Введение к работе
Актуальность проблемы. Практическая необходимость разработки современных радиотехнических систем связи и прогноза распространения радиоволн требуют более детальных знаний о динамике верхней атмосферы. Одной из насущных проблем является изучение взаимосвязи между термодинамическими процессами верхней атмосферы и параметрами ионосферы. Так, подтверждение и развитие существующей концепции метеорологического контроля неоднородной структуры нижней ионосферы требует более детального изучения термодинамических процессов верхней атмосферы, а так же их связи с вариациями гелио-геомагнитных параметров. Решение этих задач неразрывно связано с проблемой построения глобальных динамических моделей и изучения климата верхней атмосферы. Существующие модели основываются на эмпирических данных и, как правило, не учитывают факторы, влияющие на долгопериодные изменения термодинамических параметров атмосферы, механизм которых на сегодняшний день до конца не определен. В связи с этим необходимо, используя накопленный материал, определить глобальные и региональные особенности циркуляции, а так же динамику высотной структуры верхней атмосферы с целью обобщения на основе существующих моделей, дополняя эти модели новыми факторами.
Имеющиеся на сегодняшний день ряды длительных наблюдений преобладающего ветра высот мезосферы-нижней термосферы с измерением высот, полученные с использованием метеорных, MST и MF радаров, позволяют проводить исследование высотно-широтного распределения ветрового режима в области нижней и средней атмосферы. Однако специфика рядов наблюдений состоит в том, что они, во-первых, имеют разрывы в рядах измерений, во-вторых, поведение измеряемых параметров носит, как правило, нестационарный характер. Вторая особенность определяется как собственной изменчивостью циркуляции верхней атмосферы, так и влиянием изменений солнечного излучения и магнитного поля Земли. Таким образом, становится насущной задача определения параметров циркуляции по интервалам наблюдений конечной длины как непрерывным, так и разрывным. Для ее решения необходимо использование современных статистико-
вероятностных подходов к оцениванию и моделированию временных рядов. Одним из таких подходов является спектральное оценивание. Спектральное оценивание вот уже в течение нескольких десятилетий относится к числу традиционных областей исследования. Появление цифровых (дискретных) алгоритмов оценивания быстрого преобразования Фурье значительно расширило роль спектрального оценивания и превратило его из средства узкоспециализированных научных исследований в средство решения многих практических задач. Практика применения методов спектрального оценивания с использованием конечных наборов данных в значительной мере основывается на результатах экспериментов и обычно требует использования тех или иных конкретных компромиссов. К сожалению, имеется очень ограниченное число статистических моделей, пригодных для нужд практики, поскольку большинство подходов в статистическом анализе основываются на использовании асимптотических свойств данных, то есть они применимы только в случае неограниченного ряда данных. С другой стороны, достаточно бурное развитие прикладных методов математической статистики и теории вероятности привело к появлению целого ряда методов оценивания, которые, используя стохастическое модельное представление временного ряда, позволяют получить более точные оценки по интервалам наблюдений конечной длины, по сравнению с классическими методами спектрального оценивания. Такими методами являются параметрические методы спектрального оценивания, наиболее известные из них: метод скользящего среднего, авторегрессии, авторегрессии и скользящего среднего, авторегрессии и проинтегрированного среднего, метод максимума энтропии.
Использование указанных выше подходов к оцениванию временных рядов позволит исследовать детальную картину высотно-временных вариаций преобладающих движений верхней атмосферы с целью развития существующих эмпирических моделей верхней мезосферы-нижней термосферы.
Целью диссертационной работы является: 1. Обоснование и сравнение статистических методов анализа применительно к экспериментальным временным рядам, полученным радиофизическими методами, с целью получения
достоверных оценок динамических параметров верхней атмосферы по коротким интервалам наблюдений.
-
Исследование высотной структуры долгопериодных вариаций преобладающей зональной и меридиональной циркуляции и ее зависимости от изменения солнечной активности в пределах 11-летнего цикла (1986-95 гг.).
-
Исследование высотной структуры межсуточных вариаций преобладающего ветра с временными масштабами, соответствующими планетарным волнам, по коротким рядам измерений, а так же построение моделей краткосрочного прогнозирования на основе авторегрессионной модели временного ряда.
Научная новизна состоит в следующем:
-
По методу максимума правдоподобия получены оценки дисперсии и математического ожидания параметров модели циклических компонент для случая, когда интервал наблюдения сравним с периодом оцениваемых составляющих.
-
На основе анализа многолетних радиометеорных ветровых измерений установлена взаимосвязь долгопериодных изменений преобладающей зональной циркуляции с изменением солнечной активности в пределах 11-летнего солнечного цикла; получены оценки коэффициента солнечной зависимости для высотной структуры годовых, полугодовых и среднегодовых вариаций зонального ветра.
-
Обоснован и апробирован авторегрессионный метод оценивания спектрального распределения межсуточных вариаций преобладающего ветра, позволяющий оценивать спектральное распределение по коротким интервалам наблюдений.
-
Обоснован и апробирован метод построения прогностических моделей динамики ветрового режима для краткосрочного прогнозирования межсуточных вариаций и определения моментов изменения параметров циркуляции.
Практическая ценность настоящей работы состоит в
следующем:
Оценки коэффициентов солнечной зависимости долгопериодных изменений ветрового режима зональной циркуляции могут быть использованы при развитии глобальных моделей циркуляции с учетом солнечных факторов;
Полученные зависимости оценок математического ожидании, дисперсии амплитуды и фазы циклических компонент от. интервала наблюдения и фазы исследуемого сигнала важны для планирования радпометеорных измерений и позволяют сделать рекомендации по выбору интервала наблюдения и метода оптимальной обработки. На защиту выносятся:
-
Предложенные модели циклических компонент и авторегрессии для моделирования и прогнозирования поведения преобладающей циркуляции, а также оценки дисперсии и математического ожидания параметров указанных моделей;
-
Оценки связи долгопериодных вариаций годовой, полугодовой и постоянной составляющей ветрового режима и изменения солнечной активности, подтверждающие солнечное влияние на преобладающую циркуляцию в пределах 11-летнего цикла;
-
Оценки высотного распределения интенсивности межсуточных вариаций, полученные с помощью авторегрессионного метода для коротких интервалов наблюдений; результаты краткосрочного прогнозирования межсуточных вариаций с временными масштабами, соответствующими планетарным волнам, наблюдаемых в измерениях скорости ветра.
Достоверность полученных результатов подтверждена статистикой многолетних радиометеорных наблюдений циркуляции верхней мезосферы-нижней термосферы, а так же методически обоснованной обработкой результатов измерений. Методические рекомендации по применению представленных моделей основываются на статистико-вероятностном подходе к анализу временных рядов с учетом особенностей, накладываемых исследуемыми процессами.
Личный вклад автора:
Предложена модель связи долгопериодных вариаций преобладающей циркуляции с изменением солнечной активности;
Разработана методика и программное обеспечение, позволяющее оценивать спектральную плотность изучаемых рядов с помощью классических и авторегрессионных методов;
Разработана методика и программное обеспечение краткосрочного прогнозирования значений преобладающего ветра;
Разработана методика оценивания амплитуды и фазы, а так
же их математического ожидания и дисперсии для модели циклических компонент для коротких интервалов наблюдений.
Апробация работы и публикации. Диссертационная работа является плановой, утверждена Ученым советом Казанского Государственного Университета и выполнена в соответствии с планами исследований, проводимых в Проблемной Радиофизической Лаборатории Казанского Государственного Университета по темам: бюджетного финансирования - "Исследование физики атмосферы и солнечно-атмосферных связей радиофизическими методами", Российских грантов РФФИ, Международного фонда Сороса и РФФИ-INTAS.
Основные результаты диссертации изложены в 12 работах и докладывались на Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" ( Томск, 1996 ); на 31-й Научной Ассамблеи "COSPAR" (Англия, Бирмингем 1996 ); на Международной конференции "Метеорные частицы в атмосфере Земли" (Харьков, 1996), а так же на научных конференциях Казанского государственного университета.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются в программе подготовки магистров, а так же при выполнении курсовых и дипломных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, содержит 132 страницы, в том числе 34 рисунка, 4 таблицы. Библиография - 102 названия.