Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
Российской Академии наук
( основан в 1939 г. )

Начало Наверх Исследования Проекты Службы Информация Новости События Персональные Архив

Методы распознавания образов в системном исследовании геомагнитосферных явлений (бурь,суббурь)


В ИЗМИРАН совместно с ИТЭФ развито новое научное направление - "Системное исследование сложных физических явлений методами распознавания образов". В результате предложен принципиально новый системный подход к исследованию сложных явлений, опробованный на анализе геомагнитосферных бурь и суббурь как целостному комплексу физических процессов, который может быть распространен на анализ любых сложных явлений солнечно-земной физики и геофизики. Данные разработки этого направления реализованы в форме ряда оригинальных работ(в том числе двух монографий: И.В.Ковалевский, Ю.И.Морозов. Методы распознавания образов в анализе сложных физических явлений.- М.:ИЗМИРАН,1989.-260с.; J.V.Kovalevsky, Yu.I.Morozov. Pattern Recognition Methods in Analysis of Complex Physical Phenomene.-M.:IZMIRAN,1990.-310p.) и нескольких комплексов компьютерных программ.

Результаты

На основе системного подхода (СП) в исследовании геомагнитосферных бурь (ГМБ) и суббурь (ГСБ) как сложных физических явлений методами распознавания образов(РО) с применением секвентно-кластерного анализа при использовании базы спутниковых и наземных экспериментальных данных получены следующие результаты:

  • Реализация масштабной кластерной классификации главных фаз (ГФ) 31 ГМБ по Dst-индексу позволила выделить три типа кластеров ГФ (К1,К2 и К3) и пять изолятов ГФ (И5) со следующими средними пиковыми значениями Dst:К1~Dst=-47 нТл, К2~Dst=-87 нТл, К3~Dst=-130 нТл, И5~Dst=-213 нТл. Особый интерес представляют ГФ И5. Проведен содержательный физический анализ ГФ И5 на основе корреляционной кластеризации 32 процессов, характеризующих состояние взаимосвязей сложного системного объекта. ГФ И5 имеют общую часть внутренней структуры, хотя полные их структуры каждой ГФ отличаются друг от друга. Полученные результаты отражают многопричинность и многовариантность протекания процессов в период ГФ очень больших ГМБ, свидетельствуя о невозможности интерпретации такого типа событий одной из общепринятых теоретических функций связи.

  • С целью выделения кластеров ГФ, одинаковых по масштабу и по форме, а также с похожими внутренними структурами взаимосвязей физических процессов, которые связаны с изменением Вz-компоненты ММП, осуществлена внешняя масштабная кластерная классификация по двум опорным физическим процессам (Dst-индексу и Bz-компоненте). Несмотря на факт, что выделенные три кластера и группа изолятов имеют общую часть внутренней структуры ((Dst)+B+(By)+(Bz)), тем не менее их полные структуры отличаются друг от друга, свидетельствуя о различии физического развития ГФ этих группировок, которое невозможно описать какой-либо одной общеизвестной функцией связи. Dst- и AE-индексы таких ГФ характеризуются различными геоэффективными параметрами. Полученные результаты подтверждают многопричинность развития ГФ ГМБ.

  • C целью выделения совокупностей элементарных геомагнитосферных суббурь (ЭГСБ) одинаковых по масштабу и по форме и связанных с изменением Bz-компоненты ММП осуществлена масштабная кластерная классификация 61 ЭГСБ по трем опорным процессам (АЕ- и Dst-индексам и Bz-компоненте). Выделены три типа кластеров ЭГСБ. Выполненный содержательный физический анализ полученных типов кластеров на основе корреляционной кластеризации 32 процессов, характеризующих каждую ЭГСБ, позволил установить различие внутренних структур связей солнечный ветер-магнитосфера полученных кластеров. Сделан вывод, что суббури трех кластеров характеризуются различными физическими развитиями. Полученные результаты подтверждают идею Луи (1991 г) о многопричинности генерации такого типа суббурь.

  • Системный подход, базирующийся на методах распознавания образов, примененный к ГМБ и ГСБ, может быть успешно применен к анализу данных других сложных явлений: например, к анализу данных о биотропных событиях и о землетрясениях.

Результаты
  • На основе методов распознавания образов проведена двумерная масштабная классификация набора из 31 геомагнитосферных бурь (ГМБ) по двум основаниям: по особенностям на протяжении 64 часов Dst- и АЕ-индексов. Выделены два основных кластера, объединяющие ГМБ по совокупности характеристик этих процессов как по форме, так и по масштабу (с учетом различий по среднему уровню Dst и AE и среднеквадратичному отклонению Dst и АЕ от этого уровня), а также пекулярные бури, обособленные от основных групп. Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что масштабная классификация ГМБ по двум параметрам (Dst и AE) позволяет достаточно хорошо классифицировать бури по форме и масштабным характеристикам. Предлагаемая методика классификации событий по двум основаниям может найти широкое применение во многих областях солнечно-земной физики, где необходима обработка больших массивов данных.

  • Методами кластерного анализа исследованы геомагнитосферные бури (ГМБ) как исключительно обособленные (изоляты), так и входящие в два кластера, объединившие ГМБ по форме и масштабу в результате проведенной масштабной двумерной классификации набора из 31 ГМБ по особенностям Dst- и АЕ- индексов за 64-часовой интервал. Каждая ГМБ рассматривается как сложный взаимосвязанный комплекс 32 плазменных процессов, протекающих в околоземном пространстве, достаточно полно характеризующих состояние ГМБ как системного комплекса. Содержательный анализ выявил различия взаимосвязей процессов между ГМБ, принадлежащим разным кластерам. Однако эти различия оказались не столь разительны, чтобы можно было бы опираться на них при классификации ГМБ, несмотря на существенные различия бурь обоих кластеров по форме и масштабу