Введение к работе
Актуальность работы. Существующие наземные наблюдательные сети представляют собой основу для сбора гидрометеорологической информации (Г:.1И). К числу недостатков наземных сетей, в частности, аэрологической сети, относятся низкое пространственное разрешение в районах с редкой сетью, высокая стоимость информации, получаемой в труднодоступных районах (полярные, горные, океанические). Среди достоинств наземных сетей следует отметить точечный (неосрсднённый) характер получаемой ШИ. Естественным и необходимым дополнением к данным аэрологической сети является информация, получаемая путём спутникового дистанционного зондирования атмосферы (ДЗА). Наиболее привлекательной стороной спутниковых методов является глобальный характер получаемой Гг-Ш, что открывает широкие возможности для глубокого изучения атмосферных процессов различных пространственных и временных масштабов. Л недостаткам спутниковой системы ДЗА относятся: сравнительно высокий уровень ошибок измерений; коррелированный характер этих ошибок; 'снижение возможностей ДЗА из-за облачности. Накопленный опыт использования данных метеорологического дистанционного зондирования со спутников Г 5 3 свидетельствует об актуальности постановки и рассмотрения задачи их оптимального комплексирования с данными аэрологической сети станций. Одним из эффективных направлений в исследованиях по оценке глобальных систем наблюдений является численное моделирование на Эй.'Л с использованием обширной архивной наблюдательной информации. Проблема оптимального синтеза данных наземных и спутниковых метеорологических наблюдений имеет важное практическое значение из-за ограничения возможных финансовых затрат на поддержание не только космических" средств, но и наземных наблюдательных сетей. Для рационализации наземных сетей уже разработан целый ряд методов и получены практические результаты [2,6] . Ьыполнено значительное число исследований по оптимизации космических систем дистанционного зондирования атмосферы по таким характеристикам, как число и конфигурация спектральных каналов зондирования, пространственное разрешение, периодичность измерений и т. д. 5,б] Учитывая взаимодополняющий характер обоих видов наблюдений, оптимизация соответствующих систем наблюдений в комплексе представляется ещё более существенной задачей. В [ 7 ] сделана первая попытка решения проблемы оптимального синтеза наземных и спутниковых систем наблюдений в связи с численным прогнозированием поля геопотенциала H^qq в северном
полушарии на срок до 3 суток на основе метода "сопряжённых уравнений". В то же время в круг задач климатического мониторинга зх'")дит задача слежения за атмосферными процессами временного масштаба от месяца и более. Это обстоятельство не может быть неучтённым в определении способа оптимального комплексирования данных аэрологических и спутниковых измерений.
Последнее время в работах по оптимизации систем наблюдений всё отчётливее намечается переход от эмпирических подходов к математическим методам теории планирования эксперимента в связи с этим мокно отметить, что эти математические методы в их классической формулировке не всегда отвечают конкретным целям практических задач. Это приводит к необходимости разработки методик, с одной стороны, основанных на фундаментальных положениях и результатах а-еории планирования эксперимента, с другой стороны -имеющих более практических характер. Перечисленные выше обстоятельства определяют необходимость проведения специальных разработок на стыке прикладной математики и геофизики.
Целью работы является разработка метода построения оптимальных пространственных схем для наблюдения за флуктуациями поля атмосферного давления различного временного масштаба как при аэрологических (региональных)наблюдениях, так и при совместных (глобальных) аэрологических и спутниковых наблюдениях в северном полушарии.
Научная новизна работы состоит в следующих результатах:
Разработан метод вычисления пространственно-временных эмпирических ортогональных функций (ЭОО), позволяющих определить пространственную структуру колебаний поля метеоэлемента заданной временной периодичности.
Получены связи между различными внутригодовыми периодичностями и пространственными аномалиями поля sLqq в северном полушарии.
Разработан метод построения оптимальной (минимальной по количеству пунктов) пространственной схемы наблюдений за флуктуациями поля H^qo определённого временного масштаба или сезона при совместном использовании различных систем наблюдений.
Практическая ценность.
Разработанные методы, основанные на информационно-статистическом подходе теории планирования эксперимента, позволяют решать следующий ряд задач:
- Построение оптимальной пространственной схемы наблюдений за
колебаниями поля метеоэлемента заданного временного масштаба или
сезона. Задача может быть решена как для всей территории, по ко-
торой имеется архив наблюдений за данным метеоэлементом, так и для любой части этой территории.
Оптимальное размещение новых пунктов наблюдения или перемещения существующих для целей задачи - Г.
Оптимальное комплексирование систем наблюдений (с различными уровнями и различными пространственными корреляциями ошибок наблюдений).
На защиту выносятся:
-
Метод спектрального анализа временных рядов данных со скользящей базой.
-
Метод исследования пространственно-временной структуры поля ^500 в севеРН0М полушарии с помощью сезонных и пространственно-временных ЭОФ.
-
Метод построения оптимальных (с минимальным числом пунктов) пространственных схем наблюдений за колебаниями поля H^qq временной периодичности от года до месяца и естественными флуктуа-циями поля Hjjqq в зимний и летний сезоны; результаты оптимизации отечественной аэрологической сети.
-
Метод оптимального комплексирования систем наблюдений (с различными уровнями и различной пространственно-статистической структурой ошибок измерений); "ключевые" районы сбора спутниковой информации (для целей 3) с учётом отечественной аэрологической сети и сети северного полушария.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 104 страницы машинописного текста, 2 таблицы и 48 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 102 наименования.