Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Применение метода группового учета аргументов для решения задач восстановления, прогноза и объективного анализа полей температуры и ветра

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Применение метода группового учета аргументов для решения задач восстановления, прогноза и объективного анализа полей температуры и ветра"

Сибирское отделение АКАДЕМИИ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ

ч .л п ,—, на правах рукописи

Креминский Андрей Владимирович

Применение метода группового учета аргументов для решения задач восстановления, прогноза и

объективного анализа полей температуры и ветра

Специальность 11.00.09. - метеорология, климатология и агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 1997

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Доктор географических наук Комаров Валерий Сергеевич

Доктор физико-математических наук, профессор, Матвеев Л.Т. Кандидат технических наук, Козлов В.Н.

Ведущая организация: ВИКА им. А.Ф. Можайского

Защита состоится 17 апреля 1997 года в 1500 на заседании специализированного совета К.063.19.01. Российского государственного гидрометеорологического института.

Адрес 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр. 98

Отзывы и замечания в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98, РГГМИ, спецсовет К.063.19.01. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГМИ

Автореферат разослан 15 марта 1997 г. Ученый секретарь специализированного совета,

Еникеева В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Для эффективного решения многих прикладных задач народно-хозяйственного и оборонного характера и, в частности, задач атмосферно-экологического мониторинга, дистанционного зондирования окружающей среды, метеорологического обеспечения расчетного режима полета ракет вдоль заданной траектории и т.п., требуется широкое использование различных видов информации (фактических наблюдений, климатических и прогностических данных) о физическом состоянии атмосферы. Одним из важнейших видов подобной информации являются данные численного прогнозирования полей метеорологических величин по высоте, го пространству и по времени.

В настоящее время такое прогнозирование осуществляется на основе двух базисных методов: гидродинамического и физико-статистического. Первый из них позволяет описать физические законы математическими выражениями, с помощью которых можно выявить все частные случаи поведения метеорологических величин. Другой метод (физико-статистический) уже не предполагает однозначной зависимости между начальными условиями и дальнейшим развитием атмосферного процесса, т.е. предикторы и предиктанты рассматриваются как случайные величины.

Однако на практике решение задач численной оценки распределений метеорологических величин на основе гидродинамических моделей не представляется возможным по ряду причин:

-гидродинамические модели достаточно громоздки из-за необходимости параметризовать процессы взаимодействия различных атмосферных слоев, имеют существенное ограничение по разрешению и пределу предсказуемости и требуют для своей реализации данных высотных наблюдений за состоянием атмосферы на площади более 1000 км2;

-гидродинамические методы не позволяют с необходимой точностью учесть атмосферные процессы подсеточного масштаба (не говоря уже о мезометеорологических процессах);

-достаточно велик вклад ошибок исходных данных в погрешность гидродинамических схем прогноза.

Кроме того, существует ряд прикладных задач военной геофизики,

решаемых в условиях нарушения международного обмена гидрометеорологической информацией, для реализации которых гидродинамические методы полностью не пригодны.

Для физико-статистических методов эти недостатки не характерны, и поэтому численную оценку параметров атмосферы целесообразно проводить на основе физико-статистических методов, для которых математические модели определяются только по данным экспериментальных наблюдений, взятых для заданного физико-географического региона.

Но и физико-статистические методы требуют для своей реализации обязательной предварительной переработки огромных объемов информации, что на практике (особенно в условиях нарушения информационного обмена) трудновыполнимо.

Таким образом актуальность работы определяется: -практической потребностью различных отраслей народного хозяйства и обороны страны в специальном метеорологическом обеспечении;

-необходимостью разработки статистических методов восстановления и предвычисления пространственно-временной структуры полей метеорологических величин, которые были бы ориентированны на минимум исходной информации и на получение приемлемых для практики результатов;

-отсутствием оптимальных статистических схем прогноза, используемых для восстановления и предвычисления мезометеорологических полей в условиях редкой сети аэрологических станций, а также при ограничении объема получаемой метеорологической информации.

Цель работы заключалась в том, чтобы разработать новые физико-статистические подходы к анализу, восстановлению и прогнозу пространственно-временной структуры мезометеорологических полей и показать их преимущества перед традиционными методами, особенно при решении задач атмосферно-экологического мониторинга, а также при создании современной системы геофизического обеспечения войск (и, в первую очередь, ракетных войск и артиллерии (РВиА)) на поле боя. Научная новизна диссертационной работы состоит: 1. в использовании оригинальной модифицированной версии МГУА -физико-статистического метода обработки данных - в задачах численного

восстановления характеристик атмосферы (в частности, температуры и ветра), проводимого по данным радиозондирования и измерений ветрового ли-дара;

2. в разработке комплексной методологии решения задачи сверхкраткосрочного (на срок не более 6 ч.) прогноза характеристик ветра применительно к данным измерений ветрового лидара;

3. в создании специального комплексного алгоритма пространственной экстраполяции трехмерной структуры мезометеорологических полей применительно к задачам обеспечения расчетного режима полета снарядов и ракет вдоль заданных траекторий, а также оценки и прогноза распространения атмосферных примесей вдоль направления воздушного потока;

4. в разработке методологии и комплексного алгоритма объективного трехмерного анализа мезометеорологических полей, осуществляемого в условиях минимума исходной информации и с учетом требований оперативного измерения системы вертикальных координат, размеров, ориентации и шага регулярной сетки точек;

5. в разработке методологии решения задачи о рациональном размещении аэрологических станций (для объективного анализа мезометеорологических полей) и мобильных радиометеорологических станций (для пространственного прогноза тех же полей на неосвещенную данными наблюдений территорию);

6. в разработке принципов построения и конфигурации автоматизированного рабочего места геофизика, предназначенного для метеорологической поддержки ракетных войск и артиллерии.

Научная и практическая ценность работы вытекает из ее направленности на разработку новых методов описания мезометеорологических процессов, а также на построение специализированных алгоритмов восстановления и прогноза мезометеорологических полей, создаваемых применительно к локальному мониторингу атмосферных загрязнений и к геофизическому обеспечению РВиА на поле боя.

Основные результаты работы, связанные с методологией оптимального восстановления средней температуры и среднего ветра, объективного трехмерного анализа мезометеорологических полей в полосе фронта,

а также пространственного и временного прогноза полей температуры и ветра вдоль заданных траекторий полета снарядов и ракет или на неосвещенную данными наблюдений территорию, представлены в научно-технических отчетах по теме "МЕМИТАТОР—РВО" за 1993—1996 гг. и переданы для внедрения в в/ч 64176-Р и в в/ч 42261.

На защиту выносятся:

— методика, алгоритмы и результаты точностной оценки оперативного восстановления метеорологических характеристик атмосферы, проводимого на основе алгоритмов ММГУА;

— методика, алгоритмы и результаты оценки качества восстановления температурной стратификации и составляющих вектора ветра в пограничном слое атмосферы, осуществляемого с помощью ММГУА по данным трехтрассового корреляционного ветрового лидара;

— комплексный методический подход к сверхкраткосрочному (на срок менее 6 ч) статистическому прогнозу профилей ветра в пограничном слое атмосферы и результаты его апробации поданным измерений ветрового лидара;

— методология, алгоритмы и результаты точностной оценки пространственной экстраполяции (прогноза) трехмерной структуры полей метеорологических величин вдоль заданных направлений переноса атмосферных загрязнений или вдоль траекторий полета снарядов и ракет, а также экстраполяции этих полей на неосвещенную данными наблюдений территорию, которая проводится на основе комплекса альтернативных методов;

— методические основы, принципы построения и результаты точностной оценки комплексного объективного трехмерного анализа мезомете-орологических полей, проводимого в условиях автономности и минимума исходной информации на основе оптимального комплексирования альтернативных методов интерполяции;

— основные принципы и уточненная методология рационального размещения сети радиометеорологических станций (с точки зрения требований пространственного прогноза и объективного трехмерного анализа мезометеорологических полей);

— принципы построения и конфигурация автоматизированного рабочего места геофизика, предназначенного для метеорологической под-

держки ракетных войск и артиллерии в условиях боевых действий.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались в Институте оптики атмосферы (в Отделении оптического зондирования атмосферы). Отдельные разделы и положения работы докладывались на научно-технической конференции ВИККА им. А.Ф. Можайского "Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды (15—16 декабря 1992 г), на 12 Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (1993 г), на 1,2,3 Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" в 1994-1996 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 совместных с соавторами статей и расширенных тезисов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц, включая 12 рисунков и 23 таблицы. Список литературы содержит 99 наименований из них 15 на английском языке.

СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

Во введении обосновываются актуальность и практическая значимость работы, формулируются основные задачи исследования и обсуждаются пути их решения.

В главе 1 представлены методические основы, математическая модель и алгоритмы выбора оптимальной прогностической модели модифицированной версии МГУА, разработанной совместно со специалистами Института кибернетики им. В.М. Глушкова (Киев). При выборе метода учитывались требования и специфика решаемой задачи и, в первую очередь, точность получаемых результатов.

Рассматриваемый метод относится к нетрадиционным методам самоорганизации прогностических моделей, поскольку на практике обычно используются другие (классические) методы (например, метод наименьших квадратов (МНК), метод множественной экстраполяции (ММЭ) , метод оптимального восстановления (MOB) и т.п.).

Основная идея ММГУА состоит в том, что в заданном классе функций на основе выборки экспериментальных данных автоматически генериру-

ется некоторое множество прогностических моделей различной структуры, из которого выбирается одна или несколько лучших моделей, в смысле некоторого критерия качества CR на множестве моделей F:

f= arg min^CR (/), (1)

а затем с помощью выбранной модели реализуется процедура самого восстановления (или прогноза).

В нашем случае в качестве исходных экспериментальных данных использованы пространственно-временные наблюдения:

{ Л*; Г =1,2,

{Y/J|th=o,^,...,h<;h*;t = N+^}. (2)

Здесь Л - высота и / - время наблюдения), а в качестве базисных функций взяты смешанные разностные динамико-стохастические модели вида:

/V* Л - /

1 = 2 АЬ,х Ы+Рг + 2 Ву дг+ / + СЛ ДГ+ ; # т = 1 } — О

(3)

где Ы* - порядок запаздывания по времени (И* <[ N - Ь - 1 ] / 2); А^ А^ н и Вд ..., В^ь . 1 — неизвестные параметры моделей; еЛ, /V + 7 — невязка модели.

Решение задачи восстановления по ММГУА заключается в предвы-числении по наблюдениям (2) и уравнению (3) значений метеорологической величины У^ на высотах Л =Л + 1, /? +2,..., Л* при 1 = /V + 7, и при условии минимума заданного критерия С/?.

Преимуществами ММГУА, по своей сущности близкого к классическому регрессионному анализу, являются:

— достаточная простота метода, который не требует (в отличие от регрессионных подходов) большого объема исходных данных и значительных затрат машинного времени;

— исключение из алгоритма метода наименьших квадратов, применяемого в обычных регрессионных схемах для определения коэффициентов регрессии и сглаживающего экстремальные значения;

— многокритериальное^ выбора наилучшей модели оптимальной сложности (классическая регрессия базируется на применении одного критерия регуляризации);

— отсутствие необходимости в предварительном статистическом усреднении многолетних рядов эмпирических наблюдений;

— возможность (на основе взятой априорной информации) синтезировать прогностическую модель в условиях частичной или полной неопределенности наших знаний о структуре моделируемого процесса и свойствах шумов в используемых данных;

— метод позволяет одновременно восстановить не только величины на заданном уровне, но и многомерные векторы (вертикальные профили) взятой метеорологической величины.

Следует подчеркнуть, что применение алгоритмов ММГУА в решении задачи восстановления (прогноза) вертикальной структуры метеорологических величин требует:

— задания вида и объема выборки экспериментальных данных;

— задания класса базисных функций (операторов), из которых формируется множество прогностических моделей;

— выбора метода оценивания параметров генерируемых моделей и метода поиска минимума критериев качества.

В этой главе также рассматривается применение ММГУА к решению ряда прикладных задач, связанных с восстановлением характеристик атмосферы, таких как:

1.Восстановление температурной стратификации и составляющих вектора среднего (по слоям) ветра.

Предвычисление (восстановление) усредненных по слоям высотных профилей температуры и ветра проводилось на примере трех типичных аэрологических станций (Кефлавик (63°57' с. ш., 22°37' з. д.), Рим (41°48' с. ш., 12°38' в. д.) и Майами (25°49' с. ш., 80°17' з. д.), представляющих различные физико-географические регионы северного полушария.

Результаты численных экспериментов показали, что использование алгоритмов ММГУА в процедуре восстановления температуры и ветра, осуществляемого по данным наземного уровня или измерений в пограничном слое дает достаточно хорошие результаты. Статистическая оценка

этого восстановления, проведенная с помощью относительной погрешности © (© = 5/ст в процентах, где 6 — абсолютная стандартная ошибка восстановления, а а — среднее квадратическое отклонение, характеризующее естественную изменчивость метеорологической величины), показали, что высота надежного восстановления в этом случае достигает 6-8 км, а относительная ошибка нигде не превышает критического значения (0=66%).

Таким образом, применение алгоритмов ММГУА в задаче восстановления средней температуры и среднего ветра, является достаточно эффективным и может быть с успехом использовано при создании различных автоматизированных систем, например, системы атмосферно-экологичес-кого мониторинга ограниченных территорий или системы геофизического обеспечения работы ракетных и артиллерийских комплексов.

2. Восстановление составляющих вектора ветра в пограничном слое по данным ветрового лидара.

Изучение поля ветра по данным ветрового лидарного зондирования получило в последнее время всё большее распространение в метеорологической практике что открывает новые и более широкие возможности для детального исследования особенностей атмосферной циркуляции в планетарном пограничном слое (т.е. до высоты 1—2 км, где, как известно осуществляется пространственный перенос основной части загрязняющих веществ). Это связано с тем, что в отличие от данных радиозондовых наблюдений за ветром, обладающих в пограничном слое недостаточной надёжностью (из-за больших скоростей подъёма радиозондов порядка 150—300 м/с) и малым разрешением по высоте и по времени ( радиозондирование осуществляется не более 4 раз в сутки), результаты ветрового лидарного зондирования здесь имеют необходимую для практики точность и особенно высокое пространственно-временное разрешение (об этом можно судить из табл. 1, где приводятся основные технические характеристики современных лидарных систем, используемых для оценки температуры и ветра в нижней тропосфере, заимствованные из работы М. Мак-Кормика. Однако известно, что

Таблица 1

Некоторые характеристики лидарных систем, используемых для оценки вертикальных профилей температуры и ветра.

Наблюдаемые величины Разрешение данных Точность измерения

по высоте по времени

температура Ветер: - скорость - направление 5-30 м 10 сек—20 мин 30-300 м 10 сек—20 мин 30-300 м 10 сек—20 мин 0,5-2 °С 0,5-1,5 м/с 5-15°

работоспособность ветрового лидара падает при появлении облачности, особенно кучевой. Имея же информацию на высотах до нижней границы облачности в срок восстановления и результаты лидарного зондирования или данные радиозондирования ближайшей станции, взятые за предыдущие сроки наблюдения, мы можем достаточно надёжно восстановить значения зонального и меридионального ветра на вышележащих уровнях. Подобное восстановление вертикальных профилей скоростей зонального и меридионального ветра и было проведено по данным ветровых измерений трехтрассового корреляционного лидара ИОА СО РАН.

Качественный анализ результатов восстановления вертикального распределения ветра в пограничном слое атмосферы, осуществленного с помощью ММГУА и данных ветровых измерений трехтрассового корреляционного лидара ИОА СО РАН (эти измерения проводились в районе г. Томска с 10 июня по 12 августа 1994 г., их общее число - 90), является достаточно эффективным, причем для восстановления с дискретностью 4 ч. высокие значения вероятности ( Р > 0.60) ошибок менее ±1 м/с характерны для всего исследуемого слоя 140-1140 м. С увеличением дискретности качество восстановления несколько ухудшается, и при дискретности 12 ч. высокие значения вероятности ( Р > 0.60) для ошибок менее ±1 м/с наблюдаются только в слое 140—740 м, причем как для зонального, так и для меридионального ветра.

Во второй главе представлен один из возможных подходов к реше-

нию задачи краткосрочного прогнозирования зональной и меридиональной циркуляции в пограничном слое атмосферы в интересах климато-экологического мониторинга ограниченных территорий. В настоящей работе на базе тех же ветровых лидарных измерений была апробирована методология краткосрочного прогноза зональной и меридиональной циркуляции в пограничном слое атмосферы, основанная на комплексировании ММГУА и метода оптимальной линейной экстраполяции случайного процесса.

Анализ результатов численных экспериментов показывает, что статистический сверхкраткосрочный (с упреждением т= 4 ч.) прогноз составляющих среднего ветра в пограничном слое атмосферы, проведенный на основе комплекса альтернативных методов (метода оптимальной экстраполяции и ММГУА) и данных ветрового лидарного зондирования, является достаточно успешным. Действительно, для указанного периода упреждения точность комплексного прогноза параметров hQ.fi и < вполне удовлетворительная, поскольку для этого прогноза ве-

роятность Я ошибок менее ±1 м/с достаточна велика (особенно для меридиональной составляющей) и варьируете пределах 0.46-0.84 (у зональной составляющей) и 0.60-0.84 (у меридиональной составляющей).

В пользу предложенного комплексного алгоритма указывает и то, что стандартная погрешность Е для всех взятых слоев Л -Ьд заметно меньше величины среднего квадратического отклонения ст и, следовательно, в данном случае соблюдается условие £*<о*( т.е. квадрат ошибок прогноза меньше дисперсии рассматриваемого параметра), при котором, как известно, целесообразно применять не инерционный, а статистический прогноз.

При использовании данных ветровых измерений, производимых доп-леровским лидаром, точность которого значительно выше, чем у корреляционного лидара, качество прогноза, осуществляемого по комплексному алгоритму, должно улучшиться.

В третьей главе главное внимание уделено рассмотрению методологии, алгоритмам и результатам пространственного прогноза высотной структуры мезометеорологических полей, осуществляемого на территорию, где отсутствуют данные экспериментальных измерений. Поскольку в данном

случае речь идет не о задаче пространственной интерполяции, свойственной методу объективного анализа, а о задаче экстраполяции высотных профилей метеорологических величин, то, естественно, требуется несколько иной методический подход к ее решению. Понятно, что решение такой задачи необходимо в первую очередь для оперативного геофизического обеспечения войск на поле боя, и в частности, стрельбы артиллерии и выдерживания расчетного режима полета ракет вдоль заданной траектории, а также для оценки и локального прогноза распространения атмосферных загрязнений вдоль ведущего воздушного потока.

Использованный в работе алгоритм пространственного прогноза высотной структуры мезометеорологических полей базируется на оптимальном комплексировании двух альтернативных методов: классического (метода оптимальной экстраполяции) и нетрадиционного (ММГУА).

Анализ результатов численных экспериментов проводился по данным специальных радиозондовых наблюдений шести аэрологических станций, представляющих типичный мезометеорологический полигон с площадью 300x300 км2, который расположен на территории западных областей Украины и Белоруссии. Такой анализ позволил сделать вывод о том, что подобный комплексный подход к решению задачи пространственной экстраполяции вертикальной структуры метеорологических полей, является достаточно эффективным, поскольку при его использовании, во-первых, можно существенно улучшить (по сравнению с методом оптимальной экстраполяции) качество пространственного прогноза взятых метеорологических параметров; во-вторых, значительно повысить (по сравнению с тем же методом) потолок надежного восстановления средней температуры и составляющих вектора среднего ветра. В частности, это следует из того, что высокие значения вероятности (Р > 0.60) ошибок восстановления менее ±2°С и <11 , <Ч>0-Ь менее

±2 м/с характерны не только для самого нижнего слоя (это наблюдается при использовании метода оптимальной экстраполяции), но и для всего взятого слоя тропосферы (т.е. до высоты 8 км).

В четвертой главе рассматриваются методические основы, алгоритмы и результаты численной оценки объективного анализа трехмерной структуры мезометеорологических полей.

Объективный анализ является непременным этапом обработки метеорологической информации и обычно предшествует решению многих задач военной геофизики, гидрометеорологии и экологии, например, таких как:

— локальный численный прогноз погоды во фронтовой зоне на основе уравнений мезометеорологии, который требует наличия прогностической модели с шагом от 5 до 50 км ;

— оценивание специализированных метеорологических характеристик (например, осредненной по площади температуры, её горизонтальных градиентов, аналогичных градиентов составляющих скорости ветра и т.п.), рассчитываемых обычно по данным объективного анализа и используемых для решения различных прикладных задач;

— диагноз и прогноз пространственного распределения техногенных загрязняющих веществ в воздушных бассейнах ограниченных территорий (например, большого города или промышленной зоны).

Здесь следует обратить внимание на одно важное обстоятельство. В отличие от анализа макрометеорологических полей, получившего широкое применение на практике, подобный анализ мезометеорологических полей (особенно их трехмерной структуры) еще не нашел своего должного развития, поскольку он сталкивается с двумя трудностями. Одна из них связана с неравномерностью и достаточно малой плотностью существующей сети аэрологических станций, для которой даже наименьшее расстояние между ближайшими станциями составляет около 300—400 км, а это явно не удовлетворяет требованиям объективного анализа мезометеорологических полей. А вторая из этих трудностей обусловлена определенными недостатками применяемых в объективном анализе методов пространственной интерполяции, поскольку, например, метод полиномиальной аппроксимации характеризуется произвольным выбором алгебраических полиномов, осуществляемым без всякого учета физических свойств анализируемых метеорологических полей, а метод оптимальной интерполяции требует для своей реализации предварительного обобщения больших объёмов исходной информации и расчета необходимых статистических характеристик ( и, в частности, коэффициентов пространственной корреляции). К тому же эти методы не учитывают вертикальных корреляционных

связей и осуществляют только двухмерный ( по уровням) объективный анализ.

Учитывая всё вышесказанное и необходимость существенного улучшения (с точки зрения запросов практики, особенно военной геофизики) качества объективного анализа трехмерной структуры мезометеорологи-ческих полей, в данной работе предлагается оригинальный подход к решению поставленной задачи, который базируется на процедуре оптимального комплексирования двух альтернативных методов (метода оптимальной интерполяции и модифицированной версии ММГУА).

Для оценки качества объективного трехмерного анализа мезометео-рологических полей, осуществленного с помощью такого комплексного алгоритма, были использованы данные того же мезометеорологического полигона, что и для пространственной экстраполяции.

Анализ результатов качественной оценки выбранной методики на примере полей температуры и ветра показывает, что:

— комплексный алгоритм объективного анализа поля ветра, существенно улучшает (по сравнению с одной оптимальной интерполяцией) качество этого анализа. Действительно, если вероятность (Р) ошибок, например, менее ±2 м/с составляет при комплексном анализе около 0.75-0.90 для зональной и 0.60-0.80 для меридиональной составляющих среднего ветра (причем для всех или большей части рассматриваемых атмосферных слоев), то схожая вероятность тех же ошибок, но для объективного анализа, проведенного только на основе оптимальной интерполяции, - имеет место (независимо от составляющей среднего ветра) лишь для самых нижних слоев, расположенных на высотах менее 0.8-1.2 км.;

— объективный анализ, основанный на процедуре оптимального комплексирования двух альтернативных методов экстраполяции (метода оптимальной экстраполяции и ММГУА), дает, в отличие от анализа методом оптимальной экстраполяции, существенно лучшие результаты, причем для всех рассматриваемых мезометеорологических полей, т.е. полей температуры, зонального и меридионального ветра. При этом приемлемое для практики качество объективного анализа (при вероятности ошибок менее ±2°С (±2 м/с) более 0.60) отмечается для значительной толщи тропосферы (для средней температуры до высоты 4 км, а для составляющих среднего ветра до уровня 6-8 км).

Поскольку качество объективного анализа мезометеорологических полей во многом зависит от рационального размещения опорных станций, то в работе сделана попытка решения подобной задачи. С этой целью были использован метод O.A. Дроздова и A.A. Шепелевского. Он основан на оценке средней квадратической ошибки линейной интерполяции метеорологической величины в точке отрезка, соединяющего две соседние станции. Здесь следует сказать, что выбор допустимых расстояний между отдельными станциями и в целом для всего мезометеорологичес-кого полигона проводился при соблюдении достаточно жестких требований, поскольку для оптимального выбора допустимых расстояний между станциями нами были использованы данные не тропосферных уровней, а приземного слоя, поскольку вблизи земной поверхности все метеорологические величины имеют наибольшую пространственную изменчивость.

Анализ численных экспериментов показывает, что: максимально допустимые расстояния 1т для станций взятого мезометеорологического полигона составляет для температуры 120 км, а для составляющих скорости ветра около 60 км.

Из этого следует, что при размещении радиометеорологических станций, данные которых используются при объективном анализе мезометеорологических полей, необходимо, чтобы наибольшее расстояние между соседними станциями не превышало 60 км.

В пятой главе рассматриваются принципы построения и конфигурация автоматизированного рабочего места геофизика, предназначенного для метеорологической поддержки ракетных войск и артиллерии. АРМ-геофизика содержит следующие подсистемы: -подсистему информационных баз, состоящую из базы региональных климатических моделей атмосферы и базы оперативной и режимной аэрологической информации;

-подсистему обработки входной информации; -подсистему восстановления высотных профилей метеорологических величин;

-подсистему сверхкраткосрочного прогноза высотных профилей метеорологических величин;

-подсистему пространственного прогноза (экстраполяции) высотной

структуры мезометеорологических полей вдоль заданной трассы;

-подсистему объективного анализа трехмерной структуры мезометеорологических полей.

В заключение формулируются основные результаты проведенного исследования:

1. Разработана оригинальная методология выбора оптимальной прогностической модели и процедуры прогнозирования, основанная на использовании модифицированной версии ММГУА.

2. Проведены численные эксперименты по оценке качества и эффективности этой методологии:

- при восстановлении температурной стратификации и составляющих вектора среднего (по слоям) ветра;

- при восстановлении составляющих скорости ветра в пограничном слое по данным измерений ветрового лидара.

На основе проведенных численных экспериментов был сделан вывод о том, что для решения указанных задач целесообразно использовать достаточно эффективные алгоритмы ММГУА.

3. Разработана комплексная методология решения задачи сверхкраткосрочного (на срок менее 6 ч.) прогноза характеристик ветра применительно к данным измерений ветрового лидара. Численные эксперименты показали, что качество статистического прогноза, основанного на комп-лексировании двух альтернативных методов (оптимальной экстраполяции случайного процесса и ММГУА) достаточно хорошее. Еще большего улучшения качества прогноза можно ожидать при использовании данных не корреляционного, а доплеровского лидара.

4. Создан специальный комплексный алгоритм пространственного прогноза (экстраполяции) трехмерной структуры мезометеорологических полей. Как показали результаты численных экспериментов, применение процедуры оптимального комплексирования двух альтернативных методов (оптимальной экстраполяции и ММГУА) в задаче пространственного прогноза мезомасштабных полей температуры и ветра является достаточно перспективным и может быть с успехом использована при решении различных прикладных задач военной геофизики и атмосферной экологии.

5. Разработаны методология и комплексный алгоритм объективного трехмерного анализа мезометеорологических полей, осуществляемого в автономных условиях, при минимуме исходной информации и с учетом требований оперативного изменения системы вертикальных координат, размеров, ориентации и шага регулярной сетки точек. Опыт проведенных численных экспериментов по статистической оценке качества объективного анализа трехмерной структуры мезометеорологических полей, осуществленного на примере полей температуры и ветра, позволяет сделать два важных для практики вывода:

— во-первых, объективный анализ поля средней температуры мезо-метеорологического масштаба для случаев, когда узлы регулярной сетки находятся внутри области интерполяции с радиусом /?, следует проводить с помощью метода оптимальной интерполяции, обеспечивающего вполне приемлемую для практики точность построения этого поля, а объективный анализ составляющих среднего ветра в тех же условиях необходимо осуществлять уже на основе комплексного алгоритма, включающего в себя алгоритмы оптимальной интерполяции и ММГУА, поскольку данный алгоритм обеспечивает существенно лучшую точность, чем метод оптимальной интерполяции;

— во-вторых, для объективного анализа полей средней температуры и среднего ветра в тех случаях, когда узлы регулярной сетки располагаются вне области интерполяции с радиусом /?, всегда следует использовать только комплексный алгоритм, так как он дает достаточно высокую точность пространственного прогноза, которую не может дать метод оптимальной экстраполяции.

6. Разработаны методология решения задачи о рациональном размещении аэрологических (в том числе лидарных) станций (для объективного анализа мезометеорологических полей) и мобильных радиометеорологических станций (для пространственного прогноза тех же полей на неосвещенную данными наблюдений территорию). Основной вывод заключается в том , что при размещении аэрологических и мобильных радиометеорологических станций на некотором мезометеорологичес-ком полигоне (в том числе в полосе фронта) необходимо, чтобы наибольшее расстояние между соседними станциями не превышало 60 км.

7. Разработана примерная конфигурация АРМ-геофизика, предназ-(аченного для метеорологического обеспечения ракетных войск и артил-1ерии в боевых условиях.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать общий 1ывод о том, что все построенные алгоритмы, основанные на модифици-юванной версии метода группового учета аргументов или на его компилировании с классическими методами математической статистики могут 5ыть использованы при создании специализированного программно-алго-)итмического обеспечения автоматизированных рабочих мест военного еофизика, метеоролога и др. или же для какой-либо иной автоматизиро-(анной системы, например системы атмосферно-экологического монито-)инга ограниченных территорий. Кроме того, они могут быть использованы акже для других прикладных задач, где требуется решение проблем восстановления или прогноза мезометеорологических полей.

Основные результаты исследований опубликованы в работах:

1. Некоторые аспекты методического обеспечения восстановления ¡ертикальной структуры профилей температуры и ветра (совместно с З.С. Комаровым и В.И. Акселевичем). Тез. докл. научнотехнической конкуренции ВИККА им. А.Ф. Можайского "Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды. 15—16 декабря 1992 г". - СП.: изд. ЗИККА им. А.Ф. Можайского, 1993, с. 110-111.

2. Модифицированный метод группового учета аргументов как эффективный метод статистического оценивания характеристик свободной атмосферы по данным лидарных измерений на нижележащих уровнях, совместно с B.C. Комаровым и В.И. Акселевичем). Тез. докл. 12 Межрес-1убликанского симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах, Томск, 1993, с. 175—177.

3. Модифицированный метод группового учета аргументов как эффективный метод статистического оценивания характеристик свободной атмосферы в условиях информационной неопределенности (совместно с З.С. Комаровым и В.И. Акселевичем).// Оптика атмосферы и океана. -1994.- Т.7.- N2.- с.231-237.

4. О возможности использования ветрового лидарного зондирова-

ния в задачах климато-экологического мониторинга ограниченных территорий. (совместно с B.C. Комаровым, В.И. Акселевичем и Г.Г. Матвиенко). Оптика атмосферы и океана.- 1994,- Т.7,- N2.-с. 182-189.

5. Опыт применения алгоритмов МГУА в задаче предвычисления характеристик среднего ветра (совместно с B.C. Комаровым и В.И. Акселевичем). Оптика атмосферы и океана,- 1994.- T.7.-N2.-с.238-243.

6. Применение алгоритмов МГУА в задаче статистического прогноза низкочастотных вариаций характеристик атмосферно-оптического канала. (Совместно с Комаровым B.C. Ломакиной Н.Я., Банах И.В.и Синевой К.Я. Тез. докл. 1 Межреспубликанского симпозиума " Оптика атмосферы и океана". Томск, Часть 2, Часть 2, с.94.

7. Комплексный подход к решению задач спутникового ветрового зондирования в условиях облачной атмосферы, (совместно с B.C. Комаровым и Г.Г. Матвиенко) "Оптика атмосферы и океана", т.7, № 11—12, с. 1563-1572.

8. Применение алгоритмов ММГУА для численного восстановления (прогноза) вертикальных профилей температуры в подоблачном слое атмосферы по данным спутниковых измерений. (Совместно с B.C. Комаровым) Оптика атмосферы и океана. 1995. Т.8. № 4. с. 654-659.

9. Оптимальное комплексирование альтернативных методов пространственного прогноза в задачах атмосферно-экологического мониторинга. 4.I. Методология и алгоритмы. (Совместно с B.C. Комаровым) Оптика атмосферы и океана. 1995.-Т.8.- N7.- с.941-957.

10. Оптимальное комплексирование альтернативных методов пространственного прогноза в задачах атмосферно-экологического мониторинга. Ч.И. Результаты численных экспериментов. (Совместно с B.C. Комаровым) Оптика атмосферы и океана. 1995.-Т.8.- N7.- с.958-965.

11. Моделирование и прогноз характеристик ветра по данным ветрового лидарного зондирования. (Совместно с Комаровым B.C., Акселевичем В.И., Ломакиной Н.Я. и Матвиенко Г.Г.) Оптика атмосферы и океана. 1995.-Т.8.- N7,- с. 1039-1047.

12. Региональные климатические модели высотного распределения температуры и ветра для пограничного слоя атмосферы. (Совместно с B.C. Комаровым, В.И. Акселевичем и К.Я. Синевой) Тезисы докладов II

межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана" Часть II. Томск. 1995. с.249.

13. Объективный анализ трехмерной структуры мезометеорологичес-ких полей на основе оптимального комплексирования альтернативных методов пространственной интерполяции, (совместно с B.C. Комаровым) Тезисы докладов II Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана" Часть II. Томск. 1995. с.298-299.

14. Компьютерная информационная база региональных климатических моделей температуры и ветра для пограничного слоя атмосферы.(-Совместно с В.С.Комаровым и Н.Я. Синевой) Тезисы докладов II Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана" Часть II. Томск. 1995. с.300-301.

15. О применимости данных измерений ветрового лидара в исследованиях местного и регионального климатов. (Совместно с Комаровым 8.С., Акселевичем В.И., и Матвиенко Г.Г.) Тезисы докладов II Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана" Часть II. Томск. 1995. с.302-303.

16. К проблеме рационального размещения аэрологических станций для объективного анализа трехмерной структуры мезометеорологи-^ских полей. (Совместно с В.С.Комаровым) Тезисы докладов II Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана" Часть I. Томск. 1995. с.304-305.

17. Региональные климатические модели высотного распределения температуры и ветра для пограничного слоя атмосферы. (Совместно с Комаровым B.C., Акселевичем В.И., и Ломакиной Н.Я.) Оптика атмосферы ч океана. 1995. Т8. N12. с. 1855-1865.

18. О применимости данных измерений ветрового лидара в исследо-заниях местного и регионального климатов. (Совместно с Комаровым З.С., Акселевичем В.И., и Матвиенко Г.Г.) Оптика атмосферы и океана. 1995. Т8. N12. с.1851-1854.

19. Объективный анализ трехмерной структуры мезометеорологи-леских полей на основе оптимального комплексирования альтернативных методов пространственной интерполяции. (Совместно с B.C. Комаровым) Эптика атмосферы и океана. 1996. Т.9. N 4. с.413-423.

20. К проблеме рационального размещения аэрологических станций для объективного анализа трехмерной структуры мезометеорологичёс-ких полей. (Совместно с В.С. Комаровым) Оптика атмосферы и океана. 1996. Т.9. N 4. с.424-429.

21. Компьютерная информационная база региональных климатических моделей температуры и ветра для пограничного слоя атмосферы. (Совместно с В.С. Комаровым и Н.Я. Синевой) Оптика атмосферы и океана. 1996. Т.9. N 4. с.484-488.

22. Об опыте использования данных измерений трехтрассового корреляционного лидара в задаче статистического прогноза составляющих среднего ветра. (Совместно с В.С. Комаровым, Н.Я. Ломакиной и Г,Г. Матвиенко). Оптика атмосферы и океана. 1996. Т.9. N 4. с.541-546.

23. Автоматизированная система объективного анализа мезометео-рологических полей как основа метеорологического обеспечения экологических задач. (Совместно с B.C. Комаровым). Крат. тез. докл. Ill Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1996, с.235.

24. К проблеме оптимального размещения сети лидарных станций для решения задач мезометеорологии и экологического мониторинга ограниченного воздушного бассейна. (Совместно с В.С. Комаровым, В.И. Лобановым и Н.Я. Ломакиной). Крат. тез. докл. Ill Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1996, с.236.