Введение к работе
Актуальность работы. Компьютеризация всех сторон человеческой деятельности, происшедшая в последней четверти XX века, многократно повысила объёмы фиксируемой информации, в том числе и геоинформации. Накоплены огромные массивы данных, которые требуют анализа с целью последующего использования результатов на практике. Причём процесс накопления данных идёт значительно быстрее, чем их анализ, формулирование выводов и рекомендаций. Таким образом, именно анализ накопленных данных на сегодняшний день является одним из самых узких мест технического прогресса.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке технологии анализа данных о пространственно-временных геофизических процессах, изучаемых такими науками о Земле как климатология, океанология, гляциология и геология с целью установления причин взаимозависимости между ними и долгосрочного прогнозирования развития геосферы Земли. Такой прогноз важен для принятия научно-обоснованных решений по освоению новых территорий, развитию и модернизации экономической и социальной инфраструктуры регионов.
Исходная информация о геофизических процессах представляет собой массив зарегистрированных данных, характеризующих состояние исследуемого объекта. Если физическая природа исследуемого объекта и присущие ему закономерности неизвестны, процесс анализа данных начинается с построения простейших эмпирических моделей, отражающих уровень знаний об объекте исследования.
Объектом исследования настоящей работы являются пространственно-временные геофизические процессы, заданные временными рядами, для которых эмпирически устанавливается полигармоническая структура. То есть на основании априорной информации о динамике развития этих процессов сделаны гипотетические выводы о том, что их структура представляет собой сумму нескольких гармонических составляющих. Это утверждение не исключает возможности вынесения других суждений о структуре исследуемых рядов (например, их рассмотрение с позиций динамического хаоса). Однако рассмотрение именно полигармонической структуры позволяет в настоящее время, в частности, разрабатывать долгосрочные прогнозы изменения исследуемых рядов.
Предметом исследования настоящей работы являются модели пространственно-временных геофизических процессов, заданных временными рядами с полигармонической структурой, и методы расчёта их параметров.
На основании анализа имеющихся данных о пространственно-временных геофизических процессах с полигармонической структурой был сделан вывод о необходимости разделения объектов исследования на два класса по признаку устойчивости искомых параметров во времени: на стационарные и нестационарные.
При этом в случае стационарности параметров особого внимания заслуживает нереализованная в настоящее время возможность включения в полигармоническую модель временного ряда составляющих с периодом, превышающим по времени интервал наблюдения (Эйгенсон М.С., Шнитников А.В.). Актуальность решения этой задачи, основывается, во-первых, на коротком (по сравнению с длительностью геофизических периодов) времени наблюдений, а, во-вторых, на том, что амплитуда продолжительных колебаний значительно превышает суммарную амплитуду более высокочастотных составляющих, что определяет значимость её учёта при составлении долгосрочных прогнозов.
Создание метода решения поставленной задачи и оценка вероятностных характеристик искомых параметров позволяет также выявлять геофизические процессы, модели которых содержат сходные по продолжительности периоды, что указывает на их взаимозависимость. Учёт выявленных взаимосвязей необходим при системном подходе к их исследованию.
Для некоторых геофизических процессов, обычно описываемых с помощью полигармонических моделей со стационарными параметрами, эмпирически выявляются некоторые отклонения от принятого описания. Например, для ряда солнечной активности (в числах Вольфа) с середины ХIХ века эмпирически установлено отклонение продолжительности периодов от среднего значения (Швабе С.Г., 1851), а с середины ХХ века – некоторая их асимметрия (Эйгенсон М.С., 1963). Учёт этих отклонений может оказаться существенным для понимания, описания и прогнозирования исследуемых геофизических процессов. В то же время модели подобного рода нестационарности параметров практически неизвестны.
Решение поставленных выше задач с помощью современной компьютерной технологии предоставило возможность получения качественно новой информации о пространственно-временных геофизических процессах с полигармонической структурой. Получаемая информация позволяет создавать долгосрочные прогнозы развития исследуемых процессов и моделировать взаимозависимость между ними, что определяет актуальность настоящей работы.
Целью диссертационной работы является разработка технологии геоинформационного моделирования пространственно-временных геофизических процессов с полигармонической структурой для долгосрочного прогнозирования исследуемых процессов и моделирования взаимозависимости между ними.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих исследовательских задач.
1. Разработка геоинформационного метода периодограмм-анализа с реализацией устойчивого итерационного трёхпараметрического процесса, позволяющего рассчитывать параметры полигармонических моделей пространственно-временных геофизических процессов, заданных рядами с пропусками и неравномерной дискретизацией, включающих составляющие с периодом, превышающим интервал наблюдений.
2. Разработка геоинформационного метода расчёта параметров модели взаимозависимости пространственно-временных геофизических процессов со стационарными параметрами полигармонической структуры, позволяющего объяснять причины взаимозависимости на основе сходства продолжительностей длительных периодов.
3. Разработка геоинформационной модели пространственно-временных геофизических процессов с нестационарными периодами и нелинейной амплитудой, отражающей характеристики нарастания/затухания интенсивности.
4. Разработка полигармонической модели ряда солнечной активности, составление прогноза её изменения, поиск геоинформационных подтверждений прогноза.
5. Разработка полигармонической модели ряда уровня Каспийского моря, составление прогноза её изменения, поиск геоинформационных подтверждений прогноза.
Методы исследования, использованные в работе: теоретические методы исследования включают в себя системный анализ, геоинформационное моделирование, математическая статистика, теория измерений, а также методы машинного моделирования и графики. Экспериментальные методы исследования заключались в проверке соответствия различных видов математических моделей геоинформационным данным, экспериментальном установлении порогов принятия решения на большом количестве эмпирических данных, статистической обработке полученных результатов, сравнении сделанных прогнозов с реальными изменениями исследуемых геоинформационных процессов.
Научная новизна в целом заключается в разработке математического обеспечения геоинформационного моделирования пространственно-временных геофизических процессов с полигармонической структурой для долгосрочного прогнозирования развития исследуемых процессов и установления причин взаимозависимости между ними.
Научную новизну работы определяют следующие положения.
1. Разработан геоинформационный метод периодограмм-анализа с реализацией устойчивого итерационного трёхпараметрического процесса, позволяющий рассчитывать параметры полигармонических моделей пространственно-временных геофизических процессов, заданных рядами с пропусками и неравномерной дискретизацией, включающих составляющие с периодом, превышающим интервал наблюдений. Метод позволяет рассчитывать долгосрочные прогнозы изменения исследуемых процессов.
2. Разработан геоинформационный метод расчёта параметров модели взаимозависимости пространственно-временных геофизических процессов со стационарными параметрами полигармонической структуры, позволяющий объяснять причины взаимозависимости на основе сходства продолжительностей длительных периодов.
3. Разработана геоинформационная модель пространственно-временных геофизических процессов с нестационарными периодами и нелинейной амплитудой, отражающей характеристики нарастания/затухания интенсивности.
4. Разработана полигармоническая модель ряда солнечной активности, включающие составляющую с периодом 1800 лет, объясняющую современное глобальное потепление климата Земли с позиций изменения солнечной активности. Найдены геоинформационные подтверждения прогноза изменения солнечной активности на протяжении последних 2500 лет на примере климата Европы.
5. Разработана полигармоническая модель ряда уровня Каспийского моря, включающая составляющую с периодом 124 года. Найдены геоинформационные подтверждения прогноза изменения уровня Каспийского моря на протяжении последних 100 лет.
Практическая ценность результатов исследований в целом заключается в разработке математического и программного обеспечения геоинформационного моделирования пространственно-временных геофизических процессов с полигармонической структурой для долгосрочного прогнозирования развития исследуемых процессов и количественного установления взаимозависимости между ними.
При этом основную ценность представляют следующие практические результаты диссертационного исследования.
1. Геоинформационный метод и программа для расчёта стационарных параметров полигармонических моделей пространственно-временных геофизических процессов с неравномерной дискретизацией, позволяющие выделять составляющие с периодами, превышающими интервал наблюдения, необходимыми для построения долгосрочных прогнозов. Программа внедрена в ГосНИОРХ.
2. Геоинформационный метод и программа для расчёта параметров моделей взаимозависимости пространственно-временных геофизических процессов, позволяющий объяснять причины взаимозависимости на основе сходства продолжительностей длительных периодов. Программа внедрена в ФГУП "ЦНИИМ" и ФГУП ЦКБ МТ "Рубин".
3. Метод и программа расчёта нестационарных параметров полигармонических моделей пространственно-временных геофизических процессов с полигармонической структурой.
4. Прогноз потепления климата Европы, основанный на полигармонической модели ряда солнечной активности.
5. Прогноз изменения уровня Каспийского моря, основанный на его полигармонической модели.
Положения, выносимые на защиту.
1. Геоинформационный метод периодограмм-анализа с реализацией устойчивого итерационного трёхпараметрического процесса, позволяющий рассчитывать параметры полигармонических моделей пространственно-временных геофизических процессов, заданных рядами с пропусками и неравномерной дискретизацией, включающих составляющие с периодом, превышающим интервал наблюдений. Метод позволяет рассчитывать долгосрочные прогнозы изменения исследуемых процессов.
2. Геоинформационный метод расчёта параметров модели взаимозависимости пространственно-временных геофизических процессов со стационарными параметрами полигармонической структуры, позволяющий объяснять причины взаимозависимости на основе сходства продолжительностей длительных периодов.
3. Геоинформационная модель пространственно-временных геофизических процессов с нестационарными периодами и нелинейной амплитудой, отражающей характеристики нарастания/затухания интенсивности.
4. Полигармоническая модель ряда солнечной активности, включающая составляющую с периодом 1800 лет, объясняющую современное глобальное потепление климата Земли с позиций изменения солнечной активности. Геоинформационные подтверждения прогноза изменения солнечной активности на протяжении последних 2500 лет на примере климата Европы.
5. Полигармоническая модель ряда уровня Каспийского моря, включающая составляющую с периодом 124 года. Геоинформационные подтверждения прогноза изменения уровня Каспийского моря на протяжении последних 100 лет.
Апробация результатов. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы изложены в монографии:
Якушев Д.И. Алгоритмы математического моделирования/Д.И. Якушев. СПб.: МГП “Поликом”, 2002г.-100с.
Результаты работы опубликованы в журналах из перечня ВАК: "Известия ГЭТУ" и "Акустическом журнале", а также в других журналах.
Основные положения докладывались на Международных и Российских научно-технических конференциях, таких как "Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям": SCM-99, SCM-00, SCM-01, SCM-02 (Санкт-Петербург), Международном научном конгрессе "Фундаментальные проблемы естествознания" (Санкт-Петербург, 1998), Международных научных конференциях "Циклы" (Ставрополь, 1997, 1999, 2002), Международной научно-технической конференции "Physcon" (Санкт-Петербург, 2003), Международном симпозиуме "Speech and Computer" SPECOM'2002 (St.Petersburg, 2002), Международной научно-технической конференции "Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации", (Пенза, 2002), 55-ой конференции профессорско-преподавательского состава (СПбГЭТУ, 2002), научно-технической конференции "Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций" (Санкт-Петербург, 1998); школе-семинаре "Актуальные вопросы организации и производства судебных экспертиз" (Санкт-Петербург, 1998), докладывались на семинарах Санкт-Петербургского отделения Метрологической академии России.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 44 научных работы, из них 1 монография, 5 статей в журналах из перечня ВАК, 7 рукописей, депонированных в ВИНИТИ, 3 статьи и тезисы к 23 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях и семинарах.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 1 приложения и списка литературы, включающего 360 наименований. Основная часть работы изложена на 256 страницах машинописного текста. Работа содержит 46 рисунков и 47 таблиц.
