализе зависимости его эффективности от геомагнитной широты средней точки

//

трассы, времени суток, сезона, солнечной активности.

аз Исследовано пространственно - временное распределение параметра вероятности появления Е за цикл солнечной активности (

о

1976 - 1986 годы i D диапазоне широт 56 - 69°с. ш.

Основное содержание работы изложено в работах:

1. Егорова Л.В. , Лукашкин В. М. Численный краткосрочный проноз ионосферных частот КВ-диапазона на оысокошнротных трассах, // Прогнозирование ионосферы и условий распространения радиоволн. М., Наука, 1985, с. 190-195.

2. Болотинская Б. Д., Егорова Л. В., Лукашкин 3. М. Геофизические аспекты краткосрочного прогнозирования частотных характеристик радноолиннЯ. // Труды ДАНИИ, т. 412, 1989, с. 131-136.

3. Егороза Л. В, Лукашкни S.U. Динамика слектральиьзс характеристик слоя F2 аврора-гьной ионосферы при вертикальном и наклонном зондировании.// Исследования по геоиагнитизну, аэрономии и физике Солнца. М. , Наука, в.90, 1990, с.20-24.

4. Егорова Л.В. 06 особенностях краткосрочного прогнозирования МНЧ на авроральных радиолиниях при распространении радиоволн КВ-диапазона. // Прикладниэ .задачи электродинамики. Пежвузовский сборник научных трудов., Д., изд. ЛИАП, 19ВЗ, а.51-39.

5. Благовещенский Д. В. . Eroposa Л. В. , Лукапжин 0.М. проявления дневного полярного касяа на высококироткой ВЧ-радиотрассе. // Нсссдедовання субавроральной ионосферы, М. , U3КНР AJI, 1909, с. 193-197.

6. Егорова Д. В. , Лукапхин В.Н. Пространственно-временные вариации вероятности появления F2 и £ - нодов при наклонном зондирован:«! высокоширотной ионосферы, ss Труды ДАНИИ, Л. » Гидрометеоиздат, т. 427, 1991, с, 98-107.

7. Егорова Л. В. , Лукашкин 0.11. Квазндзухлетияя периодичность в характеристиках пысокоииротного спорадического слоя Е. // Десятый семинар по моделированию ионосферы СКазань, 1990 М. , Наука, с. 71. •

3. D.V. Blagovesheaslíy, L.V.Eaorova, V .М. liultashlíin. High latitude ionoapheric phenonena diagnostics from HF radio raves' propagation ob сс rvat icn з. // Тезисы докладов на негшумародниП симпозиум(ifrtS^. Прага. 1990, у I,

0. Егсроиа Д. В. , Лукакхии В. И.' Оперативное прогнозирование ...Г1 ка высокоширотных КВ-радйоллниях с учотол геофизической

л?

обстановки. /V Труды ДАНИ*. Л., Гидронетеоиздат, т. 427, 1991, с. 05-90.

10. Егорова Л. В. . Лукашкин В.М. Пространственно-временные вариации и квазидвухлетняя периодичность в вероятности появления

в высоких широтах. Исследования по геояагнегизну , аэрономии н физике Солнца, М.„ Наука, N93, 1991, с63

11. Егорова Л.В., Лукашкмн В.М. Двухлетняя хвззнпериодичность в характеристиках высокоширотного спорадического слой Е.уу Геомагнетизм и аэрономия. Т. 5, 1991

12. Егорова Л. В. , Лукашкнн В. И. Пространственно-временные вариации и квазидвухлетняя периодичность в вероятности появления Е^ в высоких широтах. Всесоюзный сепннар " Физик а полярно»; ионосферы", тозисы докладов, Иркутск, 1990, с. Я2.