научная статья по теме ОДНОМЕРНАЯ СТАТИСТИКА ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ВАРИАЦИЙ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ОБЛАСТИ F2 ИОНОСФЕРЫ РАЗЛИЧНЫХ ШИРОТ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОДНОМЕРНАЯ СТАТИСТИКА ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ВАРИАЦИЙ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ОБЛАСТИ F2 ИОНОСФЕРЫ РАЗЛИЧНЫХ ШИРОТ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 813-816

УДК 51.510.535

ОДНОМЕРНАЯ СТАТИСТИКА ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ВАРИАЦИЙ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ОБЛАСТИ F2 ИОНОСФЕРЫ

РАЗЛИЧНЫХ ШИРОТ

© 2004 г. А. Л. Дзвонковская1, В. А. Кузнецов2, Н. П. Сергеенко3

1ОАО НПК Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи, Москва 2Институт прикладной геофизики Росгидромета, Москва 3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН,

Троицк (Московская обл.) e-mail: dzvonkov@niidar.ru, serg@izmiran.rssi.ru Поступила в редакцию 01.04.2004 г.

Рассмотрен теоретико-эмпирический метод построения одномерных функций плотности вероятности относительных вариаций критической частоты ионосферы. В основе метода лежит построение аналитической модели случайной величины, определенной на всей оси ординат и калибруемой первыми четырьмя статистическими инвариантами: средним, дисперсией, асимметрией и эксцессом. Модель существенно отличается от известной конструкции в виде усеченного ряда Эджворта тем, что в ее основе лежит аналитическая структура, последовательно синтезируемая для случайного импульсного процесса. Обобщение на асимметричный случай достигается путем использования неголоморфных функций. Непрерывность синтезируемой функции плотности вероятности достигается путем сшивания в начале координат половинок симметричной функции, но взятых с разными масштабами на различных полуосях оси абсцисс. Эффективность модели подтверждается на массиве относительных вариаций критических частот, полученных на мировой сети станций вертикального зондирования в период с 5 по 11 января 1995 г. (40 станций, преимущественно в северном полушарии).

1. ВВЕДЕНИЕ

Статистические свойства относительных вариаций критической частоты исследовались в ряде работ, как на эмпирической основе [Гайворон-

ская и др., 1971], так и на основе математической модели, базирующейся на представлении о случайном импульсном процессе [Калинин и др., 2002]. В этих и многих других работах существенным элементом рассмотрения было использование выборочных инвариантов асимметрии А и эксцесса Е, определяемых экспериментально для калибровки математических моделей. При этом требовалось, чтобы модельная одномерная функция плотности вероятности W(x), где х соответствующим образом определенная статистическая вариация [Гайво-ронская и др., 1971], зависела от параметров А и Е. Модель в виде усеченного ряда Эджворта [Абрамович, Стеган, 1979] для этих целей не подходит, так как для ее применимости требуется выполнение неравенств |А| <§ 1, |Е| <§ 1, которые в большинстве случаев противоречат данным эксперимента. Для симметричных процессов давно известна модель случайного процесса [Миддлтон, 1961]. В этой модели функция W(x, Е) выражается через функцию Бесселя второго рода от мнимого аргу-

мента с индексом V = кой функцией

f (А, E) =

1 6

-— + - и характеристичес-2 E

■ E. 2 2"1 E

1 + - АО

6

где а - среднеквадратическое отклонение, а2 = x

Отметим, что формально модель допускает

1 2 2 X а

предельный переход и lim f (X, E) = e 2 .

E ^ 0

Для построения эксцессивно-асимметричной модели до настоящего времени использовалось в основном представление о том, что функция W(x, A, E) представима в виде произведения

(1)

_2

W(x, A, E) = W(x, 0, E)eßx,

(2)

где второй множитель обуславливает несимметрию процесса х [Всехсвятская и др., 1971].

Соотношение (2) эквивалентно тому, что в формуле (1) величина X заменяется на комплексную величину. При дополнительном условии /(0, Е) = 1 это приводит к соотношению

f (^ Es,ß) =

1-| ß2 а2 1 + E (^ + iß)2 а2

(3)

где Е. - симметричная часть эксцесса. Дифференцирование функции 1пД^, Е., в) позволяет получить выражения для центральных моментов и соответственно для статистических инвариантов. При этом получаются довольно громоздкие выражения для А и Е, аргументами которых являются в и Е.. Однако обращение этих зависимостей не представлялось возможным. При ряде пренебрежений с неконтролируемой погрешностью удавалось получить соотношение, справедливое для полуплоскости Е. > 0 на плоскости (А, Е), имеющее вид параболы

E = Es + 0.7A2

(4)

при дополнительном ограничении 0 < Е. < 6. С другой стороны, на плоскости (А, Е) может быть проведена парабола

E, = -2 + A2.

(5)

W( x) = C

Wt

x > 0

(7)

Wsl b], X < 0,

где С - нормировочный коэффициент, а и Ь - параметры масштаба.

Из этой формулы нетрудно получить соотношение для начального момента п-го порядка:

2

n

X =

a + b

Г n + 1 / 1 ч n 7 n + 1 i

[a + (-1) b ,

где уn - удвоенные моменты на полуоси x > 0,

Vn = 2 J xnWs (x) dx.

Обратимся к результатам, которые получаются в случае Ws(x), имеющей характеристическую функцию (1) для двух частных случаев Еъ = 3, Еъ = 6. В первом случае

С соотношением (5) связано неравенство E > El, следующее из неравенства Коши-Буняковского.

Таким образом, для часто используемого представления данных в виде "облака" точек на плоскости (A, E), где каждая точка соответствует инвариантам единичной выборки, существенны две параболические границы. Одна из них определяется соотношением (5), другая следует из условия (4) и неравенства Es > 0. То есть, верхняя граница "облака" - это парабола

E = 6 + 0.7A2. Параболы пересекаются в точках A ~ ±5, E ~ 22.

В задачу проводимого исследования входит получение соотношения для верхней параболы на более строгой основе с уточнением коэффициента, стоящего при A2. Для этого предлагается рассмотреть модель W(x, A, E) на основе неголоморфной модели в виде непрерывной функции с разрывом либо первой, либо второй и более высоких производных, но удовлетворяющих условию

lim [ W(x < 0) - W(x > 0)] = 0. (6)

x ^ 0

Условие (6) означает отсутствие "ступенек" в начале координат.

2. МОДЕЛЬ С РАЗРЫВОМ МАСШТАБА

Разрывно-масштабная модель W(x) стремится

с помощью симметричной функции Ws(x) к виду

W1s = Л e 1s 2 a

(8)

где a = а 72.

Во втором случае

W 2 s = " K

После довольно громоздких, но, в общем, несложных вычислений для таких процессов можно получить, что

E,■ = Eis + a,A2 + O (10-2 A4).

(9)

В выражении (9) первому случаю (i = 1) соот-

2

ветствует а1 = - и второму случаю (i = 2) соответ-

ствует а1 :

1

2.

По поводу этого результата следует сделать несколько замечаний. Во-первых, вплоть до А = 3 в формуле (9) можно ограничиться первыми двумя квадратично-параболическими членами, поскольку относительная роль третьего слагаемого будет невелика. Этим полученный результат существенно отличается от формулы (4), где оценка ограничений по А не была получена.

Далее следует указание на то, что подход, определяемый формулами (7) и (8), и подход, определяемый соотношением (2), тождественны между собой. Однако версия (3) менее удобна для получения соотношения (9). Далее тот факт, что

0

ОДНОМЕРНАЯ СТАТИСТИКА ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ВАРИАЦИЙ

815

а2 < аь означает, что в случае Еъ = 6 метод разрывных масштабов приводит к более широкой параболе, чем одинаковая для всех Е8 парабола (4). То есть, верхняя кривая, ограничивающая эмпирическое множество точек (^ Е), где} - номер выборки, будет располагаться ниже, чем кривая (4).

Обратимся теперь к экспериментальным данным. В качестве примера выберем суточные выборки относительных вариаций критической частоты ЪfoF2 по данным мировой сети автоматических ионосферных станций (АИС) на недельном интервале 5-11 января 1995 г. В этот период в Интернете представлены данные о fo(tk), где k = 0, 1, ..., 23 - номер часа суток, более чем для 40 АИС (для некоторых станций данные не за каждый день). Массивы {fo} центрировались, а полученные разности нормировались скользящей суточной медианой [Гайворонская и др., 1971]. Полученные множества М объемом l = 24 обрабатывались по известным формулам

^ _

(x - x)

Е _ 3 EJP ~ Л

где p - номер АИС.

Существенно, что для объема выборки равного ^ имеются пороговые значения [Романовский,

1938] - A0 =

Е 12

10

8

6

4

2

40 станций 5-11 января 1995 г. 3

\2 ,1

6 , Е0 = /24 . Выборочные значения

Ap, Ep принимаются отличными от нуля, если их модуль больше порогового значения. При l = 24 получается, что A0 = 0.5, Е0 = 1.

На рисунке представлено суммарное "облако" точек Е^ для 40 станций за 7 дней. Здесь же приведены 3 параболы: под номером 1 - нижняя предельная кривая, выражаемая формулой (5), под номерами 2 и 3 - параболы, выражаемые соотно-2 1

шениями (9) для а1 = 3 и а2 = 2 . Приведена также

прямая Е = Е0. Следует прокомментировать свойства "облака" точек. В силу малого объема выборок и высоких уровней значимости значительную группу точек, заключенных в прямоугольнике |Е| < Е0, |A| < A0, исключаем из рассмотрения. Области Е > 1 и Е < -1 заселены примерно одинаковым количеством точек. Область A > 0.5 заселена заметно большим количеством точек, чем область A < 0.5. За исключением четырех точек (около одного процента) все точки лежат не выше кривой 2. То есть для области Е > 0, за исключением точек близких к кривой 1, в качестве статистической модели случайного процесса x можно принять асимметричный случайный импульсный процесс, группирующийся в окрестностях одного уровня x = 0. Для точек, близких к кривой 1, следует принять другую гипотезу о структуре случайного процесса. Кривой 1 соответствует един-

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

А

Значения выборочных статистических инвариантов -асимметрии A и эксцесса Е.

ственный процесс: двухуровневый с быстрыми переходами с уровня на уровень. Тяготение точек к кривой 1 или кривой 2 не обладает широтными особенностями. Так Е > 4 получено на станциях Слоу (Великобритания), Свердловск, Юлиусру/Ру-ген (Германия), Хобарт (Австралия), Диксон, Новосибирск, Пойнт Аргуэло (США). Не отмечено широтной неоднородности и группировки точек вблизи двухуровневой модели.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты, относящиеся к тем или иным значениям выборочных статистических инвариантов, позволяют поставить в соответствие статистику относительных вариаций критической частоты области F2 общей картине преобладания тех или иных видов неоднородностей электронной концентрации в этой области. Множество Е) для различных суточных выборок относительных вариаций крити

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком