Алгоритмы и программное обеспечение для обработки и моделирования атмосферных климатообразующих факторов
Диссертация
Созданный программный комплекс ABS на основе ПО МКМ позволяет рассчитывать функции пропускания, интенсивности восходящего и нисходящего излучений, вертикальные восходящие и нисходящие потоки тепловой радиации на порядок точнее, чем с помощью эмпирических методов (LOWTRAN-7) и на порядок быстрее эталонного метода LBL. Данное авторское ПО реализовано в рамках гранта РФФИ № 00−07−90 175 «Банк… Читать ещё >
Содержание
- 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 вейвлет-преобразования
- 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 М
- 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 вейвлет-преобразования
- 5. 4. Программное обеспечение для расчета вертикальных потоков тепловой радиации с помощью модифицированной комбинированной методики
- 5. 5. Выводы
Список литературы
- Climate Change 2001. The Scientific Basis. Contribution of Working Group 1. to the Third Assessment Report of the IPCC. Summary for Policymakers and Technical Summary — WMO/UNEP, 2001.
- Израэль Ю.А., Груза Г. В., Катцов B.M., Мелешко В. П. Изменения глобального климата. Роль антропогенных воздействий // Метеорология и гидрология. 2001.-№ 5. — С. 5−21.
- Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 4 / под ред. д. ф-м.н. чл.-корр. РАН Кабанова М. В. Томск: МГП «Раско», 2000. — 270 с.
- Монин А.С. Введению в теорию климата. Л: Гидрометеоиздат, 1982. — 246 с.
- Блютген И. География климатов. Т. 1 М.: Прогресс, 1972. — 430 с.
- Крылова А.И., Крупчатников В. Н. Глобальное моделирование потоков метана от болотных экосистем // сб. трудов «Большое Васюганское болото». Томск: ИОМ СО РАН, 2002. — С. 98−103.
- Dlygokencky E.J., Steele L.P., Lang P.M., Masarie K.A. The growth rate and distribution of atmospheric CH4 // J. Geophys. Res. 1994. — № 99. — P. 17 021−17 043.
- Dlygokencky E.J., Lang P.M., Masarie K.A., Tans P.P. Continuing decline in the growth rate of the atmospheric methane burden // Nature. 1998. — V. 393. -No. 4.-P. 447150.
- Инишева Л.И., Головацкая Е. А. Сток, эмиссия и мониторинг углерода Васюганского болота // сб. трудов «Большое Васюганское болото». Томск: ИОМ СО РАН, 2002. — С. 123−133.
- Matthews Е. Wetlands // Atmospheric Methane. Its Role in the Global Environment / editor Khalil M.A.K.
- Золотов С. Ю., Мицель А. А. Приближенная методика расчета пропускания газовой среды // Оптика атмосферы и океана. 7 международныйсимпозиум. Томск, Россия. 16−19 июля 2000 г. Томск: изд-во ИОА СО РАН, 2000 — С. 55−56.
- Золотов С. Ю. Программный комплекс для обработки данных озонометра М-124 // Радиотехнические и информационные системы и устройства. Томск: ТУСУР, 1999. — Ч. 1. — С. 39−40.
- Золотов С. Ю., Пономарев М. Н. Автоматизация расчета поглощения газов в атмосфере // Радиотехнические и информационные системы и устройства. Томск, 2000. — Ч. 2. — С. 12−13.
- Золотов С. Ю., Еременко М. Н. Программный комплекс обработки данных озонометров // Доклады ТУСУР. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования. Сборник научных трудов. Томск- ТУСУР, 1999. — Т. 3. — С. 131−135.
- Мицель А. А., Золотов С. Ю. Комбинированная методика расчета атмосферного поглощения со спектральным разрешением 20 см"1 // «Оптика атмосферы и океана». 2001. — Т. 14. -№ 1. — С. 54−58.
- Мицель А. А., Золотов С. Ю. Программный комплекс для решения радиационно-климатических задач // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Томск: ТУСУР, 2001 -Т. 6.-С. 221−228.
- Золотов С. Ю., Надеев А. И. Потоки метана заболоченной территории Западной Сибири // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Томск: ТУСУР, 2003. — Т. 8. — С. 1720.
- Climate Change. The IPCC Scientific Assessment / eds. J.T. Houghton, G.J. Jenkins, J.J. Ephraums. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. -365 p.
- Climate Change 1992. The Supplement Report to the IPCC Scientific Assessment / eds. J.T. Houghton, B.A. Callander, S.K. Varney. Cambridge: Cambridge University Press, 1992. — 200 p.
- Climate Change 1995. The Science of Climate Change. Contribution of Working Group I to the second assessment report of the IPCC / eds. J.T. Houghton, L.G. Meira Filho. Cambridge: Cambridge University Press, 1996. — 56 p.
- Новиков JI.B. Основы вейвлет-анализа сигналов, С-Пб: ООО «Мо-дус+», 1999. — 152 с.
- Мицель А.А., Золотов С.Ю. MathCAD. Лабораторный практикум по вычислительной математике. Томск: ТУСУР, 2003. — 172 с.
- A Practical Guide to Splines // Applied Math. Sciences. 1978. — Vol. 27. — 416 p.
- Злоба E., Яцкив И. Статистические методы восстановления пропущенных данных // Компьютерное моделирование и новые технологии. -2002. — Т. 6. -№ 1.-С. 51−61.
- Эфрон Б. Нетрадиционные методы многомерного статистического анализа М.: Финансы и статистика, 1988.
- Колмогоров А.Н. Стационарные последовательности в гильбертовом пространстве // Теория вероятностей и математическая статистика. 1986. -С. 215−255.
- Колмогоров А.Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей // Теория вероятностей и математическая статистика. 1986. — С. 255−263.
- Крейн М.Г. Об одной экстраполяционной проблеме А.Н. Колмогорова // ДАН. 1945. — Т. 46. — С. 339−342.
- Журбенко И.Г., Кожевникова И. А. Стохастическое моделирование процессов. М.: МГУ, 1990. — 150 с.
- Прохоров Ю.В., Розанов Ю. А. Теория вероятностей. М.: Наука, 1973.
- Розанов Ю.А. Стационарные случайные процессы. М.: Физматгиз, 1963.
- Яглом A.M. Введение в теорию стационарных случайных функций // УМН. 1952. — Т. 7. — Вып. 5(51). — С. 3−168.
- Яглом A.M. Корреляционная теория стационарных случайных функций. JL: Гидрометеоиздат, 1981.42. http://www.gistatgroup.com/gus.
- Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. 1996. — Т. 166. — № 11. — С. 1145−1170.
- Torrence С., Compo G.P. A practical guide to wavelet analysis // Bulletin of the American meteorological Society. 1998. — Vol. 79. — No. 1 — P. 61−78.
- Герман Дж.Р., Голдберг P.А. Солнце, погода и климат. JL: Гидрометеоиздат, 1981. — 319 с.
- Ciceron R.J., Oremland R.S. Biogeochemical aspects of atmospheric methane // Global Biogeochemical Cycles. 1988. — No. 2. — P. 299−327.
- Matthews E., Fung I.Y. Methane emissions from natural wetlands: global distribution, area, and environmental characteristics of sources // Global Biogeochemical Cycles. 1987. No. 1. — P. 61−86.
- Alexeev V.A., Birdsey R.A. Carbon in ecosystems of forests and peat-lands of Russia. Krasnoyarsk: Skachev Institute for Forest Research, 1994. — 1711. P
- Andronova J.A., Karol I.L. The contribution of USSR sources to global methane emission // Chemoshere. 1993. — No. 26. — P. 11−126.
- Zelenev V.V. Assessment of the average annual methane flux from the soils of Russia. Laxenburg: IIASA Working Paper, 1996. — 45 p.
- Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического управления и регулирования. М.: Наука.
- Захаров В.М., Костко O.K. Лазеры и метеорология. Л.: Гидроме-теоиздат, 1972. — 175 с.
- Захаров В.М., Костко O.K. Метеорологическая лазерная локация. -Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -203 с.
- Зуев В.Е. Лазер-метеоролог. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — 96 с.
- Зуев В.Е., Зуев В. В. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. С-Пб: Гидрометеоиздат, 1992. — 232 с.
- Лазерный контроль атмосферы /под ред. Хинкли Э. Д., Зуева В. Е. -М.: Мир, 1979.-416 с.
- Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. -550 с.
- Самохвалов И.В., Копытин Ю. Д., Ипполитов И. И., Балин Ю. С., Зуев В. В., Климкин В. М., Матвиенко Г. Г., Соснин А. В., Хмельницкий Г. С., Ша-манаев B.C. Лазерное зондирование тропосферы и подстилающей поверхности. Новосибирск: Наука, 1987. — 260 с.
- Еременко М.Н., Катаев М. Ю., Мицель А. А. Новая методика обработки данных озонометров // Оптика атмосферы и океана. 1999. — № 1.
- Standard Atmosphere. Tables and Data for Altitudes to 65.800 Feet // NAGA Report 1235. Washington: Government Printing Office, 1955.
- Minzner P.A., Ripley W.S. The ARDC Model Atmosphere, 1956 // AF Surveys in Geoph. AFCRC. — 1957. — No. 86.
- Minzner R.A., Champion K.S.W., PondH.L. The 1959 ARDC Model Atmosphere // Air Force Surveys in Geoph. AFCRC, 1959. — No. 115.
- COSPAR International Reference Atmosphere 1961 // Report of the Preparing Group for an International Reference Atmosphere. Adopted at the COSPAR Meeting in Florence. Amsterdam: North-Holland Publ. Сотр., 1961.
- SisenwineN., DubinM., Wexler H. The U.S. Standard Atmosphere // J. Geoph. Res. 1962. — Vol. 67. — No. 9. — P. 3627−3633.
- COSPAR International Reference Atmosphere 1965 // Compiled by the members of COSPAR working group IV. Amsterdam: North-Holland Publ. Сотр., 1965.
- Хргиан A.X., Кузнецов Г. И. Проблема наблюдений и исследований атмосферного озона. М.: Изд-во МГУ, 1981. — 216 с.
- Dettinger M.D., GhilM. Seasonal and interannual variations of atmospheric C02 and climate // Tellus. 1998. — V. 50. — P. 1−24.
- Зуев B.E., Комаров B.C. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1986.
- Ипполитов И.И., Комаров B.C., Мицель А. А. Оптико-метеорологическая модель атмосферы для моделирования лидарных измерений и расчета распространения радиации // Спектроскопические методы зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1985. — С. 4−44.
- Комаров B.C., Ломакина Н. Я., Михайлов С. А. Оценочная модель высотного распределения малых газовых составляющих атмосферы // Метеорология и гидрология. 1985. — № 1. — С. 56−61.
- Комаров B.C., Мицель А. А. Модель атмосферного озона для средних широт // Космические исследования. 1984. — Т. 22. — № 2. — С. 306−309.
- Мицель А. А., Фирсов К. М., Фомин Б. А. Перенос оптического излучения в молекулярной атмосфере. Томск: STT, 2001. — 444 с.
- Гандин JI.C., Коган P.JI. Статистические методы интерпретации метеорологических данных. Д.: Гидрометеоиздат, 1976. — 356 с.
- Гущин Г. П., Виноградова Н. Н. Суммарный озон в атмосфере. Л: Гидрометеоиздат, 1983. — 240 с.
- Мицель А. А., Фирсов К. М. Развитие моделей молекулярного поглощения в задачах переноса излучения в атмосфере Земли // Оптика атмосферы и океана. 2000. — № 2. — С. 179−197.
- Кондратьев К. Я. Радиационные факторы изменений глобального климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.
- Ellingson R. G., Ellis J., Feis S. The intercomparison of radiation codes used in climate models: long wave results // J. Geoph. Res. 1991. — V. 96. — P. 8929−8953.
- Ку-Нан-Лиоу. Основы радиационных процессов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — 376 с.
- Кондратьев К .Я., Тимофеев Ю. М. Прямые методы расчёта функций пропускания атмосферных газов // Изв. АН СССР. Физика Атмосферы и океана. 1967. — Т. 3. — № 2. — С. 198−206.
- Drayson S.R. Atmospheric transmission in the CO2 bands beetween 12 p. and 18 ц// Appl. Opt. 1967. — V.5. — P. 385−391.
- Покровский А.Г. Методика расчета спектрального пропускания ИК радиации в атмосфере // Проблемы физики атмосферы. 1967. — № 7. — С. 85−110.
- Edwards D.P. GENLN2. A general line-by-line atmospheric transmit-tance and radiance model. Version 3.0. Description and user’s guide. Colorado: NCAR, 1992.
- Feigelson E.M., Fomin В.A., Gorchakova I.A., Rozanov E. V., Timofeyev Yu., M, Trotsenko A.N., Schwarzkopf M.D. Calculation of longwave radiation fluxes in atmospheres // Journal of Geophysical Research. 1991. — V. 96. — P. 8985−9001.
- Smith H.J.P., Dube D.J., Gardner M.E., Clough S.A., Kneizys F.X. and Rothman L.S. FASCOD Fast Atmospheric Signature Code (Spectral Transmit-tance and Radiance). — Air Force Geophys.Lab.: Hanscom. Mass, 1978.
- Мицель А.А., Руденко В. П. Пакет прикладных программ для расчёта энергетических потерь оптического излучения в атмосфере LARA-1 // Препр. № 57. Томск: Изд. ТФ СО АН СССР, 1988. — С. 55.
- Mitsel А.А., Ponomarev Yu.N., Firsov K.M., Ptashnik I.V., and Kataev M.Yu. The computer codes LARA and AJRA for simulating the atmospheric transmittance and radiance: current status // JQSRT. 1995. — V. 54. — P. 559−572.
- Варнава B.A., Карасёв А. Б., Кондранин Т. В. и др. Эффективный метод расчёта переноса инфракрасного излучения в неоднородной атмосфере // Тр. XXI научн. конф. МФТИ. 1975. — С. 3718.
- Scott N.A. A direct method of compilation of the transmission function of an inhomogeneous gaseous medium // Journal Quant. Spectrosc.Rad. Transfer. -1974.-V. 14.-P. 691−704.
- Ridgway W.L., Harshvardhan, Arking A. Computation of atmospheric cooling rates by exact and approximate methods // J.Geophys.Res. 1991. — V. 96. — P. 8969−8984.
- Schwarzkopf M.D., Fels B. The simplified exchange method revisited: An accurate, rapid method for computation of infrared cooling rates and fluxes // J.Geophys.Res. 1991. — V. 96. — P. 9075−9096.
- Aoki T. // Papers Meteor.Geophys. 1988. — V. 39. — P. 53.
- Report on the ITRA, International Radiation Commission Working Group on Remote Sensing / Edited by A. Chedin, H. Fisher, K. Kunzi, D. Spaukuch, N. A. Scott. University of Maryland, 1988.
- Киселева M.C., Непорент B.C., Федорова E.О. Поглощение инфракрасной радиации при неразрешенной структуре спектра для наклонных путей в атмосфере (действие Н20 и С02) // Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1967. -Т. 3. — № 5. — С. 640−649.
- Филиппов В.JI., Козлов С. Д., Румянцева Н. А., Зиатдинова Н. М., Макаров А. С. Прозрачность атмосферы в диапазоне 1−14 мкм при высокой дальности видимости // Изв. вузов. Физика. 1984. — Деп. в ВИНИТИ, per. № 2483−84. — 52 с.
- Kneizys F.X., ShettleE.P., Gallery W.O., Chetwynd J.H., AbreuL.W., SelbyJ.E.A., Clough S.A., FennR.W. Atmospheric Transmittance / Radiance. Computer Code LOWTRAN 6 // AFGL-TR-83−0187. Hanscom, 1983. — 200 p.
- Броунштейн A.M., Фролов А. Д. О методике расчета спектрального пропускания в ИК окнах прозрачности атмосферы для приземных горизонтальных трасс // Труды ГГО. 1985. — Вып. 496. — С. 70−79.
- The Infrared Handbook. Atmospheric Absorption / Editor WolfW.L., Zissis G.J., Chapter S., La Rocca A.J. Washington, 1978. — P. 5−1-5−132.
- Гуди P. Атмосферная радиация. M.: Мир, 1966. — 417 с.
- Зуев В. Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М.: Советское радио, 1970. — 496 с.
- Kneizys F.X., Abreu L.W., Anderson G.P., Chetwyng J.H., Shettle E.P., Berk A., Bernstein L.S., Robertson D.C., Acharya P., Rothman L.S., Selby J.E.A.,
- Gallery W.O., Clough S.A. The MODTRAN 2/3 Report and LOWTRAN 7 Model / Ed. by Abreu L.W. and Anderson G.P. Phillips Laboratory, Hanscom AFB, MA, USA, 1996. -222 p.
- BurchD. E., Howard J. N., Williams D. Infrared transmission in synthetic atmospheres: Absorption laws for overlapping bands // J. Opt. Soc. Am. -1956.-No. 46.-P. 452−455.
- Hoover G. M., Hathaway С. E., and Williams D. Infrared Absorption of overlapping bands of atmospheric gases // Appl. Opt. 1967. — No. 6. — P. 481 487.
- Tubbs L. D., Hathaway С. E., and Williams D. Further studies of overlapping bands of atmospheric gases // Appl. Opt. 1967. — No. 6, — P. 1422−1423.
- Серия «Исследование космического пространства». Том 19 «Ключевые проблемы исследований планет Солнечной системы (парниковый эффект атмосфер планет)» / под ред. Кондратьева К. Я. и Москаленко Н. И. -М., ВИНИТИ, 1983. 156 с.
- B.A.Fomin and Yu.V.Gershanov. Tables of the Benchmark Calculations of Atmospheric Fluxes for the ICRCCM Test Cases. Part 1: Long-Wave Clear-Sky Results. Preprint IAE-5981/1.
- Боровиков В.П., Боровиков И.П. STATISTICA. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. Москва: Филинъ, 1998. — 608 с.
- Мицель А.А., Пташник И. В., Фирсов К. М. Моделирование молекулярного поглощения и лазерного зондирования газового состава атмосферы. Лабораторный практикум. Томск: ТУСУР, 1999. — 64 с. 113. http://www.matlab.ru.
- ВЫСОТНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ И НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ В МОДЕЛИ ИОА СО РАН ДЛЯ ЛЕТА УМЕРЕННЫХ ШИРОТ 72.