Відновлення та розширення інформації про висотні термобаричні поля для території України

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 551.510.52:551.509.3

ВІДНОВЛЕННЯ ТА РОЗШИРЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ ПРО ВИСОТНІ ТЕРМОБАРИЧНІ ПОЛЯ ДЛЯ ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ

11.00.09 метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Волошина Олена Вікторівна

Одеса 2003

АНОТАЦІЇ

Волошина О.В. Відновлення та розширення інформації про висотні термобаричні поля для території України. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. Спеціальність 11.00.09 метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2003.

Проблема відновлення і розширення аерологічної інформації про висотні термобаричні поля вирішується фізико-статистичними методами. Застосування сучасних методів контролю даних спостережень аерологічних станцій України забезпечило надійність розрахунків статистичних параметрів, кореляційних, взаємокореляційних і спектральних функцій. Отримано кількісні параметри кореляційного зв'язку температур і геопотенціала основних ізобаричних поверхонь, рівняння лінійної регресії для відновлення і розширення інформації. Вперше проведено статистичне дослідження просторово-часової мінливості геопотенціала за даними полів об'єктивного аналізу з метою розширення аерологічної інформації; виділено спектр основних енергонесучих хвильових коливань, оцінена їх сумарна енергія та вклад в загальну енергію коливального процесу, застосована і перевірена гідродинамічна модель відновлення синоптичних об'єктів по спектру їх частот.

Ключові слова: геопотенціал, кореляція, відновлення, розширення, об'єктивний аналіз, прогноз, гідродинамічна модель.

Волошина Е.В. Восполнение и расширение информации о высотных термобарических полях для территории Украины. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 метеорология, климатология, агрометеорология. Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена разработке методов восполнения и расширения аэрологической информации о высотных термобарических полях для региональных прогностических моделей, которые бы учитывали особенности Украины, и позволяли уточнять расчеты будущих полей объективного анализа мировых прогностических центров.

Для решения этой важной актуальной задачи необходимо найти временную и пространственную изменчивость температуры и геопотенциала изобарических поверхностей, определить связность и временную устойчивость в рядах этих величин получить статистические оценки, исследовать спектр частот колебательных процессов температуры и геопотенциала, выделить и оценить вклад колебаний различного генезиса в общую энергетику процесса, для учета в спектральных гидродинамических моделях.

Исследования статистической структуры метеорологических полей выполнены по данным температурно-ветрового зондирования станций Одесса, Киев, Кривой Рог и Черновцы. Все исходные данные были проконтролированы современными методами вертикального и горизонтального контроля. Проведено пространственное согласование структуры исследуемых полей по данным аэрологических станций.

В диссертации впервые решается актуальная проблема информативности аэрологических наблюдений в Украине. Исследована и количественно оценена информативность притока новой информации, использован модернизированный автором метод Шеннона: количество возможных значений величин температуры и геопотенциала при каждом измерении ограничено десятью интервалами, что дает возможность оценивать информативность и избыточность в дитах от 0 до 1. Параметр избыточности может быть учтен при планировании дискретности аэрологических наблюдений в зависимости от погодных условий. Параметр информативности позволяет оценивать успешность применения метода временной экстраполяции: чем меньше информативность, тем точнее будет экстраполяция метеовеличин во времени.

Для восстановления и расширения аэрологической информации для объективного регионального анализа использованы физико-статистические методы. Получены автокорреляционные и взаимнокорреляционные функции, определены уровни влияния. Исследован волновой характер изменения температуры и геопотенциала изобарических поверхностей методом спектрального анализа, выделен спектр основных энергонесущих частот, который соответствует колебаниям разного генезиса, и определен их вклад в общую энергию колебательного процесса, рассчитаны спектральные коэффициенты. Определено, что наибольший вклад вносят колебания естественно-синоптического периода.

Актуальным и новым является подход к пространственному анализу барических полей. Современная оценка точности объективного анализа предполагает не только восстановление средних величин геопотенциала, но и правильное восстановление статистических связей. Пространственному статистическому анализу подвергнуты поля геопотенциала основного уровня влияния в атмосфере изобарической поверхности 500 гПа. Использованы карты объективного анализа Гидрометцентра России для макромасштабной сетки, исследован полигон, ограниченный 20 и 40⁰ в.д. и 35 и 55⁰ с.ш. и включающий 25 узлов, который перекрывает территорию Украины. Для каждого узла рассчитаны авто- и взаимнокорреляционные, спектральные функции, исследована их зависимость от расстояния вдоль широты и меридиана, пространственное распределение энергии колебаний по территории. Показано, что волновые процессы различного происхождения и разного спектра частот оставляют информационный след в виде областей максимумов и минимумов энергии. Полученные связи и линейные зависимости позволяют расширять информацию любой аэрологической станции Украины на окружающую территорию, спектральные коэффициенты использованы в гидродинамической модели восстановления поля геопотенциала.

Современным методом в численном прогнозировании является моделирование отдельных синоптических объектов вихрей, фронтальных разделов и др. Использована спектральная гидродинамическая модель атмосферных вихрей циклонов и антициклонов, которая позволяет по выявленным статистическими методами частотам прогнозировать их возникновение на территории региона.

Оценка энергии синоптических процессов различной временной длительности и спектральные коэффициенты для этой модели получены впервые для региона Украины.

Достоверность приведенных в диссертации материалов подтверждается тем, что они получены современными статистическими методами, проверены, а результаты соответствуют физической природе исследуемых процессов и хорошо согласуются с аналогичными научными данными.

Ключевые слова: геопотенциал, корреляция, восстановление, расширение, объективный анализ, прогноз, гидродинамическая модель.

Volochina E.V. The restoration and the expansion of the information about high-altitude thermobariqs fields for territory of Ukraine Manuscript

Thesis for a candidate's degree of geographical sciences by speciality 11.00.09 meteorology, climatology, agrometeorology. The Odessa state environmental university, Odessa, 2003.

The problem of restoration and expansion of the aerologic information about high-altitude thermobarics fields for territory of Ukraine is solved by physical and statistical methods. Application of a modern quality monitoring of the given aerologic supervision has provided reliability of calculations of statistical parameters, correlation, cross-correlation and spectral functions. Quantitative parameters of correlation connection of temperatures and a geopotential of the basic isobaric surfaces and the equations of regress for restoration and expansions of the information are received. For the first time statistical researches of spatial and time variability of a geopotential are carried out according to high-altitude fields of the objective analysis and the equations are found, allowing expanding the information on adjoining territory. The spectrum of the basic wave fluctuations on which it is necessary a maximum of energy is allocated, their total energy and the contribution of fluctuations of different genesis to the common energy of oscillatory processes is appreciated. The hydrodynamical model of restoration of synoptic objects on a spectrum of their frequencies is applied and checked up

Key words: geopotential, correlation, restoration, expansion, objective analysis, forecast, hydrodynamical model.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Єфімов Владислав Анатолійович, Одеський державний екологічний університет, професор кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Лоєва Інеса Дмитрівна, Українській науково-дослідний інститут екології моря, директор

кандидат географічних наук, Барабаш Маргарита Борисівна, Українській науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, старшій науковій співробітник

Провідна установа: Київській державний університет імені Тараса Шевченка, географічний факультет, кафедра метеорології і кліматології, м. Київ

Захист відбудеться “9” “жовтня” 2003р. о 13 ³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська 15, ОДЕКУ.

Автореферат розісланий “ 9 ” вересня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми визначається необхідністю розвитку детальних прогностичних моделей регіональних прогнозів погоди для території України. Відомо, що основним джерелом інформації про температурно-вологісний і вітровий режим атмосфери є дані аерологічних спостережень. Вони використовуються як для прогнозів погоди, так і для аерокліматичних описів багаторічного режиму атмосфери, що призначені для таких споживачів, як авіація, космонавтика, екологія і т. і. Особливо варто вказати на зацікавленість у цій інформації фахівців МЧС і армії, які часто діють в ситуаціях, коли поточна інформація про погоду відсутня або має істотні пропуски.

В оперативній прогностичній практиці інтерес представляє не середній багаторічний режим атмосфери, а фактичний стан погоди і тенденція її зміни в часі, який оцінюється за картами погоди, майбутній стан за прогностичними картами полів геопотенціала (температури та ін.), отриманих чисельними методами, і застосуванням фізико-статистичного і синоптичного методів прогнозування. Для короткострокових прогнозів погоди важливо мати ретельно проаналізоване поле вихідних даних.

При побудові карт висотної баричної топографії використовується метод об'єктивного аналізу аерологічних полів. Гідрометеорологічний центр України в даний час не виконує самостійно об'єктивний аналіз результатів висотного зондування і не складає прогностичні карти висотних метеорологічних полів, а використовує розрахунки російського або європейських прогностичних центрів, для яких територія України є далекою периферією й аналіз для неї проводиться по скороченій програмі, навіть без урахування інформації всіх українських станцій.

Актуальним для регіональних прогнозів для України в даний час є можливість відновлення і розширення аерологічної інформації непрямими методами, розробка своєї схеми чотирьохмірного аналізу на основі спеціальних моделей ініціалізації даних з рідкої мережі стосовно конкретних умов аерологічних спостережень в Україні і найближчих суміжних територіях.

Аерологічну інформацію одержують у процесі дорогих спостережень і проблема її достатності та інформаційної наповненості завжди є актуальною.

Усе вищесказане і визначило необхідність детального дослідження статистичної структури висотних термобаричних полів і використання непрямих методів для одержання інформації і заповнення просторового і часового вакууму. До таких методів відносяться кореляційний і спектральний аналізи, що дозволяють об'єктивно оцінювати часову і просторову мінливість (зв'язок) метеорологічних величин на різних рівнях в атмосфері і використовувати результати для відновлення і розширення даних, необхідних для регіонального об'єктивного аналізу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження, що виконані в дисертації під керівництвом професора Єфимова В.А., є частиною наукової роботи кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів , а також кафедри геофізичної гідродинаміки та теорії клімату:

“Использование спутниковой информации и средств дистанционного зондирования с целью гидрометеорологического и экологического обеспечения народного хозяйства” № 0196U013470.

“Особливості динаміки клімату України” і “Мезомасштабна структура нижнього шару атмосфери та розповсюдження забруднюючих речовин над територією України”, що виконувались на підставі рішення Вченої ради Одеського гідрометеорологічного інституту (протокол №2 від 24 лютого 2000р.);

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка нових методів розширення інформаційної забезпеченості території України аерологічними даними на основі комплексного фізико-статистичного аналізу просторово-часових послідовностей температур і геопотенціалів окремих ізобаричних поверхонь та гідродинамічного моделювання окремих синоптичних об'єктів і процесів. Проблема відновлення і розширення інформації про термобаричні поля виникла одночасно з появою об'єктивного аналізу і гідродинамічних методів прогнозу погоди. Знання й урахування часової мінливості термобаричних полів є основним чинником для фізико-статистичного, інерційного і синоптичного методів прогнозу погоди.

У роботі були поставлені наступні конкретні задачі:

оцінити точність відновлення висотної інформації і реального поля вітру та інформативну наповненість даних спостережень аерологічних станцій України; аерологічний гідродинамічний синоптичний

провести комплексне статистичне дослідження і кількісно оцінити часову і просторову мінливість висотних термобаричних полів для України, розробити метод відновлення інформації з використанням автокореляційних, взаємокореляційних і спектральних функцій;

дослідити енергетику хвильових процесів температури і геопотенціала ізобаричних поверхонь і виділити спектр енергонесучих частот і оцінити їх внесок в сумарну енергію хвильових процесів;

дослідити просторові особливості розподілу геопотенціала поверхні 500 гПа, як основної для прогнозування переміщення висотних баричних утворень;

провести чисельний експеримент відновлення положення синоптичних об'єктів за спектром виділених енергонесучих частот гідродинамічним методом.

Об'єкт дослідження - висотні термобаричні поля, їх часова і просторова мінливість на території України.

Предмет дослідження - новий комплексний підхід до вивчення структури термобаричних полів окремого регіону на базі широкого використання статистичних, фізико-статистичних і гідродинамічних методів, які дають змогу розробити методику відновлення і розширення аерологічної інформації, необхідної для побудови української регіональної моделі об'єктивного аналізу і застосування її у синоптичній практиці.

Методи дослідження:

методи горизонтального і вертикального статичного контролю даних аерологічного зондування для одержання надійної інформації для статистичних досліджень;

методи теорії інформації для оцінки інформативності, достатності і надмірності припливу інформації при аерологічних спостереженнях в географічних і кліматичних умовах України;

статистичні методи аналізу часових послідовностей величин геопотенціала і температури ізобаричних поверхонь;

статистичне дослідження полів геопотенціала за даними об'єктивного аналізу;

аналітичний комплексний опис для розрахунку функцій течій, ізолінії яких збігаються з напрямком вітрового потоку.

На основі вище переліченого проведено комплексне дослідження часової і просторової мінливості геопотенціала і температури ізобаричних поверхонь, на базі якого розроблені методи відновлення і розширення інформації про висотні термобаричні поля для території України.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі вперше для території України вирішені такі основні задачі:

отримані кількісні оцінки інформативності припливу інформації при аерологічних спостереженнях станцій України на прикладі станції Одеса;

отримано набір автокореляційних функцій, що описують часову і просторову мінливість температури і геопотенціала основних ізобаричних поверхонь для різних сезонів;

отримані рівняння, що дозволяють відновлювати відсутню інформацію про геопотенціал і температуру ізобаричних поверхонь у різні сезони;

визначена вертикальна зв'язність температури і геопотенціалу ізобаричних поверхонь і основні рівні впливу;

визначені основні енергонесучі хвильові процеси й оцінена їхня сумарна енергія;

отримані спектральні коефіцієнти, що оцінюють внесок процесів різного часового масштабу (періоду) у загальну сумарну енергію коливальних процесів геопотенціала і температури основних ізобаричних поверхонь;

використані і уточнені гідродинамічні моделі для визначення положення

синоптичних об'єктів на території окремого регіону.

Практичне значення одержаних результатів визначається у можливості їх застосування у регіональних моделях об'єктивного аналізу і розробці методів чисельного моделювання термобаричних полів для території України, складу аерокліматичних описів. Параметри “інформативність” і “надмірність” припливу нової інформації дозволяють оцінювати надійність розрахунків статистичних параметрів, успішність інерційних прогнозів, планувати потрібну дискретність спостережень в залежності від текучого синоптичного процесу.

Особистий внесок здобувача полягає у комплексному підході до вивчення часової і просторової мінливості термобаричних полів на території України для інформаційного забезпечення методів об'єктивного аналізу і чисельних прогнозів та розробці непрямих методів відновлення і розширення аерологічної інформації для території України, виконанню чисельного експерименту по розширенню аерологічної інформації за гідродинамічним методом, розробленим керівником дисертаційної роботи В.А Єфимовим.

Апробація результатів дисертації проведена шляхом порівняння отриманих результатів з даними для інших територій, перевірці на матеріалах спостережень, фізичному аналізі. Верифікація забезпечується використанням перевірених даних, стандартних програм розрахунку статистичних параметрів, задовільним збігом результатів розрахованих характеристик з фактичними даними.

Основні результати роботи доповідалися на науковій конференції ОГМІ в 2000 р., на міжнародній науковій конференції, присвяченій 70-річчю ОДЕКУ в 2002 р., на звітній науковій конференції Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова в 2002 р., на нараді-семінарі Гідрометслужби України у Києві в 2002р., а в повному обсязі - на розширеному науковому семінарі кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів у травні 2003р.

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 8-ми наукових публікаціях (п'ять з них без співавторів), в тому числі 7 у виданнях, що входять до відповідного переліку ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 229 сторінки тексту, містить 48 рисунків, 30 таблиць, складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (всього 112 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета та задачі дослідження, наводиться наукова новизна та практичне значення основних результатів, викладаються основні положення,

що виносяться на захист.

У першому розділі розглядається проблема інформаційного відновлення даних аерологічного зондування і контролю вихідної аерологічної інформації. Дослідження статистичної структури термобаричних полів виконані за даними температурновітрового зондування 4-х аерологічних станцій: Одеса, Київ, Кривий Ріг і Чернівці. Усі багаторічні дані про геопотенціал і температуру на 7-ми основних ізобаричних поверхнях для 6ти місяців (I, III, Y, YII, IX, XI ) отримані безпосередньо з частини “А” телеграм ТЕМР цих станцій і перевірені сучасними методами вертикального і горизонтального контролю інформації, що дозволило виключити помилки, які мали місце при чисельному інтегруванні рівняння статики, кодуванні даних, у розрахунках геопотенціала та ін.

Сучасні негеострофічні прогностичні моделі потребують початкової інформації як про поле геопотенціала, так і про поле вітру. В роботі за даними аерологічних станцій України проведене зіставлення й узгодження полів тиску і вітру, що дозволило оцінити ймовірність розрахунків поля вітру при об'єктивному аналізі. Для відновлення реального вітру по геострофічному для території України розраховані відхилення швидкості і напрямку реального вітру від розрахункового, підібрані закони розподілу цих величин, знайдені кореляційні зв'язки поля тиску і вітру. Відхилення для напрямку вітру в 67% випадків складають 15⁰, у 95% випадках відхилення реального вітру від геострофічного не перевищує 30⁰. Геострофічна модель завищує середню швидкість вітру при циклонічних траєкторіях і занижує при антициклональних. У 68% випадків розходження досягають 57 м/с.

В дисертації методами теорії інформації досліджена і оцінена інформативна новизна даних аерологічних спостережень в Україні. В теорії інформації розроблені методи кількісної оцінки міри інформації, в основу яких покладена ідея про невизначеність стану джерела повідомлення. Вперше кількісно оцінено інформативність припливу нової інформації, одержаної при стандартних аерологічних спостереженнях для території України. Розрахунки проведені за методом Шеннона для іспитів, які мають різні імовірності. Метод був модернізован з урахуванням можливості отримання при кожному вимірі значень, які вкладаються у 10 інтервалів (градацій) імовірності. Згідно Шеннону інформативність є логарифмічною мірою і використання десяткових логарифмів дозволило оцінювати інформативність в зручних одиницях від 0 до 1 діт. Для ізобаричних поверхонь 1000, 850, 700, 500, 300, 200, 100 гПа розраховані ентропія, інформативність та надмірність притоку нової інформації. Кількість нової інформації, що надходить при оперативних аерологічних спостереженнях з дискретністю 12 годин, залежить від сезону і від висоти. Інформативність припливу інформації про температуру велика для нижніх ізобаричних поверхонь і зменшується з висотою. В атмосфері існують перехідні шари, в області яких інформативність припливу нової інформації міняється стрибком. Це шар тропопаузи і шар переходу від нижньої до верхньої атмосфери. Надмірність припливу інформації лежить у діапазоні 0,150,40 діт, що дозволяє припустити, що використані ряди дають можливість одержувати статистично забезпечені середні. Надмірність вимірів геопотенціала збільшується з висотою, тобто висотні виміри геопотенціала з дискретністю 12 годин малоінформативні.

Параметр надмірності інформації дозволяє планувати необхідну дискретність аерологічних спостережень у залежності від погодних умов, при стаціонарних процесах можна зменшити частоту радіозондування. Параметр інформативності дозволяє оцінювати успішність застосування методу часової екстраполяції: чим нижча інформативність, тим точніше буде екстраполяція у часі величин температури і геопотенціала. Інформативність припливу інформації про геопотенціал і температуру ізобаричних поверхонь зв'язана з такими статистичними оцінками їхніх розподілів, як середньоквадратичне відхилення й ексцес. Збільшення середньоквадратичного відхилення величини припливу інформації супроводжується ростом інформативності припливу інформації і навпаки. Ексцес і інформативність змінюються протилежно один одному.

В другому розділі для розробки методів відновлення і розширення аерологічної інформації про термобаричні поля досліджена часова і внутрішня структура часових послідовностей температури і геопотенціала основних ізобаричних поверхонь методами кореляційного і спектрального аналізу. За даними аерологічних спостережень станції Одеса були сформовані послідовності температур і геопотенціалів для всіх 7 поверхонь і 6 місяців. Всього використана перевірена інформація 1800 телеграм ТЕМР, складено 84 ряди по 300 величин кожний.

Уперше для території України проведене статистичне дослідження часової зв'язності в рядах температури і геопотенціала основних ізобаричних поверхонь і показано, що розподіли цих величин підкоряються нормальному закону, отримані автокореляційні функції, які апроксимовані експоненціальними або косінус-експоненціальними аналітичними функціями, для яких визначені декременти загасання та хвильові параметри. Загальна характерна особливість швидке убування кореляційного зв'язку з часом. Хвильова компонента присутня в автокорелограмах усіх рівнів. Визначено зв'язність і швидкість загасання кореляційного зв'язку з висотою. У нижній тропосфері коефіцієнт автокореляції r(ф)> 0,5 зберігається не більше доби, у середній двох діб, а у верхній трьох. Низька зв'язність геопотенціала в часі виявлена на рівні поверхні 300 гПа, а температури на рівні 500 гПа. Хвильовий характер зміни температури і геопотенціала ізобаричних поверхонь найчіткіше виявляється у літні місяці. Сезонні особливості у швидкості загасання зв'язності температури і геопотенціала полягають в тому, що для зими характерне її плавне убування з висотою в тропосфері і більш швидке в стратосфері, а в влітку в нижній тропосфері чіткіше виявляється хвильовий характер зміни зв'язності температури і збереження зв'язності геопотенціала.

Методами лінійної регресії одержані коефіцієнти лінійної кореляції і рівняння лінійної регресії, що дозволяють відновлювати геопотенціальні висоти ізобаричних поверхонь по відомій геопотенціальній висоті поверхні 500 гПа.

Для відновлення геопотенціала і температури ізобаричних поверхонь досліджена їх вертикальна взаємна кореляція. Виявлені поверхні, температура і геопотенціал яких добре корелюють з іншими поверхнями, вони названі рівнями впливу. Основним рівнем впливу є поверхня 500 гПа, а рівень 300 гПа не корелює з іншими, що відповідає нашим уявленням про властивості тропопаузи, яка розташована саме на цих висотах (рис.1).

Хвильовий характер часової зміни температури і геопотенціала детально досліджено методом спектрального аналізу. Визначені хвильові коливання із спектром частот, що відповідають 2022, 1012, 67 добовим періодам. Досліджена енергетика хвильових процесів: так сумарна енергія хвильового процесу температури в тропосфері зменшується з висотою, а геопотенціала - збільшується. В стратосфері вона повільно зменшується, обертання відбувається в шарі 300200 гПа. Отримані спектральні коефіцієнти кількісні оцінки внеску коливань різного періоду в загальну енергію хвильового процесу температури і геопотенціала. Максимальний внесок у хвильові процеси часового змінювання температури і геопотенціала ізобаричних поверхонь вносять коливання природно-синоптичного періоду. Отримані в роботі спектральні коефіцієнти можуть бути використані в спектральних моделях для врахування регіонального фактору.

У третьому розділі для розробки методів розширення інформації досліджені просторові регіональні особливості полів температури і геопотенціала ізобаричної поверхні 500 гПа, як головного рівня впливу. Використано два підходи: за традиційним зональним одержані об'єктивні середні кліматичні оцінки просторової кореляційної зв'язності температури і геопотенціала для широтної зони України; другий підхід вперше дослідженні просторові поля геопотенціала поверхні 500 гПа за даними полів об'єктивного аналізу, що оперативно використовуються в прогностичній практиці як поля першого наближення. В даний час успішність тієї чи іншої гідродинамічної моделі рекомендується оцінювати не тільки по тому, як вона відновлює поле величини, але і як вона відновлює просторові і часові зв'язки. Досліджено часову мінливість геопотенціала H₅₀₀ по території полігона, обмеженого меридіанами 20 і 40⁰ с.д. і паралелями 35 і 55⁰ п.ш., що перекриває всю територію України. Отримані середні сезонні поля геопотенціала Н₅₀₀, коефіцієнти автокореляції для різних періодів запізнення, які можуть використовуватися в методах фізичної екстраполяції. Отриман набір аналітичних функцій, що описують часову сталість Н₅₀₀ для зими і літа на території України. Взимку автокореляційні функції апроксимуються експоненціальними, а влітку - косинус-експоненціальними функціями. Швидкість убування функцій приблизно однакова для всієї території, що побічно підтверджує, що поля геопотенціала Н₅₀₀ ізотропні. Часова сталість геопотенціала дозволяє оцінити передбачуваність поля геопотенціала на Україні при використанні екстраполяційного методу прогнозу: влітку вона досягає 70-80%, а взимку - 60%.

Розраховані також взаємокореляційні функції геопотеннціала вузла-полюса - центра полігону (ст. Одеса) з оточуючими вузлами, використано регресійну модель і отримано рівняння для оцінки величини геопотенціала Н₅₀₀ у цих вузлах по відомій величині геопотенціала у вузлі-полюсі, що дозволяє розраховувати осереднене поле тільки за даними однієї аерологічної станції (станція - полюс) практично для всієї території України. За даними полів об'єктивного аналізу перевірені й уточнені горизонтальні зональні кореляції геопотенціала поверхні 500 гПа. Для півдня України реальна зв'язність виявилася нижчою за зональну.

Отримані спектральні і логспектральні функції для всіх 25 розрахункових вузлів досліджуваного полігона і знайдені характерні риси просторового розподілу енергії коливань різних частот (періодів). Виділен спектр основних енергонесучих частот, що відповідають періодам близько 20, 1015 і 37 діб, тобто відомим хвильовим коливанням планетарним хвилям, коливанням, що зв'язані зі зміною індексу циркуляції і коливанням синоптичних періодів тривалістю 35 і 57 діб.

Уперше, на підставі аналізу просторового розподілу сумарної дисперсії процесів різної тривалості, виявлені області енергетичних максимумів, що відповідають траєкторіям переміщення через Україну активних синоптичних утворень, визначені особливості розподілу енергії коливань різних частот для синоптичних процесів різного генезису. Поле повної сумарної дисперсії коливань усіх періодів показує, що взимку енергія процесів зростає в напрямку з півдня на північ. Положення осі енергетичного гребеня коливань періодів 35 діб відповідає траєкторіям переміщення південних циклонів, а для коливань періодів 57 діб вісь енергетичного гребеня збігається із траєкторіями західних атлантичних циклонів. Енергетика процесів, що обумовлюють утворення й еволюцію південних циклонів, вища, ніж у пірнаючих циклонів, а енергетика західних порівнянна з енергетикою південних. Таким чином, можна стверджувати, що запропонований метод просторового аналізу сумарної дисперсії метеорологічного процесу досліджуваного періоду дозволяє виявити зони (траси) утворення, еволюції і руху активних атмосферних вихорів.

Для врахування внеску хвиль різного періоду в сумарну енергію хвильового процесу геопотенціала Н₅₀₀ розраховані спектральні коефіцієнти і приведений їхній розподіл по території (рис.2).

У четвертому розділі розглядається гідродинамічний метод розширення аерологічної інформації В.А.Єфимова, який дозволяє відновлювати поля вітрових течій і положення окремих синоптичних об'єктів за спектром їх частот і проведений автором чисельний експеримент

В математичному аналізі операція аналітичного продовження інформації спирається на апарат теорії функції комплексного перемінного. Використовуючи функцію току () і потенціал швидкості () запишемо формули для складових швидкості наступним чином

або (1)

Метод розширення аерологічної інформації дає можливість представити швидкість вітру через комплексний потенціал швидкості

(2)

де z = x + iy є комплексною координатою області рішення.

Похідна від комплексного потенціалу швидкості по комплексній перемінній є комплексна швидкість. Комплексний потенціал швидкості використовується для розрахунку функції току, ізолінії якої співпадають з напрямком вітрового потоку. Зближення ліній току відповідає зростанню швидкості. Напрямок потоку залежить від положення осередків функції току: додатні осередки знаходяться ліворуч. Поля комплексного потенціалу розраховуються для точок, де існує сходження або розходження ліній току (центрів вихорів).

Модель відновлення поля для випадку циркуляції циклонічного типу базується на рівняннях руху і нерозривності в циліндричній системі координат, а перетворені рівняння руху для складових швидкості в незалежні відносно компонент швидкості мають вигляд

(3)

де u, v, w складові швидкості вітру, - кутова швидкості обертання Землі,

перевищення висоти поверхні еквівалентно-баротропного шару, а вертикальна складова швидкості представлена у вигляді

Рішення рівняння нерозривності з урахуванням рівняння для складових швидкості та представлення має вигляд

(4)

де m кількість хвиль, які входять до області рішення функції.

Рівняння співпадає з рівняннями Бесселя, рішеннями якого є функції Бесселя . Повне рішення для визначення висоти поверхні можна представити у вигляді

(5)

де частоти знаходять за часовим рядом аерологічного зондування; корені функцій Бесселя ; А_m,n, B_m,n коефіцієнти розкладення у ряд Фур'є.

За формулами (3-5) відновлюється поле комплексного потенціалу швидкості в області, яка співпадає з областю рішення моделі циркуляції циклонічного типу, тобто вирішується задача розширення інформації аерологічних даних одного пункту зондування на прилеглу територію.

В дисертації наведені результати чисельного експерименту екстраполяції вертикально-часових розрізів, побудованих за даними зондування. Розглядається ситуація розвиненого циклона з фронтами, що проходять через пункт зондування Одесу (0.307.07.1997р.), ситуація блокуючого гребеня (07.07 12.07.1997р.).

Поле функцій току для циклонічного періоду дослідження, відновлене за методом, ілюструє рис. 3. Лінії атмосферних фронтів приводяться за даними синоптичного аналізу кільцевих карт погоди. Вихрові джерела багатоцентрових депресій і гребенів відмічені кружками. Телескопічна модель циклону реконструкція полів баричної топографії поверхонь 850, 700 і 500 гПа - добре відповідає текучому синоптичному процесу.

Реконструкція вітрових потоків в області, яка оточує пункт зондування, можлива по спектрах частот поточного процесу, що виявляється по вертикально-часових розрізах. Основні частоти визначають власні функції в полях вітру, що з урахуванням даних зондування пролонгують їх на всю горизонтальну прилеглу область. Точність такої реконструкції достатня для оцінки якісної структури поточного процесу, що істотно уточнює результати об'єктивного аналізу, виконаного на основі даних рідкої мережі аерологічної станцій.

Істотною особливістю реконструкції полів нестаціонарного регіонального синоптичного процесу є можливість виконання фронтального аналізу в регіональному масштабі, що додає даним аерологічного зондування особливу прогностичну цінність при складанні місцевих прогнозів.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нові вирішення наукової задачі, яке полягає в дослідженні статистичної структури висотних термобаричних полів над територією України і розробленні методів відновлення і розширення аерологічної інформації при регіональному об'єктивному аналізі. Головні наукові і практичні результати роботи можна сформулювати у вигляді наступних висновків:

Введено поняття “приплив нової інформації” при аерологічному зондуванні і за методом теорії інформації Шеннона, модернізованого автором, визначена інформаційна насиченість даних аерологічних спостережень розраховані “інформативність” і “надмірність” припливу нової інформації в різні сезони року для 7ми стандартних ізобаричних поверхонь. Отримані величини дозволяють оцінювати надійність розрахунків статистичних параметрів, успішність інерційних прогнозів, планувати потрібну дискретність спостережень в залежності від текучого синоптичного процесу.

На основі методів авто- і взаємокореляційного аналізу встановлені рівні впливу, основним з яких є поверхня 500 гПа, яка визначає температуру і геопотенціал інших рівнів. Розроблено методику відновлення геопотенціальної висоти ізобаричних поверхонь за даними поверхні 500 гПа на базі побудови рівнянь лінійної регресії..

Методом спектрального аналізу визначен спектр головних частот, на які припадають максимуми в розподілі енергії хвильових коливань. Отримані кількісні оцінки внеску коливань різного періоду в загальну енергію хвильових процесів температури і геопотенціала спектральні коефіцієнти для врахування регіонального фактору в гідродинамічних моделях.

Вперше розраховані кореляційні просторові зв'язки геопотенціалу поверхні 500 гПа за даними полів об'єктивного аналізу для території України. Отримані автокореляційні функції, коефіцієнти лінійної кореляції між станціями вздовж широти і довготи, рівняння лінійної регресії, що дозволяють в разі відсутності інформації відновити середнє поле геопотенціала поверхні 500 гПа.

Для розширення інформації для території України пропонується використовувати взаємокореляційні зв'язки геопотенціала Н₅₀₀ обраної станціїполюса з оточуючими станціями. В залежності від сезону, широти і довготи інформація може бути поширена на відстань 500 1000 км.

Визначені характерні особливості просторового розподілу енергії коливань основних енергонесучих хвиль, які відповідають довгим планетарним хвилям, інерційним хвилям і хвилям природно-синоптичних коливань. Розраховані спектральні коефіцієнти для оцінки внеску кожного виду хвиль у загальну енергію коливань геопотенціалу Н₅₀₀ і проаналізовані особливості розподілу енергії коливань по території взимку і влітку.

Запропонован метод просторового аналізу сумарної дисперсії метеорологічного процесу різних періодів, визначені області енергетичних максимумів, які відповідають траєкторіям переміщення через територію України активних синоптичних утворень різного генезису.

Методом гідродинамічного моделювання В.А. Єфимова здійснена реконструкція вітрових течій в області пункту аерологічного зондування атмосфери за спектром частот текучого процесу. Метод дозволяє відновлювати поле току і відповідно положення атмосферних вихорів, фронтів, побудувати телескопічну модель циклона і зв'язати регіональний процес з глобальним. Точність такої реконструкції достатня для оцінки якісної структури і значно уточнює результати об'єктивного аналізу.

Чисельний експеримент реконструкції вітрових течій і геопотенціальних висот ізобаричних поверхонь для випадків циклонічного поля, поля високого тиску в блокуючому гребеневому процесі і в перехідному полі показав добру узгодженість реконструйованого поля з реально спостереженим. Розширення інформації аерологічних спостережень гідродинамічними методами розглядається як задача реконструкції синоптичного процесу або окремого синоптичного об'єкту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Волошина Е.В., Ефимов В.А. Блокирование и солитоны Россби // Метеорология, климатология и гидрология. - 1998. - Вып.35. - C. 33-39

Волошина Е.В. Оценка временной изменчивости аэрологических полей статистическими методами // Метеорология, климатология и гидрология.-1999. - Вып.36.-С.17-24.

Волошина Е.В., Ефимов В.А., Шинкевич Н.Г., Информационное расширение данных аэрологического зондирования // Метеорология, климатология и гидрология.-1999.-Вып.38.-С.203-208.

Волошина Е.В., Ефимов В.А. Аналитическая реконструкция горизонтальных ветровых течений по данным однопунктного аэрологического зондирования // Метеорологія, кліматологія та гідрологія.-2000.-Вип.41.-С.161-167.

5. Волошина Е.В. Информативность аэрологических данных о геопотенциале и температуре // Метеорологія, кліматологія та гідрологія.-2001.-Вип.43.-С.66-72.

6. Волошина Е.В. Горизонтальные корреляции температуры и геопотенциала атмосферы на территории подсеточного масштаба // Метеорологія, кліматологія та гідрологія.-2002.-Вип.45.-С.58-62.

7. Волошина Е.В. Оценка спектральных характеристик временных рядов температуры основных изобарических поверхностей // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2002.- Вип.46.- С.95-100.

8. Волошина Е.В. Пространственная изменчивость геопотенциальной высоты изобарической поверхности 500гПа // Матеріали міжнародної конференції „Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища - 2002” - Одеса, 2003. С. - 78-83.

Размещено на Allbest.ru