Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертационная работа:

Попова Августина Ивановна. Применение адаптивных алгоритмов в численном методе пространственной и временной экстраполяции мезометеорологических полей : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 05.13.18 Сургут, 2006 147 с. РГБ ОД, 61:07-1/292

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Анализ современных методов прогноза метеорологических полей атмосферы 10

11 Общие положения 10

1 2 Методы прогноза метеорологических полей 14

121 Динамические методы прогноза параметров состояния атмосферы, основанные на использовании уравнений гидродинамики 15

1 2 2 Статистические методы пространственной интерполяции и экстраполяции метеорологических полей 18

12.3 Динамико-стохастические методы 25

1 2 4 Синоптический метод восстановления барического поля и положения атмосферных фронтов 33

13. Классификация атмосферных фронтов 35

1 4 Общие подходы к синтезу адаптивных алгоритмов 41

1 5 Выводы .45

Глава 2. Статистический анализ экспериментальных данных 47

2.1 Общий анализ и систематизация экспериментальных данных 47

2 2 Обзор полигонов и измерительных станций 49

2 3 Проверка целостности и достоверности экспериментальных данных 52

2 4 Статистические характеристики метеорологических полей полигонов 55

2 41 Проверка соответствия эмпирических распределений метеорологических величин нормальному закону распределения 55

2 4 2 Временные статистические свойства температуры и составляющих скорости ветра .58

2 4 3 Временные корреляционные функции температуры и ортогональных составляющих скорости ветра и их аналитическая аппроксимация 63

2 4.4 Пространственные корреляционные функции метеорологических величин в области мезомасштаба и их аналитическая аппроксимации 66

2 5 Предварительный выбор малопараметрических моделей .68

Глава 3. Результаты сравнения потенциальной точности алгоритмов пространственного прогноза мезометеорологических полей на основе малопараметрических моделей 73

3 1 Общая методика исследования потенциальной точности алгоритмов 73

3 2 Вывод аналитического выражения для дисперсии ошибок прогноза метеовеличин для динамико-стохастическои модели в замкнутой форме 77

3 3 Вывод аналитического выражения для дисперсии ошибок прогноза метеовеличин для полиномиальной модели в замкнутой форме 81

3 4 Аналитический анализ ошибок для алгоритма с полиномиальной моделью прогноза 85

3 5 Аналитический анализ ошибок для алгоритма с динамико-стохастическои моделью прогноза 91

3 6 Выводы 93

Глава 4. Разработка адаптивных алгоритмов пространственной и временной экстраполяции мезометеорологических полей 94

4 1. Постановка задачи для синтеза адаптивных алгоритмов пространственного и временного прогноза 94

4.2. Синтез адаптивного алгоритма временного прогноза 97

4.3. Синтез адаптивного алгоритма пространственной экстраполяции 103

4.4 Результаты исследований адаптивного алгоритма временной экстраполяции 111

4 5 Результаты исследований адаптивного алгоритма пространственной экстраполяции 114

Заключение 119

Приложение 121

Литература 141 

Введение к работе:

Актуальность темы Для решения прикладных оперативных задач в области метеорологии, геофизики, экотогического мониторинга, управления возданным движением, при чрезвычайных ситуациях и катастрофах природного и техногенного характера, а также для ряда задач оборонного значения, существует потребность в текущей и прогностической информации о пространственно-временной структуре полей метеорологических величин. Большинство из перечисленных задач решаются в рамках ограниченных территории с горизонтальными размерами 50-500 км и высотой верхней границы 10 км. В силу объективных причин, сеть метеорологических и аэрологических станции распределена неравномерно, что не позволяет получать регулярную и достоверную измерительную информацию из каждой точки земного шара. В районах с редкой сетью синоптических и аэрологических станций, либо при работе по данным измерений локальной сети, состоящей из комплекса стационарных и мобильных измерительных пунктов, диагностика состояния атмосферы над территорией неосвещенной данными наблюдений является актуальной.

По существу, подобная диагностика представляет собой процедуру пространственной экстраполяции (интерполяции) метеорологических полей по результатам измерений в прилегающих районах. Обычно задача пространственной экстраполяции решается в рамках объективного анализа метеорологических параметров, осуществляемого на основе методов полиномиальной и силайновои аппроксимации, а также метода оптимальной интерполяции (экстраполяции). Данные методы для своей реализации предполагают привлечение и предварительную обработку значительного архивного материала соответств ющего заданному району. Это не всегда возможно, поэтому неизбежно возникают ошибки идентификации параметров прогностических моделей и, соответственно, ошибки прогноза пространственно-временной структуры полей метеорологических величин. Непрерывный рост требований к точности тек щей и прогностической информации, а также к ее оперативности, пространственному и временному разрешению, при минимальных исходных данных, привели к необходимости разработки новых более совершенных методов использующих современный математический аппарат. Іак, в последние годы интенсивное развитие получили численные методы пространственной и временной экстраполяции полей метеорологических величин, основанные на использовании аппарата фильтрации Калмана. В частности, такой подход использован в работах отечественных ученых Климовой Е.Г., Ривина А.С., Комарова B.C., Попова IO.G, зарубежных Dee D.P, Evensen G, Ide К. Привлекательность этих методов обусловлена возможностью использования хорошо разработанных математических моделей на основе дифференциальных уравнений, в том числе нелинейных и стохастических, описывающих поведение распределенных динамических объектов в пространстве и во времени. Кроме того, эти методы позволяют синтезировать рекуррентные алгоритмы, удобные для реализации на современной микропроцессорной технике.

Основным недостатком этих методов являются, значительные погрешности диагностики и прогноза полей метеорологических величин в условиях нестационарной синоптической ситуации, т.е. в случае резкого изменения погодных условий, вызванных прохождением холодного или теплого атмосферных фронтов над заданной территорией. Изменение числа и взаимного расположения метеорологических и аэрологических станций измерительной сети, также влияет на точность прогноза этими методами. Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется:

-ростом требований к точности оперативной и прогностической информации о пространственно-временной структуре полей метеорологических величин, при решении задач народно-хозяйственного и оборонного значения; -необходимостью разработки алгоритмов пространственно-временного прогноза, стойчивых к резком) изменению синоптической ситуации над заданной локальной территорией, ограниченной размерами мезомасштаба;

-необходимостью разработки алгоритмов пространственно-временного прогноза полей метеороіогичсских величин, по данным измерений локальной автономной сети, меняющей численный состав и дислокацию мобильных измерительных п нктов.

Целью работы является решение задачи пространственной и временной экстраполяции метеороіоіических полей температуры и ветра, с помощью алгоритмов, адаптивных к сбоям в каналах измерений из-за отсутствия информации, технических неисправностей, резко меняющихся погодных условий, а также при изменении численного состава и размещения станций наблюдения за метеорологической обстановкой.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

-анализ, систематизация и статистическая обработка многолетних аэрологических и метеороіогичсских данных по трем мезометеорологическим полигонам, относящимся к разным физико-географическим районам;

-выбор и обоснование на основе результатов статистической обработки, математических моделей эволюции метеорологических величин в пространстве и времени в рамках теории фильтрации К&пмана;

-получение аналитического решения уравнения Риккати в замкнутом виде для оценок потенциальной точности алгоритма пространственного прогноза с уточнением типа математических моделей и выбором начальных словий инициации этого шігоритма;

-разработка адаптивного аігоритма временной экстраполяции метеорологических величин для работы в словиях сбоев в каналах измерения и при резком изменении погодных условий в пунктах наблюдения; -разработка адаптивною алгоритма пространственной экстраполяции метеорологических величин, обеспечивающего исправную работ) системы при изменении конфигурации сети наблюдений в пределах мезомасштабного полигона.

Методы исследования Анализ и обработка исходных аэрологических и метеорологических данных проводилась с помощью методов математической статистики. При синтезе алгоритмов пространственной и временной экстраполяции испопьзованы методы оптимальною оценивания. Исследование точности синтезированных алгоритмов выполнено с помощью методов математического моделирования. Для разработки адаптивных алгоритмов использовался последовательный анализ теории решения.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

-на основе реальных аэрологических и синоптических данных предложен атгоритм оперативного выявления прохождения атмосферного фронта;

-разработан адаптивный апгоритм временной экстраполяции метеорологических величин, позволяющий оперативно учитывать изменение погодных условии, технические сбои и отсутствие информации в каналах измерения;

-разработан адаптивный алгоритм пространственной экстраполяции мезометеорологических полей, позволяющий оперативно учитывать изменение дислокации и количественный состав пунктов локальной измерительной сети;

-получены замкнутые аналитические выражения для расчета матрицы ковариаций ошибок оценивания, позволяющие оценить потенциальную точность экстраполяции метеорологических величин в переходном и установившемся режимах.

Практическая значимость. Предложенные в диссертации методы и алгоритмы могут быть использованы для создания автоматизированных систем атмосферно-экологического мониторинга воздушного пространства над локальными территориями, использующих комплекс стационарных и мобильных измерительных пунктов, а также дпя создания оперативных систем геофизического обеспечения, позволяющих производить прогноз метеорологических нолей температуры, ветра

На защиту выносятся:

—предложенный алгоритм выявления атмосферного фронта позволяет оперативно оценить резкое изменение погодных условий в каждой отдельной станции набиодения;

—разработанный адаптивный алгоритм временной экстраполяции метеорологических величин обеспечивает нечувствительность этих алгоритмов к резким изменениям внешних условий (отсутствию информации, техническим неисправностям в каналах наблюдения и резко меняющимся погодным условиям);

—разработанный адаптивный алгоритм пространственной экстраполяции позволяет в условиях изменяющейся конфигурации сети наблюдений восстанавливать метеорологические поля на территориях неосвещенных наблюдениями в пределах мезомасштабного полигона;

—полученное аналитическое решение уравнения Риккати в замкнутой форме дает возможность оценить потенциальную точность в переходных и установившихся режимах алгоритмов экстраполяции на основе фильтра Калмана и подобрать начальные условий инициации этого апгоритма.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Рабочей гр ппе «Аэрозоли Сибири».- I омск, 2001.

2. Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 40-летию Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления».- Томск, 2002.

3. IX Joint International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics».- Tomsk, 2-5 July 2002. 4. X Joint International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics Atmospheric Ph sics».- Tomsk, 24-28 June 2003.

5. V Сибирском Совещании по климато-экологическому мониторингу.-Томск, 2003.

6. Международной конференции «Окр жающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики».- Томск, EESFKA, 27-31 октября 2003.

7. Всероссийской научной конференции «Современные глобальные и региональные изменения геосистем.-Казань, 18-21 октября 2004.

8. XII International Symposium on Aconstic Remote Sensing and Associated Iechnigues of the Atmosphere and Ocean. -Cambridge, 12-16 July 2004.

9. XII Joint International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics».-! omsk, 27-30 Juny 2005.

10. XIII Joint International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics».omsk, 1-6 Juny 2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 (совместных с соавторами) работ, в том числе 10 докладов и 14 статей в ж риалах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Выносимые на защиту результаты работы получены лично автором. В работах, опубликованных в соавторстве, автором предложены методические основы, проведены аналитические расчеты и попучены результаты.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской деятельности СПП СО РАН при разработке автоматизированной метеорологической системы для оперативной обработки аэрологической информации, диагностики и прогноза параметров состояния атмосферы в области мезомасштаба. Результаты диссертационной работ внедрены в ПИР «Цирконий», выполненной по заказу Секции прикладных проблем РАН. 

Подобные работы
Алферов Максим Владимирович
Разработка алгоритмов комплексного анализа деятельности угольных предприятий с применением метода нейронных сетей
Перемитина Татьяна Олеговна
Алгоритмы комплексного анализа многомерных данных о природных объектах с применением метода главных компонент и геоинформационных систем
Тракимус Юрий Викторович
Разработка и применение схем конечноэлементного моделирования электромагнитных полей в задачах электроразведки с использованием скважин
Задорожный Александр Геннадьевич
Разработка и применение схем конечноэлементного моделирования электромагнитных полей в задачах подповерхностного радиолокационного зондирования
Казанцев Сергей Владимирович
Разработка и применение алгоритмов и комплекса программ распознавания образов для прогноза теплового состояния технологических процессов : на примере доменной плавки
Петров Юрий Юрьевич
Разработка и исследование математической модели генетического алгоритма для применения в технических системах
Дмитриев Сергей Викторович
Разработка гибридных генетических алгоритмов и схемы их применения для решения задач оптимального управления динамическими системами
Парчевский Константин Владимирович
Применение численного моделирования и регуляризирующих алгоритмов для изучения конвекции и акустики в задачах физики Солнца и экологии
Шугай Юлия Сергеевна
Разработка нейросетевых алгоритмов анализа многомерных временных рядов и их применение при исследовании солнечно-земных связей
Назаров Сергей Николаевич
Моделирование и разработка алгоритмов функционирования сети радиосвязи декаметрового диапазона с применением сети вынесенных радиоцентров-ретрансляторов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net