Автоматизированная информационная система мониторинга территориального распределения общего содержания озона по данным всемирного банка TOMS

• Автор: Базаров, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Глава 1 Общее содержание озона (ОСО) и его роль в атмосфере

§1.1 Физические и химические свойства озона

§ 1.2 Методы измерения и динамика ОСО

1.2.1 Наземные измерения ОСО

1.2.2 Бортовые измерения ОСО

1.2.3 Спутниковые измерения ОСО

1.2.4 Информационные системы экологического мониторинга

1.2.5 Динамика поведения ОСО

§ 1.3 Ультрафиолетовое излучение солнца и его воздействие на здоровье человека

Выводы

Глава 2 Алгоритмы и методы реконструкции динамики поведения ОСО над территорией

России на основе спутниковых данных
§ 2.1 Измерения ОСО в Бурятии
§ 2.2 Описание Всемирного банка данных TOMS и методы обработки
§ 2.3 Алгоритмы построения региональных карт ОСО
2.3.1 Построение карт распределения ОСО по России
2.3.2 Построение карт распределения ОСО по регионам
§ 2.4 Интерфейс информационной системы «Атламас»
Выводы
Глава 3 Анализ влияния изменчивости ОСО в Бурятии на уровень заболеваемости
злокачественными новообразованиями кожи
§ 3.1 Выбор и обработка данных для проведения корреляционного анализа
§ 3.2 Анализ связи вариаций общего содержания озона с уровнем заболеваемости
злокачественными новообразованиями кожи
§ 3.3 Половозрастные особенности заболеваемости ЗНК в зависимости от вариации

Выводы
Заключение
Литература

Актуальность темы. Стратосферный озон среди атмосферных составляющих, эффективно взаимодействующих с солнечным излучением и в значительной степени влияющих на его проникновение в атмосферу, занимает особое место. Озон обычно относят к одной из малых примесей атмосферы, поскольку его общее содержание составляет всего лишь 0,64x1 O'6 массы всей атмосферы. Однако, значимость озона в атмосферных процессах достаточно велика, что и обусловливает большой интерес к колебаниям его концентрации, связанным с процессами образования и разрушения. Являясь оптически активным газом, озон, поглощая, главным образом, ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне 200+300 нм, определяет термический режим стратосферы, существенно влияет на стратификацию температуры и предотвращает попадание биологически активного жесткого ультрафиолета на поверхность Земли.
Измерения общего содержания озона (ОСО) в атмосфере проводятся с 1920-х годов. С тех пор методы измерений эволюционировали от наземных до бортовых (аэростатов, самолетов, ракет) и спутниковых. Достижения в развитии приборного оснащения позволили расширить измерения озона от столба атмосферы над наземной станцией до ежедневного глобального охвата озоносферы Земли. Информация, получаемая в результате спутниковых измерений ОСО над территорией земного шара по геодезической сетке вхХ—1 °х1,25° сосредоточена и накапливается во Всемирном банке данных TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) и предоставляется в свободное пользование через Интернет-сайт
Объем информации, получаемый в результате обработки данных из ежедневно обновляемого Всемирного банка TOMS, постоянно увеличивается, совершенствуется как сам спектрометр, так и алгоритм обработки данных, поступающих с каналов TOMS. В настоящее время рекомендуется использовать результаты работы новой версии 8 алгоритма обработки TOMS данных, с уровнем погрешности 2-3 %. Это весьма приемлемая точность для спутниковой информации, поэтому на первый план выходят задачи ее обработки и анализа. С 2005 года по настоящее время ГОМЛ-программу продолжает находящийся на орбите более совершенный спектрометр OMI (Ozone Meter Instrument). Практически все исследования, посвященные использованию спутниковых данных, сводятся к сопоставлению результатов космических (ОМ1) и наземных измерений над географическими координатами наземных станций. В России такие исследования проводит Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО), информационная система которой рассчитывает и строит изолинии отклонения ОСО над Евразией. Однако такие исследования не обеспечивают достаточной информацией
задачи анализа атмосферно-биосферных связей, поскольку наряду с изолиниями необходима дополнительная информация. В ряде случаев требуется подсчет среднего содержания ОСО в территориально-административных единицах, которые редко имеют правильные геометрические границы, для чего зачастую необходима информация о непрерывных зависимостях из дискретных данных ОСО в точках между геодезической сеткой спутниковых измерений. Решение подобного рода задач требует принципиально иной информационной системы. Для ее организации требуется решить взаимосвязанный круг задач от организации структуры базы данных до реализации алгоритмов и методов обработки и анализа полученной информации.
Целью диссертационной работы является создание автоматизированной системы для информационного обеспечения экологического мониторинга и контроля территориального распределения общего содержания озона (ОСО) для анализа статистических показателей и построения карт ОСО.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка программных средств обработки потока информации из обновляемого Всемирного банка данных TOMS для формирования временных рядов и электронных карт статистических показателей ОСО для регионов России;
2. Анализ способов графической визуализации информации, выбор наиболее подходящих достоверных методов и разработка на их основе оригинальных алгоритмов преобразования дискретных данных в непрерывные зависимости и их экспериментальное исследование;
3. Разработка алгоритмического и программно-технического комплекса методов и алгоритмов следующих блоков системы: а) накопления и сбора данных ОСО;
б) статистической обработки данных; в) визуализации; г) обработки больших массивов данных в фоновом режиме;
4. Использование с целью практического применения автоматизированной информационной системы для исследования атмосферно-биосферных связей на примере корреляционного анализа связи изменчивости уровня ОСО с показателями злокачественных новообразований кожи (ЗНК) в Республике Бурятия.
Научная новизна.
• Предложен новый метод обработки спутниковой информации для расчета непрерывных зависимостей из дискретных данных Всемирного банка TOMS и визуализации динамики пространственно-временного распределения ОСО на основе известных алгоритмов;
• Разработана и реализована информационная система автоматизированной
Рисунок 1.10. Распределение средних за каждый месяц амплитуд колебаний суммарного озона (е.Д.) в зависимости от широты и времени года [40]
На рисунке 1.11 представлен типичный вертикальный профиль озона в средних широтах северного полушария. Стратосфера находится между тропопаузой и стратопаузой. На рисунке как функция высоты представлены участки солнечного спектрального УФ-облучения (СУФО) для УФ -А (320^100 нм), УФ-В (280-320 нм) и УФ-С (200-280 нм). Ширина полосы указывает на количество энергии, уменьшающейся с высотой. УФ-С энерг ия быстро уменьшается при приближении к земной поверхности, как из-за увеличения озона, так и из-за сильного поглощения атмосферы в диапазоне 200-280 нм. УФ-5 также сильно поглощается, но небольшое количество достигает поверхности земли. УФ-А слабо поглощается озоном, но из-за крайне слабого влияния на приземную биоту и сильного поглощения другими составляющими атмосферы не представляет особого практического интереса.