Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Метод построения оптимальной пространственной схемы аэрологических и спутниковых измерений в атмосфере

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Метод построения оптимальной пространственной схемы аэрологических и спутниковых измерений в атмосфере"

РГ8 ОД

КОМИТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А.И.ПОЕЙКОВА

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

ПНЧУГИН Юрий Александрович

УДК 551.647.5:601.509.314(215—17)

МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СХЕМЫ АЭРОЛОГИЧЕСКИХ И СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В АТМОСФЕРЕ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 04.00.22 ГЕОФИЗИКА

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в Главной геофизической обсерватории

ни. А.И. Воейкова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

старший научный.сотрудник Покровский О.М.

■ ; 1

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Панин Б.Д. ,

' кандидат] технических наук,.. ,

старший научный сотрудник Горохов В.Л.'.

" ■ - . > "V.

Ведущая организация: Арктический и Антарктический научно- ;

исследовательский институт".

Залита состоится

«гн " 199 г. в. ' часов

на заседании специализированного Совета Д024.06.01 Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова: 194018, 4 Г. С.-Петербург, ул. Карбышева, дом 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова

Автореферат разослан "¿7 " ¿ЖГсА^Л1993 г.

Учёный секретарь Специализированного Совета, /,* / • С -

доктор географических наук В. Кобьиева

\ \ '

. I

0Е11*\Я ЛАРАЖРИСПШ РАБОТЫ

Актуальность работы. Существующие наземные наблюдательные сети представляют собой основу для сбора гидрометеорологической информации (Г:.1И). К числу недостатков наземных сетей, в частности, аэрологической сети, относятся низкое пространственное разрешение в районах с редкой сетью, высокая стоимость информации, получаемой в труднодоступных районах (полярные, горные, океанические). Среди достоинств наземных сетей следует отметить точечный (неосреднённый) характер получаемой ШИ. Естественным и необходимым дополнением к данным аэрологической сети является информация, получаемая путём спутникового дистанционного зондирования атмосферы (ДЗА). Наиболее привлекательной стороной спутниковых методов является глобальный характер получаемой ГШ, что открывает широкие возможности для глубокого изучения атмосферных процессов различных пространственных и временных масштабов. К недостаткам спутниковой системы ДЗА относятся: сравнительно высокий уровень ошибок измерений; коррелированный характер этих ошибок; 'снижение возможностей ДЗА из-за облачности. Накопленный опыт использования данных метеорологического дистанционного зондирования со спутников [ 5 3 свидетельствует об актуальности постановки и рассмотрения задачи их оптимального комплексирования с данными аэрологической сети станций. Одним из эффективных направлений в исследованиях по оценке глобальных систем наблюдений является численное моделирование на Ъя'Л с использованием обширной архивной наблюдательной информации. Проблема оптимального синтеза данных наземных и спутниковых метеорологических наблюдений имеет важное практическое значение из-за ограничения возможных финансовых затрат на поддержание не только космический средств, но и наземных наблюдательных сетей. Для рационализации наземных сетей уже разработан целый ряд методов и получены практические результаты [2,6] . выполнено значительное число исследований по оптимизации космических систем дистанционного зондирования атмосферы по таким характеристикам, как число и конфигурация спектральных каналов зондирования, пространственное разрешение, периодичность измерений и т. д. £б,б] • Учитывая взаимодополняющий характер обоих видов наблюдений, оптимизация соответствующих систем наблюдений в комплексе представляется ещё более существенной задачей. В [ 7 ] сделана первая попытка решения проблемы оптимального синтеза наземных и спутниковых систем наблюдений в связи с численным прогнозированием поля геопотенциала в северном

полушарии на срок до 3 суток на основе метода "сопряжённых уравнений". В то же время в круг задач климатического мониторинга зх'">дит задача слежения за атмосферными процессами временного масштаба от месяца и более. Это обстоятельство не может быть неучтённым в определении способа оптимального комплексирования данных аэрологических и спутниковых измерений.

Последнее время в работах по оптимизации систем наблюдений всё отчётливее намечается переход от эмпирических подходов к математическим методам теории планирования эксперимента ь связи с этим мокно отметить, что эти математические методы в их классической формулировке не всегда отвечают конкретным целям практических задач. Это приводит к необходимости разработки методик, с одной стороны, основанных на фундаментальных положениях и результатах i-еории планирования эксперимента, с другой стороны -имеющих более практических характер. Перечисленные выше обстоятельства определяют необходимость проведения специальных разработок на стыке прикладной математики и геофизики.

Целью работы является разработка метода построения оптимальных пространственных схем для наблюдения за флуктуациями поля атмосферного давления различного временного масштаба как при аэрологических (региональных)наблюдениях, так и при совместных (глобальных) аэрологических и спутниковых наблюдениях в северном полушарии.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах:

- Разработан метод вычисления пространственно-временных эмпирических ортогональных функций ООО), позволяющих определить пространственную структуру колебаний поля метеоэлемента заданной временной периодичности.

- Получены связи между различными внутригодовыми периодичностями и пространственными аномалиями поля i-^qq в северном полушарии.

- Разработан метод построения оптимальной (минимальной по количеству пунктов) пространственной схемы наблюдений за флуктуациями поля H^qo определённого временного масштаба или сезона при совместном использовании различных систем наблюдений.

Практическая ценность.

Разработанные методы, основанные на информационно-статистическом подходе теории планирования эксперимента, позволяют решать

следующий ряд задач:

- Построение оптимальной пространственной схемы наблюдений за колебаниями поля метеоэлемента заданного временного масштаба или сезона. Задача может быть решена как для всей территории, по ко-

торой имеется архив наблюдений за данным метеоэлементом, так и для любой части этой территории.

- Оптимальное размещение новых пунктов наблюдения или перемещения существующих для целей задачи - Г.

- Оптимальное комплексирование систем наблюдений (с различными уровнями и различными пространственными корреляциями ошибок наблюдений). •

На защиту выносятся:

1) Метод спектрального анализа временных рядов данных со скользящей базой.

2) Метод исследования пространственно-временной структуры поля HcjQQ в северном полушарии с помощью сезонных и пространственно-временных ЭОФ.

3) Метод построения оптимальных (с минимальным числом пунктов) пространственных схем наблюдений за колебаниями поля H^qq временной периодичности от года до месяца и естественными |иуктуа-циями поля HjjQQ в зимний и летний сезоны; результаты оптимизации отечественной аэрологической сети.

4) Метод оптимального комплексирования систем наблюдений (с различными уровнями и различной пространственно-статистической структурой ошибок измерений); "ключевые" районы сбора спутниковой информации (для целей 3) с учётом отечественной аэрологической сети и сети северного полушария.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 104 страницы машинописного текста, 2 таблицы и 48 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 102 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даётся общая характеристика работы: обсуждается актуальность темы диссертации, её основные задачи, отмечается практическая ценность работы и кратко излагается содержание её глав.

Первая глава посвящена, в основном, обзору исследований по проблеме рационализации систем наблюдения. Начинается обзор с обсуждения известных работ по рационализации метеорологических сетей O.A. Дроздова и A.A. Шепелевского, которые были ориентированы на задачи синоптического временного масштаба. Далее рассматриваются работы по рационализации наземных наблюдений, ориентированные на климатический временной масштаб (Энжела и гСорагавера,

Ямамото и Хошиаи, Винникова и др.). Характерной чертой вышеупомянутых работ было использование гипотезы изотропности метеополя и некоторый субъективизм в выборе мест расположения стангий. При рассмотрении работ по оптимизации систем спутникового дистанционного зондирования прослеживается переход от эмпирических методов к методам теории планирования эксперимента. Б этих работах рассматривается широкий круг задач, оптимизируются такие характеристики, как число спектральных каналов зондирования, пространственное разрешение, периодичность измерений £ 5 , & ] , а также пространственные схемы сбора информации Наряду с

обзором исследований по оптимизации спутниковых измерений в атмосфере рассматриваются и теоретические основы дистанционного ■ зондирования атмосферы со спутников.

Ьо пторой главе проводится статистический анализ архивных данных поля Н,^ на регулярной сетке в .широтном поясе от 30° до 60° с. ш. Рассматривается задача исключения детерминированной составляющей, к которой относится годовой ход и другие долгопериодные компоненты. Вместе с оценками коэффициента линейного тренда приводятся оценки его статистической значимости. Смещение зоны значимости линейного тренда к южным широтам объясняется уменьшением дисперсии поля Н^д в этом направлении.

Использование ежесуточных значений поля Нэдд приводит к необходимости учесть временную корреляцию данных, которая по полученным оценкам имеет сезонную специфику. Зимой оценки временной связности в среднем выше, чем летом.

Третья глава посвящена исследованию пространственно-временной структуры поля Нэдо в Северном полушарии. В качестве основного аппарата исследования используются эмпирические ортогональные функции (ЭОФ), которые представляют собой собственные векторы выборочной ковариационной матрицы. Вместе с сезонными ЭОФ, вычисляемыми по зимней (ноябрь-февраль) и летней (май-август) выборкам (за 12 лет), вычисляются предложенные в работе пространственно-временные ЭОЛ. Основой для вычисления пространственно-временных ЭОй является процедура спектрального анализа со скользящей базой, в результате которой вместо исходного временного ряда получается ряд амплитуд временных колебаний поля заданной частоты. Так, для выбра:;ной базы - один год", масштабированные по времени '¿Он позволяют исследовать пространственную структуру внутриго^овых колебаний поля Проводится исследование спектра { А'т ^ ( I -номер собственного числа, т - номер гармоники), суммарных дисперсий гармоник Ют. и величин \1 / , характеризующих

крупномасштабность процесса. Оценивается статистическая значимость 'относительной различимости собственных значений А^ , что даёт возможность интерпретировать. ЭСЛг как скрытые свойства поля %00* 1'Р0В0ЯИТСЯ сравнение сезонных и пространственно-временных ЭО2. При сравнении замеченок что. для номеров гармоник т, с большим показателем Х^ / характерно и большее значение

а>г>(х^ , Х^) , где первая функция пространственно-

временного базиса, а Хр, - одна, из первых, функций какого-либо сезонного базиса Э(№. Это позволяет ввделить. несколько особенных внутригодовых частот колебаний поля Н^д (4 и 2 месяца, 40 дней и месяц).

В качестве приложения различных видов Э0£ рассматриваются вопросы связи пространственных- аномалий поля Н^д с особенными метеорологическими язлениями,. такими,..как блоки и центры действия атмосферы.

В четвёртой главе строится основная информационно-статистическая модель системы наблюдений на основе регрессионной схемы Гаусса-Маркова

где У - вектор наблюдаемых величин на некоторой сети = = , £> - вектор ошибок измерений Е. £> = 0; О - ве-

ктор определяемых параметров. Использование в качестве столбцов регрессионной матрицы Р базисных функций различных ЭОФ, описанных в главе 3, позволяет связать модель (I) с определённым временным масштабом или созоном. Ь качестве меры информативности берётся функционал, равный следу дисперсионной матрицы оценки О вычисляемой по измерениям на подмножестве Л- множества точек наблюдения

ьс о^у- р сц)гг;у1 «,

Цчось Р (О-у) - матрица, получаемая из Р » Р (О.) удалением I -ых строк, таких, что СС>1 ф ; Х-0 - дисперсионная матрица 0 , которая в базисе ЭОЗ? имеет диагональный вид ( 210 - ( А1, Аг, А* , . . . ) Ат ); 21 е. - дисперсионная матрица ошибок измерений. Функционал (2) определяет так называемый Ц -критерий [ Ц 3

О.* = Ьь А (О.«,) (3)

при Д * Г , на основании которого в данной главе строится алгоритм последовательного отбора наиболее информативных пунктов наблюдения. Такой подход позволяет для заданного уровня информати вности 1 = ( И Л1 - Ьъ T. g- ( Q ^ )) / 21 А1 найти подмножество пунктов наблюдения, обеспечивающее этот заданный уровень информативности и содержащее минимальное число пунктов.

Первая апробация алгоритма проводится на задаче оптимизации отечественной аэрологической сети для целей климатического мониторинга. Строятся оптимальные ( fj_ = 90-9Ь'Х) наборы для слежения за атмосферными процессами временного масштаба от года до месяца и для слежения за естественными флуктуациями поля атмосферного давления в зимний и летнии периоды.

Важное место в четвёртой главе занимает задача выбора метода интерполяции значений базисных функций в места расположения станций. Б качестве критерия выбора берётся среднеквадратичная погрешность интерполяции в точки регулярной сети, на которой вычислялись ЭОФ. Рассматривается проблема устойчивости результатов оптимизации по отношению к методу интерполяции и связь устойчивости со спектральными характеристиками базисов ЭОи. Так, большая устойчивость наблюдается, когда базис ЭСКг имеет относительно быстро сходящийся спектр ( îl À1 ) , что соответствует большей крупномасштабности процесса.

Ь пятой главе решается задача оптимального комплексирования информации, получаемой посредством спутникового дистанционного зондирования и данных аэрологической сети северного полушарияг££в. Для этого строится множество О. - Q" U , где От

множество узлов регулярной сетки, на которой вычислялись DOi и которые принимаются за условные точки спутниковых измерении. Применение алгоритма последовательного отбора, построенного в главе 4, к множеству il позволяет получить оптимальное множество

0.оп, = Q 'и',,, U Q'1on1 . Элементы множества .0.'!пт

представляют собой "ключевые" районы сбора спутниковой информации.

Дисперсионная матрица ошибок измерений X. ^ , входящая в формулу (2), в случае оптимизации наземной сети представляет собой произведение единичной матрицы на б" и ■( б'а " 15 к). Ь случае оптимизации сооместной системы 2*. £ будет иметь блочную структуру, так как ошибки спутниковых измерений имеют коррелированный характер

а : о

о : о

Здесь 0 - нулевой блок, А = Од I , где 1 - еди ничная матрица, а элементы блока £) равны

где б"Л = 50 м, р - тасстояние (в тысячах км) мевду оЛ >

Для анализа результатов оптимального комплексирования рассматриваются гистограммы распределения спутниковых наблюдений по их информационной значимости в порядке построения Л опт . Это даёт возможность определить зависимость необходимости спутниковых измерений от временного масштаба-(в пределах от года до месяца) и от сезона. Рассматриваются пространственные распределения "ключевых" районов сбора спутниковой информации для различных временных масштабов и сезонов.

Задача оптимального комплексирования наземных и спутниковых систем зондирования атмосферы решается также для случая использования данных только отечественной аэрологической сети. Сравнение результатов обоих способов комплексирования в океанической зоне обнаруживает определённую устойчивость метода.

Результаты работы в достаточной мере согласуются с результатами работы ^ 1 ^ , где оптимизация спутниковых измерений при учёте аэрологической сети проводилась с использованием базисов ЬОя зарубежных авторов.

и заключении формулируются основные результаты проведённой работы и намечаются направления дальнейших исследований.

Разработаны следующие методы анализа данных и решения оптимизационных задач:

1. Метод изучения пространственно-временной структуры поля геопотенциала в северном полупарии с помощью сезонных и, 1редложен-ных в работе, масштабированных по времени 50».

2. ;1ри помощи пространственно-временных и сезонных ЭОа разработана информационно-статистическая модель системы наблюдений за колебаниями поля временной периодичности от года до месяца и за естественными флуктуациями поля Н^д в зимний и летний сезон. Использование ЭО«г и интерполяция значений ЭОФ позволяют не применять гипотезу об изотропности поля как это делается в случав применения оптимальной интерполяции.

3. На основе информационно-статистической модели (см. 2) разработан метод построения оптимальной (с минимальным числом пунктов) прсстранств^ччоР. схемы наблюдений с заданным уровнем информатив-

ъ

ности (для целей ¿). Вопрос о выборе расположения пунктов наблюдения в разработанном методе решается на объективной основе непосредственными вычислениями.

4. Разработан метод оптимального.комплексироввния систем наблюдений (с различным уровнем и различной пространственно-статистической структурой ошибок измерений для целей '¿),

Получено решение следующих практических задач:

1. Определены "ключевые" районы сбора спутниковой информации в акватории океанов и арктической зоне (при использовании данных аэрологической сети северного полушария) для целей климатического мониторинга. При этом установлено, что спутниковые измерения над акваторией океанов наиболее необходимы для слежения за атмосферными процессами временного масштаба 3-4 месяца, а колебания периодичности один месяц могут быть восстановлены с достаточной точностью по данным аэрологической сети. Установлено, что в зимний период информационная значимость данных спутникового зондирования над акваторией океанов выше, чем в летний период.

2. Определены "ключевые" районы сбора спутниковой информации над материковой зоной (при использовании данных только отечественной аэрологической сети) для целей климатического мониторинга.

3. Установлена зависимость расположения районов сбора' спутниковой информации от временного масштаба флуктуации поля атмосферного давления (от года до месяца). Для слежения за процессами временного масштаба один год-полгода наиболее .важными (по количеству "ключевых" районов) являются данные по Тихому океану, а при отсутствии данных зарубежной аэрологической сети - по Северо-Америка-нскому континенту. При переходе к временному масштабу 2 месяца-40 дней возрастает информационная значимость спутниковых измерений

в арктической зоне, а при отсутствии данных зарубежной аэрологической сети - над Северной г.вропой. Спутниковые измерения над Атлантикой наиболее важны для слежения за отмосферными процессами временного масштаба 3-4 месяца.

4. Установлена зависимосгь расположения районов сбора спутниковой информации от сезонного фактора. Число районов сбора спутниковой информации в Атлантике при переходе от лета к зиме возрастает 1:3, а в арктической зоне сокращается вдвое. Расположение "ключевых" зон сбора спутниковой информации над акваторией Тихого океана в меньшей степени зависит от сезонного фактора.

о. При решении перечисленных выше задач, связанных с комплексиро-ванием систем дистанционного спутникового зондирования атмосферы и аэрологической сети, учитывался коррелированный характер и бо-

лее высокий уровень ошибок спутниковых измерений, что позволило достаточно адекватно оценить информационный вклад спутниковых данных в восстановление измеряемого поля Н^дд.

6. Численные оксперименты по информативному упорядочиванию отечественной аэрологической сети обнаружили возможности экономии ресурсов аэрологического зондирования для климатического мониторинга. Например, для наблюдения за атмосферными процессами врок;.'иного масштаба от года до месяца с обеспеченностью ц, * 90-9э,' требуется от ¿5 до 50$ данных отечественной аэрологической сети.

7. Применение ЗОя и интерполяции значений Э0*> не только позволило осуществить более объективный подход в определении оптимального расположения пунктов наблюдения (т. е. без гипотезы изотропности поля, как в случае применения оптимально» интерполяции), но и значительно расширить круг задач, решаем),!Х статистическими методами. Так, наряду с задачей оптимального сокращения сети, интерполяция значений Э0£ позволяет объективно решать задачу оптимального расширения сети или задачу оптимального перемещения существующих пунктов наблюдения, что имеет большое практическое значение.

Самостоятельный научный интерес несомненно представляют результаты изучения поля Н.>дд методом пространственно-временных и сезонных

I. Проведённые расчёты позволили выделить ряд важнейших внутриго-довых частот колебаний поля Н^дд в северном полушарии (4 и 2 месяца, 40 дней, месяц), для которых характерна большая крупномасш-табность процессов по сравнению с другими значениями внууригодо-вых частот.

'¿. Установлены связи между указанными выше временными частотами и пространственными аномалиями поля в северном полушарии.

3. Применение пространственно-временных ЭОя даёт возможность выявить временные масштабы специфических метеорологических процессов, таких, как блоки и центры действия атмосферы.

4. Аппарат пространственно-временных ЭОг позволяет построить эм-пирико-гтохастическую модель а качестве альтернативы к системе собственных функций оператора гидродинамической модели атмосферы.

Отметим направления дальнейших исследований:

- Привлечение спутниковой информации к задачам мониторинга климата.

- Разработка метода объективного анализа при совместном использовании аэрологической и спутниковой информации.

- Исследование зависимости пространственно-временных .ЭО^л от ве-

го

личины базы спектрального преобразования.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на конференциях и семинарах ГГО и на У1 совещании по применению статистических методов в метеорологии (г. Светлогорск, май 1990 г.).

Основные результаты работы опубликованы в следующих статьях: Анализ пространственно-временной структуры поля Hçqq в Северном полушарии. - Метеорология и гидрология, 1990, № 9 (соавтор Покровский О.М.). ■ ' Применение метода пространственно-временных 300 для изучения по- ; ля геопст^нциала в Северном полупарии. - Метеорология и гидроло- . гия, 1992, $-3 (соавтор Покровский О.М.).

û методе комплексирования наземной и спутниковой метеорологической информации. - Исследование Земли из космоса, 1992, № 6 (соавтор Покровский О.М.).

Цитируемая литература:

1. Белявский А.И., Покровский О.М. Оптимизация системы наблюдений поля атмосферного давления в Северном полушарии. - Исследование Земли из космоса, I9d4, S 3.

2. Гандин Л.С. О планировании сети климатологических станций. -Труды ГГО, зып. 226, i960, с. 5-29.

3. Денисов С.Г., Покровский Ü.M. Анализ информативности системы, дистанционной индикации поля геопотенциала. - Известия АН СССР • Физика атмосферы и океана, 1980, т. 16, 6.

4. .Математическая теория планирования эксперимента /Под ред. Ермакова С.M. - ai.: Наука, 1933.

5. Покровский О.М. Оптимизация метеорологического зондирования атмосферы со спутников. - Л.» Гидрометеоиздат, 1934, 267 с.

6. Покровский О.М. О рационализации системы отбора климатической информации в Северном полуиарии о поле геопотенциала. - Труды ГГО, 1987, вып. 507, с. 161-176.

7. Покровский О.М. Методы теории "сопряжённых уравнений" для планирования систем обычных и спутниковых метеорологических наблюдений. - Исследование Земли из космоса, > 3, 1985, с. I07-EI6, 3. Успенский А.Б., Досов В.Н. Об оптимальном составе радиометрических измерений в ИгС области спектра для целей дистанционного температурного зондирования атмосферы. - Труды ГосНИЦИПР, вып.

1962, с. 16-30.

Ртп.ГГ0.04.10.92. Заг.615.Т.МО.Бесплатно