Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ н
Глава I. ОШИБКИ В ЗНАЧЕНИЯХ ТЕМПЕРАТУРЫ И ГЕОПОТЕНЦИ
АЛА И МЕТОДЫ ИХ АВТОМАТИЧЕСКОГО.КОНТРОЛЯ . и
1.1. Ошибки наблюдения Н и Т и
1.2. Грубые ошибки в значениях Ни Т 24
1.3. Основные принципы контроля аэрологической информации 29
1.4. Методы контроля значений Ни Т 32
ВЫВОДЫ //5
Глава 2. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ КОМПЛЕКСНОГО ПЯТИКОМПО-
НЕНЇЇЮГ0 КОНТРОЛЯ ЗНАЧЕНИЙ Н И Т Н?
2.1. Основные принципы комплексного пятикомпо-нентного контроля ч?
2.2. Проверка выполнения уравнения статики атмосферы 55
2.3. Горизонтальная, вертикальная и временная интерполяция значений Н и Т 59
2.3.1. Оптимальная интерполяция в\
2.3.2. Горизонтальная оптимальная интерполяция.. 56
2.3.3. Вертикальная оптимальная интерполяция . 79
2.3.4. Временная оптимальная интерполяция до
2.4. Соотношения.мезду компонентами комплексного контроля 96
2.5. Алгоритм принятия.решения.при комплексном
контроле. {09
2.5.1. Структура АПР щ
2.5.2. Идентификация ошибок 12о
ВЫВОДЫ t, 6
Глава 3. РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЯ Н И Т
В МАССИВАХ СИНОПТИЧЕСКОГО ТИПА ПО ГЛОБАЛЬНОЙ
СЕТИ СТАНЦИЙ Б8
3.1. Характеристика данных ПГЭП 138
3.2. Программная реализация и технология контроля массива данных ПГЭП ^2
3.3. Статистическая структура полей Н и Т 146
3.3.1. Нормы и стандартные отклонения йб
3.3.2. Коэффициенты горизонтальной корреляции . ^д
3.3.3. Коэффициенты вертикальной корреляции 157
3.4. Примеры определения ошибок 161
3.5. Распределение грубых ошибок в значениях
Н и Т массива ПГЭП 175
вывода 186
Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЯ Н И Т
В МАССИВАХ П0СТАНЦИ0НН0Г0 ТИПА ПО ГЛОБАЛЬНОЙ
СЕТИ СТАНЦИЙ 18В
4.1. Характеристика информационной базы банка
данных "АЭРОЛОГИЯ" 188
4.2. Программная реализация и технология комплекс
ного статико-вертикально-временного
контроля 189
4.3. Расчет статистической структуры 19з
4.4. Результаты комплексного статико-вертикально-временного контроля для некоторых аэрологических станций 2о?
ВЫВОДЫ 228
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 230
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
В настоящее время все большее значение приобретает широкое использование в народном хозяйстве гидрометеорологической информации и информации о состоянии природной среды. В решениях ХХУІ съезда КПСС отмечается важность решения задачи "изучения строения, состава и эволюции Земли, биосферы, климата, Мирового океана, включая шельф, с целью рационального использования их ресурсов, совершенствования методов прогнозирования погоды и других явлений природы, повышения эффективности мероприятий охраны окружающей среды, развития экологии" (Материалы ХХУІ съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981, с. 147).
Важную роль в решении этой задачи играет изучение физических явлений и процессов, происходящих в свободной атмосфере.
Основным методом исследования свободной атмосферы является аэрологическое зондирование. Наиболее информативным является температурно-ветровое зондирование атмосферы, осуществляемое с помощью радиозондов, запускаемых на аэрологических станциях или кораблях, и позволяющие измерять в процессе подъема радиозонда четыре основные аэрологические величины: температуру, давление, влажность и ветер. После проведения каждого сеанса аэрологического зондирования результаты измерения характеристик атмосферы формируются в виде аэрологической телеграммы и по каналам связи передаются пользователям.
Получаемая в результате аэрологического зондирования информация используется в первую очередь для численного оперативного прогноза погоды, который проводится ежедневно в Гидрометцентре СССР и некоторых других учреждениях Госкомгидромета. Гидрометцентр СССР получает аэрологическую информацию после каждого сеанса зондирования по всей территории СССР, включая
арктические и антарктические станции СССР и научно-исследовательские суда, а также аэрологическую информацию по зарубежной территории, передаваемую по линиям международной связи. Полученная информация служит основой для проведения её объективного анализа - построения полей аэрологических величин, т.е. получения значений этих величин в узлах некоторой регулярной сетки [18]. Проведение объективного анализа является необходимым этапом составления численного прогноза погоды.
Кроме оперативного использования для численных прогнозов погоды результаты аэрологических наблюдений широко используются в, так называемых, режимных целях, т.е. для накопления сведений о гидрометеорологическом режиме и создания фонда исходных данных для проведения разного рода научных исследований [40,72]. Для этих целей в Узбекском республиканском управлении по гидрометеорологии и контролю природной среды (г. Ташкент) данные аэрологических наблюдений проходят необходимую автоматизированную обработку и накопление [72] , а затем передаются в центр долговременного хранения аэрологической информации, функции которого выполняет ВНИИГШ-МЦЦ (г.Обнинск). Здесь эти массивы включаются в информационную базу банка данных "АЭРОЛОГИЯ" [37, 38] .
Кроме того, существуют массивы аэрологической информации, предназначенные для специальных целей,или полученные в результате проведения специальных мероприятий. Примерами массивов такого рода являются массивы данных, полученные в результате проведения Первого глобального эксперимента ПИТАЛ [101] и ряда других международных и отечественных экспериментов и программ (АЛЬПЭКС, РАЗРЕЗЫ и др.).
При любом использовании, анализе и интерпретации аэроло
гической информации необходимо учитывать, что правильность выводов, получаемых при анализе, находится в прямой зависимости от качества данных аэрологического зондирования, от наличия в них ошибок. Поэтому необходимым этапом обработки массивов результатов аэрологических наблюдений оказывается контроль их качества.
С тех пор, как стали проводиться первые аэрологические наблюдения, выполнялся и контроль качества результатов этих наблюдений, но выполнялся субъективно специалистом-синоптиком или аэрологом. Первые методы объективного автоматического контроля качества аэрологической информации были разработаны лишь в пятидесятые годы нашего века в связи с началом использования ЭВМ для обработки метеорологической информации и внедрением численных прогнозов погоды. В дальнейшем автоматизация обработки метеорологической информации получила значительное развитие, поскольку только автоматизация позволяет метеорологии отвечать на всё возрастающие потребности народного хозяйства. Получили определенное развитие и методы автоматического контроля качества аэрологической информации, а контроль стал неотъемлемым этапом в общей схеме обработки этой информации, предшествующим анализу.
В последние годы требования к методам контроля качества метеорологической информации существенно возросли. Это объясняется быстрым ростом объемов поступающей информации, а также потребностью в проведении глобальных и при этом достаточно детальных метеорологических исследований и, в частности, исследований свободной атмосферы. При этом особенно большую как информационную, так и экономическую ценность имеют наблюдения, проведенные в регионах с редкой сетью аэрологических станций, а при рассмотрении временньк рядов наблюдений по каждой станции
- при малой частоте проведения наблюдений (наиболее редкой по горизонтали и во времени реально оказывается сеть точек наблюдения в стратосфере, поскольку только часть радиозондов поднимается выше тропопаузы) Все это приводит к необходимости разработки методов автоматического контроля качества глобальных массивов аэрологической информации, эффективный в условиях реальной неравномерности сети точек наблюдения Настоящая работа посвящена исследованию и разработке методики комплексного многокомпонентного контроля двух основных аэрологических величин - геопотенциала (Н) и температуры (Т) -на стандартных изобарических поверхностях в массивах аэрологических наблюдений по глобальной сети аэрологических станций мира (а также по любому подмножеству станций этой сети) Именно эти аэрологические величины служат основой для численного прогноза погоды и часто оказываются объектом многих климатологических исследований.
Настоящая работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе анализируется происхождение и структура двух типов ошибок в значениях Н и Т на изобарических поверхностях -ошибок наблюдения и, так называемых, грубых ошибок. Формулируются основные принципы контроля качества аэрологической информации. Делается обзор и анализ возможностей обнаружения грубых ошибок в значениях Н и Т существующими методами их автоматического контроля.
Во второй главе описываются методики и алгоритмы разработанного комплексного статико-вертикально-горизонтального и статико-вертикально-временного контроля качества значений Н и Т на изобарических поверхностях в массивах результатов аэрологических наблюдений по глобальной сети аэрологических станций.
Разработанные методы предназначены для контроля массивов, имеющих два основных типа организации - синоптический и постанци-онный-, и основаны на проверке всего комплекса соотношений, определяющих взаимную согласованность Н и Т по уравнению статики атмосферы, а также статистическую согласованность значений каждой величины по вертикали, горизонтали и времени. Дано описание каждого компонента комплексного контроля и приведена оценка возможностей обнаружения с его помощью грубых ошибок. Приведены разработанные алгоритмы принятия решения о правильности, сомнительности и ошибочности контролируемых значений по показаниям сразу всех компонентов комплексного контроля.
Практической реализации комплексного статико-вертикально-горизонтального контроля посвящена третья глава. Разработанный метод использован для контроля качества наблюдений Первого глобального эксперимента ПИТАЛ по глобальной сети аэрологических станций. Значительное внимание уделено задаваемой статистической структуре глобальных полей контролируемых величин. Программная реализация метода выполнена для ОС ЕС ЭВМ с использованием современных принципов программирования. Получены оценки качества аэрологических данных ПГЭП, распределения грубых ошибок по видам, повторяемостям, величине, изобарическим поверхностям и географическим районам.
Четвертая глава посвящена практической реализации разработанного метода комплексного статико-вертикально-временного контроля. Этот метод использован для контроля качества аэрологических наблюдений, включенных в информационную базу банка данных "АЭРОЛОГИЯ", за десятилетний период 1961-70 гг. по ряду аэрологических станций мира. Программная реализация этого метода также выполнена для ОС ЕС ЭВМ. Используемая при контроле статистическая структура контролируемых величин может задаваться априори,
либо рассчитывается на первом этапе контроля. Для каждой из проконтролированных станций получено распределение грубых ошибок по видам, повторяемости, величине, изобарическим поверхностям, а также времени.
Сформулируем кратко основные результаты, полученные в настоящей работе:
- разработан метод комплексного статико-вертикально-гори-зонтального контроля качества значений Н и Т в аэрологических сообщениях, организованных в массивы синоптического типа, по глобальной сети станций;
- разработан метод комплексного статико-вертикально-времен-ного контроля качества значений Н и Т в аэрологических сообщениях, организованных в массивы постанционного типа, по любой станции глобальной сети;
- предложен и реализован в качестве компонента комплексного контроля метод горизонтального и временного контроля значений Н, основанный на интерполяции относительного геопотенциала;
- разработан новый алгоритм принятия решения о правильности, сомнительности или ошибочности контролируемых значений Н и Т;
- исследована адекватность задаваемой статистической структуры глобальных полей Н и Т реальным значениям и предложены конкретные формы задания такой структуры;
- получены количественные оценки коэффициентов вертикальной корреляции ошибок наблюдения Н и Т на изобарических поверхностях;
- выполнен контроль массива данных ПГЭП по глобальной сети аэрологических станций и получены данные о распределении грубых ошибок;
- выполнен контроль десятилетних (за 1961-70 гг.) временных рядов наблюдений для некоторых аэрологических станций мира и для них получены данные о распределении грубых ошибок.
Все разработанные методы контроля и анализа аэрологической
информации программно реализованы на ЕС ЭВМ с использованием современных принципов программирования.
Разработанное программное обеспечение по объединению массивов данных Первого глобального эксперимента ПИТАЛ с исключением задублированных сообщений успешно эксплуатировалось в период проведения ПГЭП для выполнения функций Центре данных уровня П-б по наземным системам наблюдения ПГЭП.
Разработанные методы комплексного многокомпонентного контроля качества значений Н и Т на изобарических поверхностях использовались для контроля массивов аэрологических данных ПГЭП, массивов аэрологических данных по зоне ответственности Советского Союза 8 период проведения Альпийского эксперимента (АЛЬПЭКС), отдельных массивов данных оперативной аэрологической информации по Северному полушарию, поступающей в Гидрометцентр СССР, а также массивов данных, входящих в информационную базу банка данных "АЭРОЛОГИЯ". Программные реализации сданы в Отраслевой и Государственный фонды алгоритмов и программ и могут быть использованы для контроля качества значений Н и Т на стандартных изобарических поверхностях в аэрологических сообщениях, организованных в любые массивы синоптического или постанционного типа.
Основное содержание работы отражено в 12 печатных работах [2-12,94] , подготовленных в период с 1978 по 1984 гг.
Результаты работы регулярно докладывались и обсуждались на семинарах и заседаниях Ученого совета ВНИИГМИ-МЦЦ, на УП (1980), ІУ (1982), X (1983) и XI (1984) конференциях молодых ученых и специалистов ВНИИГШ-МЦД, семинарах Гидрометцентра СССР (1982) и САНИИ (Ташкент, 1984), междуведомственном семинаре по научным результатам ПГЭП (Москва, 1983) и на международной конференции по научным результатам муссонных экспериментов в рамках ПГЭП (Денпасар, Индонезия, 1981).
