авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Диагностика состояния полей озона и уф-облучённости и их моделирование

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Крученицкий Григорий Михайлович

ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ПОЛЕЙ ОЗОНА

И УФ-ОБЛУЧЁННОСТИ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

специальность 25.00.30 –

метеорология, климатология, гидрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Долгопрудный

2007 г.

Работа выполнена в ГУ «Центральная аэрологическая обсерватория» Росгидромета

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Костко О.К.

Доктор физико-математических наук, профессор Сидоренков Н.С.

Доктор физико-математических наук, профессор Тулинов Г.Ф.

Ведущая организация – ГУ НПО «Тайфун»

Защита состоится «__» «_______» 2008 г. в 11 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.049.01 Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН по адресу:

РФ, 107258 Москва, ул. Глебовская, д.20б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ «Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН»

Автореферат разослан «__» «_______» 2007 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета

доктор географических наук Г.М. Черногаева

Актуальность проблем состояния озонового слоя атмосферы, его долговременной эволюции, а также причин этой эволюции и её последствий для состояния биосферы и климатической системы Земли связана с тем, что эти проблемы давно вышли за рамки чисто академических и постоянно привлекают к себе внимание широкой общественности, правительственных и деловых кругов. Это обусловлено, как чрезвычайно важной ролью озона, выполняющего функцию своеобразного экрана, защищающего биосферу от коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца (УФ-Б), так и тем обстоятельством, что именно на сохранение озонового слоя были направлены первые международные природоохранные соглашения, имеющие значительные экономические последствия. Кроме того, озон в атмосфере представляет собой чрезвычайно интересную саму по себе физическую систему, будучи практически единственным газом, имеющим в стратосферно-тропосферном диапазоне высот выраженный экстремум, как счетной концентрации, так и отношения смеси. В настоящее время, когда активно рассматривается версия глобального потепления климата Земли и обусловленности этого потепления антропогенными выбросами парниковых газов, исследования озоносферы приобретают особую актуальность ввиду существенной роли, которую играет озон в радиационном балансе планеты в целом и, в частности, в формировании вертикального распределения температуры в стратосфере. Обеспокоенность мирового сообщества состоянием озонового слоя и долговременными изменениями этого состояния нашли отражение в Венской конвенции (1985) – первом широкомасштабном международном соглашении природоохранной направленности. В частности, стороны (в числе которых был СССР, т.е. исходя из правопреемственности РФ) обязались (ст.3, п.1) «…организовать исследования и научные оценки по следующим вопросам:

a) физические и химические процессы, которые могут влиять на озоновый слой;

b) влияние на здоровье человека и другие биологические последствия, вызываемые изменениями состояния озонового слоя, особенно изменениями ультрафиолетового солнечного излучения, влияющего на живые организмы (УФ-Б);

c) влияние изменений состояния озонового слоя на климат;

d) воздействие любых изменений состояния озонового слоя и любого последующего изменения интенсивности УФ-Б излучения на природные и искусственные материалы, используемые человеком…»

Таким образом, организация системы мониторинга озонового слоя и полей УФ-облучённости стала международным обязательством СССР, а впоследствии РФ. Под системой мониторинга со времён фундаментальной монографии Ю.А. Израэля принято понимать систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. Ю.А. Израэль углубил приведенное выше определение, назвав системой мониторинга специальную систему наблюдения, контроля и оценки состояния природной среды. Применительно к системе наблюдений за состоянием озонового слоя ситуация на момент подписания Венской конвенции выглядела более или менее удовлетворительно. Свыше 15 лет функционировал на борту космического аппарата (КА) «Nimbus-7» прибор для измерения общего содержания озона (ОСО) TOMS (Total Ozone Measurement System), обеспечивавший глобальное покрытие освещённой Солнцем поверхности Земли с пространственным разрешением 10 по широте и 1.250 по долготе и временным - 1 сутки. Наземные приборы для измерения ОСО спектральные (за рубежом) и фильтровые (в СССР) обеспечивали его надёжную поддержку, а для ряда регионов (в т.ч. практически для всей территории СССР) и автономное освещение данными. Довольно представительные данные о вертикальном распределении озона (ВРО) по результатам баллонного зондирования давали станции, расположенные в Западной Европе, Северной Америке, Японии и Антарктиде. Сложнее обстояло дело с наблюдением за УФ-облучённостью. Несмотря на то, что наземный спектрофотометр Брюера давал вполне удовлетворительные данные о спектральной плотности энергетической освещённости (СПЭО) в УФ-Б диапазоне и сеть этих приборов непрерывно расширялась, высокая пространственная изменчивость полей, как СПЭО, так и интегральной по УФ-Б диапазону облучённости, обусловленная пространственной изменчивостью полей облачности, не давала возможности интерполировать результаты измерений.

Эти обстоятельства и сформировали цель настоящей работы – разработать методическое и программно-алгоритмическое обеспечение мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости (СМОУФ). Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

  • модификация традиционных методов регрессионного моделирования с учётом специфики мониторинговых проблем;
  • разработка информационного обеспечения мониторинга путём создания оперативно пополняемых баз данных, находящихся под единой системой управления;
  • разработка конкретных аналитических схем для описания озоносферных процессов, допускающих качественный анализ и обладающих единственностью решения;
  • обоснование критериев аномальности текущих реализаций состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости;
  • разработка удобного и надёжного пользовательского интерфейса системы мониторинга.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  • Впервые создана система мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ – облучённости, функционирующая в режиме ежесуточной оценки текущих реализаций контролируемых объектов и регулярного обновления оценок и диагностики долговременной изменчивости.
  • Показано, что доминирующую роль в долговременной изменчивости ОСО во внетропических широтах играют медленные изменения в режиме квазидвухлетних колебаний (КДГ). Впервые выделена огибающая КДК и показано, что она является чрезвычайно эффективным регрессором не только для ОСО, но для ряда других геофизических процессов, в частности колебаний уровня Каспия.
  • Предложена альтернативная модель образования ВОАА, предполагающая основным каналом убыли озона его прямое разрушение на радиационно активированной поверхности частиц полярных стратосферных облаков. Модель обоснована сравнениями с данными прямых измерений, подтверждена расчётами, основанными на вычислении вероятности гибели молекул озона из сопоставления вертикальных распределений химического потенциала озона и кинетической энергии его молекул и свободна от основного недостатка фреоновой версии – предположения о наличии в антарктической стратосфере огромного количества соляной кислоты в твердой фазе.
  • Впервые разработана малопараметрическая модель вертикального распределения озона (ВРО) и температуры (ВРТ), основанная на вариационном принципе и требовании максимума полной энтропии в вертикальном столбе атмосферы и успешно протестирована на практически исчерпывающем материале измерений ВРО и ВРТ средствами баллонного и спутникового базирования.
  • Впервые разработана эмпирическая модель расчёта СПЭО в широком диапазоне значений неупругой оптической толщи и балла общей облачности.
  • Разработанные принципы построения мониторинговых систем успешно тестированы для применения в более широком кругу задач, чем решаемый СМОУФ.

На защиту выносятся:

  • Действующая система мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ - облучённости.
  • Статистические модели периодической (сезонной) и апериодической изменчивости полей общего содержания озона и УФ – облучённости, алгоритмы и программы для их регулярного обновления.
  • Оценка роли естественной изменчивости в долговременных изменениях ОСО и явлении весенней антарктической озоновой аномалии (ВОАА).
  • Эмпирическая модель спектральной плотности энергетической освещённости (СПЭО).
  • Базы данных с интерфейсом, разработанным для создания нормальных образов геофизических процессов и оценки антропогенного вклада в их долговременную эволюцию.

Практическая значимость работы определяется существенным внедрением её результатов в оперативную практику мониторинга, созданием большого количества разнообразных баз данных, функционирующих под управлением единой СУБД, выполненной в ходе выполнения работы разработкой специализированных программных пакетов для формирования климатических норм, анализа и диагностики долговременной изменчивости геофизических процессов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в 68 статьях, из них 66 в рецензируемых изданиях, из них 56 в изданиях, входящих в перечень ВАК. Результаты докладывались на заседаниях Учёного Совета ЦАО, на межведомственном семинаре ИФА РАН по составу атмосферы, заседании отделения океанологии, физики атмосферы и географии РАН, заседаниях Русского географического общества, научной ассамблее IAMAS (Пекин, 2005), международной конференции «Физика атмосферного аэрозоля» (Москва, 1999), Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2003), XXIV-XXVIII Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (Ницца, 1999-2003), Международном симпозиуме «Атмосферная радиация» (СПБ, 2002), Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», «Физика атмосферы» (Томск, 2003-2007), международной конференции «Шумы в физических системах и флуктуации» (Паланга, 1995), Международном научно-техническом семинаре «Системы контроля окружающей среды» (Севастополь, 2002), Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003).

Личный вклад соискателя состоит в постановке решаемых в работе задач, получении приведенных в работе аналитических результатов, разработке алгоритмов и программ для тестирования этих результатов и их внедрения в практику мониторинга.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых математических методов, привлечению к их тестированию практически исчерпывающего экспериментального материала на основе использования специально созданных баз данных, совпадением полученных результатов в асимптотиках с ранее известными, совпадением наблюдаемой долговременной эволюции геофизических процессов с ранее предсказанной в работе.

Работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Приложения. Во Введении приведены обоснование актуальности работы, сформулированы цель и задачи работы, изложено её краткое содержание, сформулированы защищаемые положения, обоснована достоверность результатов, описан личный вклад соискателя, приведены сведения о научной новизне и практической значимости работы, а также её апробации.

В первой главе диссертации приведено обоснование постановки задачи по существу, определены основные направления для разработки методического и программно-алгоритмического обеспечения мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков возможных подходов к подходов к построению системы мониторинга и продемонстрированы возможности этих подходов. Кроме того, глава содержит обоснование перечня задач, решение которых необходимо для построения системы мониторинга и анализ трудностей возникающих на пути численного моделирования гидродинамических и химических процессов в атмосфере с детальным исследованием конкретных примеров.

Рис.1 Результаты спектрального моделирования и предсказания

Один из этих примеров иллюстрирует рис. 1, где приведен результат спектрального моделирования долговременной изменчивости отношения смеси метана для самой северной станции мировой сети - Аллерт.

Вторая глава посвящена использованию статистического подхода к решению таких задач, как:

  • вычисление климатических норм и пределов естественной изменчивости для геофизического процесса-объекта мониторинга;
  • вычисление параметров долговременной изменчивости для геофизического процесса-объекта мониторинга;
  • параметризация отдельных зависимостей между геофизическими процессами для получения расчётных формул, используемых в мониторинге.

В главе рассматриваются вопросы модификации методов регрессионного анализа, применительно к задачам статистического моделирования геофизических процессов, разработки и обоснования качества регрессионных моделей этих процессов, обоснование единого подхода к классическому регрессионному анализу, вейвлет – анализу и методу СВАН – диаграмм. Предложен регрессионный алгоритм построения вейвлет - образа геофизического процесса, позволяющий содержательно ограничить число членов разложения.

 Блок-схема регрессионного разложения для построения вейвлет – образа Тот же-2

Рис. 2. Блок-схема регрессионного разложения для построения вейвлет – образа

Тот же алгоритм (рис.2) может успешно применяться для обычного регрессионного анализа относительно коротких рядов наблюдений, когда число регрессоров превышает число степеней свободы в анализируемом ряду.

 ВАН – диаграмма отклонений ОСО на станции Hohenpeissenberg (е.Д.). от климатической-3

Рис.3 СВАН – диаграмма отклонений ОСО на станции Hohenpeissenberg (е.Д.). от климатической нормы (хорошо видна изменчивость вкладов КДК и солнечной активности)

Рис. 4. Сравнительная эффективность линейного и параболического тренда в

различных широтных поясах

 Положение минимума параболического тренда на различных широтах Развитые-5

Рис. 5. Положение минимума параболического тренда на различных широтах

Развитые соискателем модификации методов регрессионного анализа иллюстрируются конкретными примерами построения статистических моделей широкого класса геофизических процессов, включая гидрологические.

Рис.6. Влияние низкочастотных изменений в спектре КДК экваториального ветра на ОСО

В качестве основного критерия качества регрессионной модели предложено использовать близость остатков моделирования к белому шуму, и классифицированы варианты причин отличия остатков регрессионной модели от белого шума в зависимости от порядка авторегрессии, необходимой для «выбеливания» этих остатков.

На примере зонально осреднённых рядов ОСО показаны возможности диагностики долговременных изменений в геофизических рядах и выявления физических причин этих изменений. В частности, показано, что наблюдаемые долговременные изменения в рядах ОСО не являются однонаправленными (рис.4, 5) и в сильной степени обусловлены динамическими причинами, в частности, низкочастотными изменениями в спектре квазидвухлетних колебаний экваториального ветра (рис.6). Из рисунка 5 хорошо видно, как процесс возрастания ОСО распространяется от экватора к полюсам

Третья глава посвящена использованию аналитического подхода к решению таких задач, как:

  • получение аналитических соотношений между геофизическими процессами в той мере, в какой это возможно, исходя из общих физических принципов, и строгих выводов из этих принципов;
  • оценочное тестирование гипотез, объясняющих наблюдаемую изменчивость геофизических процессов и полей.

Исходя из вариационного принципа и требования максимума энтропии, построена модель формирования ВРО и ВРТ, результаты тестирования которой на практически исчерпывающем экспериментальном материале с высокой точностью показали её полную адекватность моделируемым процессам. Требование максимума энтропии во всей толще атмосферы имеет механическим аналогом задачу об эволюции системы с двумя степенями свободы ( и ) и лагранжианом:

(1)

где: ; -геометрическая высота; -счётная концентрация озона;

- барометрическая высота; - абсолютная температура на высоте ;

; -высота однородной атмосферы; - “молекулярный вес” воздуха; точка над переменной означает дифференцирование по геометрической высоте (имеющей механическим аналогом время); - осреднённые по спектру сечения озонного поглощения и молекулярного ослабления, соответственно; - коэффициенты модели, учитывающие нелинейность показателя бугеровской экспоненты по поглощающей и рассеивающей толщам ввиду эффекта Форбса и других причин.

«Лагранжиан» (1) приводит к «уравнениям движения» (2):

++2+2=0 (2a)

-2-2-2=0 (2b)



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.