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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Теоретические основы геоинформационной поддержки принятия решений при формировании систем технического наблюдения в аспекте гидрометеорологического обеспечени

-- [ Страница 2 ] --

где: – МДВ (м); – удельная водность (г/кг). Средневзвешенные значения коэффициентовAV и m, определяющих взаимосвязь водности и МДВ, с учетом экспериментальных зависимостей, полученных различными авторами (Матвеев Л.Т., 1965) могут быть приняты как: ;

Помимо рассеяния света на аэрозолях, в атмосфере могут наблюдаться эффекты рассеяния также и на турбулентных неоднородностях в поле коэффициента преломления, особенно значительные вблизи земной поверхности.

Они проявляются, прежде всего, в том, что изображение объекта начинает искажаться за счет некоторого «расплывания» его очертаний, с постепенным превращением в бесформенное пятно. Наиболее последовательно теорию этого вопроса разработал В.И. Татарский (1967), который получил уравнения для расчета статистических характеристик флуктуаций амплитуды и фазы электромагнитных колебаний, возникающих при прохождении излучения через слой атмосферной турбулентности. Важнейшим параметром атмосферы здесь является структурная характеристика турбулентных флуктуаций показателя преломления .

Все основные нестандартные механизмы распространения сантиметровых радиоволн связаны с аномалиями вертикального распределения индекса рефракции, которые, в свою очередь, целиком определяются теми или иными особенностями в профилях температуры и влажности.

В зависимости от величины вертикального градиента индекса рефракции для радиолокационных станций (РЛС) задается поправочный коэффициент (Дмитриев В.А., 1991) к ее паспортной дальности обнаружения, меняющийся в пределах от 0,8 (при субрефракции, > - 40 N-ед./км) до 2 (суперрефракция, < - 157 N-ед./км). При сверхкритической рефракции в приземном слое формируется так называемый «приповерхностный волновод», в котором канализируется излучение РЛС и возможно загоризонтное обнаружение целей (Фок В.А., 1950; Кукушкин А.В., Фрейлихер В.Д., Фукс И.М., 1987).

Проведено определение доступных информационных ресурсов для выявления возможностей и ограничений геомоделирования и формирования баз данных пространственных характеристик обнаружения территориальных объектов.

В основе информационного обеспечения потребителей метеорологическими службами различных стран лежит технология, состоящая из четырех основных направлений деятельности: получения, сбора, обработки информации и доведения продукции до потребителей.

Программа наблюдений на метеостанциях весьма обширна (около 40 показателей), но для решаемой задачи интерес представляет лишь ограниченный набор: метеорологическая дальность видимости, влажность, температура воздуха и скорость ветра.

Для таких пользователей, как авиация и флот (как военно-морской, так и торговый) существуют свои специфические формы обеспечения, в основе которого лежит поставка потребителю непосредственно синоптических карт (для больших территорий) или «кольцевых синоптических карт» (для территорий областного масштаба). В настоящее время (последние 10-15 лет) с появлением персональных компьютеров и каналов связи с высокой пропускной способностью, вся подобного рода картографическая информация кодируется и распространяется в специальном цифровом формате GRIB (Grid Binary) – специальном международном формате обмена метеорологическими данными в регулярной (grid) сетке широтно-долготных координат в бинарной (binary) форме.

Данные в формате GRIB анализа и прогноза Мирового Метеорологического Центра (ММЦ) Москвы для обоих полушарий за последнюю неделю в широтно-долготной сетке 2,5050 доступны на сайте Главного Вычислительного Центра (ГВЦ) Росгидромета РФ (http://mcc.hydromet.ru/1251).

Систематизированные метеорологические данные «реанализа» в широтно-долготной сетке 2,5050 применительно к климатологическим исследованиям и совершенствованию методов прогнозов доступны на сервере Национальной Службы Погоды (НСП) США (National Weather Service, ftp://nomad3.ncep.noaa.gov), причем за любую дату, начиная с 1979 г. и за 4 срока в сутки (0, 6, 12 и 18 GMT). Из этого же источника может быть получена и температура водной поверхности (в широтно-долготной сетке 1010) для прилегающих к побережью акваторий, необходимая для решения задачи восстановления пространственной структуры атмосферного пограничного слоя, как по вертикали, так и по горизонтали, вблизи береговой черты.

Приходится констатировать, что доступные для решения поставленной задачи данные гидрометеорологических наблюдений даже при достаточно плотной сети станций имеют в своем составе лишь весьма ограниченную информацию, не соответствующую сформулированным требованиям к качеству, необходимому для повышения эффективности применения СТН.

Определены основные требования к пространственным параметрам атмосферы, необходимым для разработки методов расчета и прогноза условий наблюдения различных пространственных объектов:

- наличие непрерывных рядов наблюдений температуры, влажности и водности (включая спектры распределения капель по размеру), а также структурных характеристик турбулентных флуктуаций температуры и влажности до высоты несколько сотен метров над подстилающей поверхностью с вертикальным разрешением несколько метров;

- данные о горизонтальной изменчивости всех указанных характеристик должны представляться на территориях, охватывающих всю совокупность действующих ТСН с высоким пространственным разрешением (сотни метров).

В настоящее время столь подробная полевая информация об атмосфере может быть получена только в очень ограниченном количестве.

Для удовлетворения сформулированных требований необходима разработка математических моделей атмосферного пограничного слоя для расчета всех необходимых пространственных характеристик обнаружения объектов, информационной основой для которых могут служить имеющиеся в массовом количестве данные стандартной гидрометеорологической и аэросиноптической информации.

Во второй главе разрабатываются модели представления параметров обнаружения объектов для регионов Российской Федерации с различными климатическими условиям на основе проведения специальных натурных экспериментов по исследованию условий обнаружения различных пространственных объектов. Разработка указанных моделей направлена на устранение выявленных информационных пробелов.

Сложность и неоднозначность метеорологических явлений и процессов, определяющие дальности оптического и радиолокационного обнаружения различных пространственных объектов, а также ограниченность доступных геоинформационных ресурсов метеонаблюдений потребовали планирования и осуществления ряда комплексных наблюдательных программ применительно к Калининградской области, направленных на ликвидацию имеющихся пробелов.

Основная цель здесь состояла в организации наблюдений именно характеристик обнаружения различных объектов с использованием применяемых на практике ТСН с параллельным сбором всех доступных материалов гидрометеорологического обеспечения, с тем, чтобы выявить их устойчивую взаимосвязь с данными свободно распространяемых гидрометеоизмерений.

Оптические и радиолокационные наблюдения осуществлялись на полигонах, расположенных возле населенных пунктов Приморск, Янтарный, Пионерский и Рыбачий. Наблюдения осуществлялись в весенний, летний и осенний периоды 2005-2007 гг.

В качестве оптических целей наблюдались человек и сверхмалые объекты (лодка, катер, яхта), а также неподвижные ориентиры. Для перемещающихся в пространстве объектов определялись предельные дальности обнаружения и исчезновения. Объекты наблюдались как в оптические средства (бинокулярная труба ТПБ-2, бинокли Б-12 и Б-8), так и невооруженным глазом.

Для изучения взаимосвязи МДВ и дальностей обнаружения различных объектов с помощью разнообразных ТСН был введен специальный безразмерный параметр, характеризующий одновременно свойства цели и качество используемого ТСН, названный нами параметр «цель-качество»:

, (2)

где - дальность обнаружения объекта категории «m» (m=1 для цели «движущийся человек») с помощью ТСН категории «n» (n=0 – наблюдения невооруженным глазом).

Анализ представленных результатов указывает на статистически значимое превышение дальностей «исчезновения» над дальностями «обнаружения» (примерно 10-15%), что вполне укладывается в имеющиеся представления о характеристиках обнаружение различных движущихся объектов.

Еще одним направлением исследований условий наблюдения в оптическом диапазоне было выбрано выяснение характера размывания изображения за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях с целью получения необходимых поправочных коэффициентов.

Наблюдения производились с высоты 2 м с использованием бинокля Б-8 за фигурой движущегося вдоль берега человека, с фиксацией расстояния, на котором объект терялся из вида (дальность «исчезновения»). Одновременно проводились метеорологические наблюдения и фиксировалась средняя разность температур «поверхность-воздух» .

В связи с отсутствием в таких метеорологических ситуациях ухудшения видимости за счет влияния атмосферных аэрозолей, основная потеря качества наблюдения здесь могла быть только за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях. Характер такого рода искажений определяет дисперсия флуктуаций логарифма амплитуды оптической волны и зависит в конечном итоге от структурной характеристики оптического индекса рефракции .

На рисунке 2 приведена полученная нами экспериментальная зависимость дальности исчезновения объекта «движущийся человек» при наблюдении в бинокль Б-8 от разности температур «поверхность-воздух». Анализ этого эффекта с использованием методов теории подобия Монина и Обухова для приземного слоя, позволил вывести следующую эмпирическую зависимость:

. (3)

 Экспериментальная зависимость дальности исчезновения при наблюдении в-37

Рис. 2. Экспериментальная зависимость дальности исчезновения при наблюдении

в бинокль Б-8 от разности температур «поверхность-воздух».

Сплошная кривая – эмпирическая зависимость (3)

Исходя из общей физики процессов в атмосфере, определяющих дальность видимости в атмосфере, можно вполне обоснованно предполагать, что подобное уточнение для дальностей обнаружения и исчезновения будет справедливо для всех видов ТСН при наблюдении в оптическом диапазоне. Это позволило, в итоге, ввести поправки в определяемый коэффициент «цель-качество», связанные с рассеянием света на турбулентных неоднородностях в условиях > 8 град.

Наблюдения в сантиметровом диапазоне производились в прибрежном районе Калининградской области вблизи населенных пунктов: Приморск, Янтарный и Пионерский с использованием РЛС «Наяда 5МП» весной, летом и осенью 2006-2007 гг.

Объединяя результаты наблюдений и расчетов высоты приводного волновода, можно в итоге установить экспериментальную взаимосвязь между осредненными значениями дальностей сопровождения «малых» объектов и высотами волноводов для случаев нахождения излучателя РЛС за пределами слоя сверхрефракции (рис. 3).

Это дает основание для аппроксимации результатов с помощью некоторой функциональной зависимости (на рисунке – сплошная линия), связывающей дальность сопровождения (в километрах) с высотой волновода h (в метрах):

, (4)

которая и может быть рекомендована на практике для случаев расположения излучателя антенны РЛС вне приводного волновода.

 Экспериментальная зависимость дальности сопровождения «малых» объектов на-41

Рис. 3. Экспериментальная зависимость дальности сопровождения «малых» объектов на морской поверхности с использованием РЛС «Наяда 5 МП» от высоты приводного

волновода с осреднением по сезонам года. Сплошная кривая – зависимость (4)

Представленные результаты экспериментальных исследований существенно дополнили описанные в предыдущей главе доступные информационные ресурсы и позволили сформулировать обоснованные требования к способам получения на их основе исходной информации для расчета и прогноза параметров обнаружения различных объектов для регионов Российской Федерации с различными климатическими условиями.

В третьей главе разрабатываются методы обработки и пространственного анализа гидрометеорологической информации для определения поля параметров обнаружения объектов на основе геоинформационных технологий.

Указанные методы основываются на геомоделировании атмосферного пограничного слоя. При этом развивается теория восстановления вертикальной структуры нижней атмосферы на основе синтеза всей доступной ГИ применительно к созданию баз геоданных характеристик обнаружения различных пространственных объектов.

Доступной информацией для расчета и прогноза характеристик обнаружения различных объектов могут служить лишь данные наблюдений на метеостанциях (в отдельных точках) с периодичностью 3 - 6 часов, данные высотного радиозондирования (один-два пункта на регион) с периодичностью 6 - 12 часов или данные анализа (реанализа) в грубой пространственной сетке (примерно 130 - 270 км по горизонтали и 0,6 - 1 км по вертикали).

Получение более детализированной по пространству информации оказывается возможным реализовать здесь только путем адаптации всех имеющихся данных наблюдений с помощью некоторой физически содержательной математической модели АПС, играющей, по существу, роль «пространственно-временного интерполянта».

Способ реализации поставленной задачи в данной работе имеет 3 основных уровня сложности, характеристика которых дана в таблице 1.

Первый уровень сложности достаточно прост и использовался нами на начальной стадии исследования по большей части для отработки методических вопросов, однако уже здесь удается решить некоторые важные практические задачи, связанные, в частности с исследованием условий рефракции в оптическом и сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне в приземном слое атмосферы.

Второй уровень дает возможность извлекать из стандартной метеоинформации значительно более подробные сведения об условиях наблюдения, в том числе и на наклонных трассах.

Тем не менее, наиболее последовательным, хотя и значительно более трудным в реализации, способом решения проблемы в будущем сможет оказаться восстановление полной трехмерной структуры АПС на третьем уровне сложности, что откроет возможности для создания методов краткосрочного специализированного прогноза условий наблюдения с заблаговременностью, обеспечиваемой прогнозом фоновых метеорологических полей (доступных в форматах GRIB). Реализация этого способа требует чрезвычайно высокой степени информационного обеспечения (детальные электронные карты местности, густая сеть метеостанций и пр.) и является вполне близкой перспективой.

Несмотря на возможность получения с использованием выводов теории подобия Монина - Обухова для приземного слоя целого ряда важных результатов относительно вертикального распределения индексов рефракции в оптическом и СВЧ диапазонах, данный метод имеет целый ряд ограничений.

Таблица 1

Уровни сложности задач исследования структуры атмосферы

применительно к расчетам характеристик обнаружения различных объектов

Уровень Метод Используемая информация Область восстановления Назначение
1 Теория подобия Монина-Обухова Данные метеостанций Приземный слой до высоты 30 - 50 м Климатология параметров наблюдения для ограниченного набора условий
2 Численная модель одномерного АПС Данные метеостанций, метеорология и температура океана в формате GRIB Высоты до 300 - 500 м при отсутствии выраженной горизонтальной неоднородности поверхности Климатология параметров наблюдения в оптическом и СВЧ диапазонах на горизонтальных и наклонных трассах в широком диапазоне условий
3 Трехмерная численная модель АПС Данные метеостанций, метеорология и температура океана в формате GRIB Высоты до 1- 1,5 км, в том числе в условиях выраженной горизонтальной неоднородности на разделе суша-море Уточненная климатология и краткосрочный (до 36 часов) прогноз условий наблюдения на всей исследуемой территории

Наиболее точные результаты с его помощью могут быть получены лишь при наличии измерений температуры, влажности и скорости ветра как минимум на двух уровнях. Подобные измерения, производятся лишь на метеостанциях с расширенной программой, включающей «теплобалансовые наблюдения». В настоящее время такие наблюдения проводятся лишь эпизодически, а результаты не распространяются по каналам связи в оперативном режиме.

Снятие этих ограничений оказалось возможным лишь путем привлечения более общих методов моделирования всего атмосферного пограничного слоя.

Общая система уравнений АПС в декартовой системе координат (ось x1 направлена на восток, ось x2 – на север, ось x3 – вертикально вверх) для осредненных значений горизонтальных (U1, U2) компонент скорости и потенциальной температуры () при этом записывается следующим образом:

; (5)
; (6)
. (7)

По повторяющемуся индексу здесь предполагается суммирование,

,


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 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.