Ансамблевая ассимиляционная модель ионосферы

• Автор: Соломенцев, Дмитрий Валентинович
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1, Анализ состояния исследования ионосферы экспериментальными методами и методами математического моделирования
1.1 Обзор оперативных экспериментальных данных о
состоянии ионосферы
1.2 Эмпирические модели ионосферы
1.3 Теоретические численные самосогласованные модели ионосферы как метод исследования происходящих в ней процессов
Глава 2. Применение методики ассимиляции данных для определения текущего состояния ионосферы и оценки параметров внешних воздействий
2.1 Теоретические основы ассимиляции данных- фильтр Калмана и ансамблевые алгоритмы
2.2 Применение ансамблевой методики ассимиляции данных для моделирования ионосферы
Глава 3. Результаты работы ассимиляционной модели ионосферы и их сравнения с независимыми экспериментальными данными
3.1 Структурная схема разработанной системы и результаты валидации по независимым экспериментальным данным системы GPS
3.2 Результаты сравнения данных глобальной модели с данными сети ионозондов
3.3 Результаты сравнения региональной модели с данными системы COSMIC/FORMOSAT
3,4. Результаты моделирования распределения электронной концентрации с помощью разработанной ассимиляционной модели ионосферы
Глава 4. Результаты проведения численных экспериментов по восстановлению
ненаблюдаемых параметров ионосферы с помощью ансамблевого
подхода
4.1. Дополнение вектора состояния: ЕхВ- дрейф

4.2 Дополнение вектора состояния: зональная и меридиональная компоненты скорости нейтральных частиц
4.3. Симуляция экспериментальных данных и настройка ансамблевой системы ассимиляции
4.4 Сравнение с независимыми экспериментальными данными
4.5 Результаты восстановления ненаблюдаемых параметров
Заключение

Введение.
Исследование, представленное в данной работе, направлено на разработку системы ансамблевой ассимиляции данных ионосферных наблюдений в физически обоснованную модель ионосферы. Целью такой работы является создание ассимиляционной модели ионосферы и аппаратно-программного комплекса, позволяющего с высокой точностью, в квази-реальном времени, оценить глобальное и, в некоторых случаях, с существенно более высоким пространственным разрешением, региональное распределение основных параметров ионосферы. Таких, например, как трехмерные пространственно-временные распределения концентраций электронов, основных ионов, температуры электронов и др. Для описания ионосферы Земли в диссертационной работе использована физически обоснованная трехмерная модель, учитывающая основные внутренние и внешние факторы формирования и изменчивости ее состояния. В настоящей работе разработан метод корректировки расчетов физической модели ионосферы с помощью оперативно обновляемых экспериментальных данных. В качестве экспериментальных данных для корректировки модельных расчетов в диссертации использованы интегральные значения наклонного электронного содержания, полученные с помощью спутниковой навигационной системы GPS.
Научная и практическая значимость созданной ассимиляционной модели обусловлена необходимостью оперативного мониторинга глобального распределения ионосферных параметров и исследования механизмов воздействий на состояние ионосферы. Примерами исследований, использующих информацию о глобальном распределении ионосферных характеристик, являются работы по изучению взаимодействия ионосферы и магнитосферы с солнечным ветром, моделирование отклика нейтральной атмосферы на прохождения космического излучения, а также построение теории литосферно- ионосферных взаимодействий. Для многих из
для мониторинга состояния ионосферы, применяется дипольное приближение магнитного поля. Помимо названных выше причин физического характера, такой выбор системы координат обусловлен также относительной простотой перехода от глобальной версии модели к региональной.
Используемая в настоящей работе физическая модель имеет возможность производить расчеты как на глобальной сетке, так и на выбранном регионе. По сравнению с глобальным, региональное моделирование позволяет существенно увеличить пространственное разрешение сетки без привлечения новых компьютерных мощностей, а также ассимилировать информацию с более плотных региональных систем наземных станций. В отличие от глобальной модели, региональная версия позволяет существенно увеличить пространственное разрешение и точность описания ионосферных эффектов, в частности распределения температур и концентраций ионов.
Технически переход от глобальной к региональной версии модели означает следующее: необходимо задать новые границы координат для рассчитываемых силовых трубок, а также отфильтровать список станций приема спутникового сигнала. Однако, одним из наиболее трудоемких этапов является подбор декорреляционых радиусов для параметризации ковариационной матрицы в процессе ассимиляции, суть которого изложена в главе 4.
Система уравнений, используемых в физической модели, описывает ионосферную плазму в гидродинамическом приближении. Уравнения непрерывности и сохранения импульса решаются для семи типов ионов: НГ, Не+, 0+, 02+, N0*, ГУ, N2'. Для экономии вычислительных мощностей уравнение баланса температуры решается для трех типов ионов, вносящих наиболее значительный вклад в распределение энергии ( Н*, Не+, 0+ ), и электронов.