УДК 621.391.81
ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРРЕКТИРУЮЩИХ МНОЖИТЕЛЕЙ В РАСЧЕТАХ ПЭС ПО МОДЕЛИ IRI 2007 © 2011 г. О. А. Мальцева, Г. А. Жбанков, Т. В. Никитенко
Научно-исследовательский институт Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону
e-mail: mal@ip.rsu.ru Поступила в редакцию 02.07.2009 г. После доработки 18.10.2010 г.
Сравнение полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы, рассчитанного при разных корректирующих множителях модели IRI2007, с экспериментальными данными показывает, что, не являясь эмпирической по параметру ПЭС, она не совсем адекватно отражает как количественные, так и качественные особенности поведения ПЭС. Ситуация может быть улучшена при использовании новых эмпирических моделей критической частоты, эквивалентной толщины ионосферы, новых методов определения ПЭС.
1. ВВЕДЕНИЕ
Полное электронное содержание (ПЭС) (или более употребительная аббревиатура ТЕС, от английского the Total Electron Content) является ключевым параметром для многих практических приложений: от систем позиционирования, навигации, современных радиоастрономических систем до исследования воздействия факторов космической погоды на окружающую среду. При решении задач, возникающих в этих приложениях, необходима эмпирическая модель ПЭС (ТЕС), однако такой модели не существует [Mendillo, 2006]. Привлекательным казался вариант использования Международной модели ионосферы (IRI) [Bilitza, 2001] в качестве модели ПЭС. Однако модель IRI не является эмпирической по параметру ПЭС в отличие от ее основных параметров foF2, hmF2, M3000F2, ^(й)-профиль. Модели для этих параметров получены путем статистической обработки огромных массивов данных и их аналитической аппроксимации. Значения ПЭС в модели IRI получаются в результате расчетов по формуле ТЕС= JNedh,
поэтому были необходимы сравнения модельных значений с экспериментальными. Огромное количество таких сравнений было выполнено для версии модели IRI2001, и они показали большие расхождения. Анализ сравнений привел к выводу, что основной причиной расхождений является форма N(h)-профиля. Подтверждение этому факту можно найти в форме теоретических N(h)-профилей из работы [Stankov et al., 2003], соответствующих экспериментам, и в сравнении спутниковых ^^)-профилей с модельными (например, [Uemoto et al., 2007]), где показано существенное превышение модельных значений над экспериментальными. В работе [Bilit-za, 2009] указывается, что это превышение может быть троекратным на высоте 1000 км над уровнем
максимума слоя hmF2. В качестве возможных причин приведены две: 1) ограниченное количество спутниковых данных, использованных для построения модели ^^)-профиля внешней ионосферы; 2) ошибки аппроксимации экспериментальных данных. В течение нескольких лет группами разработчиков модели были предприняты усилия для улучшения модели [Bilitza и др., 2006], которые привели к введению 2-х новых опций для модели М(^)-профи-ля внешней ионосферы в последней версии модели IRI2007 [Bilitza and Reinisch, 2008]. Первая опция — это корректирующий множитель для внешнего N(h)-профиля модели IRI2001, представленный в работе [Bilitza, 2004], полученный на основе более 150000 М(^)-профилей, измеренных на ИСЗ Alou-ette-1, 2 и ISIS-1, 2, и описывающий вариации с высотой, модифицированной дипольной широтой, локальным временем. Вторая опция — это NeQuick — модель ^^)-профиля внешней ионосферы, разработанная [Radicella et al., 2001] и основанная на данных вертикального и спутникового зондирования. Эта модель использует функцию слоя Эпштейна с толщиной, изменяющейся по высоте. Новые опции обозначены в работе [Bilitza, 2009] как IRI2007-corr и IRI2007-NeQ. Первые результаты сравнения значений ПЭС для всех опций модели IRI показали существенное улучшение соответствия модельных ПЭС экспериментальным значениям [Мальцева и др., 2008а]. Сравнения, проведенные в работе [Мальцева и др., 2008б], показали, что такое улучшение может быть достигнуто не всегда. По результатам этого сравнения предложено использовать эмпирическую модель эквивалентной толщины т ионосферы для улучшения соответствия с экспериментом. Для оценки эффективности такого использования выбран набор эмпирических значений эквивалентной толщины т для европейской зоны [Kouris et al., 2008]. Все это свидетельствует о необ-
TEC, TECU 50
40 L Сентябрь 30 20
10
Октябрь
Ноябрь
0_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i
1 5 9 13 17 21 3 7 11 15 19 23 0 4 8 12 16 UT
Рис. 1. Экспериментальные и модельные значения ТЕС: точки соответствуют данным RAL, ромбы — модели IRI2001, треугольники - модели IRI2007-corr, прямоугольники — IRI2007-NeQ, кружки — RT, звездочки — модели Kouris.
ходимости дальнейших более детальных сравнений модельных и экспериментальных значений ПЭС. Целью данной работы является оценка того, насколько новая модель IRI2007 улучшает определение ПЭС по сравнению с моделью IRI2001. В отличие от других работ, использующих критерий |ЛТЕС|, проводится сравнение корректирующих множителей K(corr) = TEC2007(corr)/TEC2001, K(NeQ) = TEC2007(NeQ)/TEC2001 модели IRI2007 с экспериментальными множителями K(TEC) = TEC(obs) / TEC2001 и оцениваются факторы, определяющие отклонение модельных значений ПЭС от экспериментальных: K(TEC) = = TEC(obs)/TEC(IRI2001) = K(Nm) K(t), где ЛTEC— отклонение рассчитанного значения ТЕС от экспериментального, TEC2007(corr) — значение ТЕС, рассчитанное в соответствии с первой новой опцией модели IRI2007, ТЕС2001 — значение ТЕС, рассчитанное по модели IRI2001, TEC2007(NeQ) — значение ТЕС, рассчитанное в соответствии со второй новой опцией модели IRI2007, TEC(obs) — экспериментальное значение ТЕС, Nm — максимальная электронная концентрация NmF2, т = TEC/NmF2 — эквивалентная толщина ионосферы. Для этого в работе используются экспериментальные значения критических частотfoF2(obs) по данным вертикального зондирования из баз SPIDR и DIAS и значения ПЭС для глобальных карт, предоставляемых в интернете различными организациями (JPL, CODE, UPC, ESA) в виде IONEX-файлов.
Множитель K( TEC) позволяет оценить, насколько модельные значения TEC(IRI) отличаются от экспериментальных значений TEC(obs). Он является экспериментальным корректирующим множителем, который при сопоставлении с K(corr) и K(NeQ) позволяет определить, насколько эти множители улучшают соответствие модели IRI2007 с экспериментальными значениями по сравнению с
моделью IRI2001. Коэффициент K(Nm) — множитель, показывающий вклад в отклонение ПЭС за счет расхождений в значениях NmF2. При адаптации модели IRI к текущим значениям критической частоты foF2 коэффициент K(Nm) стремится к единице. Коэффициент К(т) — множитель, показывающий вклад в отклонение ПЭС за счет расхождений в значениях т. Этот коэффициент может быть использован для построения пространственного распределенияfoF2 в ограниченной области [Мальцева и др., 2005].
2.ПРИМЕРЫ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ ОТДЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ
В данном разделе проводится сравнение модельных и экспериментальных значений ПЭС на примере сентября, октября, ноября 2002 г. для ст. Chilton. Чтобы данный пример не казался случайным, укажем, что часто трудно найти периоды, когда одновременно имеются данные foF2(obs) и TEC(obs). Например, как видно из работы [Maltseva et al., 2008], в январе 2003 г. был один случай одновременного наблюдения, в феврале — два и т.д. На рисунке 1 показаны суточные зависимости ПЭС из базы данных RAL (точки), а также зависимости, рассчитанные для моделей IRI2001 (ромбы), IRI2007 (треугольники) и с использованием эмпирических значений эквивалентной толщины т [Kouris et al., 2008] (звездочки). Кружками показаны модельные значения ПЭС после адаптации модели к текущим значениям foF2 (RT-значения). На этом рисунке в качестве экспериментальных данных использовались значения базы RAL. Видно большое различие значений ПЭС. Если нанести на такой же график значения, получаемые из других глобальных карт, то различия будут еще больше. Это свидетельствует о сложности выбора эталонного метода определения ПЭС для сравнения с моделью. В данном примере корректирующие
Ноябрь
9 13 17 21
11 15 19 23
12 16 UT
Рис. 2. Экспериментальные и модельные корректирующие множители модели IRI для ст. Chilton в сентябре, октябре, ноябре 2002 г.: кружки относятся к K(TEC), квадраты — к K(corr), треугольники представляют K(NeQ).
множители модели 1Я12007 уменьшают значения ПЭС по сравнению с моделью 1Я12001. Адаптированные к текущим значениям /оЕ2 значения ЯТ-ПЭС соответствуют экспериментальным данным лучше, чем значения исходных моделей 1Я12001 и 1Я12007, однако также могут приводить к существенным отличиям. Использование эмпирических значений эквивалентной толщины дает результаты не хуже, чем для адаптированной модели. Рисунок 2 показывает экспериментальные корректирующие множители К(ТЕС) (кружки) и корректирующие множители для обеих версий модели 1Я12007: 1Я12007-согг (квадраты) и 1Я12007-№р (треугольники). Можно видеть большое разнообразие несоответствия этих коэффициентов. В сентябре множители К(согг) и К(№Р) были меньше единицы, а экспериментальные множители К(ТЕС) — больше. Это приведет к тому, что использование множителей К(согг) и К(№Р) ухудшит соответствие с экспериментальными значениями по сравнению с моде-
лью IRI2001. В октябре обе новые версии модели улучшат соответствие, и в полуденные часы версия IRI2007-NeQ даст большее улучшение, чем версия IRI2007-corr. В ноябре такого улучшения недостаточно (К(ТЕС) < K(corr), K(NeQ) в полуденные часы). Что касается вклада различных факторов (K(Nm) и К(т)) в расхождение, то в данном примере в большинстве случаев коэффициент К(т) превышал коэффициент K(Nm). Этот факт очень важен, поскольку в традиционных методах адаптации модели к экспериментальным значениям ПЭС, например, в методе, приведенном в работе [Houminer and Soicher, 1996], весь вклад в несоответствие приписывается множителю K(Nm), что приводит к неправильному определению параметра NmF2.
Отсутствие экспериментального эталона ПЭС для сравнения с моделью заставляет использовать другой критерий, а именно:
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.