Введение к работе
Диссертация посвящена вопросам вероятностного моделирования ветрового волнения с учетом его характерных особенностей и специфики натурных данных на основе подиапазонного подхода к описанию его изменчивости. Для каждого из диапазонов рассмотрены вопросы, связанные со способом задания параметров модели и ее верификации. Особое внимание уделено использованию результатов моделирования для решения ряда практических задач.
Актуальность темы. Волнение, как процесс мелкомасштабного диапазона изменчивости (секунда, десятки секунд), испытывает модуляционную долгопериодную изменчивость, обусловленную сменой условий волнообразования. Эту изменчивость подразделяют на синоптическую, сезонную и менгодовую. К моменту начала работы над диссертацией был завершен этап, исследований волнения .связанный с анализом натурных данных, получены основные вероятностные характеристики ветрового волнения во всех диапазонах изменчивости. На повестку дня был поставлен вопрос о синтезе результатов анализа на основе вероятностных моделей для" их последующего использования, в научных и практических задачах.
В последние годы существенно возросли требования, предъяв- . ляемые к информации о ветре и волнении со стороны тех областей человеческой деятельности, которые связаны'с морем. В частности, в связи со строительством и эксплуатацией свайных оснований для добычи нефти и газа, с планированием операций для судов с ограниченными условиями плавания и, особенно, для оценки времени хода судна до порта-убекища, а, также, продолжительности окон погоды.
Синтез сведений о волнении в вероятностных моделях позволяет наиболее полно и скато учесть свойства процесса, а, также, получать те статистические характеристики, которые невозможно оценить
по крайне ограниченным отрезкам измерении волнения и наблюдений над ним, и использовать модели для перенесения на ненаблюдаемые ситуации.
Рель и задачи работы. При анализе натурных данных ветровое волкение рассматривается как полициклический полимодулированный случайный процесс. Его полицикличность обусловлена наличием в волновом поле систем ветрового волнения и зыби, что приводит к многовершинному спектру. В то-ке время волнение является и полимоду-лированным процессом в масштабе синоптической, сезонной и мецгго-довой изменчивости и поэтому характеризуется частотно-временным S(u),t) или двухчастотным S(u,fl) спектром. Поскольку общих методов оценивания двухчастотного спектра пока еще не разработано, предполагается, что его можно сконструировать в виде свертки маргинальных спектров вследствие разнесенности их частотных диапазонов. Тогда, построение модели можно производить для каждого диапазона в отдельности.
Отсюда, целью ;диссертационной работы является разработка системы вероятностных моделей ветрового волцения как полимодули-|»ьанного полициклического случайного процесса, позволяющих синтезировать сведения о его вероятностных характеристиках, получе* них По натурным данным и учитывающих их специфику. Для достиженш этой цели были поставлены следующие задачи:
синтезировать с помощью модели в каждом диапазоне изменчі вости волнения сведения о нем, полученные по натурным данным;
верифицировать модели по вероятностным характеристикам, н< являющимися параметрами моделей.
На защиту выносятся следующие положения:
- модели класса авторегрессш, нелинеЯные по функции распре-делениі, с двумя внешними параметрами - спектральной плотность]
эли) и одномерной функцией распределения ординат РЛх), используются для синтеза результатов анализа натурных данных ветрового волнения во всех диапазонах изменчивости;
после идентификации и верификации модели в одном диапазоне изменчивости, она может быть перенесена на ненаблюдаемые ситуации или в другой диапазон изменчивости с учетом его характерных особенностей и специфики натурных данных;
построенные в работе модели позволяют изучить закономерности штормов и окон погода, дать оценку наибольших высот вола и охарактеризовать достоверность оценок их рехимных функций распределения с учетом связности временных рядов натурных данных.
В ходе работы эти положения были обоснованы. Научная новизна:
- впервые осуществлен синтез вероятностного анализа натурных
данных ветрового волнения в терминах корреляционных функций
КЛт), частотных спектров S,(to) и функций распределения Рг(х) в
„виде нелинейных по функции распределения моделей класса авторег-рессии с двумя внешними параметрами: S,(off и Р,(х), во всех диапазонах изменчивости;
-г с помощью параметрического метода оценивания спектральной
плотности обоснованы рекомендации по идентификации.модели в раз
ных диапазонах изменчивости;
- обоснован способ верификации модели по тем вероятностным
характеристикам натурных данных ветрового волнения, которые в
модель не закладывались;
- на основе модельных расчетов получены вероятностные характеристики штормов и окон погоды и экстремальных значений волнения в разных диапазонах изменчивости, которые не удавалось вычислить на основании теории выбросов случайных процессов;
' - предложен метод определения достоверности оценок рекимных функций распределения высот волн с учетом характерных особенностей процесса.
Практическая ценность работы связана с возможностью расчета вероятностных характеристик волнения в разных диапазонах изменчивости при различных условиях волнообразования для районов, не (Обеспеченных для этого натурными данными, а также получения таких вероятностных характеристик, для расчета которых наблюдения даеют не достаточную продолжительность. Предложенная модель была .использована для расчета вероятностных характеристик штормов и окон погоды для районов Баренцева и Охотского морей при выполнении работ по хозяйственному договору с ЦКБ "Коралл" о выполнении інаучно-исследовательской работы "Определение гидрометеорологичес-жих элементов для проектирования средств освоения шельфа" в 1985-Л990 гг. для расчета нагрузок на суда и сооружения. Расчеты экстремальных волн, возможных раз в п лет для разных диапазонов изменчивости, их интервальные оценки и оценки их функций распределения , а также характеристики синоптической изменчивости были получены по модели в ходе исследований по заданию 03.16 проект "Ветровое волнение" общегосударственной комплексной программы исследований и использования Мирового океана в интересах науки и народного хозйства на І986-1990 гг; вопросы, связанные с идентификацией спектральной структуры и синтеза информации о волнении на промежутке квазистационарности для сжатия волнограф-ной информации в волновом банке данных исследовались в теме по договору с НПО "Союзмсринжгеология" "Разработать рекомендации по анализу структуры морского волнения и течений в частотной области и расчету их экстремальных характеристик" в 1989-19Э0гг и по дого-вроу с ЦКБ "Восток" "Определение параметров гидрометеоусловий
(ветер, волнение, течения) в районе эксплуатации судна и их форлализация в математических моделях- добычного комплекса" в 1988-1989 гг. Оценивание достоверности режимных функций распределения и их квантилей проводилось в работе по договору с ЦТКБ Шш-речфлота НПО "Судостроение" "Комплекс работ по созданию справочных материалов по долговременным характеристикам волнения в прибрежных районах на трассах эксплуатации судов смешанного плавания" в I93I-I993 гг.
Апробация работы. Основные результаты, полученные по теме диссертации докладывались и обсуждались на: П Всесоюзном симпозиуме "Статистические измерения и применение микромашинных средств в измерениях" (Рига, 1984), П,1У Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных процессов" (Севастополь, 1985, Петрозаводск, 1991), Ш съезда советских океанологов (Ленинград, IS87), Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенство-^ ваниэ средств и методов экспериментальной гидромеханики судна для развития научно-технического прогресса в судостроении" (Ленинград, IS88), П меаотраслевом акустическом семинаре "Модели, алгоритмы,принятие решений" (Москва, 1988), Всесоюзном совещании "Актуальные проблемы развития океанографической информации"(Обнинск, 1989), Пятнадцатой всесоюзной школе-семинаре по статистической гидроакустика (Владивосток, IS89), Всесоюзной научно-тех-ккчзсксй конференции "ИоЕїшзншє зффэкяшшостн экспериментальных Есслэдовашй гидрдаэхшЕПщ судна для решения проблемных задач в судостроении" (Калининград, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Идентификация, измерения характеристик и имитация случайных сигналов" (КовосиОирск, 1991), научно-технической конференции стран СНГ "Проблеш метрологии гидрофизических измерз-
нийи (Москва, 1992)„ научных семинарах ВГО, СПО ГОИН.
Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключался в постановке задачи, в обосновании применяемых методов обработки и анализа данных выбора, процедур моделирования и оценивания параметров модели, постановке задач на ЭВМ, интерпретации результатов и их использования для решения практических задач.
Структура и объем работы. Диссэртаци состоит из введения, четырех глав, заключени и списка литературы. Общий объем работы равен 202 страницам, включая 120 страниц машинописного текста (без списка литературы), 14 таблиц и 46 рисунков, список литературы включает 123 наименования, в том числе 43 на иностранных языках..
