Введение к работе
Актуальность темы Для эффективного решения многих прикладных задач народно-хозяйственного и оборонного характера и, в частности, задач атмосферно-экологического мониторинга, дистанционного зондирования окружающей среды, метеорологического обеспечения расчетного режима полета ракет вдоль заданной траектории и т.п., требуется широкое использование различных видов информации (фактических наблюдений, климатических и прогностических данных) о физическом состоянии атмосферы. Одним из важнейших видов подобной информации являются данные численного прогнозирования полей метеорологических величин по высоте, по пространству и по времени.
В настоящее время такое прогнозирование осуществляется на основе двух базисных методов: гидродинамического и физико-статистического. Первый из них позволяет описать физические законы математическими выражениями, с помощью которых можно выявить все частные случаи поведения метеорологических величин. Другой метод (физико-статистический) уже не предполагает однозначной зависимости между начальными условиями и дальнейшим развитием атмосферного процесса, т.е. предикторы и предиктанты рассматриваются как случайные величины.
Однако на практике решение задач численной оценки распределений метеорологических величин на основе гидродинамических моделей не представляется возможным по ряду причин:
-гидродинамические модели достаточно громоздки из-за необходимости параметризовать процессы взаимодействия различных атмосферных слоев, имеют сушественное ограничение по разрешению и пределу предсказуемости и требуют для своей реализации данных высотных наблюдений за состоянием атмосферы на площади более 1000 км2;
-гидродинамические методы не позволяют с необходимой точностью учесть атмосферные процессы подсеточного масштаба (не говоря уже о мезометеорологических процессах);
-достаточно велик вклад ошибок исходных данных в погрешность гидродинамических схем прогноза.
Кроме того, существует ряд прикладных задач военной геофизики,
решаемых в условиях нарушения международного обмена гидрометеорологической информацией, для реализации которых гидродинамические методы полностью не пригодны.
Для физико-статистических методов эти недостатки не характерны, и поэтому численную оценку параметров атмосферы целесообразно проводить на основе физико-статистических методов, для которых математические модели определяются только по данным экспериментальных наблюдений, взятых для заданного физико-географического региона.
Но и физико-статистические методы требуют для своей реализации обязательной предварительной переработки огромных объемов информации, что на практике (особенно в условиях нарушения информационного обмена) трудновыполнимо.
Таким образом актуальность работы определяется:
-практической потребностью различных отраслей народного хозяйства и обороны страны в специальном метеорологическом обеспечении;
-необходимостью разработки статистических методов восстановления и предвычисления пространственно-временной структуры полей метеорологических величин, которые были бы ориентированны на минимум исходной информации и на получение приемлемых для практики результатов;
-отсутствием оптимальных статистических схем прогноза, используемых для восстановления и предвычисления мезометеорологических полей в условиях редкой сети аэрологических станций, а также при ограничении объема получаемой метеорологической информации.
Цель работы заключалась в том, чтобы разработать новые физико-статистические подходы к анализу, восстановлению и прогнозу пространственно-временной структуры мезометеорологических полей и показать их преимущества перед традиционными методами, особенно при решении задач атмосферно-экологического мониторинга, а также при создании современной системы геофизического обеспечения войск (и, в первую очередь, ракетных войск и артиллерии (РВиА)) на поле боя.
Научная новизна диссертационной работы состоит:
1. в использовании оригинальной модифицированной версии МГУА -физико-статистического метода обработки данных - в задачах численного
восстановления характеристик атмосферы (в частности, температуры и ветра), проводимого по данным радиозондирования и измерений ветрового ли-дара;
-
в разработке комплексной методологии решения задачи сверхкраткосрочного (на срок не более 6 ч.) прогноза характеристик ветра применительно к данным измерений ветрового лидара;
-
в создании специального комплексного алгоритма пространственной экстраполяции трехмерной структуры мезометеорологических полей применительно к задачам обеспечения расчетного режима полета снарядов и ракет вдоль заданных траекторий, а также оценки и прогноза распространения атмосферных примесей вдоль направления воздушного потока;
-
в разработке методологии и комплексного алгоритма объективного трехмерного анализа мезометеорологических полей, осуществляемого в условиях минимума исходной информации и с учетом требований оперативного измерения системы вертикальных координат, размеров, ориентации и шага регулярной сетки точек;
-
в разработке методологии решения задачи о рациональном размещении аэрологических станций (для объективного анализа мезометеорологических полей) и мобильных радиометеорологических станций (для пространственного прогноза тех же полей на неосвещенную данными наблюдений территорию);
-
в разработке принципов построения и конфигурации автоматизированного рабочего места геофизика, предназначенного для метеорологической поддержки ракетных войск и артиллерии.
Научная и практическая ценность работы вытекает из ее направленности на разработку новых методов описания мезометеорологических процессов, а также на построение специализированных алгоритмов восстановления и прогноза мезометеорологических полей, создаваемых применительно к локальному мониторингу атмосферных загрязнений и к геофизическому обеспечению РВиА на поле боя.
Основные результаты работы, связанные с методологией оптимального восстановления средней температуры и среднего ветра, объективного трехмерного анализа мезометеорологических полей в полосе фронта,
а также пространственного и временного прогноза полей температуры и ветра вдоль заданных траекторий полета снарядов и ракет или на неосвещенную данными наблюдений территорию, представлены в научно-технических отчетах по теме "МЕМИТАТОР—РВО" за 1993—1996 гг. и переданы для внедрения в в/ч 64176-Р и в в/ч 42261. На защиту выносятся:
методика, алгоритмы и результаты точностной оценки оперативного восстановления метеорологических характеристик атмосферы, проводимого на основе алгоритмов ММГУА;
методика, алгоритмы и результаты оценки качества восстановления температурной стратификации и составляющих вектора ветра в пограничном слое атмосферы, осуществляемого с помощью ММГУА по данным трехтрассового корреляционного ветрового лидара;
комплексный методический подход к сверхкраткосрочному (на срок менее 6 ч) статистическому прогнозу профилей ветра в пограничном слое атмосферы и результаты его апробации поданным измерений ветрового лидара;
методология, алгоритмы и результаты точностной оценки пространственной экстраполяции (прогноза) трехмерной структуры полей метеорологических величин вдоль заданных направлений переноса атмосферных загрязнений или вдоль траекторий полета снарядов и ракет, а также экстраполяции этих полей на неосвещенную данными наблюдений территорию, которая проводится на основе комплекса альтернативных методов;
методические основы, принципы построения и результаты точностной оценки комплексного объективного трехмерного анализа мезомете-орологических полей, проводимого в условиях автономности и минимума исходной информации на основе оптимального комплексирования альтернативных методов интерполяции;
основные принципы и уточненная методология рационального размещения сети радиометеорологических станций (с точки зрения требований пространственного прогноза и объективного трехмерного анализа мезометеорологических полей);
— принципы построения и конфигурация автоматизированного ра
бочего места геофизика, предназначенного для метеорологической под-
держки ракетных войск и артиллерии в условиях боевых действий.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались в Институте оптики атмосферы (в Отделении оптического зондирования атмосферы). Отдельные разделы и положения работы докладывались на научно-технической конференции ВИККА им. А.Ф. Можайского "Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды (15—16 декабря 1992 г), на 12 Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (1993 г), на 1,2,3 Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" в 1994-1996 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 совместных с соавторами статей и расширенных тезисов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц, включая 12 рисунков и 23 таблицы. Список литературы содержит 99 наименований из них 15 на английском языке.
