Батуева Е.В.
Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ, Россия E-mail: elizavlad@mail.ru
Радиометеорологическое картографирование различных физико-климатических регионов стано- вится весьма актуальным в связи с необходимостью оперативного диагноза характеристик распростране- ния радиоволн в приземных слоях атмосферы. Радиофизические карты могут служить основой для пер- спективного планирования работы радиоэлектронных средств в заданном районе, а также для решения оперативных задач по прогнозу радиофизических полей при работе радиосистем с заданными характери- стиками [1].
Картографирование — один из заключительных этапов обработки радиометеорологической ин- формации. Осуществляется тщательный анализ данных с классификацией станций по условиям местопо- ложений. Особое внимание обращается на данные, отклоняющиеся от преобладающего среднего фона. В распределении характеристик, изменяющихся под влиянием подстилающей поверхности, возможны су- щественные различия даже на малых расстояниях. В связи с этим при построении карт важно выбрать интервал изолиний. Интервал определяется с таким расчетом, чтобы колебания картографируемого эле- мента по отдельным станциям укладывались между изолиниями, не превышая двойной средней квадра- тичной ошибки средних. Проведение изолиний — наиболее важный элемент картографирования [2,3].
На территории России и бывших союзных республик располагались 146 станций аэрологического радиозондирования, которые были распределены весьма неравномерно: 57 станций в Европейской части, 14 в Средней Азии и 75 - в Сибири. Таким образом, если имелись достаточные сведения о вертикальном распределении радиометеорологических параметров над станциями аэрологического радиозондирования в Европейской части, то они из-за весьма малого количества станций практически слабо характеризовали огромную труднодоступную и отдаленную территорию тундровой части Сибири, Заполярья и Дальнего Востока, где по нашим исследованиям [4,5] наблюдаются наиболее интересные пространственно- временные распределения радиометеорологических параметров.
Карты изолиний построены на основе базы данных радиометеорологических параметров призем- ной атмосферы, составленной по значениям основных метеоэлементов до 3000 м над уровнем станций. В блок входят 20 карт, характеризующих пространственное распределение среднего и среднеквадратиче- ского отклонения приземных значений показателя преломления, вертикального градиента и основных метеоэлементов в различные времена суток (утро, день, вечер и ночь) центральных месяцев четырех се- зонов года. Также в указанный комплект входят по 4 карты, характеризующие среднемесячные значения рассматриваемых параметров.
База данных состоит из отдельных блоков ( рис. 1). Каждый блок представляет собой файл, кото- рый может пополняться информацией по мере ее поступления, частично корректироваться или уничто- жаться при обнаружении ошибок в данных. Каждый из блоков включает в себя следующую информа- цию:
• данные аэрологических наблюдений в форме таблиц ТАЭ-16 и ТАЭ-3;
• усредненные десятилетние данные радиозондирования.
Рис. 1. Структура информационного массива.
Массив данных содержит информацию за три года, что определяется типом поставленной задачи.
Группа ГОД включает в себя примерно 120 групп СУТКИ. Группа СУТКИ состоит из четырех групп СРОКИ, т.е. включает информацию за четыре срока наблюдений. Группы ПОВ1 и ПОВ2 состоят соот- ветственно из 5 и 6 основных элементов. Группа СРОКИ состоит из 5 групп ПОВ1 и 9 групп ПОВ2. За- писи в файле СРОКИ расположены в возрастающей последовательности значений ключевых элементов:
год, месяц, день, срок наблюдения. Основная задача информационной базы данных — это накопление массивов данных, их обработка и интерпретация по запросам пользователей.
Для наглядности и практического применения радиометеорологических параметров удобно пред- ставить их в виде карт изолиний. Введем следующие обозначения:
f( ,θ λi i) - произвольный измеряемый над станцией зондирования радиометеорологический пара- метр;
θ λi, i - географические координаты станций; (θi - широта, λi - долгота).
Тогда можно записать систему линейных алгебраических уравнений
[ ]
f
i ia
nmm
ib
nmm
iP i M
m n
n N
n m
( θ λ , ) = ⋅ cos( λ ) + ⋅ sin( λ ) ( θ
i), = ... ,
=
=
∑
∑
1 01
1)где Pnm( )θi - присоединенные полиномы Лежандра степени n и порядка m, заданные в нормировке Грамма-Шмидта; θ = − °Φ 90 , Φ - географическая широта; M - количество станций; anm,bnm - неизвест- ные коэффициенты.
Решение системы линейных алгебраических уравнений (1) относительно неизвестных anm,bnm поз- воляет получить информацию о радиометеорологическом параметре в любой точке с координатами
( , )θ λ над исследуемой территорией.
Система уравнений (1) была решена методом наибольших вкладов, разработанных авторами [6].
Точность решения системы уравнений (1) зависит от длины аппроксимирующего ряда (1). При n=8, N=50 среднеквадратичная погрешность составляет ∼ 0,2%.
В докладе приведены результаты построения радиометеорологических карт, полученных из ра- диометеорологической базы данных. Наблюдения характеризуются однородностью способов зондирова- ния (радиозонды А-22, РКЗ-1), что обеспечило относительную равноточность результатов зондирования и достаточную репрезентативность результатов статистической обработки метеоэлементов.
Можно выделить четыре уровня концептуального моделирования баз данных для целей радиоме- теорологического картографирования.
Первый уровень – моделирование пространственного распределения изучаемых параметров или системное рассмотрение основной проблемы исследования. Результатом является общая схема, которая описывает основные параметры и факторы, влияющие на их вариации.
Второй уровень – моделированиеблоков, серий, наборов карт, которые оптимально отражают ос- новные составляющие исследуемых радиометеорологических параметров. На этом уровне основной еди- ницей моделирования является тематическая карта, которая освещает распределение одного из метеопа- раметров.
Третий уровень – моделирование тематического содержания отдельной карты, которая раскрывает проблему. Этот уровень содержит информацию о модели тематических данных и определяет способы картографического изображения.
Четвертый уровень – моделирование составляющих тематического содержания отдельной карты.
Эта процедура предусматривает формирование новых составляющих базы данных на основе преобразо- вания существующей информации с помощью графических схем анализа данных.
Таким образом, создание базы данных тематического картографирования выделяется из общей технологии поддержки картографических баз данных наличием соподчиненных элементов содержания и базируется на структурно – графических схемах классического картографического моделирования [7].
Средние значения температуры, давления и влажности, а также их стандартные отклонения на разных высотных уровнях до 3000 м в отсчете от уровня станции, сгруппированные по всем месяцам года и по срокам суток (утро, день, вечер, ночь и среднесуточные по всем срокам) составляют отдельный блок радиометеорологической базы данных.
Второй блок базы данных содержит пересчитанные по метеоэлементам средние значения показа- телей преломления атмосферы для радиоволн, а также значения их стандартных отклонений на тех же высотах, и сгруппированные по месяцам и временам суток.
В отдельный, в третий блок базы данных, сведены средние значения вертикальных градиентов ко- эффициента преломления и их стандартные отклонения в различных по мощности тропосферных слоях с
различными высотами нижней границы слоя, которые сгруппированы во временной области аналогич- ным с предыдущими блоками образом.
По автоматизированному методу построения радиометеорологических карт построен блок карт изолиний показателей преломления атмосферы N. Указанные карты получены на основе базы данных радиометеорологических параметров приземной атмосферы, составленной по значениям основных ме- теоэлементов до 3000 м над уровнем станций. В блок входят по 20 карт, характеризующих простран- ственное распределение средних и среднеквадратических отклонений приземных значений показателя преломления в различные времена суток (утро, день, вечер и ночь) центральных месяцев четырех сезо- нов года. Также в указанный комплект входят по 4 карты, характеризующие среднемесячные значения рассматриваемых параметров.
В докладе приводятся карты изолиний показателя преломления атмосферы, построенные по ре- зультатам средних значений четырех сезонов года. Как и ожидалось, показатель преломления тропосфе- ры N, также как определяющие их метеорологические параметры температуры, давления и влажности подвержены пространственно-временной вариации. Наблюдается достаточно сложное пространственно- неоднородное распределение показателя преломления на севере и восточных регионах Сибири с не- сколькими локальными участками, где изолинии замкнуты вокруг “полюсов холода” - станции Оймякон.
В Европейской части аналогичные территории с замкнутыми изолиниями отсутствуют, наблюда- ется в основном их широтное расположение.
Средние величины вертикальных градиентов коэффициента преломления и их стандартные от- клонения в оболочке базы данных рассчитаны в таких приземных слоях атмосферы как 2:300 м, 2:600 м, 2:900 м, 2:1500 м, 2:2000 м, 2:3000 м и в приподнятых слоях 300:600 м, 300:900 м, 300:1200 м, 300:1500 м, 300:2000 м, 300:3000 м, а также в слоях выше 600 м и 900 м. По результатам этих вычислений постро- ены соответствующие карты изолиний, характеризующие различные сезоны года и времена суток.
С увеличением толщины рассматриваемого тропосферного слоя, а также с ростом высоты его нижней границы значения вертикальных градиентов коэффициента преломления убывают независимо от времени суток и сезона года. Анализ сравнения карт вертикальных градиентов с одновременными карта- ми приземных значений коэффициента преломления свидетельствует в целом о существовании между ними некоторой статистической взаимосвязи.
Изучение суточных изменений пространственного распределения вертикальных градиентов пока- зывает на их слабое изменение в зимний период в резко-континентальных регионах севера и востока Си- бири, что является следствием доминирующего влияния Сибирского антициклона наряду с регионами Заполярья, где в этот период года наблюдается полярная ночь.
Построены карты изолиний вертикальных градиентов коэффициента преломления, построенные по результатам среднемесячных значений четырех сезонов года (январь, апрель, июль, октябрь). Вокруг
“полюса холода” - станции Оймякон наблюдается серия замкнутых изолиний высоких значений верти- кальных градиентов коэффициента преломления.
Литература:
1. Радиоклиматический тропосферный атлас Тихого океана / Под ред. Г.С. Шарыгина. Томск: Том- ский госуниверситет систем управления и радиоэлектроники. – 2000. – 171 с.
2. Берлянт А.М. Картография. – М.: Аспект Пресс. – 2002. – 336 с.
3. Лурье И.К. Основы геоинформационного картографирования. – М: Изд-во Московского ун-та. – 2000. – 143 с.
4. Batueva Е.V. The analysis of radio sonde measurements at sub-arctic continental aerological stations Proc. of SPIE OPT-ENG. – 2009. – V. 7296, 7296 – OL.P. 6.
5. Батуева Е.В., Дарижапов Д.Д. Статистические модели тропосферы на основе базы аэрологических данных // Вестник ВСГТУ. – 2010. – № 1. – C. 52-58.
6. Базаржапов А.Д., Матвеев М.И., Мишин В.М. Геомагнитные вариации и бури. – Новосибирск:
Наука. – 1979. – 248 с.
7. Путренко В.В. Базы данных тематического картографирования в составе инфраструктур простран- ственных данных // Материалы IX научной конференции по тематической картографии. – Ир- кутск, 2010. – Т.1. – С. 56-59.