Научная статья на тему 'Программный комплекс анализа грозовой активности и вистлеров'

Программный комплекс анализа грозовой активности и вистлеров Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
127
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВИСТЛЕР / АТМОСФЕРИКИ / ГРОЗА / КОРРЕЛЯЦИЯ / WHISTLER / ATMOSPHERE / THUNDERSTORM / CORRELATION / AWDANET / WWLLN

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Ф В. Королев

Велась разработка web интерфейса, для визуализации расчета пространственного распределения корреляционных связей между интенсивностью потока вистлеров и планетарной грозовой активностью.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Ф В. Королев

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE PROGRAM COMPLEX FOR ANALYSIS OF THUNDERSTORM ACTIVITY AND WHISTLERS

A web interface was developed to visualize the calculation of the spatial distribution of correlation links between the whistler flux intensity and planetary thunderstorm activity.

Текст научной работы на тему «Программный комплекс анализа грозовой активности и вистлеров»

Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2017. № 2(18). C. 89-98. ISSN 2079-6641

DOI: 10.18454/2079-6641-2017-18-2-89-98

УДК 512.24

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АНАЛИЗА ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ И ВИСТЛЕРОВ

Ф. В. Королев

Камчатский государственный университет имени Витуса Беринга, 683032, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Пограничная, 4 E-mail: korolevfedos@yandex.ru

Велась разработка web интерфейса, для визуализации расчета пространственного распределения корреляционных связей между интенсивностью потока вистлеров и планетарной грозовой активностью.

Ключевые слова: вистлер, атмосферики, гроза, корреляция, AWDANet, WWLLN

© Королев Ф. В., 2017

MSC 68U35

THE PROGRAM COMPLEX FOR ANALYSIS OF THUNDERSTORM ACTIVITY AND WHISTLERS

F. V. Korolev

Vitus Bering Kamchatka State University, 683032, Petropavlovsk-Kamchatsky, Pogranichnaya st., 4, Russia E-mail: korolevfedos@yandex.ru

A web interface was developed to visualize the calculation of the spatial distribution of correlation links between the whistler flux intensity and planetary thunderstorm activity.

Keywords: Whistler, atmosphere, thunderstorm, correlation, AWDANet, WWLLN

© Korolev F.V., 2017

Введение

Изучение магнитосферно-ионосферных является актуальной задачей фундаментальной науки, расширяя наши знания о процессах в верхней атомосфере и околоземном космическом пространстве, и в то же время напрямую связано с прикладной задачей контроля и прогноза космической погоды.

Магнитосфера - область околоземного космического пространства, в которой поведение плазмы контролируется магнитным полем Земли [1]. В результате обтекания солнечным ветром магнитосферы Земли образуется магнитная полость, размеры которой определяются динамическим равновесием кинетического давления плазмы, солнечным ветром и магнитным давлением поля Земли. Уменьшение давления солнечного ветра на плазму приводит к увеличению объема магнитосферы и заполнению её ионосферной плазмой. Ключевую роль при описании динамики плазмы играют разнообразные электростатические и электромагнитные колебания и волны. Наряду с внутренними источниками волн в плазме важную роль в динамике магнитосферно-ионосферной системы играют внешние источники, которые могут иметь естественную природу, например, излучение молниевых разрядов во время грозовой активности. Волна, образованная импульсным излучением, уходящая в магнитосферу Земли и возвращающаяся обратно в магнитно-сопряженную точку, где она и может быть зарегистрирована - называется вистлером [2].

Свистящие атмосферики (вистлеры) - особые радиосигналы диапазона очень низких частот (ОНЧ), возникающие в результате распространения электромагнитного импульса грозового разряда в плазмосфере Земли вдоль силовой трубки магнитного поля. Во время движения вистлер претерпевает частотную дисперсию: сначала приходят высокочастотные составляющие сигнала, затем, с нарастающим запаздыванием, более низкие частоты. Вид дисперсионных кривых при этом существенно зависит от состояния плазмосферы, в частности от электронной концентрации, что делает вистлер естественным индикатором состояния плазмосферы Земли. В связи с этим исследование вистлеров является актуальной задачей для изучения космической погоды [3].

Программный комплекс

В ходе проделанной работы было спроектировано web-приложение для сопоставления данных, зарегистрированных всемирной сетью локализации гроз (WWLLN), с данными, зарегистрированными автоматической системой распознавания и анализа вистлеров (AWDANet). Данные в программу загружаются из .^-файлов, которые пользователь загружает на сервер. В программе предусмотрены фильтрация по уровню возмущенности магнитного поля (к и кр/ар индексы), а также возможность выбора информации о грозах и вистлерах, зарегистрированных в дневное время.

На первом этапе прямо во время считывания информации о грозах из .log-фaйлa происходит распределение ударов молний (УМ) по ячейкам градусной сетки Земли в зависимости от заданного пользователем разбиения. В проведенных экспериментах было выбрано разбиение на ячейки размером 3 градуса по долготе и широте. Затем для каждой ячейки вычисляется количество УМ на каждом 15 минутном интервале в течение рассматриваемого периода времени.

В памяти компьютера эта информация хранится в виде двумерного массива из 360 180

-ц- х х k элементов (рис.1), где D - введенный пользователем размер ячейки в градусах по долготе и по широте, k - количество 15-минутных интервалов в загруженных файлах, т.е. каждый элемент массива содержит еще один массив, предназначенный для группировки гроз по минутным интервалам.

Строка из 360/3 градусов, 120 ячеек.

Рис. 1. Структура массива с грозами

Представление массива в памяти предполагает, что каждые 360 элементов обра-

180

зуют новую строку, итого получаем строк, однако индексация идет по порядку. Индексация элементов основного массива в случае Б = 3 представлена на (рис.2).

Рис. 2. Нумерация ячеек в массиве

Во время считывания очередной строки из .log-файла определяются минутный интервал и номер ячейки градусной сетки анализируемых данных, после чего полученные значения суммируется с ранее посчитанным количеством УМ для выбранной ячейки. Если пользователь указал что нужна фильтрация всех данных только в дневное время то, на каждое считывание строки накладывается фильтр по времени восхода и захода солнца которое вычисляет класс SunriseSunset.java. Данному классу для вычислений необходимо передать широту, долготу, дату и сдвиг по времени формата иТС(в случае Камчатки это +12). Если пользователь указал фильтрацию по индексам возмущенности геомагнитного поля, то при считывании сравнивается значение введенное пользователем со значением каждого трехчасового интервала из загруженного файла индексов.

Главными достоинствами предложенного алгоритма считывания и способа представления данных в памяти, являются:

• Быстрая обработка и структурирование огромных объемов данных.

• Для массива с грозами не хранятся ячейки с нулевыми значениями, это позволяет эффективнее использовать память.

• Структура массива удобна для будущего расширения функционала программы.

• Возможность легкой адаптации под любую структуру считываемых данных.

После распределения загруженных данных по массиву происходит расчет корреляционной зависимости между количеством УМ для каждой ячейки градусной сетки и количеством зарегистрированных на полуострове Камчатка вистлеров.

Обозначим через X вектор значений количества УМ по 15 минутным фрагментам в заданной ячейке градусной сетки Земли, а через Y вектор значений количества зарегистрированных на полуострове Камчатка вистлеров по тем же 15 минутным фрагментам.

Согласно технологии быстрого расчета корреляционных коэффициентов для текущей градусной ячейки рассчитывается среднее и среднее квадратов по X:

1 п

x = - £ х(1)

1п

(X)2 = :: £(2)

п 1=1

для данных о зарегистрированных вистлерах рассчитывается среднее и среднее квадратов по Y:

1 п

У = - £У>, (3)

п=1

1п

(у)2 = п £ (У)2- (4)

п 1=1

Далее по формуле (5) расчитывается ковариация, по формуле (6) и (7) дисперсия по X, Y.

еоу = ху — X • X (5)

ох = X2 — (X • X) (6)

^У = У2 — (У • У) (7)

По формуле (8) рассчитывается корреляционная зависимость между векторами значений X и Y.

соу /о\

сог = (8)

V о X • ^/оу

Расчеты повторяются для каждой ячейки градусной сетки, причем если оx или оу равны нулю то расчет не производится и корреляция считается равной нулю.

После завершения расчетов генерируется .txt-файл с вычисленными коэффициентами корреляции, записанными в виде трех столбцов - долгота, широта, коэффициент корреляции. Также генерируется ^пи-файл, предназначенный для представления полученных значений в графическом виде на карте, в системе gnuplot (Рис.3).

150 -100 -50 0 50 100 150

LON

Рис. 3. Построение корреляционных значений из посчитанного файла в gnuplot.

Еще одной возможностью разработанного web-приложения является визуализация карты с данными расчетов в окне браузера, при этом по наведении курсора мыши выводится информация о выбранной ячейке (Рис.4).

координата по х координата по у значение корреляции 108 102 -0.01999652361993871

Рис. 4. Построение корреляционных значений в браузере.

Заключение

Был разработан программный комплекс для сопоставления данных, зарегистрированных всемирной сетью локализации гроз (WWLLN), с данными, зарегистрированными автоматической системой распознавания и анализа вистлеров (AWDANet). Были произведены тесты данных за один месяц 01.01.2013 — 01.02.2013. Результаты вычислений представленных на рисунках 5-12.

Построение без фильтров:

150 -100 -50 0 50 100 150

LON

Рис. 5. Построение в gnuplot.

координата по х координата по у значение корреляции 108 102 -0.01999652361993871

Рис. 6. Построение в браузере.

Построение c включенным фильтром при k=4:

150 -100 -50 0 50 100 150

LON

Рис. 7. Построение в gnuplot.

координата по х координата по у значение корреляции

120 90 0.02382624637330193

Рис. 8. Построение в браузере.

Построение c включенным фильтром при kp=10:

Рис. 9. Построение в gnuplot.

Рис. 10. Построение в браузере.

Построение с включенной фильтрацией по времени восхода и захода солнца:

150 -100 -50 0 50 100 150

LON

Рис. 11. Построение в gnuplot.

координата по * координата по у значение корреляции 210 96 -0.009607363245841216

Рис. 12. Построение в браузере.

Комплекс реализован в виде шеЬ-сервиса, что позволяет после установки на сервер легко использовать его с помощью любых мобильных устройств.

Автор благодарит к.ф.-м.н. Н.В. Черневу (ИКИР ДВО РАН) за любезно предоставленные данные по активности вистлеров.

Список литературы

[1] Петрукович А. А., "Некоторые аспекты ионосферно-магитосферных связей", Успехи физических наук, 185:6 (2015), 649-654. [Petrukovich A.A. i dr. Nekotorye aspekty ionosferno-magitosfernyh svjazej. Uspehi fizicheskih nauk. 2015. vol. 185. no 6. 649-654. ].

[2] Гершман Б. Н., Угаров В. А., "Распространение и генерация низкочастотных электромагнитных волн в верхней атмосфере", Успехи физических наук, 72:2 (1960), 235-271. [Gershman B.N., Ugarov V.A. Rasprostranenie i generacija nizkochastotnyh jelektromagnitnyh voln v verhnej atmosfere. Uspehi fizicheskih nauk. 1960. vol. 72. no 2. 235-271 ].

[3] Collier A. B. et al., "Correlation between global lightning and whistlers observed at Tihany, Hungary", Journal of Geophysical Research: Space Physics, 114:A7 (2009).

Список литературы (ГОСТ)

[1] Петрукович А.А. и др. Некоторые аспекты ионосферно-магитосферных связей // Успехи физических наук. 2015. Т. 185. №6. С. 649-654.

[2] Гершман Б.Н., Угаров В.А. Распространение и генерация низкочастотных электромагнитных волн в верхней атмосфере // Успехи физических наук. 1960. Т. 72. №2. С. 235-271.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[3] Collier A. B. et al. Correlation between global lightning and whistlers observed at Tihany, Hungary //Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2009. Т. 114. №. A7.

Для цитирования: Королев Ф.В. Программный комплекс анализа грозовой активности и вистлеров // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2017. № 2(18). C. 89-98. DOI: 10.18454/2079-66412017-18-2-89-98

For citation: Korolev F. V. The program complex for analysis of thunderstorm activity and whistlers, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2017, 18: 2, 89-98. DOI: 10.18454/2079-6641-2017-18-2-89-98

Поступила в редакцию / Original article submitted: 25.05.2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.