CC BY
49
УДК 004.4:550.38
И.С. Соловьев 1 2, О.В. Мандрикова 1 2
'Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка, Камчатский край, 684034;
2Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ПРОГРАММНАЯ СИСТЕМА ПО ОБРАБОТКЕ И АНАЛИЗУ ГЕОМАГНИТНЫХ ДАННЫХ
Работа направлена на создание прикладных методов и программных средств по изучению динамических процессов в магнитосфере в периоды магнитных бурь. В работе представлена программная система по анализу вариаций геомагнитного поля, основу которой составляют авторские методы и алгоритмы. Система позволяет оценивать состояние геомагнитного поля и выделять геомагнитные возмущения, возникающие в периоды повышенной солнечной активности и магнитных бурь. К системе организован свободный доступ через сеть Интернет.
Ключевые слова: магнитная буря, геомагнитные данные, вейвлет-преобразование, цифровая обработка сигналов.
I.S. Solovev1,2, O.V. Mandrikova1,2 ^Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003; institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Paratunka, Kamchatka, 684034). Program system on geomagnetic date processing and analysis
The work is aimed to creation of applied methods and software tools for the study of dynamic processes in the magnetosphere during magnetic storms. The software system is presented in the paper for analyze the variations of the geomagnetic field, which is based on the author's methods and algorithms. The system allows us to assess the condition of the geomagnetic field and allocate geomagnetic disturbances, arising during periods of increased solar activity and magnetic storms. There is a free access to the system through the Internet.
Key words: magnetic storm, the geomagnetic data, the wavelet transformation, digital signal processing.
DOI: 10.17217/2079-0333-2015-34-24-28
Введение
Изменения вариаций магнитного поля Земли связаны с различными геофизическими процессами и имеют сложную внутреннюю структуру, что делает малоэффективными традиционные методы для их обработки и анализа [1-9]. В периоды возмущений в вариациях поля возникают локальные особенности различной формы, длительности и амплитуды. Они характеризуют возмущенность поля и содержат важную информацию о характере развития магнитной бури [1-9]. Авторами на основе вейвлетов разработан метод описания вариации геомагнитного поля и созданы алгоритмы по выделению геомагнитных возмущений и оценке их интенсивности [1, 2]. Разработанные средства составили основу представленной программной системы. При обработке используются минутные значения горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли. В системе поддерживается формат данных IAGA2002, принятый международной сетью геомагнитных обсерваторий INTERMAGNET. Также реализованы функции пространственно-временного анализа, что позволяет выполнять анализ геомагнитных событий по цепочке станций регистрации. В данной работе описаны методы обработки и продемонстрированы возможности применения системы.
Оценка интенсивности геомагнитных возмущений
Оценка интенсивности геомагнитных возмущений выполняется на основе непрерывного вейвлет-преобразования данных, определяемого формулой:
КАа := и1/(ОМ — У, / е Ь2 (К),а, Ь е Я, а ф 0,
(1)
где а - масштаб ^ - базисный вейвлет. В программе используется базисный вейвлет Добеши порядка 3 (рис. 1), имеющий следующие свойства: несимметричный, ортогональный, обладает компактным носителем.
Замечание 1. Если базисный вейвлет ^ имеет компактный носитель, равный [— О, о], то носитель *¥Ьа на масштабе а равен [Ь — Оа, Ь + Оа]. Точка содержится в носителе у¥Ьа, если |Ь — < Оа .
Замечание 2. Преобразование (1) выполняется Рис.1. Вей&пет Добеши трядш 3 численно по алгоритму, аналогичному алгоритму,
реализованному в системе МаАаЬ. Перед выполнением преобразования (1) для уменьшения влияния краевого эффекта временной ряд данных /м = {/п} дополняется значениями по
правилу:
АЫ+2Ь = {/Ь ,.../2, А1, А0 ,...,АЫ,/ы—1,/ы—2,...,/ы—Ь },
где Ь = О* атах, (2О+1) - носитель вейвлета (см. Замечание 1), атах - наибольший масштаб вейвлет-преобразования. После выполнения вейвлет-преобразования коэффициенты К/ а, соответствующие дополненным значениям, удаляются. Интенсивность геомагнитных возмущений в момент времени t = Ь на анализируемом масштабе а оценивается на основе величины [1, 2]:
еЬ,а =
\(т,/) (Ь, а).
(2)
Интенсивность возмущений поля в ? = Ь оценивается по формуле:
ЕЬ ^^^ еЬ,а .
(3)
Выделение периодов слабой и сильной геомагнитной активности
Выделение периодов слабой и сильной геомагнитной активности выполняется на каждом масштабе а на основе применения пороговых функций [1, 2]:
10, если еЬ < Та1
Рг^ЬИ ) = •! , ■ Рт^ЬИ ) =
Ка, если еЬ,а ^ Та,1
I0, если еь а < Та,2
еЬ,а, если еЬ,а ^ Та,2
(4)
а
где пороговые значения Т позволяют выделить слабые и сильные возмущения, а пороговые
значения Т - сильные возмущения.
Идентификация порогов Та1 и Та2 выполнялась путем оценки апостериорного риска [10].
В оценках для определения степени возмущенности геомагнитного поля использовались значения индекса геомагнитной активности К (К-индекса). Экспериментальной базой являлись гео-
магнитные данные обсерватории «Паратунка» (Камчатский край) за период 2002-2010 гг. Путем обработки «спокойных» дней (трехчасовые значения А-индекса которых не превышали значения 1, а суммарные суточные не превышали значения 8) на каждом масштабном уровне а были оценены пороговые значения Та1. На основе обработки «слабовозмущенных» дней (трехчасовые
значения ^-индекса которых не превышали значения 4, а суммарные суточные не превышали значения 18) на каждом масштабном уровне а были оценены пороговые значения Та 2 . Результаты
расчета Та1 и Та,2 для различных масштабных уровней а показаны на рис. 2.
Рис. 2. Результаты расчета пороговых значений Та1 и Та2. На оси ох отмечены масштабные уровни а , на оси оу - значения Та1 и Та2
Принципы работы в системе
Система доступна через сеть Интернет по адресу http://www.ikir.ru:8280/lsaserver/ MagneticPage.jsp. Управляющее окно компоненты показано на рис. 3.
жшСшж Институт космофизических исследований и РаспРостранения радиоволн ДВО РАН V - Лаборатория Системного Анализа
^ выполнено при поддержке фанта Российского Научного Фонда №14-11-00194
Комплексный анализ Магнитные данные Ионосферные данные Оперативный анализ
Выбрать файл файл не выбран
Использовать демонстрационный файл
Загрузите (минутные) геомагнитные данные формата 1АСА2002(НОгР, ХУ2¥) или массив значений горизонтальной компоненты поля (пример! Данные загружаются в гю-ахиве
Рис. 3. Управляющее окно программной системы
Графические окна, представленные на рис. 3, имеют следующие основные элементы управления:
- Выбрать файл - выбор файла для анализа.
- Загрузить - загрузка выбранного файла. Для пространственно-временного анализа в систему последовательно загружаются данные нескольких станций.
- Использовать демонстрационный файл - использование специального файла для демонстрации работы системы.
- Обработать данные - переход на страницу обработки и анализа загруженных данных.
На рис. 4 представлен пример обработки данных в системе (используются магнитные данные станций «Магадан» и «Паратунка» за период с 9 сентября 2014 г. по 15 сентября 2014 г.). Анализируемое событие 12 сентября 2014г. вызвало возмущения в магнитном поле Земли (рис. 4, г). В 3:55 по результатам обработки данных выделены периоды сильной геомагнитной активности, что соответствует главной фазе бури. Анализ результатов показывает, что за двое суток до начала магнитной бури на основе алгоритмов в системе выделены периоды сл абой активности поля (рис 4, в), которые могут служить предвестниками данного события.
Интенсивность геомагнитных возмущений (РЕТ)
к б
09.2014 10.09.2014 11.09.2014 12.09.2014 11.09.2014 14.09.2014 Интенсивность геомагнитных возмущений (МСО)
"^Цтт1***-» . ■ . ■ гг -• — ■ 11.09.2014 14.09.2014
Периоды слабой и сильной геомагни ' 1 тной активности (РЕТ) в
9.2014 10.09.2014 11.09.2014 12.09.2014 11.09.2014 14.09.2014 Периоды слабой и сильной геомагнитной активности (МСО)
| ||| 1 1(
Периоды сильной геомагнитной активности (РЕТ)
Рис. 4. Результат обработки данных станции «Магадан» и «Паратунка» за период с 09.09.2014 г. по 14.09.2014 г.:
а - горизонтальная составляющая поля; б - интенсивность геомагнитных возмущений, рассчитывается на основе формулы (3); в - выделенные периоды слабой и сильной геомагнитной активности, рассчитывается на основе формулы (4) с использованием порога Та 1; г - выделенные периоды сильной геомагнитной активности,
рассчитывается на основе формулы (4) с использованием порога Та,2
Выводы
В работе описана программная система по обработке и анализу геомагнитных данных, позволяющая в периоды повышенной солнечной активности оценивать состояние геомагнитного поля и выделять периоды слабой и сильной геомагнитной активности. Анализ магнитной бури 12 сентября 2014 г. показал перспективность применения разработанной системы для исследования развития магнитосферных возмущений и прогноза космической погоды. Реализованные в системе алгоритмы позволили выделить период главной фазы бури и моменты развития слабой геомагнитный активности, возникшие за двое суток до начала магнитной бури. Программная система доступна через сеть Интернет по адресу ikir.ru:8280/lsaserver/.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №14-11-00194.
Литература
1. Analysis of the Earth's magnetic field variations on the basis of a wavelet -based approach /
O. Mandrikova, I. Solovjev, V. Geppenerc, A-KR. Taha, D. Klionskiy // Digit Signal Process. - 2013. -Vol. 23 - P. 329-339
2. Mandrikova O. V., Solovev I.S, Zalyaev T.L. Methods of analysis of geomagnetic field variations and cosmic ray data // Earth Planet Space. - 2014. - Vol. 66. - I. 1. - doi:10.1186/s40623-014-0148-0.
3. Systematic examination of the geomagnetic storm sudden commencement using multi resolution analysis/ A.G. Hafez, E. Ghamry, H. Yayama, K. Yumoto // Advances in Space Research. - 2013. -№. 51. - P. 39-49.
4. Huang N.E., Wu Z. A review on Hilbert-Huang transform: Method and its applications to geophysical studies // Reviews of Geophysics. - 2008. - Vol. 46. - I. 2. - doi:10.1029/2007RG000228.
5. Wavelet-based index of magnetic storm activity / A. Jach, P. Kokoszka, J. Sojka, L. Zhu // J. Geophys. Res. - 2006. - Vol. 111. - doi:10.1029/2006ja011635.
6. Rotanova N., Bondar T., Ivanov V. Wavelet Analysis of Secular Geomagnetic Variations // Geomagnetism and Aeronomy. - 2004. - Vol. 44. - P. 252-258.
7. Automated recognition of spikes in 1 Hz data recorded at the Easter Island magnetic observatory / A. Soloviev, A. Chulliat, S. Bogoutdinov, A. Gvishiani, S. Agayan, A. Peltier, B. Heumez // Earth Planets Space. - 2012. - Vol. 64. - P. 743-752.
8. Wavelet-based multiscale analysis of geomagnetic disturbance / N. Zaourar, M. Hamoudi, M. Mandea, G. Balasis, M. Holschneider // Earth Planets Space. - 2013. - Vol. 65. - P. 1525-1540.
9. An assessment study of the wavelet-based index of magnetic storm activity (WISA) and its comparison to the Dst index / Z. Xu, L. Zhu, J. Sojka, P. Kokoszka, A. Jach // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. - 2008. - Vol. 70. - P. 1579-1588.
10. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Изд. 2-е. - М.: Советское радио, 1975. - 392 с.
Информация об авторах Information about authors
Соловьев Игорь Сергеевич - Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН; 684034, Россия, с. Паратунка; кандидат технических наук; старший научный сотрудник лаборатории системного анализа; [email protected]
Solovev Igor Sergeevich - Institute of Cosmophysics Research and Radio Wave Propagation FEB RAS; Paratunka Village, Russia, 684034; Candidate of technical sciences; Senior researcher of systems analysis laboratory; [email protected]
Мандрикова Оксана Викторовна - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; доктор технических наук; доцент; профессор кафедры систем управления; [email protected]
Mandrikova Oksana Viktorovna - Kamchatka State Technical University; 683003, Petropavlovsk-KamchatskY, Russia; Doctor of technical sciences; Associate Professor; Professor of Control systems chair; [email protected]
