| Результаты этапа: В отчетный период
1. Создан каталог событий 2001-2004 г.г., когда начало радиозатмения (РЗ) находится на минимальном заданном удалении от метеорологических постов в регионе наблюдения – на примере Арктики. При этом использована база РЗ данных ИСЗ CHAMP из GFZ (GeoForschungsZentrum Potsdam). Данные метеопостов (высотные данные радиозондов) получены из центра UKMO (United Kingdom Meteorological Organisation) WMO (World Meteorological Organisation). Критерием отбора событий считается удаление их друг от друга меньше шага сетки модели (50 км). В каталог вошло 40 событий, полностью обеспеченные необходимыми данными. Именно эти события использованы при отработки методики коррекции.
2. Для соответствующих событий п.1 создана база модельных данных для времени конкретного РЗ в Арктике. В качестве модели использована модель HIRHAM4.
3. Проведено создание необходимого специализированного высокоэффективного программного обеспечения (Си, Delphi) по хранению, выборке и предобработке данных радиозатменного эксперимента.
4. Для всех событий из каталога п.1. проведен численный эксперимент (по технологии трассировки луча) по восстановлению высотного профиля преломления модельного распределения и сравнения его с данными метеопостов.
5. Метод лучевой трассировки, примененный в работе, реализован в виде высокоэффективного прикладного ПО, написанного на языке Delphi (рабочее название пакета «Ray Tracing Tool»). Он основан на оригинальных адаптивных алгоритмах расчетов, преложенных нашей группой и апробированных для целей настоящих исследований в 1998-2006 г.г., что ставит предлагаемую методику на мировой уровень. Адаптивные методы расчета позволяют использовать в принципе, даже современные ПК, правда, с большими объемами оперативной памяти. Пакет опробован в различных средах Windows и показал свою работоспособность.
6. На основании полученных результатов разработаны уникальные методики коррекции получаемых данных для выбранного высотного диапазона, минимизующая среднюю ошибку восстановления, и проведена их верификация для каждого события каталога.
7. Разработан и реализован алгоритм вычисления высших коротковолновых асимптотических приближений решений задачи рассеяния волн на плавных неоднородностях средствами пакета аналитических вычислений Mathematica;
8. Процедура вычисления точного решения прямой задачи рассеяния для сферических неоднородностей методом парциальных волн реализована на высокоэффективных компьютерных системах параллельного программирования;
9. Для ряда рассеивателей с функцией распределения потенциала рассеяния q не менее второго порядка гладкости на основе результатов численного моделирования получены оценки точности найденных приближенных решений путем сравнения с точным решением.
В целом, все запланированные на 2006 г. мероприятия успешно выполнены.
|
| Результаты этапа: В ходе выполнения работ на этапе 2007 г. проведено
1. Значительное расширение и обновление базы данных радиозатменных событий для построения корректирующего функционала. Сейчас пополненная база насчитывает свыше 500 радиозатменных событий (179 событий за 2005 г, 175 событий за 2006 г. и около 160 событий за обработанную часть 2007г.)
2. Продолжены численные эксперименты по восстановлению высотных профилей преломления (модельного и получаемого в реальных экспериментах) и сравнения их с данными метеопостов, на основании чего происходит выработка минимизующей среднюю ошибку восстановления корректирующей процедуры для выбранного высотного диапазона. Проведено дополнительное исследование влияния ионосферы на потенциальные точности восстановления в рефрактометрических экспериментах.
3. Проведение работ 2006г. показало трудоемкость этапа получения данных с метеопостов – эти данные разнородны, зачастую неполны, содержат разную по качеству информацию. Поэтому на этапе 2007 г. эти вопросы объединены при решении с проблемой получения сопутствующей геофизической информации. Так,
· Созданы базы данных сопутствующих событий – гео- и гелио-магнитных возмущений с удобными пользователю графическим интерфейсом.
· Создана база данных радиозондовых измерений для арктического региона (часть архива UKMO), разработан интерфейс, принципы графического отображения и выдачи информации для верификации радиозатменных экспериментов.
4. Проведена важнейшая – в контексте настоящих исследований - методическая работа по исследованию потенциальных точностей методов получения метеорологической информации, т.е. проведено сравнение погрешностей контактного и радиозатменного методов определения метеопараметров.
5. Проведено тестирование полученных алгоритмов на широком классе рассеивателей в широкой области параметров (размер, плотность, степень гладкости потенциала и т.д.),
имитирующих типичные ионосферные неоднородности;
6. При выработке упрощенных (сезонно-усредненные для конкретной области Арктики) алгоритмов коррекции на основе предлагаемого подхода учтены результаты п. 4. Начата апробация полученных алгоритмов.
7. Проводилась независимая верификация разработанных методик обработки данных и их коррекции, продолжен статистический анализ полученных результатов.
В целом, все запланированные на 2006 г. мероприятия успешно выполнены.
3.6. Полученные за отчетный год важнейшие результаты
1. На этапе 2007 г. проведена необходимая для целей данных исследований методическая работа по сравнению и исследованию потенциальных точностей методов получения метеорологической информации применительно к Арктическому региону.
Считается, что эти измерения наиболее точны и используются для верификации данных различных моделей. Мы их используем для сравнения с профилями метеопараметров, восстановленными при рефрактометрии атмосферы, между тем существуют вопросы о точности высотных привязок полученных данных и влиянии ошибок в них на высотные профили. В работе проведено сравнение высоты геопотенциала, рассчитанной по формулам гидростатики, с высотой радиозонда, определенной независимо системой слежения LORAN-C для почти 4000 высотных профилей в Арктическом регионе в период с 19.07.01 по 09.07.03.г.г..
Анализ показывает, что ошибки определения высоты имеют локальный и сезонный характер, и в целом возрастают летом, что связано, как представляется, с большим, чем зимой, разбросом приземных температур в Арктическом регионе. Ошибки высотных привязок при использовании контактного метода исследования (радиозонд RS80) достигают до 100 метров зимой и до 250 метров летом и, таким образом, должны учитываться при верификации других методов исследований, в которых получаются высотные профили метеопараметров, поскольку могут быть отнесены к вариации исследуемого параметра (!).
2. Рассмотрены различные методы восстановление метеопараметров из профиля показателя преломления.
Исследовано несколько алгоритмов дистанционного восстановления профилей метеорологических параметров из профиля показателя преломления на примере радиозатменных методик. Обсуждены вопросы влияния априорной информации о состоянии атмосферы на точность предлагаемых алгоритмов. Рассматриваемые алгоритмы тестировались на данных региональной модели Арктического региона HIRHAM4, а так же на данных о показателе преломления атмосферы, полученных в реальных радиозатменных экспериментах на ИСЗ CHAMP (GFZ-Potsdam). Для оценки ошибок определения метеопараметров с помощью радиозондов использовались данные из архива UKMO за период с 19.07.01 по 09.07.03 (около 4 000 высотных профилей, почти 120 000 высотных уровней в диапазоне высот до 22 км).
Предложенные алгоритмы позволяют восстанавливать профиль давления с относительной погрешностью порядка 0,5% и профиль влажности с относительной погрешностью порядка 10-30%, что является средним значением для алгоритмов подобного типа. К недостаткам данного метода можно отнести его чувствительность к вариациям температурного профиля при восстановлении влажности. Так, смещение априорного температурного профиля от исходного на ±3 0С, приводит к относительным ошибкам в восстановлении давления ~1%.. Изменение градиента априорного профиля на 3...10% приводит к средним по высотному диапазону ошибкам восстановления водяного пара равным 10...60% (до высот 4 км), и порядка 1% при восстановлении давления (до 10 км).
Проведено сравнение точности контактного метода и дистанционных методик. Получено, что на высотах до 6 км контактный (радиозондовый) метод в целом точнее дистанционного, особенно в определении влажности. На высотах около 7...8 км методы дают примерно одинаковые точности определения давления и температуры. На больших высотах, где уже почти отсутствует водяной пар (9...20 км), относительные ошибки восстановления влажности в обоих методах могут быть не нормированы (т.е. достигать 100%). Точность дистанционного метода в измерении давления на таких высотах в несколько раз выше, а точности определения температуры примерно совпадают.
Таким образом, показано, что на определенном высотном интервале точности определения метеопараметров радиозондом и дистанционными методами примерно совпадают, причем дистанционные методики позволяют получать данные более оперативно, а также из труднодоступных областей. Полученные результаты могут быть использованы для прогноза возможных ошибок в реальных экспериментальных данных и для создания процедур коррекции этих данных.
3. Для высокоширотной атмосферы и ионосферы Арктики характерна значительная изменчивость и существуют большие проблемы в прогнозировании их поведения. Показано, что при наличии в ионосфере и атмосфере неоднородных структур разных типов ошибки восстановления высотных профилей по радиозатменным данным могут зависеть от большого числа факторов и, в целом, локально возрастают.
Так, типичные ионосферные структуры восстанавливаются с сильными искажениями, достигающими десятков % и часто имеющими артефакты. В ряде случаев в ионосфере возможно влияние многолучевости зондирующего сигнала и влияние собственно ионосферных профилей на атмосферные. Напомним, что присутствие локальной неоднородности в атмосфере всегда затрудняет интерпретацию конкретного профиля, полученного РЗ методом - результат восстановления зависит от положения неоднородности относительно перигея зондирующих лучей и не может быть интерпретировано однозначно. Наши исследования показывают и влияние ионосферы/протоносферы на атмосферные профили. Все это затрудняет однозначную интерпретацию результатов радиозатменных экспериментов в атмосфере, особенно для высокоширотной ионосферы и накладывает определенные ограничения на возможно достижимые точности реконструкций профилей в радиозатменных экспериментах без использования специальных методов коррекции ионосферы. Данные работы позволяют определить диапазон величин для характерных искажений, которые нужно корректировать создаваемыми и верифицируемыми нами процедурами. Особенно важно, что при проведении моделирования использовались те же пакеты прикладных программ, что и для определения корректирующих процедур.
Особенно важно, что при проведении моделирования использовались те же пакеты прикладных программ, что и для определения корректирующих процедур.
3.7. Степень новизны полученных результатов
В проекте проводятся работы по исследованию высокоширотной атмосферы Арктики с использованием данных радиозатменных экспериментов и динамических региональных моделей атмосферы. Впервые для уточнения получаемых в радиозатменных экспериментах данных используются динамические региональные модели (на примере Арктического региона), данные которых являются основой для методик коррекции.
В работе создано и развивается высокоэффективное специализированное программное обеспечение - дополнение пакета «Ray Tracing Tool» для подготовки данных, интерактивного выбора события, оценки качества данных, проведения оценки величин возможных ошибок и определения результатов полученной коррекции. Пользователь имеет возможность графически контролировать все узловые моменты работы пакета.
Впервые, насколько известно, для Арктического региона проведен комплексный анализ точностей высотных привязок метеопрофилей, получаемых на радиозондах. Выявлены сезонные ошибки в высотных привязках данных, получаемых этим методом. Опробованы на реальных данных предложенные методы восстановления метеорологических параметров при наличии априорной информации. Показана их работоспособность и перспективность использования.
Проведенное уникальное сравнение дистанционных и контактных методов получения информации показывает, что на определенном высотном интервале точности определения метеопараметров радиозондом и дистанционными методами примерно совпадают, причем дистанционные методики позволяют получать данные более оперативно, а также из труднодоступных областей. Полученные результаты будут использованы для прогноза возможных ошибок в реальных экспериментальных данных и для создания процедур коррекции этих данных.
Впервые получены точные решения задачи дифракции волнового поля дециметровых волн на протяженных проницаемых неоднородностях километрового масштаба. Результаты расчетов дают обоснование возможности томографической реконструкции внутреннего строения изолированных возмущений показателя преломления нейтральной атмосферы и ионосферы при помощи алгоритмов дифракционной томографии.
Проводимые работы в целом оригинальны и находятся на «стыке технологий», поскольку предполагают использование разнообразных геофизических баз данных и результатов других коллективов и научных групп.
|
| Результаты этапа: 1. На этапе 2008 г. проведены значительное обновление и пересмотр базы данных радиозатменных событий, используемых для построения корректирующего функционала. Основная база приведена в соответствие с данными радиозондовых экспериментов с учетом результатов выполненных ранее методических исследований по сравнению потенциальных точностей методов получения метеорологической информации применительно к Арктическому региону. Основная проблема организации и проведения зондовых измерений по единому плану с периодичностью пусков шаров-пилотов каждые 6 часов заключается в суровых условиях Арктики. Поэтому на данном этапе отбраковке подлежали все события, попадающие в непосредственную близость к метеопосту, но по времени отстоящие от реального зондового измерения более чем на 6 часов (что означает проведение натурных измерений реже, чем 2 раза в сутки). В этом случае созданные нами методики не позволяют получить с необходимой точностью аппроксимации натурных метеопрофилей для определения эффективности проводимой коррекции. Сокращение количества рассмотренных событий составило 20- 40 % от общего количества событий, попавших в исследуемый регион. Сейчас база 2008г. насчитывает свыше 640 радиозатменных событий - 121 событие за 2004, 132 событий за 2005, 174 события за 2006, 110 событий за 2007 и 103 события за обработанную часть 2008г. Проведенная отбраковка данных необходима для улучшения их качества при выявлении сезонных зависимостей эффективности коррекции от геомагнитной обстановки.
2. Проведена масштабная верификация и тестирование созданных полученных методик коррекции радиозатменных экспериментов. Выполнен статистический анализ эффективности предлагаемых методов коррекции. Опробованы на реальных данных разработанные методы восстановления метеорологических параметров при наличии априорной информации. На значительной статистике (свыше 500 сеансов для 2004-2008г.г.) показана их работоспособность и перспективность использования созданного подхода. Анализ полученных результатов показывает, что более чем в 70% случаев проведенная коррекция состоятельна, причем почти в 60% случаев после проведенной коррекции ошибка в выбранном высотном интервале уменьшаются более чем на 50%. Применение нашей процедуры уменьшает и ошибку в величине среднеквадратичного отклонения, причем уменьшение ошибок в этом случае отмечается более чем в 65% случаев.
3. Проведено определение границ применимости предложенного метода коррекции. Получено, что при величине Kp> 5…6 и |Dst|>70…80 качество коррекции ухудшается, т.е. она становится практически бесполезной. Впервые получены упрощенные сезонные процедуры определения эффективности разработанных методов коррекции в функции внешних геомагнитных условий (индексов Кр и Dst). Проведен анализ в первом (линейном) приближении теории дисперсии для всех данных и для разделенных по времени года (зима-лето), причем в каждой сезонной анализируемой группе оказалось свыше 300 индивидуальных измерений, получены статистические аппроксимации эффективность коррекции в зависимости от геомагнитных возмущений. Характерно, что в среднем коррекция более эффективна летом, причем величина разброса (RMS) оценки среднего летом также почти вдвое дольше, нежели для зимнего периода.
4. На основе обзора и анализа опубликованных в литературе экспериментальных данных построены радиофизические модели мелкомасштабных случайных возмущений регулярной структуры коэффициента преломления тропосферы и нижней стратосферы. Получены оценки величин флуктуаций амплитуды и фазы сигналов радиомаяков спутниковых радионавигационных систем для различных атмосферных условий.
5. Получены новые оценки влияния дифракционных эффектов и границ применимости приближения геометрической оптики в анализе данных зондирования радиозатменным методом.
|
