Диссертация (1102264), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Сравнивались наклонные профили электронной концентрации,полученные вдоль траектории движения точки преломления навигационногосигнала, принятого спутником на низкой орбите. Для расчетов использоваласьрегиональная модель ионосферы. Региональная модель, в отличие отглобальной, производит расчеты только в одном выбранном долготномрегионе, что позволяет существенно улучшить пространственное разрешениебез увеличения вычислительных мощностей. Как и в работе [60], в модели43реализован такой способ распределения точек вдоль силовой линии, которыйпозволяет получить более плотную сетку в нижних областях ионосферы.
Этодает возможность избежать ошибок при описании наиболее сложныхэффектов, преобладающих на малых высотах. Пример сравнения наклонныхпрофилей электронной концентрации представлен на рис. 2.10. Сравнениерезультатов измерения электронной концентрации радиозатменным методомс интерполяцией расчетов ассимиляционной модели ионосферы. Слева на рис.2.10 показана зависимость концентрации электронов от высоты надповерхностью Земли в км. Треугольники - модельные расчеты, зачерченныекружки - экспериментальные данные.
Справа показана траектория точкиизмерений над поверхностью Земли.Рис. 2.10 Пример профиля электронной концентрации на 10 октября 2010года над регионом Западной Европы.Несмотря на наличие источников погрешностей обоих методовопределенияэлектроннойконцентрации,ассимиляционнаямодельионосферы, используемая в данной работе, показала достаточно высокуюточность в воспроизведении независимых экспериментальных результатовмиссии COSMIC/FORMOSAT-3. Даже максимальные отклонения модели отэкспериментальныхданныхнепревышаютзаявленнойпогрешностиспутниковых данных, которая составляет от 1010 до 1011 электронов на м3.442.5. Моделирование ионосферы в возмущенных условияхОдна из важнейших задач мониторинга состояния ионосферы состоит втом, чтобы обеспечить оперативное получение информации о распределенииионосферных характеристик во время высокой солнечной и геомагнитнойактивности, а также в условиях искусственно возмущенной ионосферы.
Вданном разделе представлены результаты исследования возможностейассимиляционной модели для определения основных параметров ионосферыв условиях геомагнитных возмущений в высоких широтах Северногополушария. Для оценки точности и надежности моделирования ионосферы вусловиях высокой геомагнитной активности, была выбрана геомагнитная буря26 сентября 2011. Индекс геомагнитной активности бури, Кр, достигалзначения 8 (вечер 26 сентября 2011), в виду большого выброса корональноймассы, которая имела сильное влияние на ионосферу и магнитосферуполярной шапки. Среднее значение индекса Кр за период с 26 по 30 сентябряравнялось 6. Вариации индекса Кр представлены на рис.
2.11. Данных быливзяты с сайта Центра предсказания космической погоды Национальногоуправления океанических и атмосферных исследований NOAA, Болдер, США[61].Были проведены запуски ассимиляционной модели для воспроизведенияионосферных характеристик во время сильной геомагнитной бури в сентябре2011 года. Для ассимиляции экспериментальных данных в модель ионосферыФГБУ ЦАО автором использовались наблюдения с плотной сети наземныхГНСС приемников, расположенных на территории Норвегии. Навигационныеданные, а также информация о дифференциальных задержках приемников,были предоставлены коллегами из Норвежского картографического института[62]. Сеть приемников, использовавшихся для ассимиляции, изображена нарис. 2.12.45Рис. 2.11.
Гистограмма Kp индекса до, во время и после выбранногособытия 2011 года.Рис. 2.12. Карта наземных приемников сигнала ГНСС, использованныхдля ассимиляции в модель ионосферыЗадача этой части работы по применению ассимиляционной моделиионосферы состояла в оценке возможности точного расчета распределения46электронной концентрации в высокоширотной ионосфере в период высокойгеомагнитной активности. Следует отметить, что высокая геомагнитнаяактивность может быть как следствием естественных процессов, так исозданной искусственно. Так как высокоширотные эффекты в физическиобоснованноймоделипредставленыспомощьюэмпирическихпараметризаций, основной вклад в формирование результатов модельныхрасчетов в период высокой геомагнитной активности вносит ассимиляцияданных. В связи с тем, что спутники системы GPS в высоких широтах видны,как правило, под высокими углами и редко проходят близко к зениту, длямоделирования ситуации над Норвегией в период с 26 по 29 сентября 2012,минимальный зенитный угол спутника был занижен до 15.
Несмотря на это,на каждый момент времени ассимиляционная модель усваивала порядка 300500 наблюдений, что является достаточно низким показателем даже длярегиональной версии модели. Ассимиляция данных производилась раз в 10минут.Для обеспечения лучшего разрешения, не прибегая к дополнительнымвычислительным мощностям, в данном исследовании был использованрегиональный вариант модели. Область моделирования была выбрана так,чтобы покрыть область интереса и боковые территории. Без каких-либодополнительных данных, Результаты физически обоснованной численноймодели без дополнительной ассимиляции данных не продемонстрироваликаких-либо значительных отклонений от спокойного состояния ионосферы.Наблюдения, предоставленные Норвежским картографическим институтом,охватывают интервал в 1 неделю.
Использование длительного интерваланаблюдений позволило автору проконтролировать эволюцию устойчивостирешения модели и развития ошибки.На рис. 2.13 и 2.14 представлены распределения ПЭС над интересующейобластью с шестичасовым временным разрешением, начиная с 14:15 поГринвичу 25 сентября 2011 года и заканчивая спустя сутки после активнойфазой бури. Динамика приведена при переходе слева направо и сверху вниз.47Активная фаза приходится на 20:15 UTC 26 сентября 2011 года и представленав правом нижнем углу рис. 2.13. На рис. 2.13 и 2.14 видно, что плотностьэлектронов на пике геомагнитного шторма период в 20 UT 26 сентябрязначительно превышает все фоновые значения над Норвегией в другие дни внезависимости от времени суток.48Рис. 2.13. Динамика ПЭС, полученных с помощью ассимиляционноймодели, 25 и 26 сентября 2011.49Рис.
2.14. Динамика ПЭС, полученных с помощью ассимиляционноймодели, 27 сентября 2011.Для анализа результатов моделирования и их сравнения с другиминаиболеераспространеннымиинструментамидиагностикисостоянияионосферы, были построены распределения ПЭС, полученные в результатеинтерполяции данных со стационарных приемников, расположенных натерритории Норвегии. Результат интерполяции представлен на рис. 2.15.50Рис. 2.15. Распределение ПЭС над Скандинавией на 26 сентября, 20:15, вовремя наиболее активной фазы геомагнитного шторма. Карта ПЭС получена спомощью интерполяции экспериментальных данныхДля интерполяции были использованы данные, полученные с помощьюсети наземных приемников, от спутников с зенитным углом радиовизированияне менее 30 градусов.
Видно, что интерполяционная карта распределения ПЭСна рис. 2.15 и результаты моделирования с использованием ассимиляции,представленные в правом нижнем углу рис. 2.13, качественно совпадают,отображаязначимуюнеоднородностьвраспределенииэлектроннойконцентрации над центральной частью Скандинавии на уровне 20 TECU. Вспокойные дни значение ПЭС в этом регионе находится на уровне 6-9 TECU,что, вместе с данными о сильной геомагнитной активности, позволяетпредположить, что резкое увеличение электронной концентрации связано сгеомагнитной бурей.51Важно отметить, что в отличие от метода интерполяции данных о полномэлектронном содержании электронов от сети приемников ГНСС, трехмернаяассимиляционная модель ионосферы позволяет получить не только картыПЭС, но также данные о высотном распределении электронной концентрации.Ниже рассмотрен эффект влияния геомагнитной активности на состояниеионосферы, выявленный по результатам модельного расчета высотногопрофиля электронной концентрации.
На рис. 2.16 приведен результат расчетавысотного профиля распределения электронной концентрации над однойточкой (г. Рогнан, центральная Норвегия, 67°05′43″N 15°23′16″E) с помощьюассимиляционной модели.Рис. 2.16. Распределение электронной концентрации над г. Рогнан на19:30 24 сентября (синяя линия), 25 сентября (зеленая линия), 26 сентября(красная линия) и 27 сентября (голубая линия) по данным ассимиляционноймодели ионосферы.52На рис.
2.16 видно пятикратное возрастание электронной концентрации ввечернее время 26 сентября (активная фаза бури) по сравнению соспокойными условиями. Несмотря на достаточно адекватное описаниепространственногораспределенияTEC,методикаинтерполяцииэкспериментальных результатов не дает возможности оценить вертикальнуюструктуру ионосферы.На рис.
2.17 приведено сравнение результатов ассимиляционной моделис независимыми данными двухчастотного приемника ГНСС, расположенногов г. Тромсе. Наблюдения, полученные при пересчете наклонного ПЭС,характеризуются быстрыми и сильными колебаниями, скорее всего,вызванныегеомагнитнымисобытиями.Данныеионосфернойассимиляционной модели не отражают быстрых колебаний в ПЭС и имеютболее сглаженный характер. Одним из возможных объяснений расхождениямежду моделью и данными может служить относительно редкая частотаусвоения данных (10 мин).Рис. 2.17. Сравнение результатов ионосферной ассимиляционной моделис расчетами Норвежского картографического института: временные рядыПЭС над Тромсё (сверху); гистограмма различия моделей (снизу).53Результаты проведенного анализа опубликованы в журнале Journal ofGeophysical Research: Space Physics [60].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
