[ Министерство образования и наук
и Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
(РГГМУ)
На правах рукописи
Восканян Карина Левановна
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ
ЗНАЧЕНИЙ ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА
Специальность 25.00.30. – метеорология, климатология, агрометеорологияАВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург –
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский Государственный гидрометеорологический университет».
Научный руководитель доктор физ.-мат. наук, профессор – А.Д. Кузнецов
Научный консультант кандидат физ.-мат. наук, доцент – О.С. Сероухова
Официальные оппоненты доктор физ.-мат. наук – И.А.Потапова;
кандидат физ.-мат. наук, доцент Ю.А. Довгалюк
Ведущая организация Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию имени Нансена
Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 1530 на заседании диссертационного совета Д212.197.01 при Российском Государственном гидрометеорологическом университете.
Адрес: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного гидрометеорологического университета.
Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д212.197.01, кандидат физ.-мат. наук Кашлева Л.В.
Общая характеристика работы
Актуальность и практическая значимость работы Температура воздуха у поверхности земли является одной из важнейших метеорологических величин. Без знания фактического значения этой метеорологической величины, а также ее прогностического значения трудно себе представить жизнь и хозяйственную деятельность современного общества. В своей повседневной жизни мы интересуемся прогностическим ее значением вечером, планируя как свою одежду, так и свою работу, если она будет протекать на открытом воздухе. Утром мы выясняем фактическое значение этой температуры, тем самым уточняя ее прогностическое значение. В своей хозяйственной деятельности трудно себе представить тот случай, когда этот метеорологический параметр или его прогноз различной заблаговременности не учитывался бы в той или иной мере. Это коммунальные службы, авиация, дорожные службы, прогностические подразделения гидрометеослужбы, строительство, энергетика и многие другие виды хозяйственной деятельности.
Все выше сказанное определяет важность и актуальность исследования «поведения» этой метеорологической величины во времени и пространстве.
Этим определяется актуальность и практическая значимость данной работы.
При исследовании приземной температуры атмосферного воздуха возможно как рассмотрение двухмерных полей этой метеорологической величины, так и временных рядов значений приземной температуры воздуха, измеренной в одном пункте. В данной работе рассматривались только временные ряды приземной температуры воздуха, измеренные с помощью современных автоматических метеорологических станций (АМС). Одной из особенностей данной работы является отказ от рассмотрения климатических характеристик приземной температуры воздуха, требующих наличия длинных временных рядов этой величины (при этом дискретность измерений может быть достаточно большой), а предлагается сосредоточиться на исследовании относительно небольших (по продолжительности общего времени измерения) временных рядов, но с малой дискретностью. Такая возможность появилась с внедрением в метеорологическую практику АМС, когда дискретность измерений может быть уменьшена вплоть до 10 с.
Цель работы состоит в получении и анализе статистических и других характеристик временных рядов значений приземной температуры воздуха, измеренных с помощью автоматических метеорологических станций, а также в исследовании возможностей применения аналитических методов к проведению текущего прогноза значений приземной температуры.
Основные задачи исследования:
– рассмотреть технические характеристики современных автоматических метеорологических станций общего и специального назначения;
– создать архив временных рядов приземной температуры воздуха, полученных с помощью АМС в Санкт-Петербурге и Ленинградской области;
– разработать и реализовать с помощью специально созданной для этой цели программы для ПЭВМ алгоритмы перевода текстовых значений данных с серверов, содержащих результаты измерений на АМС в СанктПетербурге и Воейково, в цифровую форму;
– разработать и реализовать с помощью специально созданной для этой цели программы для ПЭВМ алгоритмы контроля «качества» временных рядов и с их помощью исключить из архива данные, содержащие временные разрывы и выбросы;
– с использованием, как стандартных пакетов прикладных программ, так и специально созданных в процессе выполнения данной работы программ для ПЭВМ, произвести серию расчетов статистических характеристик временных рядов, соответствующих различным сезонам и пунктам измерения, и оценить доверительные интервалы для этих характеристик, а также произвести анализ полученных данных;
– разработать алгоритмы и подготовить соответствующую программу для ПЭВМ для расчета аддитивных составляющих временных рядов;
– на основе созданной программы и имеющегося архива данных исследовать поведение характеристик периодических составляющих временных рядов приземной температуры воздуха;
– исследовать, используя созданные для этой цели программы для ПЭВМ, точность текущего прогнозирования приземной температуры воздуха на основе аналитических методов проведения замкнутых численных экспериментов и дать практические рекомендации по их применению.
Исходные материалы и методика исследования:
– временные ряды приземной температуры воздуха, измеренные АМС в Санкт-Петербурге и поселке Воейково Ленинградской области;
– методики исследования статистических характеристик базировались на известных методах и подходах к их расчету с использованием как известных пакетов «Statistica» и «Excel», так и созданных в процессе выполнения данной работы специализированных программ для ПЭВМ;
– методика оценки точности текущего прогнозирования базировалась на проведении замкнутых численных экспериментов на ПЭВМ с использованием данных натурных измерений приземной температуры воздуха в СанктПетербурге и Ленинградской области.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Скорректирована методика контроля «качества» временных рядов приземной температуры, адаптированная к работе с данными АМС РГГМУ и ИРАМ.
2. Разработана методика выделения аддитивных составляющих временных рядов с использованием специально созданной для этой цели программы для ПЭВМ.
3. Разработаны методики проведения замкнутых численных экспериментов для оценки точности текущего прогнозирования приземной температуры воздуха и для их реализации созданы соответствующие программы для ПЭВМ.
4. Определены статистические характеристики временных рядов приземной температуры воздуха и исследованы их вариации в зависимости от объема выборки, сезона и места проведения измерений.
5. Проведено сопоставление синхронных измерений приземной температуры воздуха в мегаполисе и за его пределами.
6. Для каждого сезона оценены параметры периодических составляющих временных рядов приземной температуры воздуха и исследована их изменчивость в зависимости от объема выборки и места проведения измерений.
7. Разработана методика использования аналитических методов прогнозирования приземной температуры воздуха, и определены оптимальные схемы его проведения на основе этих методов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика выделения периодических составляющих временных рядов приземной температуры воздуха.
2. Методики использования аналитических методов для проведения текущего прогнозирования приземной температуры воздуха и результаты, полученные при определении оптимальной схемы такого прогнозирования.
Личный вклад. В процессе выполнения данной работы автором были – созданы и обработаны архивы данных с АМС Санкт-Петербурга и Ленинградской области, необходимые для проведения исследования;
– освоены методики и на их основе проведены расчеты статистических характеристик временных рядов приземной температуры;
– разработаны алгоритмы и составлены программы для ПЭВМ, позволяющие реализовывать разработанные методики.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры экспериментальной физики атмосферы в 2012–2013 гг., на Итоговой сессии Ученого совета РГГМУ в 2012 г.
Основные результаты диссертации опубликованы в двух печатных работах и одном учебном пособии, в том числе две публикации – в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы – 84 наименования. В ней содержится 145 страниц текста, 35 таблиц, 88 рисунков.
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, изложены цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы, а также определены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются структура, технические характеристики и особенности функционирования автоматических метеорологических станций различного назначения. Последовательно рассмотрены автоматические станции общего назначения (на примере АИИС «Погода» и АМС «НОВО»), аэродромные метеорологические станции (на примере АМС «КРАМС») и дорожные метеорологические станции (на примере АИИС «МетеоТрасса»). Кроме того, в этой главе подробно описана методика получения информации о временных рядах приземной температуры воздуха.
Рассмотрена методика формирования модельных временных рядов с заданными статистическими характеристиками. Так, например, с помощью приведенного ниже соотношения можно сформировать временной ряд температуры воздуха, у которого имеется линейный временной тренд, имитирующий погодные изменения температуры (прогрев воздушной массы), периодическая составляющая с периодом 24 часа и случайная составляющая, имеющая нормальный закон распределения с нулевым средним и среднеквадратическим отклонением, равным 0.5 o C, где i = 1, 2, … – порядковый номер члена временного ряда, rnd – оператор получения псевдослучайных чисел, имеющих равномерное распределение на промежутке [0,1].
Также в этой главе приводится необходимая для создания архива технология получения реальных метеорологических данных, измеренных с помощью АМС «Погода» в Санкт-Петербурге (РГГМУ) и в поселке Воейково Ленинградской области (ИРАМ). Эта информация позволяет любому желающему сформировать свой собственный архив получаемых с помощью АМС временных рядов таких метеорологических величин как температура, влажность, скорость и направление ветра. При этом дискретность получаемых данных может колебаться от 1 мин до 6 ч (дискретность исходных данных от АМС «Погода» составляет 10 с).
Вторая глава диссертационной работы посвящена математическим аспектам анализа временных рядов приземной температуры воздуха. Для расчета статистических характеристик временных рядов приземной температуры воздуха по приведенным ниже формулам в работе рассчитывались следующие величины: среднее арифметическое ( X ), дисперсия (D) и связанное с ней среднеквадратическое отклонение (), коэффициент вариации (С), асимметрия (As) и эксцесс (Ex), коэффициент корреляции (rxy):
где N – длина временного ряда (количество значений в нем).
Для иллюстрации расчета статистических характеристик из временного ряда приземной температуры воздуха за май 2012 г. (рис. 1) были выделены три фрагмента: полный фрагмент, содержащий 14 суток (1440 измерений) и два дополнительных фрагмента, содержащих соответственно 1 (96 измерений) и суток (672 измерения).
Рисунок 1. Фрагмент временного ряда приземной температуры воздуха за Кроме того, была произведена оценка полученных статистических характеристик, найдены значения критерия Стьюдента ( t кр ) и значения критерия Пирсона ( 1, 2 ) по уровням значимости = 0.05, = 0.95 и числом степеней свободы N 1 (с помощью пакета «Excel»). Затем по приведенным ниже формулам найдены доверительные интервалы на уровне значимости 95% для среднего значения ( x ) и дисперсии (D) (результаты расчетов представлены в табл. 1).
Таблица 1. Статистические характеристики приземной температуры воздуха
«