Введение к работе
Значительное повышение интереса к вопросам прогнозирования и диагностики состояния средней атмосферы, наблюдаемое в настоящее время, обусловлено целым рядом причин как теоретического, так и прикладного характера. Современный этап развития социально-экономической деятельности характеризуется широким использованием нетрадиционных методов решения различного рода хозяйственных и военно-технических задач, что, в частности, находит свое отражение в создании технических систем, функционирующих в широкой области высот - от средней стратосферы до нижней термосферы (стратосферная авиация, воздушно-космические аппараты, аэростатные комплексы и т.д.). Высокий уровень их конструкционного и технологического исполнения, жесткие требования, предъявляемые к качеству решаемых ими задач, предопределяют существенную зависимость эффективности функционирования этих систем от геофизических условий, имеющих место в средней атмосфере (СА). В связи с этим возникает необходимость детального и корректного учета геофизических условий на всех этапах жизненного цикла такого рода технических систем (ТС) - от их разработки до применения по назначению.
В теоретическом плане совершенствование методов прогнозирования и диагностики термодинамического состояния СА позволяет вплотную приступить к решению таких актуальных научных проблем, как проблемы исследования процессов формирования и оценивания тенденций изменения глобального климата Земли. Это обусловлено тем, что в средней атмосфере сосредоточена основная масса активных газовых компонент, таких, как озон и углекислый газ, контролирующих радиационный режим атмосферы. Кроме того, чрезвычайно актуальной является проблема оценивания экологических последствий хозяйственной деятельности человечества в аспекте влияния на озоносферу и инициирования парникового эффекта. Решение этой проблемы также невозможно без корректного учета в фотохимических моделях динамических факторов.
Прогнозирование (диагностика) геофизических
(метеорологических) условий осуществляется в ходе геофизического (гидрометеорологического) обеспечения функционирования социально-экономических либо технических систем. В дальнейшем для определенности говорится о геофизических условиях (ГФУ) и геофизическом обеспечении (ГФО), т.к. эти понятия являются более широкими, что позволяет легко перенести полученные в диссертации результаты на случай гидрометеорологического обеспечения. Необходимость такой органиации процесса ГФО, при которой потребитель - орган управления обеспечиваемой системой - получал бы наибольшую выгоду от его проведения привела к формированию концепции специализированного ГФО. В ходе развития проблемы синтеза процессов специализированного ГФО основное вниманж
2 исследователей было сосредоточено на решении задач оптимального (е том или ином смысле) использования потребителем прогнозов погоды, получаемых с помощью физико-статистйческих методов прогнозирования.
Большая заслуга в разработке подходов к разрешению этой проблемы и методов решения широкого круга такого рода задач принадлежит таким ученым, как Обухов А.М., Монин А.С., Багров Н.А., Гандин Л.С., Жуковский Е.Е., Груза Г.В., Волконский Ю.Н., Вимберг Г.П., Хандожко Л.А. и др. Однако, эти подходы и методы имеют свою область применимости, очерченную границами, связанными со следующими обстоятельствами.
Наиболее существенным из этих обстоятельств является предположение о разомкнутое схемы "система ГФО - потребитель". Однако, существующая тенденция развитая социально-экономических и военно-технических систем зачастую предопределяет необходимость включения системы ГФО (в качестве подсистемы) в саму обеспечиваемую систему. Совершенно очевидно, что в этом случае результат функционирования обеспечиваемой системы будет определяться не только качеством прогноза как такового и качеством стратегии его использования, но и временными и материальными затратами на разработку этого прогноза. Отсюда приходим к задаче синтеза оптимального процесса ГФО функционирования обеспечиваемой системы, наиболее важными составляющими которого являются процессы прогнозирования и диагностики ГФУ. Рассматривая метод прогнозирования (диагностики) как способ организации соответствующего процесса, получаем задачу синтеза специализированного (оптимального в смысле решаемой задачи ГФО) метода прогнозирования (диагностики) ГФУ функционирования обеспечиваемой системы.
Впервые идея учета особенностей обеспечиваемой системы на этапе построения метода прогнозирования ГФУ была высказана Ю.Н. Волконским (1985 г.). Им было показано, что такой учет обеспечивает получение потребителем целевого эффекта большего, нежели чем при ориентации на концепцию специализации прогнозов. Однако, в исследованиях Ю.Н.Волконского не нашли своего отражения моменты, связанные с необходимостью учета при оценивании качества метода затрат на разработку прогноза, что, скорее всего, связано с отождествлением им метода прогнозирования ГФУ и модели ГФУ!
Далее, в рамках проблемы специализации прогнозов обычно предполагается, что их качество описывается некоторой скалярной величиной, называемой в самом общем случае "полезностью". Наиболее часто эта скалярная величина сводится к экономическим показателям, например "экономическому эффекту" или "экономической эффективности". Однако, при решении широкого круга задач, в частности задач экологии, вряд ли возможно получить оценку "полезности", выраженную в рублях, не говоря уже о трудностях, которые могут иметь место при попытке скаляризации
3 , ..,--.
токазателя качества результатов функционирования обеспечиваемой системы.
В исследованиях по вопросам специализации, выполненных до «стоящего времени, предполагается, что действия потребителя и, соответственно, процесс прогнозирования носят множественный, повторяющийся іарактер. Поэтому до сих пор отсутствует ясность в вопросе, каким обра-юм оценивать качество методов, используемых при обеспечении уникальных действий потребителя?
И наконец, основные усилия исследователей, работающих по "проблеме специализации методов или прогнозов, были сосредоточены на оассмотрении задач, в которых множество возможных ГФУ и множество юзможных вариантов действий.потребителя являются конечными. При рункционировании же ТС в средней атмосфере ход и исход операции зависят от ГФУ, которые описываются полями некоторых параметров, т.е." множество возможных ГФУ является бесконечномерным. В связи с тем, гго процесс управления разворачивается во времени, управляющее воздействие является некоторой функцией времени, т.е. также имеет, вообще го-зоря, бесконечную размерность. Кроме того, при прогнозировании состояния СА (а ГФУ являются функцией состояния атмосферы) в настоящее зремя неприемлем физико-статистический подход. Это предопределяет ориентацию на использовании при организации процессов ГФО функционирования ТС в СА гидродинамических и динамико-стохастических моде-тей атмосферы и методов, основанных на них.
К настоящему времени, как у нас в стране, так и за рубежом, на-<оплен значительный опыт в построении пвдродинамических моделей атмосферы. Наиболее существенный вклад в разработку принципов и мето-юв гидродинамического моделирования атмосферных процессов внесли гакие российские ученые, как Кибель И.А,, Блинова Е.Н., Белов П.Н., Обу-сов A.M., Юдин М.И., Беркович Л.В., Матвеев Л.Т., Панин Б.Д., Марчук ".И., Дымников В.П., Пененко В.В., Курбаткин ГЛ., Машкович СА. и др. Эднако, проблему разработки гидродинамических моделей атмосферы, в особенности средней атмосферы, на которых могли бы основываться метода прогнозирования, используемые при специализированном ГФО, нельзя считать в настоящее время решенной.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется:
повышением требований к геофизическому обеспечению процессов функционирования технических систем на высотах средней атмосферы;
необходимостью разрешения существующих проблем, имеющих место при синтезе методов специализированного ГФО функционирования социально-экономических и технических систем;
необходимостью развития идей и методов специализации на случай
4 использования при прогнозировании гидродинамического или дина-мико-стохастического подходов; - потребностью в дальнейшем исследовании физических процессов, протекающих в средней атмосфере.
В соответствии с вышесказанным, диссертационная работа имеет своей целью создание теоретических основ синтеза специализированных методов прогнозирования и диагностики геофизических условий функционирования технических систем в средней атмосфере, а также развитие теории прогнозирования и диагностики состояния средней атмосферы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи исследования:
-
сформулировать общие принципы синтеза процессов прогнозирования и диагностики геофизических условий в средней' атмосфере, реализуемых в ходе специализированного геофизического обеспечения функционирования сложных целеустремленных систем;
-
разработать методологические основы синтеза специализированных методов прогнозирования и диагностики геофизических условий функционирования технических систем в средней атмосфере;
-
разработать теоретические основы исследования качества методов прогнозирования и диагностики геофизических условий;
-
разработать теоретические основы и методы синтеза специализированных математических моделей средней атмосферы и процессов, протекающих в ней;
-
оценить конструктивность разработанных теоретических основ исследования качества и методов синтеза моделей средней атмосферы на примере идентификации спектра внутренних гравитационных волн в задачах моделирования среднезонального состояния ыезосферы;
-
синтезировать специализированный метод прогнозирования геофизических условий выполнения маневра посадки воздушно-космической системы.
Основные научные результаты и их новизна состоят в следующем:
-
Разработаны методологические основы синтеза специализированных методов прогнозирования и диагностики геофизических условий протекания процессов функционирования сложных целеустремленных систем на высотах средней атмосферы. Предлагаемые методологические основы впервые позволяют с единых позиций рассматривать задачи информационного ГФО органов управления техническими и социально-экономическими системами как разными по своей организации, так и преследующими различного рода цели функционирования.
-
Дана математическая формулировка задачи синтеза специализированного метода прогнозирования геофизических условий в средней атмо-
5 сфере. Использование этой формулировки впервые предоставляет возможность, решать задачи синтеза ' специализированных; методов прогнозирования ГФУ проведения уникальных операций.
-
Разработаны способы оценивания качества методов прогнозирования ГФУ и способы исследования чувствительности качества этих методов к вариациям своих параметров. Новизна способов оценивания качества методов состоит в незначительном уровне абстрагирования от реальных нюансов процесса прогнозирования, а также в учете стохастических факторов, влияющих на ход и исход операций прогнозирования.
-
Осуществлено теоретическое обобщение и разработаны новые методы оценивания чувствительности гидродинамических моделей атмосферы к вариациям своих параметров. Новизна предлагаемых методов исследования чувствительности состоит в учете конечных целей этого исследования., снижении количества степеней свободы параметров модели, что позволяет в некоторых случаях получать даже аналитические оценки функций чувствительности. Кроме того, получены явные выражения для функций чувствительности функционалов от решений задач, формулируемых в гидродинамической модели атмосферы.
-
Разработаны методы синтеза специализированных моделей средней атмосферы. !>га методы предполагают вычленение в процессе синтеза структурного и параметрического аспектов модели и основаны на процедуре последовательного наращивания структуры модели с параллельной ее параметрической идентификацией.
-
На основе построенной модели чувствительности среднезонального состояния средней атмосферы к вариациям параметров спектра тропосферных ВГВ впервые получены количественные оценки этой чувствительности.
-
Впервые предложен метод идентификации параметров сЛектра тропосферных ВГВ по результатам наблюдений за среднезональным состоянием средней атмосферы.
-
Впервые получены количественные оценки чувствительности характеристик суточных и полусуточных приливных движений атмосферы к вариациям параметров, описывающих степень турбулизации атмосферы на высотах турбопаузы.
Результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение крупной научной проблемы - обобщения и разработки теоретических основ синтеза специализированных методов прогнозирования и диагностики геофизических условий в средней атмосфере, имеющей важное значение для совершенствования процессов информационного геофизического обеспечения функционирования сложных целеустремленных систем, а также при решении широкого круга научных и практических задач, касающихся учета динамических процессов, проте-
кающих на высотах средней атмосферы, в том числе задач оценивани. климатических и экологических последствий хозяйственной деятельності человечества.
Научная ценность и практическая значимость работы опреде ляется тем, что:
предлагаемые методологические основы синтеза специализированны) методов и моделей могут быть использованы не только при разработк< методического аппарата системы ГФО функционирования техниче ских систем на высотах средней атмосферы, но и при разработке спе циализированных методов ГФО применения систем, функционирую тих в других областях атмосферы;
разработанные методы исследования качества процесса прогнозирования могут быть использованы при выработке требований к системе ГФО функционирования различного рода систем в части, касающейся ее структуры, технических средств и т.д., а также при определении наиболее целесообразных направлений развития системы ГФО;
методы исследования чувствительности моделей средней атмосферы, предложенные в работе, позволяют также оценивать чувствительность моделей тропосферы и процессов, протекающих в ней;
предлагаемые методы исследования чувствительности качества методов прогнозирования предоставляют возможность оценивания степени важности диагностической информации, поступающей от различных платформ наблюдения, и позволяют формировать направления развития наблюдательной сети;
разработанные модели процессов, протекающих в средней атмосфере, позволяют проводить глубокие исследования морфологии и динамики средней атмосферы, а также могут быть использованы в качестве динамического блока в фотохимических моделях;
модели чувствительности состояния СА, построенные в диссертации, позволяют оценивать влияние хозяйственной деятельности человека и природных катастроф на состояние средней атмосферы.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена аргументированностью исходных положений, логической непротиворечивостью рассуждений, корректным использованием современного математического аппарата и подтверждается согласованностью полученных результатов и сделанных выводов с некоторыми частными результатами других авторов, фундаментальными теоретическими положениями и имеющимся эмпирическим материалом.
Апробация и публикации. Результаты диссертации докладыва-пись и получили одобрение на 2 Научно-технической конференции 'Проблемы повышения эффективности метеорологического, аэродромно-гехнического и инженерно-аэродромного обеспечения авиации ВС СССР" [Воронеж, 1989г.), Научно-технической конференции по совершенствова-
7 шю метеорологического обеспечения действий видов Вооруженных Сил Москва, 1989г.), Всесоюзной конференции "Математическое и имитаци->нное моделирование в системах управления и проектирования" Чернигов, 1990г.), 3 Всесоюзной конференции по авиационной метеоро-югии (Суздаль, 1990г.), Всесоюзном симпозиуме "Геофизические аспекты іереноса примесей в верхней атмосфере" (Обнинск, 1990г.), 3 Всесоюзной тучно-технической конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотных солебаний естественного происхождения" (Львов, 1990г.), Научно--ехнической конференции "Исследование крупномасштабных глобальных юзмущений в ионосфере" (Харьков, 1990г.), Научно-технической конфе-зенции "Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной :реды" (Санкт-Петербург, 1992г.), V Санкт-Петербургской международной сонференции "Региональная информатика - 96" (Санкт-Петербург, 1996г.), I Международной научно-практической конференции "Дифференциальные фавнения и их приложения" (Санкт-Петербург, 1996г.), Итоговых сессиях /ченых советов и научных семинарах Российского Государственного гид-эометеорологического института, Военной инженерно-космической академии им. А.Ф. Можайского, Государственного научно-исследовательского яавигационно-гидрографического института МО РФ, ГОИ им. СИ. Вави-юва.
Основные результаты диссертации опубликованы в 19 статьях, И тезисах докладов 12 отчетах по НИР.
В диссертацию включены результаты исследований, выполненных автором лично и тех исследований, в которых личный вклад диссертанта заключался в постановке задач исследований, разработке моделей и «етодов, а также в участии в проведении численных экспериментов и анатазе их результатов.
Реализованы результаты исследований в войсковой части 32103, Военной инженерно-космической .академии им. А.Ф. Можайского, Выс-лем военно-морском училище им. М.В. Фрунзе, научно-исследовательском институте телевидения. Реализация результатов зафик-:ирована соответствующими актами.
Структурно диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы, содержащего 298 наименований. Общий эбъем работы составляет 359 страниц, в том числе 81 рисунок и фафик, а также 9 таблиц.
