Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование наблюдательных систем, включающих аэростатно-спутниковые комплексы

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование наблюдательных систем, включающих аэростатно-спутниковые комплексы"

PÍO СР.

о л

Государственный Комитет Российской Федерации по высшему образованию

Российский государственный гидрометеорологический институт

На правах рукописи

УДК 551.515.2

РАНДРИАМАМПИАШНА Рожа

Моделирование наблюдательных систем, включающих аэростатно-снутниковые комплексы

Специальность 11.00.09- метеорология, климатология,

агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995г.

Работа гшгалнэнз кз кзфедре метеорологических прогнозов ■ Российского госудзрствэнного гидрометеорологического ннстптутз.

Научнш руководитель ¿-Доктор фнзпкс-ттэматпческих наук, профессор Еорисенков Е.П.

Официальные оппоненты:

-Доктор физпко-мзтеызтических наук, профессор Покровский О.Ы. -Член Совета К.063.19.01 кандидат фисико-математических наук, Кузнецов А.Д.

Ведугде организация: -Военно-Ксияг-юскзя Краснознаменная

Инжененная Академия иы.А.в.Можайского

Защита состоится псяСря 1995 г. е 15ч 20),шн на заседании Специализированного Совета К.062.19.01 Российского

государственного гидрометеорологического института. .

Адрес: 195198, С\2нкт-Яэтгр5ург, Мзлосхтшгокий пр., 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического института. Автореферат разослан ' 31" октября 1995г.

Учений секретарь • дпссерта.",ионного Совета РГГМИ

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования:

Дальнейшее развитие Всемирной Службы Погоды (ВСП) связано с необходимостью дальнейшего улучшения полноты и качества наблюдений над океанами и труднодоступными районами, где развитие традиционных сетей наблюдений, по-видимому, не имеет перспективы.

В этой связи спутниковые и другие, нетрадиционные системы наблюдений (дрейфующие буи, аэростаты, плавающие суда и другие) представляют несомненный интерес. Спутниковые наблюдения и, прежде всего, вертикальное температурное зондирование атмосферы со спутников явилось мощным средством получения аэрологической информации над океаном и труднодоступными районами. Однако привязка вертикальных профилей температуры требует наличия некоторой априорной информации. Такую информацию могут дать малогаборитные аэростаты постоянного давления (типа тэтронов), снабжённые датчиками температуры и осуществляющие сброс информации через спутники. Таким образом возникает новая задача в одновременном усвоении обычной (синхронной) и асинхронной (спутниковая, аэростатная к др.) информации с целью получения необходимых данных со всей поверхности Земного шара, включая океаны и труднодоступные районы. В этой связи целесеобразно промоделировать принципы функционирования нового аэростатно-спутнокового измерительного комплекса (АСИК) в системе ВСП и получить рекомендации по созданию такого комплекса.

Основной целью данной работы явилась попытка промоделировать возможности создания , АСИК И основных принципов его фунционирования.

На основе гидродинамической модели атмосферы ставилась задача провести серию численных экспериментов по усвоению данных синхронных и асинхронных наблюдений, включая наблюдения аэростатно-спутниковых комплексов и дать рекомендации о принципах функционирования таких систем и перспектив их развития.

При этом в диссертации решались следующие конкретные задачи:

-Разработать математическую модель, позволяющую провести модельные расчёты и оценить степень покрытия аэростатами территории Северного полушария и обосновать рекомендации по созданию оптимальной системы запуска аэростатов, обеспечивающей необходимую достаточность покрытия рассматриваемой территории; -Разработать научно-методические основы и алгоритмы пространственно-временной привязки и синхронизации данных аэростатных и спутниковых наблюдений, включая: -Исследование метода вертикальной экстраполяции метеорологических величин;

-Рассмотрение метода динамического усвоения данных; -Разработку методики ассимиляции усвоенных, дискретно к. :эренных данных;

-Проведение статистического анализа по учёту горизонтальной структуры полей метеорологических величин;

-Провести численные эксперименты по . оценке возможности

усвоения данных аэростатных и спутниковых наблюдений; -На базе полу^ферной гидродинамической модели оценить принципиальные возможности и точность четырёхмерного усвоения данных; -Обосновать научно-методические рекомендации по построению аэростатно-спутникового комплекса аэрологических наблюдений в системе ВСП.

Методика исследования

Поскольку проведение натурных экспериментов по созданию аэростатно-спутникового наблюдательного комплекса (АСИК) является дорогостоящей и трудно реализуемой задачей, основным методом исследования выбран метод численного моделирования принципов построения и функционирования АСИК на базе гидродинамической модели.

В изложенной постановка подобная задача в научной литературе не рассматривалась. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

-Разработана методика расчёта траекторий аэростатов при различной системе размещения точек запуска с целью обеспечения хеобходимого покрытия территории; -Теоретически обоснован и разработан алгоритм пространственно-временной интерполяции и синхронизации аэростатных и спутниковых наблюдений; -Разработан алгоритм и произведены численные эксперименты по восстановлению вертикальных профилей температуры и влажности по данным аэростатных и спутниковых измерений; -Разработана методика четырёхмерного усвоения данных аэростатных, спутниковых и обычных аэрологических измерений с помощью полусферной гидродинамической модели;

-Получены рекомендации по научно-методическому обоснованию принципов построения и функционирования аэростатно-спутникового измерительного комплекса в системе АСИК.

Практическая значимость работы

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть в дальнейшем использованы при проектировании новых АСИК и при создании алгоритмов и программ совместного усвоения данных обычных (синхронных) и ассинхронных наблюдений.

Основные положения, выносимые на защиту:

-Методика оценки системы запуска аэростатов постоянного давления, обеспечивающей необходимое покрыте;

-Методика синхронизации и совместного усвоения данных аэростатного и спутникового комплекса;

-Научно-методические рекомендации по принципам построения и функционирования АСИК и принципам усвоения этих данных в системе ВСП.

Апробация работы

Основные результаты работы, изложенные в представленной диссертации докладывались на научных семинарах кафедры метеорологических прогнозов РПШ и метеослужбы в Венгрии.

По результатам работы разработаны совместные предложения учёных России и Венгрии о включении этих работ в план развития ВСП в ВМО.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Она содержит 160 страниц редактированного текста, 10 таблиц и 76 рисунков. Списох цитируемой литературы содержит 155 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОЙ!

Во ввепении обосновывается актуальность темы, освещается современное' состояние проблемы, определяются задачи и цель работы, описывается структура диссертации и метод решения поставленных задач.

В первой главе рассматриваются те условия, в связи с которыми возникаем потребность изпользования аэростатно-спутникового комплекса.

Eïoi. ' глава посвящена изучению аэростатов как средств получения метеорологической информации, включая исследование их траектории и пространственно-временного покрытия изучаемой территории.

В 2.1 изложена кратакая история использования аэростатов в метеорологии. Перечислены основные метеорологические программы аэрост^гных исследований. Реализованные программы носили следующие характеристики:

-Исследование атмосферы над Тихим океаном;

-Вертикальное зондирование атмосферы;

-Изучение циркуляции в тропиках;

-Изучение динамики мусона.

В 2.2 рассмотрена особенность полета аэростатов в атмосфере. Для исследования полета аэростатов проведены два эксперимента:

1.Изучение траектории аэростатов по следующей формуле: Xxt+At = ХуС + • At • UXC Где: = (хха ,yxtt) -координаты аэростата;

= (uxa /Vxa) -скорость ветра; а = t или t+At

= 1.8бб/(1+в1пфХ) t -индекс времени;

% -индекс точки с координатами (х,у) в Декартовой системе координат; -индексы горизонтальной сетки; Шф^ -масштабный множитель.

2.Исследование пространственно-временного покрытия аэростатами наблюдаемой территории.

Результаты расчетов показали, что:

^Необходимое время для полного облёта Земли начиная с широты 20° С.ш. составляет около 20-тк дней;

-Поведение аэростатов при полёте как летом так и зимой в достаточной мере описывает зональность атмосферного движения;

-Следует отметить, что не отмечается сильной тенденци отклонении траектории полёта аэростатов как в более высокие так в более низкие широты;

-Не наблюдался перелёт аэростатов через экватор.

-Пространственное распределение аэростатов в Северном полушарии зависит от точки их запуска.

-Запуская большее количество аэростатов с разных мест Северного полушария, быстрее можно уменьшить частоту их запуска. Период начальных запусков может быть любым, 06ч., 12ч. и т.д., но как только покрытие аэростатами изучаемой территории "удовлетворительно" для нашей конхретной задачи, можно увеличить интервал запусков скажем до 24ч., 36ч. и т.д. Гак, например, расчёты показали, что при запуске 140 аэростатов уже через два дня можно увеличить интервал их запуска, в то время как запустив 40 аэростатов для этого потребовалось бы 3-4 дня, чтобы полуить тот же объём информации как в одном так и в другом случае.

Осуществлён анализ полученных результатов, позволяющих сделать вывод, что количество оптимального числа аэростатов тесно связано с целью их использовании«.

Третья_глава содержит общие характеристики

функционирования аэростатно-спутникового измерительного комплекса. Даётся описание различите методов усвоения данных как прямо, так и косвенно измеренных. Подробно

рассматриваются: вопрос экстраполяции данных по вертикали, задача объективного анализа полей метеорологических величин а так же вопросы динамического согласования и обратной задачи.

В 3.1 проведены обшна характеристики АСИК-а и его функционирования. В результате обобщения материалов по разработке метеорологических аэростатов и их испытаний, разработана структурная схема системы аэростатно-спутникового зондирования атмосферы в оперативной и специальной режимах.

В 3.2 данные наблюдений приведены к стандартным уровням для согласования различных видов наблюдений. Подробно рассмотрен метод экстраполяции данных с использованием моделированных данных горизонтального аэростатного зондирования.

Если считать эти ошибки случайными, то "генератор" (ила датчик) случайных ошибок !;,

-1 ^ Ш) 2 1,

где % -ситуация или явление. Для максимальной ошибки (±,^ -индексы сеток) всегда правильно;

-Ех £ £ Ех Где! -Е^ = ¡а,э(Ех)

-Ех -максимальная возможная ошибка; -х -метеовеличина.

Ошибки измерения считались как сумма двух ошибок: случайной и систематической. Предположим, что можем измерить две величины: -температуру воздуха:

- "Л,.) . (Хт)!,;) +• (ЕтЬ.з + (Ет)в -геопотенциал

- (Хн) 1,3 + (Ен) 1,} + (Ен)8 Где: % -фоновое значение; - ндексы сеток;

Н,Т -индексы, фона температуры или фона

■ геопотенциала; И -моделируемая величина; в -индексы систематической ошибки;

Етв и ЕНз -систематические ошибки температуры и геопотенциала соответственно.

Экстраполяция данных проводилась по А.А. Петрову: ¡+1 j+l

4 « ; т _ т

Н н~

н,мы = н^+-[(-при у*0

ух рк

н ттМ , 1 _ Рк + 1 „_„ „_Л

х.к+1 = Нх,к + -—- 1п -р^- при у-0

Где: И -газовая постоянная для сухого воздуха; д0 -среднее значение ускорения силы тяжести

на уровне моря; Хт -средняя сеточная фоновая величина. _ 1 1+0+1

■уМ

Наконец, вычисляется следующим образом:

Тм _-гм ^ /"глм 14м

Х,к+1 — + 1% 1мх,к+1 — "Х.к

В 3.3 рассматривается метод динамического усвоения данных с применением метода интегрирования модели вперёд и назад.

Пусть у нас имеется модель, уравнение которой можно записать в следующем виде:

а

Где: £ -переменная модели?

^ -правая часть (без необратимых членов) прогностического уравнения. Тогда схема псевдопрогноза состоит в следующем: 1. интегрирование вперёд:

'б

2. интегрирование назад:

г1,*(у) _ ^+1,(4) _ ¡Л+1(\'). 1 1 ц

_ < е

Где: т = t/Дt -индекс времени;

у-номер цикла (итерации) псевдопрогноза; £-константа.

В 3.4 подробно рассматриваются методы согласования данных в двухмерной плоскости. Описана идея статистического метода интерполяции данных, избранный . для анализа полей в экспериментах. И: ложена основная теория статистического метода интерполяции.

N

& : I Р1 (fiz.it-fp.lt

АН

я-'рл)-отклонение анализируемой величины от величины первого приблежения в точке сетки с; Р -М-мерный вектор отклонений измеренных величин от

величин первого приблежения (- ¿р ) в N точках наблюдений;

М -корреляциоьлая матрица ошибок, расчктанная между станциями;

О -матрица корреляции ошибок или мера ошибок наблюдения. Р -Ы-элементный вектор корреляции между точками наблюдений

и точками сетки (куда делается интерполяция). А=Р(М+0)"! И

М(р) = с°е(УР)- корреляционная функция.

В 3.5 подробно рассматривается специфика и метод усвоения

данных дискретных измерений. Рассмотрена спутниковые

наблюдения. Перечислены особенности спутниковых данных.

Изложена математическая методология решения обратных задач

дистанционного зондирования, * включающее математическую

постановку., а также решение обратной задачи. Предложен метод

обработки дистанционно измеренных данных БАТЕМ-а с конкретным

.. о

описанием анализа относительного геопотенциала Нх с целью

получения высот изобарических поверхностей Нх- Осуществлено усвоение удельной влажности по количествам осажденной воды. Усвоение данных БАТЕМ: У -измеренная величина; X -переменное модели;

У=КП(Х) гдеК,, -линейный или нелинейный оператор.

Л

X исправленная величина-Х; если тогИа

X =ХЬ+СК1-[КСК1+Е]"'-[У-УЬ]

С-межуровенная ковариационная матрица фоновой величины;

Е-ошибка измерения;

С=С1-Д

С^межуровенная корреляционная матрица;

Е>-среднее кгадратическое отклонение;

Усвоение удельной влажности по Филиберги М.А. и др.

Ч = ЧЬ+ Ск*[КСК^Е]~' [^з-УУ^^)] а-величина первого приближения; (л ) величина первого приближения количества осажденной воды ^ - ой ----

Я'«

\уг количества осажденной воды из БАТЕМ-а

1 "

,\У(чь) = ~- г ч'ь ; • Д Р ¡; гН ,3(300,500,700гЛа) 81=1

Е=ч%(0.4)г.см"2

ДР1

Для расчёта влажности на остальных уровней использовалась формула: як+1 = Чк ехр[-К(Тк - Тк+1 )-(Рк/Рк+1)]

ю

Усвоение относительное геопотенциала проводилось по следующему алгоритму:

1- ДНдД=-(НШ0-Н1)

2 Т . ВАН) А '111,1=-.

Р)

3. контроль: Д;=АНёд-ДН8>;

Профили для которых Ро<1000 или Нр=9999 или Лр-50 не принимаются во

внимание.

Тш.| = Ттд + С(КГ(КС{Кг" + Е, г' - [АН.Д - Д НВ>Д

л КДТ"-' , Ро

Д Д--]п -

8 Р; Нх = ДМ;+Н10оо,ё

описываются используемая прогностическая модель, обработка ипользованных данных и алгоритмы численных экспериментов.

В 4.1 дано описание использованной прогностической модели. Приведена система уравнений модели, начальные и граничные условия.

В 4.2 описываются использованные данные, полученные от трёх различных организаций (-ГТО, Гидрометцентр, Метеорологическая Служба Венгрии). Осуществлена

предварительная обработка метеорологических полей. Проведена интерполяция данных в полярную стереография "¡скую проекцию; обработка данных ТЕМР-а. Рассмотрен переход от расшатанных сеток и обратно.

В 4.3 при проведении экспериментов применён метод непрерывного усвоения данных (при этом в качестве фоновой модели использовался адиабатический вариант полусферной модели, полученной с кафедры метеорологических прогнозов. Разработан алгоритм непрерывного усвоения асинхронных и синхронных данных.

4

5.

6.

Алгоритм четырехмерного усвоения 00 Q3 J[9_J2___

Y1

Y2

—Г

оо а

Y2

21

Y3

Y2

Ж"

15

прием

Y2

31

-Э

усвоение

t(4) время

i Y3

прием уев/ уев.

-> t(4)

время

- -

А 'уев-4

с

9

Типы экспериментов:

В серии А возможен только один эксперимент.

А-когда модель интегрируется без усвоения данных измерения.

В серии В возможны три эксперимента:

В1-когда усваиваются (без аэростатных данных) то"' данные SATEM-a.

В2-когда мы предпологаем, что аэростатами - проводятся только горизонтальные измерения и усваиваются данные ТШР-а на фоне таких данных с восстановлением профилей.

ВЗ-когда предпологаем, что имеются вертикальные измерения аэростатами и на фоне таких данных усваиваются данные SATEM-a.

В серии С возможны три эксперимента:

С1-когда. предпологаем, что имеет место . горизонтальное зондирование аэростатами и усваиваются все имеющиеся данные как синхронные, так и асинхронные.

С2-то же самое что и С1, но имеем вертикальные измерения аэростатами.

СЗ-когда данные SATIM-a усваиваются с синхронными данными (TEMP) без учёта аэростатных измерений.

Блок У1- обработка и чтение начальных данных.

Создание равномерной сетки С из С1 иС2

Чтение профилей TEMP

3Z

Проверка качества данных

S.

Горизонтальная оптимальная интерполяция для каждого уровня -> Си

Из Си создаются Си1 и Си2

( Y3 )

т

Акцентировано внимание на создание программ объективного анализа, динамического усвоения и ассимиляции усвоенных, дискретно измеренных, данных со спутников. Подробно описан ход экспериментов.

В 4.4 предложен анализ результатов численных экспериментов, проделанных с целью изучения влияния учёта аэростатных данных в усвоении данных со спутников. При сравнении численных экспериментов использовались след"ющие характериститки! средняя относительная, квадратическая относительная, средняя квадратическая относительная, средняя арифметическая и средняя абсолютная ошибки анализа, а так же коэф. корреляций между фактической • изменчивостью и изменчивостью анализа и количество точек, в которых абсолютная ошибка аналйза геопотенциала не превышает 20м. Сделан вывод о том, что использование данных АСИК-а в случае вертикального измерения улучщает качество анализа асинхронных данных, а в случае горизонтального зондирования необходимо было бы провести комплексный контроль качества данных после использования метода экстраполяции по вертикали.

ß

Заключение

Приступая к выполнению данной работы мы преследовали цель наметить возможные пути математического моделирования построения измерительно-информационных систем, включающих все доступные системы измерений, среди которых всё большую роль, наряду с традиционными системами стационарных измерений, преобретают системы асинхронных измерений (спутники, аэростаты, самолёты, буи и др.). В этой смысли эта задача близко примыкает к задаче оптимизации сетей наблюдений с включением спутниковой информации. Это направление работ получило своё развитие в работах ГГО, выполненных под руководством О.М Покровского.

Конкретно ставилась задача оценить возможность моделирования принципов построения современной аэростатно-спутниковой измерительной системы, дополненной необходимой и по возможности не большой сети аэрологических станций.

Однако, в процессе выполнения работы выяснилось,- что решение такой задачи потребовало решать задачу синтеза. по крайней мере четырёх достаточно сложных самостоятельных задач.

Прежде всего это задача разработки алгоритмов и программ для ЭВМ по оценке функционирования аэростатного комплекса, выполняя задачу оптимальной системы• запуска аэростатов с целью оптимального покрытия " территории, в данном случае северного полушария, точками наблюдения, особенно над океаническими акваториями и труднодоступными.районами.

Вторая задача -это задача предварительного объективного анализа и согласования несинхронных и синхронных видов информации.

Третья, так же самостоятельная задача, это задача получения и интерпретации данных косвенного зондирования, получаемых с метеорологических спутников.

И, наконец, четвёртая, и достаточно сложная задача четырёхмерного усвоения и динамического согласования всех видов информации, включая спутниковых и аэростатных данных.

Для выполнения подобной задачи синтеза перечисленных выше задач потребовалось наличие некой информационной базы

различного свойства. Некоторые виды такой информации отсуствуют и их пришлось моделировать.

В результате пришлось несколько конкретизировать задачу и попытаться промоделировать систему аэростатного зондирования атмосферы и проанализировать эффективность системы усвоения этой информации совместно со спутниковой и обычной информацией. В результате выполненной работы получены следующие основные результаты:

1.Создан и реализован на ЭВМ алгоритм функционирования системы запуска аэростатов, позволяющая обеспечить необходимую плотность покрытия полушария, что позволяет получить опорные точки, необходимые для эффективного усвоения спутниковой информации.

2.Разработаны принципы построения имитационного аэростатно-спутникового измерительного комплекса (АСИК).

3.Проведён анализ существующих методов предварительного согласования данных в двухмерной плоскости. Построены алгоритмы и выполнены расчёты оптимальной интерполяции данных.

4.Разработаны и реализованы созданные и усовершенствованные алгоритмы усвоения синхронных и асинхронных данных, включающих спутниковые и аэростатные наблюдения.

5.Выполнены серии • численных экспериментов по четырёхмерному усвоению реальных данных обычных и спутниковых наблюдений совместно с имитационной (модельной) сиаемой аэростатных наблюдений.

6.Показана эффективность применения аэростатного комплекса при учёте что последний может осуществить вертикальное измерение. В случае горизонтального измерения необходимо было бы проводить комплексный контроль качества данных после экстраполяции данных по вертикали. Приведены количественные оценки успешности предложенных ' алгоритмов при различных режимах использования аэростатного комплекса для стандартных изобарических уровней от 1000 до 100 гПа.

7.Получены предварительные рекомендации о путях совершенствования предлогаемых алгоритмов и их применении при математическом моделировании функционирования автоматизированных измерительных комплексов. включающих синхронную и несинхронную информации.

В заключении следует указать, что по нашему мнению дальнейшее планирование развития ВСП, в котором роль

I ь

асинхронной информации будет возростать, предпогаемое направление моделирования таких систем может оказаться наиболее эффективным средством, которое мсжет предотвратить реализацию неоптимальных и дорогостоящих работ пд созданию таких систем.

РАНДРИАМАМПИАНИНА РОЖЕ . АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 25.10.95. Формат 60x84 1/16. Бум.кн.-журп. Печл.1,0. Бумл.0,5. Тираж 100. РТП изд-ва СПбУЭФ. Зак.601.

Издательство Санкт-Петербургского университета экономики и финансов 191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, д.21