Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 1, стр. 85-93

1. ВВЕДЕНИЕ

Вопрос интерполяции ионосферных данных между ионосферными станциями и экстраполяции на неосвещенную ионосферными данными территорию исследовался в статье [Киселева и др., 1971]. В этой основополагающей работе было показано, что пространственная корреляция между данными ионозондов вертикального радиозондирования обнаружена в ограниченном пространстве (до 6°–10° по широте и ∼20° по долготе). Сейчас, спустя почти полвека, задача экстраполяции данных ионозондов на территорию вокруг них должна рассматриваться в совокупности с глобальными ионосферными моделями, которые во многом уже включили в себя множество корреляционных закономерностей, полученных по рядам наблюдений наземных наблюдательных пунктов и по данным наблюдений за ионосферой со спутников. Несмотря на то, что климатические модели отражают медианное состояние ионосферы, в практических приложениях зачастую используют именно такие модели, проводя их коррекцию по данным одного или нескольких оперативных наблюдений. Так задача оптимального совместного использования априорной (эмпирической и физической) информации и данных текущих радиофизических измерений, решаемая путем коррекции модели ионосферы в реальном масштабе времени, ставится и решается во многих научно-практических исследованиях, в частности, в публикациях [Козлов и Коротун, 2016; Арефьев и др., 2016; Galkin еt аl., 2012].

Целью данной работы является получение количественных вероятностных характеристик эффективности коррекции современных глобальных ионосферных моделей по наблюдениям одного ионозонда вертикального радиозондирования для экстраполяции его данных на неосвещенную ионосферными наблюдениями территорию, выделение предельных зон вокруг ионосферной станции, вне которых коррекция ионосферной модели с использованием данных этого ионозонда ведет к ухудшению ионосферного мониторинга. В статье рассматриваются ионосферные станции, расположенные в европейской части Российской Федерации, и ионосферные модели SIMP-STANDARD [Лапшин и др., 2016], IRI-2012 [Bilitza et al., 2017], NeQuick [Giovanni and Radicella, 1990].

Для проведения коррекции моделей IRI-2012 и NeQuick использовались Фортран-коды и файлы коэффициентов модели CCIR [Bilitza et al., 2017]. Эмпирическая медианная модель SIMP-STANDARD, разработанная совместными усилиями Института прикладной геофизики им. Е.К. Федорова Росгидромета (ИПГ) и Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН), реализована в виде набора подпрограмм на языке Фортран и файлов коэффициентов. Модель охватывает ионосферные области D, E и F в диапазоне высот от 65 до 1000 км. Моделирование критической частоты слоя F 2 ионосферы, которое использовалось в настоящей статье, в северном полушарии опирается на локальные модели, созданные для 75 ионосферных станций. Локальная модель для ионосферной станции представляет собой зависимость величины foF2 для данной станции от месяца года, времени суток и ионосферного индекса Т [Turner, 1968], прогнозируемого ионосферной службой Австралии (IPS).

В качестве статистического материала взяты данные наземных ионосферных станций за период 2017–2018 гг. пониженной солнечной активности. Период низкой солнечной активности, как было указано в работе [Киселева и др., 1971], характеризуется наихудшей корреляцией между данными ионосферных станций.

2. МЕТОДЫ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОРРЕКЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

Для определенности станцией-донором в статье назван ионозонд вертикального радиозондирования, по часовым значениям критической частоты слоя F 2 ионосферы которого корректировались ионосферные модели; станцией-реципиентом – место, на которое экстраполировались данные станции-донора посредством коррекции модели. На станции-реципиенте расположен ионозонд, данные которого использовались для проверки результатов экстраполяции.

При проведении статистического анализа каждый ионосферный наблюдательный пункт из табл. 1 объявлялся по очереди станцией-донором, а остальные при этом становились станциями-реципиентами. Условно каждому ионосферному наблюдательному пункту присваивались номера, указанные в табл. 1.

Для коррекции моделей ионосферы по данным одного ионозонда были применены два наиболее очевидных метода, описанные ниже.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ КОРРЕКЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

В таблице 3 приведены значения параметра P₂₀, рассчитанные для перечисленных в табл. 2 моделей и двух методов коррекции. Кроме того, параметр P₂₀ был рассчитан для климатических моделей без коррекции. В этом случае расчет производился для того же объема выборки, что и при проведении коррекции. Так как объемы выборок разные, то наблюдается различие в значениях P₂₀ для моделей без коррекции в различных строках табл. 3. Так, для модели SIMP-STANDARD коррекция критической частоты в Москве по ст. Калининград дала значение параметра P₂₀ = 82.4% для объема выборки 15721, для коррекции по ст. Ловозеро – 88.7% для объема 9515. Такое увеличение обусловлено тем, что в наиболее сложные периоды, когда модель работает хуже, ионограммы в Ловозеро, в отличие от Калининграда, было невозможно обработать, и они не вошли в выборку. Поэтому для объективной оценки диагностических способностей климатических моделей нужно использовать результаты с наибольшей выборкой.

В правом столбце табл. 3 рассчитаны результаты работы диагностической модели SIMP-2 – системы ионосферного мониторинга и прогноза, работающей в ФГБУ “ИПГ” и ассимилирующей данные более 75 станций по всему миру, поступающие в базу ФГБУ “ИПГ” [Репин и др., 2019]. SIMP-2, в отличие от SIMP-STANDARD, не является климатической моделью и за счет встроенных динамических моделей и ассимиляции оперативной информации решает задачи оперативной диагностики ионосферы.

Для проведения численного эксперимента из ассимилируемых моделью данных по очереди удалялись данные станций из табл. 1, так же как и данные ионозондов, находящихся на расстоянии менее 100 км от станции-реципиента. Наблюдения самих ионозондов на станциях-реципиентах использовали только для расчета критерия эффективности модели.

Возможность проведения коррекции модели по одной точке наглядно проиллюстрирована в табл. 4, содержащей значения параметра ${{\Delta }_{{20}}}$ (5).

Наилучшей для коррекции парой наблюдательных пунктов является пара Москва−Калининград в обоих направлениях. Здесь доля относительных ошибок коррекции, меньших предельно допустимых, может увеличиться до 8%. В остальных случаях доля таких ошибок коррекции может увеличиться не более чем на 5%.

Использование коррекции модели по данным среднеширотных, а тем более южных ионосферных наблюдательных пунктов для определения параметров ионосферы на северных пунктах и пунктах в районах главного ионосферного провала методом коррекции в большинстве случаев не обосновано. В этих случаях использование климатических моделей без коррекции дает лучший результат в мониторинге критической частоты слоя F2 ионосферы.

Для северных пунктов и для пунктов, попадающих в главный ионосферный провал, можно сделать вывод, что незначительное улучшение мониторинга возможно за счет коррекции по данным северных станций, находящихся южнее, либо по данным среднеширотных станций. Отметим, что в обратном направлении коррекция ухудшает ионосферный мониторинг.

Закономерности, описанные выше, сохраняются и при использовании критерия P₁₀ – вероятности того, что относительная ошибка коррекции составит менее 10% (табл. 5).

Из таблицы видно, что при проведении коррекции ионосферных моделей по направлению Москва−Калининград в обоих направлениях вероятность того, что ошибка определения критической частоты ионосферы будет менее 10%, возрастает более чем на 10% по сравнению с определением критической частоты моделью без коррекции.

Из таблицы 3 также можно сделать следующие выводы.

– При проведении коррекции модели необходимо строго учитывать широтные различия в расположении ионозонда и точки определения параметров ионосферы.

– В большинстве случаев для всех моделей для рассматриваемого региона выполняется условие, по которому коррекцию лучше осуществлять по станции, находящейся южнее, чем по станции, находящейся в обратном направлении.

– Для моделей IRI и NeQuick не удалось выявить преимущество одного из предлагаемых видов коррекции.

– Из трех рассмотренных моделей поставленную задачу коррекции параметров ионосферы по данным одного ионозонда вертикального радиозондирования лучше выполняет модель SIMP-STANDARD при ее коррекции корреляционным методом по критической частоте ионосферы, однако в большинстве случаев ее преимущество в параметре P₂₀ составляет не более 3%.

– Диагностическая модель SIMP-2, осуществляющая экстраполяцию по комплексу ионосферных данных, в большинстве случаев дает результат, превышающий возможности моделей, скорректированных по одной станции. Исключение составляет станция Горьковская, где SIMP-2 уступает модели SIMP-STANDARD, скорректированной по данным одного ионозонда. Отметим, что преимущество комплексного подхода является незначительным, если используется параметр эффективности ${{P}_{{20}}},$ однако при использовании в качестве критерия параметра ${{P}_{{10}}},$ выигрыш уже может достигать 10%. То есть, при использовании SIMP-2 эксцесс закона распределения относительной ошибки коррекции $\delta foF2$ выше, чем при коррекции медианных моделей по данным одного ионозонда.

На рисунке 1, построенном на основе табл. 3 и 4, указаны области, в которых эффективность коррекции, оцененная по параметру P₂₀, составила 5% и более. Рисунок 1 построен в предположении долготной симметрии этого параметра, т.е. результат, полученный в направлении на запад от станции-донора, распространен на такое же расстояние на восток, и наоборот. Зоны севернее ст. Ловозеро и южнее ст. Ростов нарисованы ориентировочно, в предположении, что эти области не больше соответствующих областей с противоположных им сторон от ионосферных станций. Из рисунка 1 видно, что области, в которых коррекция медианных моделей IRI, NeQuick, SIMP-STANDARD действительно заметна по сравнению с медианными моделями без коррекции, составили в европейском регионе в среднем 7° по широте и 15° по долготе. Близкие значения были получены в работе [Киселева и др., 1971] как зоны, в которых коэффициент пространственной корреляции данных ионозондов был выше 0.5.

Рис. 1.

Зоны в окрестности наблюдательных пунктов, в которых возможно эффективное использование климатических моделей, скорректированных по их наблюдениям.

Рисунок 1 показывает, что европейская часть полностью закрыта указанными зонами, причем пересечение их минимально. Таким образом, существующая сеть ионозондов государственной наблюдательной сети в составе станций, указанных в табл. 1, является минимально необходимой.

4. ВЫВОДЫ

Исследована возможность коррекции глобальных медианных ионосферных моделей по данным одной ионосферной станции в европейском регионе России. Рассматривались периоды с низкой солнечной и магнитной активностью. Объем выборки соответствовал всем часовым наблюдениям в период 2017–2018 гг. Среднее значение абсолютной величины ошибки коррекции варьировалось в интервале от 0.3 до 0.5 МГц для всех моделей и сезонно-суточных вариаций.

В качестве критерия эффективности проведенной коррекции использовалась вероятность того, что относительная ошибка в определении критической частоты слоя F 2 ионосферы по сравнению с наблюдаемыми значениями будет менее 20%. Увеличение этой вероятности хотя бы на 5% заметно и является обоснованием возможности коррекции ионосферных моделей в этой области по данным одного наблюдательного пункта.

Показано, что области, в которых коррекция медианных моделей IRI, NeQuick, SIMP-STANDARD действительно заметна по сравнению с медианными моделями без коррекции, составили в европейском регионе в среднем 7° по широте и 15° по долготе.

Ионозонды государственной наблюдательной сети в европейской частинаходятся на больших расстояниях, и отсутствие данных хотя бы одного из них не может быть компенсировано ближайшим ионозондом. Исключение составляет пара ионозондов в Москве и Калининграде, находящихся почти на одной широте. Пара ионозондов Москва–Ростов-на-Дону также позволяют проводить коррекцию ионосферных моделей по данным друг друга, но с минимальной 5% эффективностью.

Таким образом, существующая на территории Российской Федерации система ионозондов государственной ионосферной сети является минимально достаточной для определения параметров ионосферы в западном и центральном районе Европейского региона. Восточная часть европейского региона не входит в зону покрытия государственной ионосферной наблюдательной сети, что обусловливает необходимость ее дополнения ионозондами на Урале, например, в Екатеринбурге.