Принципы построения системы ионосферных индексов возмущенности
на основе квантильных статистических оценок

Критическая частота слоя F2 ионосферы является ключевым параметром, определяющим условия распространения радиоволн. Для задач радиосвязи, радиолокации и навигации помимо прогнозирования фонового состояния ионосферы, необходимо количественно оценивать степень её возмущённости. Отклонения критической частоты от невозмущённого уровня в периоды геомагнитных бурь и при высокой солнечной активности могут достигать десятков процентов, что приводит к значительным проблемам в работе соответствующих систем. Основанные на медианных значениях подходы, включая международную эталонную модель ионосферы и ряд существующих индексов хорошо зарекомендовали себя для анализа фонового состояния и долгосрочных вариаций. Однако они обладают ограниченной применимостью при анализе кратковременных и резких возмущений. Кроме того, многие индексы ориентированы на отдельные аспекты возмущённости или определённые диапазоны условий, что затрудняет их универсальное применение. Таким образом, проблема заключается в отсутствии универсального, статистически обоснованного и адаптивного индекса, который позволял бы количественно классифицировать степень возмущённости с учётом сезона, времени суток, уровня солнечной и геомагнитной активности и местоположения пункта наблюдения, а также раздельно оценивал бы положительные и отрицательные возмущения, физические механизмы которых принципиально различны.
Целью работы является разработка системы индексов ионосферной возмущённости на основе квантильных статистических оценок, учитывающих пространственно-временную неоднородность ионосферы. Невозмущённый уровень определяется на основе симметричной 27-суточной скользящей медианы. Для учёта внешних факторов производится фильтрация данных по сезону, времени суток, уровню солнечной активности и уровню геомагнитной активности. Для построения системы квантильных коридоров использованы многолетние данные вертикального радиозондирования сети станций за период с 1957 по 2025 год. Проверка устойчивости выборок с учётом возможного влияния ускоренного дрейфа Северного магнитного полюса после 1990 года не выявила статистически значимых различий в подавляющем большинстве случаев, что подтверждает корректность объединения данных за весь период.
Для каждой комбинации факторов и каждой станции рассчитаны значения квантилей, на основе которых сформированы квантильные коридоры. Анализ показал существенную изменчивость границ при различных условиях. Например, в декабре полуденное значение верхнего квантиля достигает 65–67 процентов, тогда как в июне при тех же условиях не превышает 16–18 процентов. Это демонстрирует принципиальную некорректность фиксированных шкал для межсезонных сравнений. Сравнение широтной цепочки станций показало, что базовая форма суточного хода квантилей сохраняется, однако амплитуда предрассветного подъёма возрастает с широтой. На более высоких широтах также усиливается отклик на геомагнитные возмущения. Долготные различия выражены слабее, чем широтные. На основе сформированных коридоров разработана итоговая шкала индекса, предусматривающая раздельный учёт положительных и отрицательных возмущений.
В работе изложены принципы построения системы индексов ионосферной возмущённости, основанной на квантильных статистических оценках. В отличие от существующих аналогов, предлагаемый индекс является адаптивным и вероятностным: он классифицирует текущее состояние ионосферы исходя из статистической редкости наблюдаемого отклонения в конкретных гелиогеофизических и пространственных условиях. Обоснован выбор симметричной скользящей медианы и обязательное разделение данных по сезону, времени суток и уровням активности. Установлено, что широтный фактор является доминирующим и требует обязательной региональной адаптации индекса. Разработана девятибалльная шкала индекса с раздельным учётом положительных и отрицательных возмущений, отражающая различие их физических механизмов и статистических свойств.