Андреев (1221658)
Текст из файла
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
Кафедра «Высшая математика»
К защите допустить
зав. кафедрой, д-р физ.-мат. наук, профессор
______________________ П.В. Виноградова
________________ 2015 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОГНОЗА ПОГОДЫ НА КАЧЕСТВО НАЧАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Магистерская диссертация
МД 010400.68. ПМ 2
Магистрант гр. ПМ 2 ______________________ А.А. Андреев
Руководитель
канд. физ.-мат. наук _____________________ С.О. Романский
Нормоконтроль ______________________ Е.П. Суляндзига
Хабаровск – 2015
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
Естественно-научный институт Кафедра «Высшая математика»
Специальность 010400.68 – Прикладная математика и информатика
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой, проф. П.В. Виноградова
« » ____________ 20__ г.
ЗАДАНИЕ
по магистерской диссертации
Андреева Андрея Андреевича
1. Тема работы: «Исследование чувствительности гидродинамической модели прогноза погоды на качество начальных данных» утверждена приказом по университету от «13» марта 2015г. № 184а
2. Срок сдачи студентом законченной работы: «15» июня 2015 г.
3. Исходные данные к работе: исходный код гидродинамической модели прогноза погоды на языке Fortran 90, данные полей метеоэлементов из различных источников информации.
4. Содержание магистерской диссертации: исследование реакции гидродинамической модели прогноза погоды на качество исходных данных, сравнительный анализ и оценки качества полей температуры, получаемых из различных источников данных.
5. Дата выдачи задания: «01» сентября 2014 г.
Руководитель / канд. физ.-мат. наук С.О. Романский /
Задание принял / Андреев А.А. /
ОТЗЫВ
на магистерскую диссертацию
Магистранта Андреева А. А. группы ПМ-2 кафедры «Высшая математика»
Естественно-научного института «Дальневосточного государственного университета путей сообщения» на тему «Исследование чувствительности гидродинамической модели прогноза погоды на качество начальных данных».
Диссертация содержит 83 с., 2 рис., 26 таблиц, 22 источника.
Диссертационная работа написана на актуальную тему исследования гидродинамических моделей прогноза погоды, а именно исследование чувствительности расчетов модели при вводе исходных данных различного качества. В производственной практике нередки случаи, когда данные наблюдений необходимые для проведения расчетов не поступили вовремя. В этом случае происходит замена данными из других источников или данными большей заблаговременности. Исследовалась реакция модели на ввод несогласованных полей метеоэлементов, влияние замены геопотенциала на температуру и др. Работа проводилась для модели прогнозов общего пользования «MLp 11-100», используемой для прогноза погоды в Дальневосточном регионе России.
Другой целью исследования было определение степени достоверности данных о температуре воздуха, поступающих в ФГБУ «Дальневосточное УГМС» из различных источников данных, для возможности их использования в производственной практике.
В ходе работы были достигнуты все запланированные цели исследования, разработана система верификации, которая позволяет рассчитать и сравнить между собой количественно качество полей температуры, полученных из различных источников. Сделаны выводы о взаимосвязи между качеством исходных данных и точностью получаемых прогнозов погоды. Материал изложен систематично и логично связан между собой, магистрант использовал актуальные источники данных.
В процессе работы А.А. Андреев показал хорошую подготовку, способности к изучению незнакомой предметной области и умение творчески решать сложные задачи. Выполненная работа заслуживает оценки «отлично».
Научный руководитель_______________ /Романский, С.О./ 15.06.2015
ABSTRACT
The master thesis includes 83 p., 2 figures, 22 references, and 26 tables.
NUMERICAL WEATHER PREDICTION, COMPUTATIONAL STABILITY, SATELLITE SOUNDING
Purpose of the study is analysis about the reaction of the numerical weather model to initial and boundary data of various qualities. Temperature data is one of the most important variables of the atmospheric parameters; therefore main objective of this study is evaluation of the quality of the temperature data that is obtained from various sources. Area of the study is the territory of Russian Far East.
Influence of the daily and seasonal cycle of the meteorological variables (temperature and geopotencial), impact of the lead time of the meteorological initial and boundary data, and effect of the inconsistent in initial data of the numerical model to the quality of the weather forecasts have been shown in this master's work. It also presented results about replacing initial temperature data by the temperature calculating via geopotencial data to the quality of weather forecasting.
Various characteristics of the quality of the geopotencial and temperature forecasts with observed data by weather sondes are calculated. Meteorological fields verified with each other to show their proximity.
РЕФЕРАТ
Магистерская диссертация содержит 83 с., 2 рис., 22 источника, 26 таблиц.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ПРОГНОЗ ПОГОДЫ, ГЕОПОТЕНЦИАЛ, ТЕМПЕРАТУРА, СПУТНИКОВОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ
Цель работы – исследование реакции гидродинамической модели прогноза погоды на качество исходных данных, сравнительный анализ и оценка качества полей температуры, получаемых из различных источников данных, как одного из наиболее важных параметров текущего состояния атмосферы.
В результате работы было показано влияние суточного и сезонного ходов значений метеоэлементов, влияние заблаговременностей прогноза метеоэлементов в исходных данных и влияние несогласованности входных полей на качество прогноза полей геопотенциала. Проведены эксперименты по замене полей геопотенциала на температуру в исходных данных.
Разработана система верификации данных полей температуры. С помощью разработанного программного комплекса выполнены расчеты значений характеристик степени близости исследуемых полей температуры друг с другом и степени отклонения значений температуры в пунктах радиозондирования, рассчитанных по различным видам полей от наблюденных данных. Выполнены расчеты статистики отклонений всех видов рассматриваемой информации от данных наблюдений в заданных градациях.
Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2015), результаты диссертации опубликованы в работе [22].
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Гидродинамическая 11-ти уровенная модель регионального прогноза полей метеоэлементов 13
1.1 Система уравнений модели 14
1.2 Конечно–разностная схема 16
1.3 Алгоритм численного прогноза 19
1.4 Испытание модели в РСМЦ Хабаровск 20
1.5 Оценки качества прогнозов 23
2 Анализ реакции модели MLp 11-100 на изменение исходных данных 29
2.1 Описание экспериментов 29
2.2 Результаты экспериментов 30
2.2.1 Влияние суточного хода метеоэлементов 31
2.2.2 Влияние сезонного хода метеоэлементов 31
2.2.3 Влияние заблаговременностей прогноза в исходных данных 33
2.2.4 Влияние несогласованности входных полей 33
2.2.5 Влияние замены геопотенциала на температуру в исходных данных 34
3 Разработка системы анализа и сравнения полей температуры в Дальневосточном регионе, полученных из различных источников данных 36
3.1 Описание системы верификации 36
3.2 Описание исходных данных 38
3.2.1 Краткое описание метода восстановления температуры по данным спутникового зондирования 38
3.3 Описание алгоритмов обработки данных 41
3.4 Числовые характеристики качества испытываемой информации 42
3.5 Результаты анализа 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 55
ПРИЛОЖЕНИЕ А 58
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 76
ПРИЛОЖЕНИЕ В 79
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время все технологии и методы метеорологических прогнозов (полей метеоэлементов, элементов погоды, специализированных прогнозов для нужд авиации, морского, речного, наземного транспорта, энергетики, сельского хозяйства и предупреждение о неблагоприятных погодных условиях и опасных явлениях погоды, которые могут привести к стихийным бедствиям или нанести существенный ущерб экономике) базируются на результатах интегрирования гидродинамических моделей атмосферы различного территориального охвата (от глобальных до мезомасштабных [1]), пространственного разрешения и физического содержания, которые в конечном итоге определяют качество и ценность получаемой информационной основы.
Выпуском гидродинамической основы глобального охвата и большой заблаговременности занимаются, как правило, мировые метеорологические центры (ММЦ) и наиболее развитые национальные метеорологические центры (НМЦ). Продукция этих центров распространяется по каналам глобальной системы телесвязи (ГСТ) и по Интернету в коде GRIВ.
Более детальная обработка информации проводится в региональных специализированных метеорологических центрах (РСМЦ) Всемирной службы погоды (ВСП) Всемирной метеорологической организации (ВМО) посредством региональных гидродинамических моделей, которые используют продукцию глобальных моделей в качестве полей первого приближения для региональных объективных анализов текущего состояния атмосферы и систем усвоения данных.
Модели регионального масштаба (общего назначения или специализированные) используются для подготовки информационной основы при составлении краткосрочных прогнозов погоды и параметров состояния атмосферы.
Для интегрирования гидродинамических моделей необходимы начальные и граничные данные. Начальные данные представляют собой значения полей метеоэлементов, описывающих текущее состояние атмосферы. Граничные данные зависят от формулировки граничных условий модели.
Для региональных моделей начальные данные могут браться из данных объективного анализа (ОА), прогностической продукции глобальных моделей, системы усвоения данных. На боковых границах региональных моделей могут задаваться фиксированные условия (неизменные на период интегрирования стартовые данные) или переменные значения полей метеоэлементов, получаемые из прогностической продукции глобальных моделей посредством отбора необходимых данных и их интерполяции в узлы региональной сетки. При этом для различных метеопараметров могут задаваться различные границы. Например, для геопотенциала и компонент скорости ветра - переменные, а для интегрирования уравнения баланса влаги – фиксированные.
В производственной (оперативной) практике не редки случаи, когда поля метеоэлементов из какого-либо источника недоступны или не поступили вовремя к сроку начала расчета прогноза. В этом случае происходит замена данными из других источников или данными на тот же срок того же источника, но большей заблаговременности. В результате возникает несогласованность исходных данных (начальных и/или граничных полей метеоэлементов).
В работе ставилась задача исследования реакции гидродинамической модели на ввод несогласованных полей.
В настоящее время в ведущих метеорологических центрах существуют и развиваются четырехмерные системы усвоения данных с использованием развитых гидродинамических моделей. В отечественной практике такие системы разрабатываются и совершенствуются в ММЦ «Москва» (ФГБУ «Гидрометцентр России») [2]. Имеется трехмерный объективный анализ текущего состояния атмосферы на основе метода оптимальной интерполяции [3] и система вариационного усвоения данных [4].
В последние годы в отечественной практике успешно применяются мезомасштабные модели высокого пространственного разрешения (WRF-ARW, COSMO). Исходные данные для них берутся из зарубежных моделей, что существенно ограничивает (делает зависимыми) отечественную метеорологическую науку и практику. Различные модели могут требовать различный набор данных: температура, геопотенциал, скорость ветра и т.д. Мезомасштабные модели требуют более широкий спектр исходных данных, чем модели синоптического масштаба, например, данные о температуре подстилающей поверхности, температуре и влажности подпочвенного слоя. В этой связи возникает необходимость разработки собственной системы усвоения.
При увеличении вычислительных мощностей в ФГБУ «Дальневосточном УГМС» до 60 ТФлопс (планируется в 2016 г.) можно использовать модель WRF-ARW [5] на всей поверхности Земли и предпринимать попытки разработки собственной систему усвоения данных. Для этого необходимо иметь методы и технологии усвоения данных измерений параметров текущего состояния атмосферы и подстилающей поверхности от различных наблюдательных платформ, в том числе спутникового зондирования, как наиболее эффективного и перспективного источника метеорологической информации по всей толще атмосферы с весьма подробным горизонтальным разрешением. Источники исходных данных, которые могут использоваться в гидродинамических моделях, имеют различное качество.
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
