Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Моделирование гидрофизических полей в районе Экваториальной Атлантики на основе динамико-стохастического подхода Кузьмичева, Татьяна Феоктистовна

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Кузьмичева, Татьяна Феоктистовна. Моделирование гидрофизических полей в районе Экваториальной Атлантики на основе динамико-стохастического подхода : автореферат дис. ... кандидата физико-математических наук : 04.00.22.- Севастополь, 1992.- 20 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность теми исследований. Экваториальная область Ат-гантического океана является одним из наиболзо интересных а з со же время важних районов Мирового океана. Океан в этой об-шсти получает от Солнца наибольшее количество тепла, которое затем переносится течениями далеко за ее пределы, определяя шшат и погоду на значительной части земного пара.

Сложные динамические процессы, происходящие а зкваториаль-юй области океана, является предметом интенсивных теоретиче-:ких и экспериментальных исследований. Проблема воспроизведа-:ия изменчивости реальных гидрофизических полей в экватора-ільной области океана на основе теоретического моделирования і экспериментальных исследований делает актуальным развитие саяамико-стохастичосгого моделирования, суть которого состоит > единство теории и эксперимента при оптимальном использова-ши имаянейся информации. При построении динамико-стохастичэ-:ких моделей используются законы гидродинамики и принципы оп-'вмальаого извлечения ин'ррлавда из наблюдений, сгормулиро-йнныэ Колмогоровы?.! и Калманоы. Отличаются динамико-стохасти-бские іюдоли условным характером осреднения уравнений модели ;о отношению к наблюдениям.

Динамико-стохастическое моделирование в океанологии начало взвиваться в МІЙ А" УССР приблизительно с 1975 г., однако до их пор остается ряд проблем, возникающих при сочетании дз-ерлинированных и вероятностных подходов к исследованию явле-ий в океане. Так, например, до сих пор не ясслегзвалось, кайм образом будут влиять на эволюцию поля температуры, отсле-иваеыув с помочью дошаынко-стохастпческой модели, систематв-еская ошибка, с которой существующие гидродинамические моде-и описывают реальный океан; плохо известные из наблюдений ачадьные поля температуры в скорости; плохо известное из аблвденлй поле ветра, которым в первую очередь определяется аркуляция в районе Тропической Атлантики; внутренние колеба-ия модельного решения, являхшеся следствием неполного при-сособления модельного решения к шеинему возбуждению.

Цель работы. Целью данной работы является разработка дина-мико-стохастической модели Экваториальной Атлантики, основанной на решении задачи оптимальной фильтрации; решение с ее помощью задачи четырехмерного аначиза в вышеназванном районе и исследование основных факторов, влияющих на эволюцию поля температуры, отслеживаемую с помощью разработанной модели.

Основные задачи исследования. Одна из задач, возникающих при сочетании детерминированных и вероятностных подходов, заключается в том, что существующие в настоящее время гидродинамические модели (в силу того, что задание краевых условий, параметризация подсеточных эффектов, выбор процедуры численного решения связаны с большим количеством допущений) описывают реальный океан с систематической ошибкой и при усвоении данных наблюдений не корректируются. Так как на гидродинамическую часть в динамико-стохастических моделях ложится большая нагрузка, ото может привести к искажению оценки состояния океана, получаемой в момент усвоения. Проблему, связанную с возможным искажением Еыбранной гидродинамической моделью оценки состояния реального океана, получаемой в момент усвоения, необходимо исследовать и, если такие искажения существенны, то, по возможности, предлагать способы, уменьшающие подобного рода искажения.

Из метеорологии известно, что при произвольном введении в процесс четырехмерного анализа дополнительной информации может происходить нарушение баланса массы и количества движения и, как следствие этого, появляются возмущения модельных полей. Б настоящей работе проверяется, каким образом реагирует построенная динамико-стохастическая модель на вносимую в нее извне информацию.

"Из литературы известно, что процесс приспособления модельного решения к полю ветра сопровождается возникновением и распространением экваториально-захваченных волн. Было бы интерес но выяснить, описывает ли волновые движения используемая гидродинамическая модель и если да, то каким образом оудут влиять эти движения на поля температуры,отслеживаемые с помощью

разработанной динамико-стохастической модели,не произойдем; ля здось кзк'.-х-ниОудь существенных искажени:".

Длл коректного решения задачи данамико-сгохастического модели роьшшя необходимо знание текущих значений поля ветра в и-.счотіах ..-злах сетки, а поле ветра в районе Экваториальной Атлантики изустно из наблюдений очень плохо.Вопрос, насколько суисстгснш.; искажающее влияние на результат усвоения плохо из.іОіітнь'х ;п наблюдений текузг.х значений поля ветра, которым в первую очередь ощядедяится циркуляция в гадродинамичесз'ой моделі". Экваториальной Атлантики, до сих пор не исследоваь.

Для корректного решения задачи диначико-стохастического моделирования необходимо знание в расчетных узлах сетки начальных значений температуры и скорости. Однако имеющиеся наблюдения поля температуры статистически' обеспечены недостаточно и обладают высоким уровнем "пума", связанным как с наличием в этих полях возмуяапий малых масштабов, так и с погрешностями наблюдений. Одно из полей - поле течений - либо из наблюдений неизвестно совсем, либо это отдельные буйковые постановки, которых недостаточно для интерполяции в каждый узел сетки. Таким образом возникает задача искажавшего влияния на эволюцию полей, тзмпературы, отслеживаемую с помощью ДСМ Экваториальной Атлантики, плохо известных из наблюдений начальных полай температуры и скорости, которая также не исследовалась.

Вез перечисленные выззе вопросы рассматриваются в диссертации.

При проведении модельных экспериментов желательно иметь экономичную гидродинамическую модель, хорошо ошсываюдую поля температуры и скорости в изучаемом районе и в тэ хе время работающую при относительно небольших объеме памяти и времени счета,нэобходимых для выполнения программы. Так как усвоение данных наблюдений выполнялось в верхнем бароклинном слое океана, то упростить гидродинамическую часть можно было бы '.:iyj-когіием .л-.-.ка баротролных скоростей. С этой целью необходимо вчя':,|,.1,:';.> каким образом елзмет рельеф дна в районе Экватор;--а.'!Ь::о< Аг ...втики ъи проюсс-ы, происходящие в верхне- б^іс-

клинноы слое океана.

Решение задачи оптимальной (в среднеквадратическом смысле) фильтрации сзодится к интегрированию системы осреднении:: условным образом уравнений движения. Таким образом уже в самой постановке -задачи динамико-стохастического моделирования ле-кет зависимость коэффициентов турбулентного обмена теплом и импульсом от наблюдений и корректировка их в момент усвоения данных наблюдений. Одной из рассматриваемых в диссертации задач является попытка усовершенствования динамике—стохастической модели Экваториальной Атлантики путем перехода к переменным коэффициентам горизонтального турбулентного теплообмена.

Научная новизна. Основные результаты диссертации получены в новом направлении океанологических исследований - системном четырехмерном анализе гидрофизических полей океана. Это направление предложено в отделе динамико-стохастического моделирования океана ЩИ АН Украины, в котором выполнялась диссертационная работа.

В результате решения перечисленных выше задач получены следующие новые результаты.

Разработана дннамико-отохаотичеокая модель Экваториальной Атлантики, основанная на решении задачи оптимальной фильтрации.

Исследованы основные факторы, искажающие эволюцию поля температуры, отслеживаемую с поыошью динаыико-стохаствчеокой модели Экваториальной Атлантики.

Предложен способ нахождения вертикального профиля дисперсии ошибки оценки состояния реального океана.

.Показано, что в гидродинамической модели, описывающей район Экваториальной Атлантики, рельеф дна оказывает слабое влияние на суммарную скорость и на распределение температуры в верхнем бароклинном слое океана. Таки;»: образом гидроданамиче-' скую часть модели можно, упростить путем опускания блока баро-тропннх скоростей.

В результате решения задачи четырехмерного анализа у берегов Гвинеи и Сенегала а в районе ІСРз.д. на Экваторе получены

области холодных вод, известные из наблюдений и при том же поле ветра не воспроизводимые гидродинамической моделью.

Показано, что эволюция поля температуры, отслеживаемая с помощью описанной в главе I динамико-стохастической модели, практически не зависит от выбора начальных полей-и их адаптации к изменившемуся полю ветра (начальные поля температуры и скорости формируются гидродинамической частью модели).

Показано, что после того как начальные поля будут в основном гидродинамической моделью сформированы, результат усвоения не будет зависеть от фазы волновых движений модельного решения (при помощи которых происходи? приспособление модельного решения к полю ветра), с которой начинается усвоениз!

Показано, что несмотря на искажающее влияние плохо известных из наблюдений текущих значений поля ветра, которым в первую очередь определяется циркуляция в гидродинамической модели Тропической Атлантики, приоритет в решении задачи четырехмерного анализа принадлежит данным наблюдений.

Показано, что выбранная версия динамико-стохастической модели при усвоении данных наблюдений поля температуры не генерирует фиктивных возмущений и обладает вполне, приемлемыми дис-сипативными свойствами.

Предлагается, в силу того, что при решении задачи динамикр-стохастического моделирования большая нагрузка при усвоений данных ложится на динамическую часть, а существующие в настоящее время гидродинамические модели описывают реальный океан с систематической ошибкой вследствие тех причин, которые при усвоении данных не корректируются, выполнять не одностороннее согласование модельной оценки с измерениями, как это делается обычно, а двустороннее, учитывающее специфику формирования полей гидродинамической частью модели, чтобы модель, в силу своей неадекватности, вносила минимальные искажения в те поля, которые получаются при усвоении.

Положения, выносимые на защиту Динамико-стохастическая модель Экваториальной Атлантики.

Карты полек температуры, построенные с помочью разработанной динамико-стохастической.модели по дан но/, наблпдепш' "Эк-валант-1".

Результат исследования влияния рельефа дна .на су;.:марн;/м скорость и на распределение температуры в верхнем бароклин-ном слое океана.

Результат исследования основині факторов, влияктх :г; :>.-.>-люцию полей температуры, отслеживаемую с пого.^ьз динамііі-.v-стохастичеекоЕ модели:

а) плохо известных из наблюдений начальных полэй темпзра-
туры и скорости;

б) плохо известного из наблюдений поля ветра, коаорым в
первую очередь определяется циркуляция в гидродинамической
модели Экваториальное Атлантики;

в) волновых движений модельного решения, являшихся след
ствием неполного приспособшт:лл модельного решения к внешне
му возбуждению;

г) систематической ошибки, с которой существующие гидроди
намические модели описывают реальный океан.

Практическая значимость работы. Рассмотренный в диссертации метод системного четырехмерного анализа является перспективным методом контроля природных процессов и найдет якрокое применение при мониторинге океана. Полученные результаты подтверждают необходимость дальнейшего развития этого метода и служат обоснованию его отдельных этапов.

На основе созданной численной ДСМ Экваториальной Атлантики разработан комплекс программ для ЭВМ на языке высокого уровня Ш-І. Реализованы в виде сервисных програш: алгоритмы, позволяющие автоматизировать процесс построения диагностических и прогностических карт исследуемых полей.

Предлогены практические методы оптимизации информационно-внчислитольных систем по входным параметрам. В качестве примеров практического испо.чьзования разработанной ДСМ пріведонн результаты четырехмерного анализа поля температуры в районе Тропической Атлантики. Результаты диссертации могут Лыть ^с-

пользованы при решении народно-хозяйственных задач.

Апробация работы и результаты. Основные результаты диссертации докладывались на "Ш-й межвузовской конференция молодых ученых и специалистов" (Калининград, 1984), П-й Всесоюзной конференции "Перспективные метод./ планирования н анализа экс-пермэнтов при исследовании случайных полей п процессов" (Севастополь, IS85), на XX7I конференции молодых ученых Гидрометцентра СССР (Москва, 1988), на научных секянарах отдала динамики океанических процессов МГИ АН УССР (1985,1990,1991), на научных семинарах отдела динашко-стохастачоского моделирования ГЛЕИ АН УССР (1965-1992), на Гядрофзззчэском семинаре МГИ АН Украины (1992).

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Обший' объем диссертации 147 страниц печатного текста, в том числе 54 рисунка. Список литературы включает 84 наименования отечественной и зарубежной литературы.