Введение 4
Глава 1. Ионосфера, как часть верхней атмосферы Земли 7
1.1 Общие сведения об ионосфере и её параметрах 7
1.2 Методы исследования ионосферы 10
1.3 Доплеровский метод радиозондирования ионосферы 20
Глава 2 Анализ статистических свойств ионосферных и метеорологических параметров 24
2.1 Доплеровское радиозондирование ионосферы на базе фазо-угломерого
комплекса «Спектр» 24
2.2 Анализ статистических свойств временных рядов ДСЧ 27
2.3 Вертикальное радиозондирование ионосферы на базе ионозонда
«Циклон-GPS» 29
2.4 Анализ статистических свойств временного ряда fxF2 31
2.5 Карты геопотенциальных высот по данным реанализа 35
Глава 3 Оценка статистической связи вариаций ионосферных и метеорологических параметров 38
3.1 Методы коррелляционного анализа 38
3.1.1 Критерий корреляции Пирсона 39
3.1.2 Коэффициент ранговой корреляции Спирмена 41
3.2 Когерентный анализ 42
3.3 Исследование ионосферных возмущений, обусловленных метеорологическими эффектами, по данным доплеровского зондирования 44
3.4 Исследование ионосферных возмущений, обусловленных метеорологическими эффектами, по данным критических частот fxF2 48
Глава 4 Учет метеорологических параметров при прогнозировании динамики ионосферных параметров 51
4.1 Модель линейного прогнозирования 51
4.2 Модель линейной регрессии динамики допплеровского сдвига частоты
и динамики геопотенциальных высот давления 53
4.3 Модель линейной регрессии динамики критической частоты fxF2 и динамики геопотенциальных высот давления 54
Заключение 57
Список литературы 58
Экспериментальное и теоретическое исследование возмущений в ионосфере Земли, порождаемых различными источниками естественного и искусственного происхождения, является одной из наиболее интересных и важных задач физики околоземного космического пространства и имеет большое научное и практическое значение.
Практическая важность таких исследований определяется тем, что возмущения в ионосфере существенным образом влияют на распространение электромагнитных волн в широком диапазоне частот. В коротковолновом диапазоне такое влияние приводит к доплеровскому сдвигу частоты (далее - ДСЧ), вариациям амплитуды, фазы и углов прихода сигнала. Для успешного решения задач радиосвязи в диапазоне коротких радиоволн необходимы расчеты характеристик распространения радиосигналов через ионосферу с учетом влияния нестационарных процессов. Также в настоящее время все более возрастают требования к точности определения координат, скорости и ориентации объекта с помощью спутниковых навигационных систем. В связи с тем, что ионосфера оказывает весьма существенное влияние на погрешность измерения псевдодальностей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, задача исследования ионосферных возмущений приобретает новую актуальность.
Кроме того, нестационарные процессы в ионосфере представляют интерес как проявления волн разных пространственно-временных масштабов, распространяющихся из нижележащей атмосферы. Потоки энергии и импульса, переносимые из нижних областей атмосферы в верхние, сравнимы с теми, которые поступают от солнечного излучения или других источников. Поэтому волновые процессы в верхней атмосфере, частью которой является ионосфера, являются важным фактором в системе общей атмосферной циркуляции. Решение вопросов, связанных с динамикой верхней атмосферы, невозможно без учета этих процессов.
Для исследования ионосферных возмущений используются различные методы и техника, в том числе ионозонды вертикального зондирования, радары некогерентного рассеяния, трансионосферное зондирование с помощью сигналов навигационных спутников GPS. Эти методы являются довольно дорогостоящими и технически сложными. Одним из широко известных методов исследования ионосферы является метод доплеровского радиозондирования. Преимуществами этого метода являются высокая чувствительность к малым изменениям частоты и, как следствие этого, высокое временное разрешение, сравнительная простота и дешевизна аппаратурных решений, возможность организации непрерывных наблюдений.
Временные масштабы волновых процессов в ионосфере очень широки: от нескольких минут до нескольких дней и даже месяцев. Для исследования возмущений всех временных масштабов необходимы ряды данных, отвечающие определенным требованиям. Во-первых, временной ряд должен быть достаточно длинным для исследования вариаций с периодами планетарных волн. Во-вторых, необходимо высокое временное разрешение для вычисления спектра вариаций с периодами внутренних гравитационных волн. Именно результаты, полученные доплеровским методом, отвечают этим требованиям, т.к. метод имеет наилучшую чувствительность для быстрых вариаций сигнала, отраженного от ионосферы и позволяет проводить непрерывные измерения для получения длинных рядов экспериментальных данных.
Целью настоящей работы является оценка статистической связи метеорологических возмущений в атмосфере и динамики ионосферных параметров.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести обзор существующих работ;
2. Проанализировать статистические свойства исследуемых рядов ионосферных и метеорологических параметров;
3. Оценить их статистическую связь с использованием методов корреляционного и когерентного анализа;
4. Оценить, как учет метеорологических параметров может влиять на точность прогностический модели ионосферных параметров.
Проведен обзор существующих работ по исследуемой тематике. Показано, что данная тема крайне мало исследована и представлена в литературе.
Проанализированы статистические свойства ионосферных и метеорологических параметров:
• выявлено наличие доминирующих суточных и сезонных трендов флуктуаций;
• Ряд критических частот fxF2 в дневные и вечерние часы имеет вариации отличные от нормального закона распределения;
Были проведены оценки статистической связи вариаций ионосферных и метеорологических параметров. Показано, что:
• Взаимодействие метеорологических и ионосферных полей наиболее ярко проявляется в зимней атмосфере (в средних широтах).
• Найдены статистически связанные вариации с периодом 29-32 сут.
• Более высокая корреляционная связь наблюдается с нижними слоями атмосферы.
• Были найдены согласованные когерентные вариации с периодом 2-4 сут.
Учет давления в нижних слоях атмосферы позволяет улучшить качество прогноза среднесуточных вариаций ДСЧ и практически не сказывается на точности прогноза вариаций fXF2.
