Алгоритмы и программное обеспечение для обработки и моделирования атмосферных климатообразующих факторов

• Автор: Золотов, Сергей Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 147 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОПУЩЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1.1. Введение

1.2. Основные методы восстановления пропущенных величин временных рядов.

1.2.1. Интерполяция с помощью различных полиномов

1.2.2. Интерполяция с помощью сплайнов.

1.2.3. Статистические методы восстановления пропущенных данных

1.3. Основные методы прогноза временных рядов

1.3.1. Прогнозирование временных рядов с помощью регрессионных моделей .

1.3.2. Прогнозирование временных рядов с помощью сингулярного разложения

1.4. Прогноз и восстановление данных временных рядов с помощью вейвлетпреобразования
1.5. Сравнение различных математических методов интерполяции и прогноза климатических величин
1.5.1. Восстановление пропущенных значений ряда климатических величин.
1.5.2. Экстраполяция прогноз рядов наблюдений климатических величин
1.6. Выводы
ГЛАВА 2. ПОТОКИ МЕТАНА ЗАБОЛОЧЕННОЙ ТЕРРИТОРИИ
ЗАПАДНОЙ СИБИРИ.
2.1. Введение
2.2. Методика измерений
2.3. Расчет потоков метана.
2.4. Выводы.
ГЛАВА 3. МОДЕЛИ ВЫСОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТ АТМОСФЕРЫ.
3.1. Введение.
3.2. Статистические модели
3.3. Определение высотного распределения метеорологических величин на основе наземных данных.
3.4. Определение профиля озона на основе данных озонометра М4.
3.5. Выводы.
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ РАДИАЦИИ В
БЕЗОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ.
4.1. Уравнение переноса радиации
4.2. Методы расчета функции пропускания атмосферы со средним и низким спектральным разрешением.
4.3. Модели полос поглощения
4.4. Модифицированная комбинированная методика
4.5. Расчет пропускания смеси газов.
4.6. Моделирование потоков тепловой радиации и радиационного выхолаживания атмосферы.
4.7. Выводы.
ГЛАВА 5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ И
МОДЕЛИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
5.1. Обзор существующего программного обеспечения .
5.2. Программное обеспечение обработки данных эмиссии метана
5.3. Программное обеспечение для прогноза и восстановления пропущенных значений климатических величин с помощью вейвлетпреобразования.
5.4. Программное обеспечение для расчета вертикальных потоков тепловой радиации с помощью модифицированной комбинированной методики.
5.5. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Увеличение температуры на 2 °С увеличивает эмиссию на %, % и % соответственно в северных, умеренных и тропических болотах: сильная чувствительность к температуре в северных и умеренных широтах. Целью данной работы является создание новых и усовершенствование известных методов и алгоритмов обработки данных реальных измерений климатических величин, развитие приближенного метода расчета тепловой радиации атмосферы, а также разработка соответствующего программного обеспечения. Провести анализ современных методов интерполяции и экстраполяции рядов атмосферных климатических величин и создать методику прогноза и восстановления пропущенных значений. Усовершенствовать модель преобразования данных эмиссии метана с учетом переходной функции детектора. Создать быструю и точную методику расчета потоков тепловой радиации Земли. Метод, основанный на математическом аппарате непрерывного вейвлет-преобразования, обеспечивает прогноз и восстановление пропущенных величин тех временных последовательностей, в которых проявляется колебательная структура. Усовершенствованная модель детектора метана действующего измерительного комплекса снижает среднюю погрешность определения величины потока эмиссии газа с до 8 процентов. Разработанная модифицированная комбинированная методика позволяет рассчитывать атмосферные радиационные потоки с приемлемой для практических целей точностью (с погрешностью порядка одного процента). Созданное программное обеспечение дает возможность быстро и достаточно точно рассчитывать тепловые потоки атмосферы Земли как при наличии реальных рядов наблюдений атмосферных величин, так и с помощью их различных модельных значений. Для прогноза/интерполяции климатических величин применен новый подход, основанный на продолжении/восстановлении во времени вейвлет-коэффициентов исходной величины. Предложенная модель детектора метана позволяет учитывать герметичность соединительных трубок и время, необходимое для поступления содержимого камеры непосредственно на детектор, благодаря использованию теории линейных систем управления. Разработанная модифицированная комбинированная методика позволяет уменьшить время расчета пропускания атмосферы в десятки раз (по сравнению с эталонным методом) за счет параметризации этой величины, а также значительно увеличить точность расчета по сравнению с эмпирическими методами. Практическая ценность работы определяется следующими результатами. Алгоритм и программное обеспечение прогноза климатических характеристик с помощью математического аппарата непрерывного вейвлет-преобразования позволяет строить качественные прогнозы таких климатообразующих факторов как числа Вольфа, температуры, влажности, давления и других, в которых явно или неявно проявляется колебательная структура. Эти прогнозы могут быть использованы для решения различных задач, связанных с сельским хозяйством, отдельными отраслями промышленности, службами ГО и ЧС для предупреждения различных природных катаклизмов (пожаров, наводнений, засух, ураганов и т. Данный алгоритм и ПО применяются и для корректного восстановления пропущенных значений климатических величин, что позволяет увеличить временные ряды наблюдений для их дальнейшей обработки и анализа. Усовершенствованная модель метанового детектора, помимо повышения качества восстановления эмиссии метана, увеличивает временные ряды наблюдений, так как при этом количество отбракованных экспериментов удается существенно понизить. В конечном итоге достигается определенный экономический эффект, связанный с уменьшением затрат на проведение экспериментальных работ. Модифицированная комбинированная методика и пакет программ обеспечивают расчеты тепловых потоков в широком диапазоне длин волн (от 0 до 0 см'1 - от 1 до мкм) в реальном масштабе времени и может успешно использоваться в радиационном блоке климатических моделей, в задачах локального газоанализа и др. Апробация работы: результаты работы представлены на 7, 9 Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» , гг. Томск [, ]; , Международных научно-студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» , гг.