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 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Концепция вероятностно-географического прогнозирования опасных явлений погоды юга россии

-- [ Страница 1 ] --

УДК 551.509.32

На правах рукописи

Андреева Елена Сергеевна

Концепция вероятностно-географического прогнозирования опасных явлений погоды юга России

25.00.30 – метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора

географических наук

г. Санкт - Петербург – 2008 г.

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете (РГГМУ)

Научные консультанты: доктор физико – математических наук, профессор Карлин Лев Николаевич

доктор географических наук, профессор Кондратович Казимир Вячеславович

Официальные оппоненты:

Доктор географических наук, профессор Хандожко Леонид Андреевич,

Доктор географических наук Лурье Петр Михайлович,

Доктор географических наук, профессор Сонькин Лев Рахмилович.

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр экологической безопасности Российской Академии наук (НИЦ ЭБ РАН)

Защита состоится 23 октября 2008 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д. 212.197.01 Российского государственного гидрометеорологического университета, при котором создан совет, адрес: 195196, г. Санкт – Петербург, пр. Малоохтинский, 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан ___ _________2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.ф.-м.н., проф. А.Д. Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В борьбе со стихийными бедствиями успехи современной науки заметны, но не столь впечатляющи, как иногда представляется, что связано с особенностями самих явлений, с их кратковременностью, внезапностью и высокой долей стохастичной составляющей. Статистический анализ различных природных катастроф показывает, что на фоне относительного небольшого числа жертв отдельных частых событий выделяются редкие случаи с аномально большим количеством погибших.

Для стихийных бедствий, вызванных ураганами, цунами, смерчами и рядом других опасных природных явлений, характерна катастрофичность гидрометеорологического режима, определяющегося быстрым высвобождением огромного количества энергии.

Процессам формирования опасных явлений погоды, как показывают современные исследования, сопутствуют физические эффекты, локально проявляющиеся в земных сферах, которые принято называть предвестниками или предикторами событий. По характеристикам этих предвестников возможно судить о величине и времени будущего вероятного события. Следовательно, осуществляя глобальный мониторинг предикторов на поверхности и в атмосфере Земли, используя космические средства дистанционного зондирования Земли совместно с сетью специализированных наземных станций, возможно научное обоснование и прогнозирование проявления опасных явлений погоды.

По данным ВМО природные катастрофы мирового масштаба более чем в 90% случаев связаны с гидрометеорологическим режимом конкретной территории. При этом величины ущерба и жертв, в настоящее время, имеют устойчивый рост по сравнению с XX веком. В период с 1985 по 2005 гг. в мире ущерб от стихийных бедствий возрос почти в 10 раз, достигнув только за 2005 год 159 млрд. долларов. Число жертв увеличилось в 15 раз, составив в 2005 году 92 тыс. человек. Указанная ситуация, с одной стороны, объясняется тем, что произошедшие в мире за последние десятилетия прошлого века и в начале ХХ1 века природные катастрофы, куда относят и опасные погодные явления (ОЯ), имеют тенденцию значительного возрастания частот. По данным на 2005 год ежегодный прирост упомянутых явлений в мире составил 18 %, а в Российской Федерации – 6.3 %, и, согласно экспертным оценкам ООН, тенденция в ближайшие десятилетия сохранится на данном уровне. В частности, по данным руководителя Росгидромета Бедрицкого А.И. в 2005 году в России наблюдалось рекордное количество ОЯ (361), из которых 27 % от общего количества (первое место) было зафиксировано на территории Северо-Кавказского УГМС. При этом предупрежденность прогнозов ОЯ составила 86%, в числе непредусмотренных опасных явлений погоды оказались конвективные явления: ливни, шквалы, град.

С другой стороны, рост численности населения мира (в настоящее время более 6. 5 млрд. человек) и развитие мирового хозяйства, в свою очередь, усугубляют тяжесть протекания и последствия природных катастроф. В XXI веке наибольшие величины ущерба (32 % от общего), максимальные количества погибших (26 %) и пострадавших (32 %) вызывали наводнения и тропические циклоны.

Увеличение риска опасных явлений погоды приобретает характер мировой проблемы, требующей разработки современных научных принципов решения. В этой связи становится чрезвычайно актуальным совершенствование известных методов снижения риска опасных явлений погоды и разработки новых возможностей их оценки и управления. Необходимость такой работы обусловлена не только существенным материальным ущербом, связанным с природными катаклизмами и катастрофами, но и со значительными людскими потерями.

Объект исследований. Климатические, макросиноптические условия и гидрометеорологические процессы на равнинах юга Европейской части Российской Федерации (ЕЧР), приводящие к опасным явлениям погоды и имеющие наибольшую повторяемость за последние 55 лет (1950 – 2005 гг.).

Предмет исследований: сильные ветры, метели, гололедно - изморозевые явления, сильные дожди, шквалы, град.

Основная идея исследования заключается в концепции вероятностно-географического прогнозирования опасных явлений погоды на основе методики оценки метеорологических рисков или рисков ОЯ. При этом под метеорологическими рисками подразумеваются статистические вероятности наступления тех или иных опасных (согласно РД №52.04.563 – 2002) явлений погоды, с которыми связаны значительные суммы экономического ущерба и потерь среди населения. Основу методики составляет вероятностно – географический прогноз опасных явлений погоды как дополнение к синоптическому методу, позволяющему осуществлять только прогнозирование неблагоприятных событий, но не вероятности их проявлений в определенной географической точке.

Реализация идеи осуществлялась в два этапа. На первом этапе, согласно методам, принятым в географических исследованиях, выявлялись причины и условия возникновения опасных явлений и их пространственно – временной анализ. На втором этапе применялись методы математической статистики и нейромоделирования. Повторяемости или частоты случаев ОЯ считаются относительно устойчивыми, относятся к известным неопределенностям и могут быть прогнозируемы в будущем. К ним применимы методы математической статистики такие как подход Байеса, позволяющий использовать условные вероятности, то есть предоставляющий возможность учитывать географические условия, выраженные в виде соответствующих исчисляемых параметров. Нейрометоды, отличающиеся известной гибкостью, позволяют решать нелинейные задачи и учитывать пространственные особенности прогнозируемых явлений (сети Кохонена), что и обусловливает возможность их использования для прогнозирования метеоситуации с опасными явлениями погоды или рисков их возникновения.

Цель и задачи. Данное научное исследование посвящено разработке и научному обоснованию методики оценки рисков опасных явлений погоды юга Европейской части России на основе концепции их вероятностно-географического прогнозирования. Реализация поставленной цели предусматривает решение задач:

-определения географических факторов, обусловливающих опасные явления погоды на юге Европейской части России;

-выявления характерных особенностей атмосферной циркуляции, приводящих к возникновению ОЯ, на основе ее количественных критериев;

-исследования хронологических рядов ОЯ с использованием методов математической статистики;

- районирования юга ЕЧР по частотам ОЯ для выработки рекомендаций перспективного экономического развития территории;

- адаптирования методов нейромоделирования для вероятностного прогнозирования опасных явлений погоды и управления рисками их возникновения;

-разработки методики оценки рисков ОЯ равнин юга России.

Научная новизна. Для реализации цели и решения поставленных в работе задач автором впервые:

-с позиции возникновения ОЯ исследованы равнинные районы юга Европейской части России;

-проанализированы и ранжированы географические факторы ОЯ на основе методов математической статистики;

-выявлены значения интенсивности атмосферной циркуляции, способствующие появлению ОЯ, выраженные в количественной форме (индексы А.Л. Каца);

-осуществлен анализ и прогноз ожидаемых значений вероятностей ОЯ на основе метода нейромоделирования;

- для разработки научного вероятностного прогноза будущих значений ОЯ (опасные явления погоды) рассмотрены как природный пример простой цепи Маркова;

-предложены основы вероятностно-географического прогноза ОЯ;

-разработана методика оценки рисков опасных явлений погоды равнин юга России.

Практическая значимость. Полученные результаты позволят:

-улучшить качество современных прогнозов ОЯ на основе разработанного вероятностно-географического метода, включающего элементы математической статистики и моделирования с учетом географических условий их возникновения;

-использовать полученные данные климатического районирования и районирования по частотам ОЯ для повышения эффективности экономического развития административных объектов на равнинах юга ЕЧР;

-минимизировать материальный ущерб и людские потери, применяя методику оценки рисков ОЯ и, в частности, вероятностно-географический прогноз для принятия оптимальных управленческих решений при ожидании ОЯ и преодолении их последствий.

Методы исследования и использованные материалы. В основу диссертации положены материалы многолетних наблюдений случаев опасных явлений погоды, отобранные на 22 метеорологических станциях, выявленных при анализе многолетних климатических закономерностей в архиве Северо–Кавказского межрегионального территориального управления Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Северо –Кавказского УГМС).Основными источниками фактических данных явились климатические справочники, ежегодники и ежемесячники, выпускаемые ВНИИГМИ МЦД г. Обнинск, справочники по опасным природным явлениям в республиках, краях и областях Российской Федерации. В основу выбора критериев опасных явлений погоды были положены руководящие документы Росгидромета. Обработка данных производилась с применением методов математической статистики и моделирования.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом обобщения исследований, проведенных в период с 1997 по 2006 г. автором и в сотрудничестве со специалистами Северо-Кавказского УГМС, учеными Российского государственного гидрометеорологического университета, Ростовского государственного университета, в настоящее время - Южного Федерального университета (ЮФУ) и других организаций. Автором были осуществлены сбор, обработка и систематизация статистической информации о реализовавшихся на юге Европейской части России опасных явлениях погоды. На основании анализа многолетних климатических особенностей были определены наиболее репрезентативные метеорологические станции для характеристики климата региона. Автор принимала участие в научных проектах по исследованию рисков опасных явлений погоды, в частности, в Межотраслевой программе сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства природных ресурсов РФ по направлению «Научно – Инновационное сотрудничество» в 2003 году. Кроме того, в соавторстве с учеными Ростовского государственного университета (ЮФУ) была подготовлена монография «Природные условия и естественные ресурсы Ростовской области» в 2002 году, в которой раздел «Опасные явления погоды Ростовской области» был написан лично автором.

Теоретические положения, выносимые на защиту.

а) определяющим фактором возникновения опасных явлений погоды является неустойчивость атмосферной циркуляции, обусловленная процессами на Солнце и геофизическими факторами;

б) хронологические ряды опасных явлений погоды представляют собой простую марковскую цепь с характерной связностью членов ряда по типу «красного шума»;

в) районирование равнин юга Европейской части России по частотам опасных явлений погоды позволяет выявить географические факторы, обусловливающие их возникновение;

г) теоретически установленная квазипериодичность хронологических рядов опасных явлений погоды дают возможность применять методы математического моделирования для вероятностного прогнозирования их будущих значений;

д) искусственные нейросети (сети Кохонена) позволяют осуществлять прогноз вероятности возникновения ОЯ на основе анализа соответствующей метеоситуации за счет способности к самообучению, интуитивного анализа информации, возможности модификации и подбора входящих численных параметров;

е) разработанная методика оценки рисков ОЯ и, в частности, вероятностно-географический метод их прогнозирования в сочетании с синоптическим методом позволит снизить значительные суммы ущербов и потерь, связанных с опасными явлениями погоды.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на семинарах кафедры Динамики атмосферы и Космического землеведения Российского государственного гидрометеорологического университета в 2002 – 2007 г., а также на кафедре Метерологии географического факультета Казанского государственного университета в 2007 г. Кроме того, полученные результаты обсуждались на следующих конференциях:

  • Всероссийская конференция «Активные воздействия на градовые процессы», ВГИ, г. Нальчик, 23 – 25 октября 2001г.
  • Всероссийская конференция «Современное состояние климатических условий республики Башкортостан и их возможные изменения в условиях глобального потепления», г. Уфа, 22 - 25 июля 2002г.
  • VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Стратегические риски чрезвычайных ситуаций: оценка и прогноз», г. Москва, 15 – 16 апреля 2003г.
  • Международный научно-практический форум «Великие реки», г. Нижний Новгород, 22 – 29 мая 2003г.
  • Международная научная конференция «Экология и безопасность», г. Санкт – Петербург, 2 – 4 апреля 2004г.
  • Международные научные чтения «Белые ночи», г. Санкт – Петербург, 2 – 4 июня 2004г.
  • 1-я Научно-практическая конференция «Проблемы гидрометеороло-гического обслуживания», г. Туапсе, 21 – 23 апреля 2005г.
  • 2-я Научно-практическая конференция «Экологические проблемы. Взгляд в будущее», пос. Лиманчик, 6 – 9 сентября 2005г.
  • Всероссийская конференции «Активные воздействия на градовые процессы», ВГИ, г. Нальчик, 26 – 28 сентября 2005г.
  • Всероссийская конференция «Оценка и управление природными рисками (Риск – 2006)», г. Москва, апрель 2006г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, среди них монография – 1, коллективная монография – 1, статьи в периодических научных журналах - 14, статьи в сборниках научных трудов - 5, участие в коллективных научных трудах конференций – 2, тезисы в трудах конференций – 9, учебные пособия (включая курс лекций) – 8. Публикации с 1 по 9 соответствуют требованиям ВАК Российской Федерации к научным изданиям, в которых могут быть опубликованы результаты диссертационных работ, и полностью отражают основные результаты диссертации.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, заключения и 7 основных глав. Общий объем работы 325 страниц, из них 55 рисунков и 31 таблица. В списке использованной литературы 213 наименований, из них 30 на иностранном языке.

Автор выражает глубокую признательность ректору РГГМУ, д.ф.-.м.н., профессору Карлину Л.Н. за помощь и научную консультацию при работе над диссертацией.

Автор благодарен за ценные советы, помощь и рекомендации д.г.н., профессору Кондратовичу К.В., д.ф.-м.н., профессору Музалевскому А.А., д.ф.-.м.н., профессору Киму Н.С., д.г.н., профессору Угрюмову А.И., д.ф.-.м.н., профессору Кузнецову А.Д.

Автор искренне признателен коллективу Северо-Кавказского УГМС и, в частности, Вовченко П.Г., сотрудникам ЮФУ к.г.н., доцентам Смагиной Т.А., Кутилину В.С., Черноусову С.Я., сотрудникам РГГМУ доцентам к.ф.-.м.н. Сероуховой О.С., к.ф.-.м.н. Куликовой Л.А., к.ф.-.м.н. Егорову К.Л., аспирантам СПбГТУ Андрееву И.С. и Андреевой С.В. за поддержку и помощь в применении методов математической статистики и моделирования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, дана краткая характеристика проведенных исследований, сформулированы цель и задачи диссертации, определены объект и предмет, а также идея исследований, показана научная новизна и значимость работы, приведены сведения об апробации, публикациях и общей структуре работы.

В первой главе даны основные понятия и определения опасным явлениям погоды согласно действующему РД 52.88.629 – 2002. Описаны механизмы их возникновения и развития. В соответствии с целью работы представлена сущность концепции вероятностно – географического прогнозирования ОЯ и дана схема методики оценки рисков опасных явлений погоды.

Установлено, что для изучения явлений окружающей действительности важно выяснить, какая случайность их описывает, поскольку методы математической статистики могут быть применимы в случае определяемых вероятностей. В рамках данного исследования принято, что явления погоды и, в частности, их экстремальные проявления – опасные явления, имеют ежегодную повторяемость и, значит, отличаются квазиустойчивыми частотами. Физический процесс их возникновения имеет случайную составляющую, следовательно, для определения частот данных явлений можно использовать теорию вероятностей и методы математической статистики. Кроме того, атмосфера как среда, в которой возникают опасные явления погоды, отличается динамическим режимом. Для описания её состояний используется теория динамического хаоса, которую можно резюмировать следующим образом: «чем движение неустойчивее, тем устойчивее проявляются в нем статистические закономерности». Однако, движение в сложных системах, несомненно, порождает перемешивание, представленное в теории вероятностей эргодичностью – весьма полезным для целей прогнозирования свойством и, в частности, в случае марковских цепей. Возникающее при движении на странных аттракторах перемешивание весьма полезно, так как оно приводит к «расщеплению» корреляции, то есть к постепенному увеличению независимости между определенными параметрами системы, а исходя из третьего эффекта Шноля, «независимых ни от чего событий не бывает» в рамках космофизических обстоятельств.

Очевидно, что для исследования природных процессов и, в частности, опасных явлений погоды, наиболее подходит диатропическая модель, отличающаяся разнообразием подходов, фундаментальную роль в которых играет случайность.

Для реализации цели и задач данного исследования при описании такого рода моделей применялись методы математической статистики и нейромоделирования.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 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.