Грозовая активность в Западно-Сибирском регионе
|
Реферат 2
Перечень условных обозначений, сокращений, терминов 4
Введение 5
1 Грозовая активность как физическое явление 9
1.1 Современное состояние исследований методов мониторинга грозовой активности на основе вариаций электромагнитного фона 18
1.1.1 Классификация источников КНЧ-излучений 18
1.1.2 Грозовая активность в Западно-Сибирском регионе 19
1.2 Системы наблюдения за грозами 23
2 Измерительное оборудование и методики обработки 27
2.1 Трехкомпонентный индукционный магнитометр LEMI-30 27
2.2 Однопунктовый грозопеленгатор-дальномер Boltek LD-350 29
2.3 Измерительное оборудование на полигоне ГАГУ «Байгазан» 30
3 Алгоритм обработки экспериментальных данных 32
3.1 Методика регистрации 32
3.2 Результаты тестовых испытаний 37
4 Численное моделирование триангуляционной задачи 39
4.1 Постановка задачи 39
4.2 Расчет круговых отклонений для модельных ситуаций 44
4.2.1 Метод пристрелки для корректировки координат измерительного пункта 44
4.2.2 Ортогональность датчиков 49
4.2.3 Коллинеарность (параллельность) датчиков 51
4.3 Оценка влияния шума на точность решения триангуляционной
задачи 53
4.3.1 Моделирование шума 53
4.3.2 Влияние шума на пеленги 54
4.3.3 Влияние шума на точность на точность местоопределения 56
Заключение 60
Список использованных источников и литературы 63
Приложение А. Список участия в конференциях автора 68
Приложение Б. Список публикаций автора 69
Приложение В. Список достижений автора 70
Перечень условных обозначений, сокращений, терминов 4
Введение 5
1 Грозовая активность как физическое явление 9
1.1 Современное состояние исследований методов мониторинга грозовой активности на основе вариаций электромагнитного фона 18
1.1.1 Классификация источников КНЧ-излучений 18
1.1.2 Грозовая активность в Западно-Сибирском регионе 19
1.2 Системы наблюдения за грозами 23
2 Измерительное оборудование и методики обработки 27
2.1 Трехкомпонентный индукционный магнитометр LEMI-30 27
2.2 Однопунктовый грозопеленгатор-дальномер Boltek LD-350 29
2.3 Измерительное оборудование на полигоне ГАГУ «Байгазан» 30
3 Алгоритм обработки экспериментальных данных 32
3.1 Методика регистрации 32
3.2 Результаты тестовых испытаний 37
4 Численное моделирование триангуляционной задачи 39
4.1 Постановка задачи 39
4.2 Расчет круговых отклонений для модельных ситуаций 44
4.2.1 Метод пристрелки для корректировки координат измерительного пункта 44
4.2.2 Ортогональность датчиков 49
4.2.3 Коллинеарность (параллельность) датчиков 51
4.3 Оценка влияния шума на точность решения триангуляционной
задачи 53
4.3.1 Моделирование шума 53
4.3.2 Влияние шума на пеленги 54
4.3.3 Влияние шума на точность на точность местоопределения 56
Заключение 60
Список использованных источников и литературы 63
Приложение А. Список участия в конференциях автора 68
Приложение Б. Список публикаций автора 69
Приложение В. Список достижений автора 70
Актуальность проблемы.
Шумановские резонансы (ШР) являются основным физическим механизмом, формирующим глобальное распределение электромагнитной (ЭМ) энергии в окружающей среде в диапазоне крайне низких частот (КНЧ) (3-30 Гц). Данный механизм впервые был теоретически предсказан В.О. Шуманом в 1952 году [1]. Впоследствии это явление экспериментально подтвердили М. Бальсер и Ч. Вагнер [2]. Основным природным источником ШР является глобальная грозовая активность.
Электромагнитные излучения от грозовых разрядов несут важную информацию, как о свойствах самого разряда, так и состоянии среды распространения электромагнитной энергии. Местные среднеширотные грозы являются нерегулярным источником. Они формируют ЭМ-фон в масштабах отдельных регионов преимущественно в летнее время.
Заблаговременное предупреждение о возникновении грозы имеет важнейшее значение при обеспечении безопасности во многих областях деятельности человека. Прогнозирование гроз важно для полетов авиации, проведения массовых мероприятий под открытым небом, обеспечения безопасности при погрузочных работах, транспортировании и испытаниях взрывчатых и опасных веществ и т.п.
Зарубежные глобальные системы пеленгации гроз существенно снизили качество открыто предоставляемой информации на территории нашей страны за последние два года. Коммерческая информация доступна далеко не всем заинтересованным пользователям. Импортозамещение в настоящее время является национальной стратегией. Создание региональной системы местоопределения отдельных грозовых разрядов (ГР), потенциально доступной для широкого круга заинтересованных отечественных пользователей, представляется, безусловно, важной и насущной задачей, на скорейшее решение которой и направлена данная работа.
Целью данной работы является развитие методов мониторинга грозовой активности в Западно-Сибирском регионе на основе вариаций электромагнитного фона в диапазоне крайне низких частот.
Методы исследования.
При выполнении работы использовались следующие методы.
Анализ открытых информационных источников предназначен для поиска и оценки известных решений. Методы программирования использовались на всех этапах выполнения оригинальной части работы. Для решения комплекса задач по моделированию задачи триангуляции (с различными рассматриваемыми вариантами) применялись методы статистической радиофизики. Для получения оценок и численного анализа полученных результатов применялись классические статистические методы оценивания и обработки данных.
Научная новизна.
Местоопределение сильных ГР региональных среднеширотных гроз по данным регистрации импульсных возмущений в КНЧ ЭМ-фоне методом двухпунктовой пеленгации в Западной Сибири ранее не проводились.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Алгоритм совместного решения прямой и обратной задачи местопределения импульсного источника на основе численного моделирования триангуляционной задачи по двум опорным измерительным пунктам, расположенным в Западно-Сибирском регионе, который предназначен для построения двумерных карт величины кругового отклонения dR на территории размером (±650 км)х(±650 км) с центром в Томске по направлениям север-юг и запад-восток с произвольным шагом.
2. Карты моделирования величины кругового отклонения, построенные с шагом 50 км по вертикале и горизонтали позволяют численно решать задачи устранения систематических и учета случайных погрешностей:
а) Добившись задания координат второго базового пункта не хуже 10 метров, ортогональности датчиков в пределах 5 угловых секунд и обеспечения коллинеарности датчиков ±0.025o (90"- угловых секунд) ошибку местотопределения источника при отсутствие шума возможно снизить до 1000 м для 80% рассматриваемой территории;
б) При рассмотрении импульсов от грозовых разрядов требуется учитывать параметры шума. При нормальном аддитивном шуме с СКО=0,0001 и погрешности задания координат второго базового пункта не хуже 10 метров точность определения dR для ~ 80% площади карты составляет менее 5000 м с надежностью 0.95. Этот результат дает уменьшение точности в 25 раз по сравнению с решением при отсутствии шума.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с физическими представлениями о механизмах формирования электромагнитного фона, связанного с грозовой активностью, а также соответствием известным экспериментальным данным. При численных расчетах достоверность обеспечивалась использованием различных методик решения задач и тестированием создаваемых алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение.
Практическая ценность.
В рамках проведенных исследований реализована методика совместной обработки региональной грозовой активности и компонент магнитной индукции, которая реализована в виде алгоритмов и прикладных программ для ПК. Полученные результаты являются основой для методических рекомендаций необходимых при планировании и организации угломерных измерений местоположения импульсных источников большой амплитуды в КНЧ-диапазоне.
Апробация работы.
Основные положения и результаты, представленные в данной работе, обсуждались на 2 конференциях (приложение А), опубликованы в 2 работах (приложение Б).
Краткое содержание работы.
Во введении приводится актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, представлены положения, выносимые на защиту и апробация работы.
Первая глава и вторая главы носят обзорный характер. Вводятся необходимые понятия и определения, используемые в работе. По данным научных источников и обзора литературы описаны физические основы возникновения грозовых разрядов. Представлен обзор современного состояния используемых методов мониторинга грозовой активности на основе регистрации вариаций компонент электромагнитного фона. Приводится описание измерительных систем, оборудования и методик обработки грозовых разрядов.
В третьей главе описан алгоритм обработки экспериментальных данных, представлена методика регистрации данных. Приведены результаты, полученные при тестировании программного обеспечения, для выбранного интервала времени с близкой к Томску грозой.
Глава четыре является оригинальной. В ней проводятся результаты численного моделирования прямой и обратной задачи местоопределения для различных ситуаций. Проводится анализ причин появления систематических ошибок. Рассмотрено влияние шума на результаты местоопределения источника.
В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы.
В приложениях приведены основные научные достижения автора.
Шумановские резонансы (ШР) являются основным физическим механизмом, формирующим глобальное распределение электромагнитной (ЭМ) энергии в окружающей среде в диапазоне крайне низких частот (КНЧ) (3-30 Гц). Данный механизм впервые был теоретически предсказан В.О. Шуманом в 1952 году [1]. Впоследствии это явление экспериментально подтвердили М. Бальсер и Ч. Вагнер [2]. Основным природным источником ШР является глобальная грозовая активность.
Электромагнитные излучения от грозовых разрядов несут важную информацию, как о свойствах самого разряда, так и состоянии среды распространения электромагнитной энергии. Местные среднеширотные грозы являются нерегулярным источником. Они формируют ЭМ-фон в масштабах отдельных регионов преимущественно в летнее время.
Заблаговременное предупреждение о возникновении грозы имеет важнейшее значение при обеспечении безопасности во многих областях деятельности человека. Прогнозирование гроз важно для полетов авиации, проведения массовых мероприятий под открытым небом, обеспечения безопасности при погрузочных работах, транспортировании и испытаниях взрывчатых и опасных веществ и т.п.
Зарубежные глобальные системы пеленгации гроз существенно снизили качество открыто предоставляемой информации на территории нашей страны за последние два года. Коммерческая информация доступна далеко не всем заинтересованным пользователям. Импортозамещение в настоящее время является национальной стратегией. Создание региональной системы местоопределения отдельных грозовых разрядов (ГР), потенциально доступной для широкого круга заинтересованных отечественных пользователей, представляется, безусловно, важной и насущной задачей, на скорейшее решение которой и направлена данная работа.
Целью данной работы является развитие методов мониторинга грозовой активности в Западно-Сибирском регионе на основе вариаций электромагнитного фона в диапазоне крайне низких частот.
Методы исследования.
При выполнении работы использовались следующие методы.
Анализ открытых информационных источников предназначен для поиска и оценки известных решений. Методы программирования использовались на всех этапах выполнения оригинальной части работы. Для решения комплекса задач по моделированию задачи триангуляции (с различными рассматриваемыми вариантами) применялись методы статистической радиофизики. Для получения оценок и численного анализа полученных результатов применялись классические статистические методы оценивания и обработки данных.
Научная новизна.
Местоопределение сильных ГР региональных среднеширотных гроз по данным регистрации импульсных возмущений в КНЧ ЭМ-фоне методом двухпунктовой пеленгации в Западной Сибири ранее не проводились.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Алгоритм совместного решения прямой и обратной задачи местопределения импульсного источника на основе численного моделирования триангуляционной задачи по двум опорным измерительным пунктам, расположенным в Западно-Сибирском регионе, который предназначен для построения двумерных карт величины кругового отклонения dR на территории размером (±650 км)х(±650 км) с центром в Томске по направлениям север-юг и запад-восток с произвольным шагом.
2. Карты моделирования величины кругового отклонения, построенные с шагом 50 км по вертикале и горизонтали позволяют численно решать задачи устранения систематических и учета случайных погрешностей:
а) Добившись задания координат второго базового пункта не хуже 10 метров, ортогональности датчиков в пределах 5 угловых секунд и обеспечения коллинеарности датчиков ±0.025o (90"- угловых секунд) ошибку местотопределения источника при отсутствие шума возможно снизить до 1000 м для 80% рассматриваемой территории;
б) При рассмотрении импульсов от грозовых разрядов требуется учитывать параметры шума. При нормальном аддитивном шуме с СКО=0,0001 и погрешности задания координат второго базового пункта не хуже 10 метров точность определения dR для ~ 80% площади карты составляет менее 5000 м с надежностью 0.95. Этот результат дает уменьшение точности в 25 раз по сравнению с решением при отсутствии шума.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с физическими представлениями о механизмах формирования электромагнитного фона, связанного с грозовой активностью, а также соответствием известным экспериментальным данным. При численных расчетах достоверность обеспечивалась использованием различных методик решения задач и тестированием создаваемых алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение.
Практическая ценность.
В рамках проведенных исследований реализована методика совместной обработки региональной грозовой активности и компонент магнитной индукции, которая реализована в виде алгоритмов и прикладных программ для ПК. Полученные результаты являются основой для методических рекомендаций необходимых при планировании и организации угломерных измерений местоположения импульсных источников большой амплитуды в КНЧ-диапазоне.
Апробация работы.
Основные положения и результаты, представленные в данной работе, обсуждались на 2 конференциях (приложение А), опубликованы в 2 работах (приложение Б).
Краткое содержание работы.
Во введении приводится актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, представлены положения, выносимые на защиту и апробация работы.
Первая глава и вторая главы носят обзорный характер. Вводятся необходимые понятия и определения, используемые в работе. По данным научных источников и обзора литературы описаны физические основы возникновения грозовых разрядов. Представлен обзор современного состояния используемых методов мониторинга грозовой активности на основе регистрации вариаций компонент электромагнитного фона. Приводится описание измерительных систем, оборудования и методик обработки грозовых разрядов.
В третьей главе описан алгоритм обработки экспериментальных данных, представлена методика регистрации данных. Приведены результаты, полученные при тестировании программного обеспечения, для выбранного интервала времени с близкой к Томску грозой.
Глава четыре является оригинальной. В ней проводятся результаты численного моделирования прямой и обратной задачи местоопределения для различных ситуаций. Проводится анализ причин появления систематических ошибок. Рассмотрено влияние шума на результаты местоопределения источника.
В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы.
В приложениях приведены основные научные достижения автора.
В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты.
В работе предложен, реализован в среде программирования Borland Delphi 6.0 и протестирован алгоритм обработки компонент магнитной индукции, который в приближении плоской двумерной постановке триангуляционной задачи позволяет получать местоположение отдельных грозовых разрядов в Западно-Сибирском регионе, на расстояниях не менее 700 км от Томска.
Проведено тестирование работы и получена оценка кругового отклонения друг относительно друга положения каждого рассмотренного грозового разряда, определенного двумя измерительными комплексами (однопунктовый грозопеленгатор-дальномер Boltek LD-350 и двухпунктовая система на базе «Коларово-Байгазан»). В результате экспериментальная выборка разделилась на две группы. Для первой ~30% отклонение оказалось менее 30 км, для второй (~70%) существенно превысило это значение.
Проведена работа, направленная на объяснение полученных результатов. На основе разработанного программного продукта создан прототип для оценки систематических и случайных погрешностей местопределения одиночных импульсных источников.
При численном моделировании величины кругового отклонения восстановленного местоположения источника от заранее заданного значения, показано, что ошибки пеленга в отсутствии шума не зависят от угла в пределах расчетной точности. Они как для Томска, так и для Алтая составили менее 10-18 градуса.
Численно решены прикладные задачи определения систематических ошибок, требующие введения поправок: 1) Задача пристрелки для корректировки координат измерительного пункта; 2) Задача обеспечения ортогональности магнитных датчиков в каждом пункте; 3) Задача обеспечения коллинеарности датчиков в разных пунктах при соблюдении ортогональности датчиков в каждом из них.
Моделирование в двумерной постановке на сеточной области в отсутствии шума показало, что добиваясь точности задания координат второго базового пункта не хуже 10 метров, может быть достигнута точность определения dR менее 20 м для ~ 80% территории (±650 км)х(±650 км) по широте и долготе относительно Томска. Область максимальных отклонений находится вблизи линии, которая проходит через измерительные пункты.
Обеспечение точности установки ортогональности датчиков в пределах ±1o позволяет ограничить сверху ошибку местоопределения до 4000 м. При - ±0.025o (90"- угловых секунд) ошибка не превышает 100 м. Современные теодолиты 2-го класса точности позволяют решить такую задачу с точностью <5", что должно ограничить сверху величину кругового отклонения до 5 метров.
Обеспечение коллинеарности датчиков (при соблюдении их идеальной ортогональности в каждом из базовых пунктов) при достижении точности установки в пределах ±1o позволяет ограничить сверху ошибку местоопределения до 30000 м. При - ±0.025o (90"- угловых секунд) ошибка не превышает 1000 м. Эта систематическая погрешность является более существенной (в среднем примерно в 10 раз выше), чем погрешность при не обеспечении ортогональности одного из датчиков, при общем сохранении правильной ориентации в пространстве остальных датчиков.
Проведена оценка влияния аддитивных случайных шумов разной интенсивности на точность и надежность местоопределения импульсного источника и возникающие вариации пеленгов.
Показано, что с ростом интенсивности шума вариация пеленгов растет по степенному закону. Возможна предельная ситуация, когда решение триангуляционной задачи оказывается невозможным, из-за отсутствия точки пересечения линии пеленгов, что является причиной возникновения грубой случайной ошибкой.
Как следствие показано, что с ростом интенсивности шума точность местоопределения также уменьшается. В целом, при снижении СКО шума увеличивается точность местоопределения источника. При СКО = 0,01 точность для ~ 90% площади карты определения dR составляет менее 1000 км. Для СКО = 0,001 точность для ~ 85% площади карты определения dR составляет менее 30 км. Для СКО = 0,0001 точность для ~ 85% площади карты определения dR составляет менее 5 км. Область максимальных отклонений также находится вблизи линии, которая проходит через измерительные пункты.
В результате сравнения решение без воздействия шума с ситуацией, когда шум присутствует, показало, что в первом случае полученная точность определения dR для ~ 80% площади карты составляет менее 200 м. При наличии шума, данная величина менее 5000 м.
Таким образом, показана возможность дальнейшего использования разработанного программного продукта при организации и проведении пуско-наладочных работ для реализации высокоточных угломерных измерений в КНЧ-диапазоне.
В работе предложен, реализован в среде программирования Borland Delphi 6.0 и протестирован алгоритм обработки компонент магнитной индукции, который в приближении плоской двумерной постановке триангуляционной задачи позволяет получать местоположение отдельных грозовых разрядов в Западно-Сибирском регионе, на расстояниях не менее 700 км от Томска.
Проведено тестирование работы и получена оценка кругового отклонения друг относительно друга положения каждого рассмотренного грозового разряда, определенного двумя измерительными комплексами (однопунктовый грозопеленгатор-дальномер Boltek LD-350 и двухпунктовая система на базе «Коларово-Байгазан»). В результате экспериментальная выборка разделилась на две группы. Для первой ~30% отклонение оказалось менее 30 км, для второй (~70%) существенно превысило это значение.
Проведена работа, направленная на объяснение полученных результатов. На основе разработанного программного продукта создан прототип для оценки систематических и случайных погрешностей местопределения одиночных импульсных источников.
При численном моделировании величины кругового отклонения восстановленного местоположения источника от заранее заданного значения, показано, что ошибки пеленга в отсутствии шума не зависят от угла в пределах расчетной точности. Они как для Томска, так и для Алтая составили менее 10-18 градуса.
Численно решены прикладные задачи определения систематических ошибок, требующие введения поправок: 1) Задача пристрелки для корректировки координат измерительного пункта; 2) Задача обеспечения ортогональности магнитных датчиков в каждом пункте; 3) Задача обеспечения коллинеарности датчиков в разных пунктах при соблюдении ортогональности датчиков в каждом из них.
Моделирование в двумерной постановке на сеточной области в отсутствии шума показало, что добиваясь точности задания координат второго базового пункта не хуже 10 метров, может быть достигнута точность определения dR менее 20 м для ~ 80% территории (±650 км)х(±650 км) по широте и долготе относительно Томска. Область максимальных отклонений находится вблизи линии, которая проходит через измерительные пункты.
Обеспечение точности установки ортогональности датчиков в пределах ±1o позволяет ограничить сверху ошибку местоопределения до 4000 м. При - ±0.025o (90"- угловых секунд) ошибка не превышает 100 м. Современные теодолиты 2-го класса точности позволяют решить такую задачу с точностью <5", что должно ограничить сверху величину кругового отклонения до 5 метров.
Обеспечение коллинеарности датчиков (при соблюдении их идеальной ортогональности в каждом из базовых пунктов) при достижении точности установки в пределах ±1o позволяет ограничить сверху ошибку местоопределения до 30000 м. При - ±0.025o (90"- угловых секунд) ошибка не превышает 1000 м. Эта систематическая погрешность является более существенной (в среднем примерно в 10 раз выше), чем погрешность при не обеспечении ортогональности одного из датчиков, при общем сохранении правильной ориентации в пространстве остальных датчиков.
Проведена оценка влияния аддитивных случайных шумов разной интенсивности на точность и надежность местоопределения импульсного источника и возникающие вариации пеленгов.
Показано, что с ростом интенсивности шума вариация пеленгов растет по степенному закону. Возможна предельная ситуация, когда решение триангуляционной задачи оказывается невозможным, из-за отсутствия точки пересечения линии пеленгов, что является причиной возникновения грубой случайной ошибкой.
Как следствие показано, что с ростом интенсивности шума точность местоопределения также уменьшается. В целом, при снижении СКО шума увеличивается точность местоопределения источника. При СКО = 0,01 точность для ~ 90% площади карты определения dR составляет менее 1000 км. Для СКО = 0,001 точность для ~ 85% площади карты определения dR составляет менее 30 км. Для СКО = 0,0001 точность для ~ 85% площади карты определения dR составляет менее 5 км. Область максимальных отклонений также находится вблизи линии, которая проходит через измерительные пункты.
В результате сравнения решение без воздействия шума с ситуацией, когда шум присутствует, показало, что в первом случае полученная точность определения dR для ~ 80% площади карты составляет менее 200 м. При наличии шума, данная величина менее 5000 м.
Таким образом, показана возможность дальнейшего использования разработанного программного продукта при организации и проведении пуско-наладочных работ для реализации высокоточных угломерных измерений в КНЧ-диапазоне.
Подобные работы
- ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ НАД ТЕРРИТОРИЕЙ СИБИРСКОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА
Бакалаврская работа, география. Язык работы: Русский. Цена: 4350 р. Год сдачи: 2024 - ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ
Бакалаврская работа, геология и минералогия. Язык работы: Русский. Цена: 4320 р. Год сдачи: 2022 - ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЛАЧНЫХ СИСТЕМ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ПРИ РЕГИСТРАЦИИ В НИХ МОЛНИЕВОГО РАЗРЯДА
Магистерская диссертация, география. Язык работы: Русский. Цена: 5500 р. Год сдачи: 2023 - АЭРОСИНОПТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАДА НАД ЮГО-ВОСТОКОМ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Бакалаврская работа, геология и минералогия. Язык работы: Русский. Цена: 4215 р. Год сдачи: 2023 - Документационное обеспечение деятельности органов самоуправления (Самарский национальный исследовательский университет)
Дипломные работы, ВКР, документоведение. Язык работы: Русский. Цена: 2000 р. Год сдачи: 2025