Введение к работе
Актуальность темы.
Применение современной компьютерной техники и методов автоматизации обработки больших потоков информации в системах мониторинга окружающей среды в последние годы позволили создать гло-Зальные банки данных о параметрах геосистем. Однако обширные и разнородные банки данных, которые постоянно пополняются, оказываются мало информативными без привлечения информационных технологий.
Одним из эффективных подходов к анализу данных мониторинга ивляется имитационное моделирование. Примеры его использования цля обработки данных об окружающей среде говорят о необходимости комплексного анализа разнородной информации с привлечением методов вычислительного эксперимента.
Целью настоящей работы является создание такой имитационной
системы для вычислительных экспериментов на примере глобального
гидрологического цикла (ГГЦ). Проблематика биосферной и климати
ческой роли глобального злагооборота в настоящее время входит
<ак в международные, так и национальные программы многих
государств. Исследование гидрологического цикла Земли является
эдним из приоритетов Международной геосферно-биосферной
программы "Глобальные изменения" и Всемирной программы исследования климата (ВПИК).
Несмотря на успехи в изучении глобального гидрологического щкла к настоящему времени еще не создана достаточно полная база іанннх, обеспечивающая объективную оценку динамики гидросферных сомцонентов в условиях изменения современного климата и нараста-здих антропогенных воздействий на природные системы. В силу это-'о пока не существует количественных критериев оценки климати-юских вариаций, вызванных изменениями в" гидросфере.
К числу основных трудностей решения задачи параметризации \лобального гидрологического цикла относятся недостаточная надежность оценок эвапотранспирации на суше, влажности почвы и інегозапаса, испарения над океанами в условиях сильного волнения і покрытия льдом, неадекватность временных характеристик огшса-шя процессов образования облачного слоя и выпадения осадков. Фрагментарны сведения о роли растительных покровов в переносе
воды из почвы в атмосферу, распределении гидрологических характеристик над акваториями Мирового океана. Недостаточны сведения о таких важных климатообразующих факторах, как снежный и ледовый покровы в высоких шротах.
Развитие полномасштабных и сложных исследований постоянно ограничено техническими возможностями получения и обработки больших и регулярных массивов данных, трудностью анализа закономерностей биосферных процессов. К теоретическим трудностям такого анализа следует отнести в первую очередь многокомпонентность таких систем, наличие сильных связей между отдельными блоками, часто сильную нелинейность процессов, совокупность непрерывных и скачкообразных изменений, множество обратных положительных и отрицательных связей.
Недостаточно развиты средства наблюдения за состоянием природной среды в глобальном масштабе. Космический мониторинг хотя и помог выйти на качественно новую ступень, но пока измерения из космоса носят отрывочный и неполный характер. Проблемы измерения многих гидрологических характеристик находятся в стадии теоретических исследований.
Для преодоления вышеперечисленных проблем является актуальной' разработка имитационной модели глобального гидрологического цикла и анализ возможностей имитационного моделирования для прогноза малых климатических вариаций, которые могут иметь место при антропогенном воздействии на природу в глобальном масштабе.
Создание моделей глобальных процессов позволяет также обеспечить задание граничных условий для моделей меньшего масштаба (региональных и локальных) и обеспечить их единую иерархическую связь в системе национального и международного контроля за изменениями окружающей среды.
Цель и задачи исследования.
Работа посвящена созданию модели глобального гидрологического цикла, предназначенной для использования в инструментальных исследованиях и в системе контроля глобальной экологической ситуации. Основные задачи, решаемые для достижения поставленной цели, можно сформулировать в следующем виде:
1. Анализ современного состояния моделирования глобальных процессов с целью формирования по возможности наиболее полного модельного пространства для поиска эффективных моделей в которых возможно использование данных глобального мониторинга.
2. Анализ современного состояния и перспектив геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС) и их возможностей комплексно-
го наблюдения природных параметров. Разработка принципов создания эффективных моделей для ГИМС. Формирование комплексных критериев качества для оценки сложных моделей.
-
Создание модели глобального гидрологического цикла, допускающей проведение экспериментов по оптимизации ее параметров и структуры; направленной на изучение малых вариаций, которые могут иметь место при антропогенном воздействии на природу и существенно влияют на хозяйственную деятельность человека; доступной к использованию в массовом эксперименте и как инструмент геоинформационной службы.
-
Создание интегрированной среды модели, позволяющей проводить эксперименты по широкому кругу сценариев пользователями различной квалификации.
-
Апробация и верификация модели с использованием архивов аэрологических данных о современном климатическом состоянии геосистемы и ее динамике за период инструментальных наблюдений. Проведение экспериментов по чувствительности гидрологической системы к вариациям начальных условий и внешних климатических факторов, изменению характеристик водного рекима и коэффициентов модели.
-
Оценка изменения качества модели в условиях параметрических и структурных изменений. Определение достигнутого уровня качества, анализ недостатков модели и направлений возможного повышения ее точности.
Научная новизна.
В представленной работе создана оригинальная имитационная модель влагоооорота, использующая, в отличии от моделей циркуляции атмосферы, данные глобального мониторинга. Модель предназначена для изучения малых отклонений ' от климатической нормы, которые могут иметь место при антропогенном воздействии.
Предложен метод сокращения многомерности качества модели через сформулированный критерий непротиворечивости, и принципы создания эффективных моделей для геоинформационных систем разного пространственно - временного масштаба.
Разработана структура информационного обмена между банком данных, моделью и системой представления результатов, реализованная в виде интегрированной среды моделирования на примере модели глобального гидрологического цикла.
Практическая значимость.
Полученные результаты могут быть использованы при созда-
ний имитационных моделей биосферных процессов разного пространственно - временного масштаба и при объединении таких моделей в единую иерархическую систему.
Исследование чувствительности глобальних процессов влагопе-реноса необходимо при анализе крупномасштабных экономических проектов, разработке государственных экологических и социальных программ, международных соглашений.
Создание интегрированной среды, адаптированной к пользователю позволяет использовать модель в целях обучения, в том числе в высшей школе на специальностях, связанных с моделированием биосферных процессов и прогнозом антропогенного воздействия.
В диссертации защищаются следующие положения;
1.' Разработанная модель гидрологического цикла позволяет исследовать и прогнозировать реакцию гидрологических процессов на малые климатические и антропогенные воздействия на базе данных глобального мониторинга атмосферы, океана и суши.
-
Созданная интегрированная среда позволяет проводить широкий круг экспериментов, подготавливать для модели данные глобального мониторинга, различающиеся по пространственно-временным характеристикам и рассчитывать интегральные характеристики глобального влагооборота, производные от модельных параметров.
-
Использование регулярных данных наблюдений климатических характеристик позволяет в;1.5 - 2 раза уменьшить ошибку модели глобального гидрологического цикла, определяемую по среднеквадратичной норме, по сравнению с моделями использующими расчет климатических полей. В частности, данные глобального мониторинга позволяют получить при использовании малокомпонентной параметрической модели точность по атмосферным параметрам (осадки, удельная влажность) сравнимую с точностью полных динамических климатических моделей общей циркуляции атмосферы.
-
Устойчивость модели в юж-ом диапазоне вариаций параметров позволяет использовать линеаризацшо процессов в окрестности среднемноголетнего годового климатического цикла и считать параметры чувствительности периодическими функциями с главным периодом 1 год.
Апробация работы.
Положения диссертационной работы и основные результаты докладывались и обсуждались на:
Международном симпозиуме "Проблемы экоинформатики", г. Звенигород, 14-18 декабря 1992г.
Международном симпозиуме "Инженерная экология - 91", г. Звенигород, 22-24 октября 1991Г.
Всесоюзной XVIII- школе "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования", п. Дюрсо, 1-6 октября 1991г.
Международном семинаре "Mathematical models in environmental soienoes", г. Ленинград, 3-7 июня 1991 г.
Всесоюзной xvii школе "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования", п. Дюрсо, 1-6 октября 1990Г.
Всесоюзной школе "Математическое моделирование экосистем и процессов", п. Курортное, 23-28 апреля 1990Г.
Всесоюзном семинаре "Проблемы и методы организации социально благоприятной среды при развитии промышленного потенциала в новых экономических условиях", г. Ужгород, сентябрь 1989Г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 140 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, з таблицы и список цитированной литературы.