Радиолокационные методы распознавания градоопасности облаков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КУЧЕВО

ДОЗДЕВЫХ ОБЛАКОВ И МЕТОДИКА ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Радиолокационные и аэрологические параметры, характеризующие кучево-дождевые облака

1.2. Применяемая радиолокационная аппаратура, методика сбора и обработки экспериментальных данных и точность определения радиолокационных параметров . *.

1.3. Исследование информативности радиолокационных параметров.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ РАСПОЗНАВАНИЯ ЛИВНЕВЫХ И ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ ПО ДАННЫМ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ И АЭРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

2.1. Существующие способы радиолокационного определения градоопасности кучево-дождевых облаков

2.2. Использование метода многомерной линейной регрессии для разделения ливневых и градовых облаков.

2.3. Алгоритмы обучения распознаванию ливневых и градовых облаков.

2.3.1. Алгоритм обучения распознаванию ливневых и градовых облаков, реализующий формулу

Байеса.

2.3.2. Алгоритм обучения распознаванию ливневых и градовых облаков, реализующий метод обобщенного портрета.

ПУША 3. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ РАСПОЗНАВАНИЯ ГРАДООПАС-НОСТИ ОБЛАКОВ В ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТАХ ПО ЗАЩИТЕ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР ОТ ГРАДОБИТИЙ

3.1. Определение градоносности кучево-дождевых облаков с использованием уравнений многомерной регрессии и решающих правил, полученных по формуле Байеса и методом обобщенного портрета

3.2. Выбор оптимального значения разделяющих функций с учетом минимума риска при проведении активных воздействий на градовые процессы

3.3. Распознавание градовых и ливневых облаков по совокупности решений нескольких алгоритмов одновременно

В 40-х годах нашего столетия многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями было показано, что в таких атмосферных образованиях, как облака и осадки, происходит рассеивание и поглощение электромагнитных волн» Дальнейшие исследования показали, что отражения радиоволн определяются размерами, формой, фазовым состоянием и движением частиц осадков и облаков. В связи с этим радиолокационный метод стал мощным орудием для изучения облаков на разных стадиях их развития. С помощью радиолокационных станций стали измерять параметры, которые характеризуют формирование, развитие и выпадение осадков* Поэтому для метеорологических исследований были разработаны и сконструированы специальные радиолокационные системы, В результате образовалась и получила интенсивное развитие радиолокационная метеорология, с помощью которой успешно решаются многие вопросы физики атмосферы,

В связи с развитием работ по активному воздействию на облака с целью искусственного вызывания осадков, подавления грозовых и градовых явлений и др., стало необходимым выявление и определение таких параметров, которые характеризуют микрофизические процессы, происходящие при формировании и развитии вышеперечисленных явлений. Такие параметры можно измерить с помощью метеорологических радиолокаторов и на основе анализа полученных данных разработать методы дистанционного распознавания градоопасности облаков и вида осадков, выпадающих из них.

Решение этой задачи имеет важное научное и практическое значение. Эффективность защиты сельскохозяйственных культур от градобитий во многом зависит от оперативности обнаружения и надежного определения градоопасности кучево-дождевых облаков, без чего невозможно обоснованно осуществить операцию искусственного воздействия,

В настоящее время разработаны методы борьбы с градом в Высокогорном геофизическом институте, в Институте геофизики АН ГССР, в Центральной аэрологической обсерватории, в Закавказском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте, которые основываются на обнаружении градовых очагов радиолокационной станцией и измерении их характеристик. Эти методы успешно используются как в СССР, так и в зарубежных странах (НРБ, ВНР).

Как известно, образование и выпадение града обусловливается многими факторами. Учет и измерение их практически не представляется возможным, а отдельные параметры не дают возможности во всех случаях однозначно определить градоносность и потенциальную градоопасность конвективных облаков. Поэтов более рациональным представляется физико-статистический анализ совокупности данных некоторого комплекса характеристик, который позволит более полно реализовать диагноз состояния конвективной ячейки.

Целью настоящей диссертации является разработка оперативного метода распознавания градоопасности облаков, обладающего высокой степенью надежности на основе физико-статистического анализа данных многолетних радиолокационных и аэрологических измерений»

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- критически проанализировать существующие методы оценки градоопасности облаков;

- выявить и подобрать высокоинформативные параметры, характеризующие кучево-дождевые облака на различных этапах жизни их естественного развития;

- отобрать оптимальный комплекс параметров для физико-статистического анализа;

- разработать алгоритмы распознавания градоопасности облаков по совокупности значений комплекса параметров;

- определить критериальные значения разделяющих функций градовых и ливневых облаков с учетом минимизации риска;

- оценить степень надежности разработанных алгоритмов распознавания и выполнить их оптимизацию с учетом надежности и оперативности;

- разработать способ применения полученных алгоритмов распознавания градоопасных облаков в практических работах по борьбе с градом.

Для решения поставленных задач физико-статистическо^ анализу с применением ЭВМ и современных методов математической статистики - подверглись многолетние данные полевых экспериментальных исследований, выполняемых Институтом геофизики АН Грузинской ССР в Алазанской долине с 1962 года в течении более чем 20 лет при непосредственном участии автора диссертации.

Отобранные для анализа материалы включают в себя измерения комплекса радиолокационных параметров 1650 отдельных ячеек кучево-дождевых облаков, данные трехразового температурно--ветрового зондирования атмосферы, производимого в Алазанской долине на центральной экспериментальной базе в селе Руиспири Телавского района Грузинской ССР, данные специальной учащенной градо-дождемерной сети, охватывающей территорию экспериментального полигона, данные метеосети и местных органов о градовых явлениях.

Диссертация состоит из трех глав,

В первой главе диссертации дается определение параметров, которые могут быть использованы для радиолокационной характеристики конвективных облаков, кратко описывается использованная в исследовании радиолокационная аппаратура, приводятся оценки систематических и случайных погрешностей измерений, рассмотрен вопрос методики сбора и обработки экспериментальных данных полевых работ, исследована информативность выбранных радиолокационных параметров.

Во второй главе рассмотрены способы определения градоопас-ности конвективных облаков, ранее разработанных как специалистами Института геофизики АН FCCP, так и другими исследователями.

На основе анализа данных радиолокационных и аэрологических измерений методом многомерной линейной регрессии получены диагностические уравнения определения вида ожидаемых осадков для семи и четырех предикторов.

С использованием формулы Байеса и метода обобщенного портрета разработаны решающие правила для определения градоопаснос-ти и градоносности конвективных облаков.

В этой же главе приводится с использованием экзаменационных выборок оценка надежности разработанных алгоритмов,

В третьей главе описываются способы практического применения разработанных алгоритмов распознавания градоопасности облаков, определены критериальные значения разделяющих функций, при которых следует приступить к воздействию на облака с обеспечением возможного минимального экономического риска при проведении операций по борьбе с градом. Описывается предлагаемый способ для принятия решения о принадлежности облака к категории градовых или неградовых по совокупности решений всех алгоритмов распознавания одновременно на основе принципа мажоритарного выбора и производятся сравнения надежности отдельных алгоритмов классификации конвективных облаков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. По данным многолетних полевых экспериментальных исследований, проведенных в Алазанской долине Грузинской ССР, были отобраны радиолокационные и аэрологические параметры, которые на основе анализа физических предпосылок должны были характеризовать стадии развития кучево-дождевых облаков.

Расчеты показали, что семь нижеследующих параметров:

Нт, гЬНп1 , А-/А* , у Ah и находятся в тесной корреляционной связи с явлениями выпадения ливневых осадков и града.

2. На основе применения модифицированного метода Шеннона и вычисления расстояния Махалонобиса установлено, что вышеупомянутые параметры характеризуются высокой информативностью и могут быть успешно использованы в качестве признаков для разработки методов распознавания градовых и ливневых облаков. Наиболее информативными оказались параметры Нtn , и

Ah.

2, Используя представительную выборку значений семи отобранных признаков, разработаны алгоритмы распознавания ливневых и градовых облаков с применением методов многомерной линейной регрессии, обобщенного портрета и формулы Байеса.

Построенные решающие правила классификацию конвективных облаков по характеру выпадающих осадков (ливни, град) позволили осуществить с высокой достоверностью. Наилучшим образом задача решается методом обобщенного портрета.

4. Распознавание градовых и ливневых облаков с помощью алгоритмов, разработанных с использованием четырех параметров Htn » , H->j 9 Ah ),осуществляется с небольшим ухудшением надежности. Вместе с тем, применение этих алгоритмов в практических работах по борьбе с градом способствует повышению оперативности воздействия, так как сокращается время, необходимое на определение значений параметров и для вычисления критериев разделения.

5. Критериальные значения разделяющих функций разработанных нами алгоритмов распознавания, определенные с учетом минимизации экономических убытков, вызванных ошибочно проведенным воздействием и пропущенным градобитием, позволяют принимать обоснованные решения о проведении активных воздействий на градовые процессы.

6. Использование критерия мажоритарного выбора для классификации кучево-дождевых облаков, с учетом совокупности решений нескольких алгоритмов, позволяет заметно повысить достоверность распознавания.

1. Лапчева В.Ф. Результаты радиолокационного исследования зон отражения от конвективных облаков. Труды Всесоюз,совещания по активным воздействиям на градовые процессы, Тбилиси,1962, 240-

2. Jlrrssb. AivUu Ясс:, /НГ y c V y i

3. Яосхоп И-Я. OMOI РобЬ £-c- £:LfaltoodCon, of- 9. Clt-iclcu ИоЛ

4. Бичиашвили А.Д,, Дореули Р.И., Карцивадзе А.И., Лапинскас В.А., Салуквадзе Т.Г. Некоторые характеристики радиолокационных отражений от ливневых осадков и града. Труды Всесоюз,совещания по активным воздействиям на градовые процессы, Тбилиси, 1962, 193-208,

5. Боровиков A.M., Дореули Р.И., Карцивадзе А.И., Костарев В.В., Лапинскас В.А,, Салуквадзе Т,Г, Радиолокационные характеристики градовых облаков. Сб. тр. Института геофизики АН ГССР, 1967, т.ХХУ, I, 176-189.

6. Брылев Г.В., Воробьев Б.М., Гашина С Б Качурин Л,Г., Низдойминога Г.Д., Сальман Е.М, Некоторые результаты наблюдений за трансформацией радиолокационных характеристик мощных кучевых облаков. Тр.ГГО, 1969, вып.243, 26-33.

7. Котов Н.Ф. Радиолокационные характеристики ливней и гроз. Тр.ГГО, I960, вып.102, 63-93.

8. Березкин В.В., Ватьян М.Р., Либровский Е,Д, Исследования некоторых радиолокационных параметров ливневых и градовых облаков на Северном Кавказе. Тр.ГГО, вып.395, 1977, 80-85. ire MMdjdo.- &uoU. Яо Mdc&ul. 18. OU£Q/> /ZK- ЯоС /Я, $bt//3C9, /05-//3cM€/i;6-(x Яас1а. <£лл.1гос£Соп> a

9. Гашина С Б Давинская Б.Ш., Сальман Е.М. Методика использования и результаты проверки численного радиолокационного критерия грозоопасности облаков. Труды ГГО, 1968, вып. 231, 22-34.

10. Гашина С Б Сальман Е.М. Статистические особенности радиолокационных характеристик конвективных облаков в разных физико-географических условиях. Тр.ГГО, 1969, вып.243, 12-15.

11. Котов Н.Ш., Хэ-Йй-Цзинь. Некоторые результаты радиолокационного исследования характеристик движения очагов ливней и гроз. Тр. ГГО, I96I, вып. 120, 45-51.

12. Лапчева В.Ф. Определение градоопасности и градоносности конвективных облаков. Тр.ВГИ, 1968, вып.II, 68-85.

13. Лапчева В.Ф., Сулаквелидзе Г.К. Радиолокационный метод определения размера и концентрации градовых частиц в облаке и видов осадков, достигающих земли, с учетом таяния града.Тр. Зак.НИГМИ, 1964, вып.16 (22). 99-106.

14. Раинхард Р.Е., Стегго Д.У., Ченгнон С А Особенности градовых и неградовых радиоэха. Проблемы радиолокационной метеорологии. Сб.тр.IX и ХШ конф.по радиолокационной метеорологии. Пер.с англ.под ред.Е.М.Сальмана. Л., I97I, 48-53.

15. Абшаев M,T., Дадали Ю.А. 0 микроструктурных исследованиях облаков и осадков радиолокационным методом. Тр. ВГИ, 1966, вып. 5, 71-85.

16. Абшаев М.Т. Радиолокационные характеристики и микроструктура конвективных облаков. Тр. ВГИ, 1966, вып.5, 86-105,

17. Баттан Л.Дгк. Радиолокатор наблюдает за погодой. Л. 1964, 35-36, 36. Ли&Ь 5)-, uolAnv F-И- Honf€/b У-й- a W МалсЕсуь У-&fiaolah, 6\0(ie/b if ол. -RcU SU(»d- f"- c iG, /360. 4(5--41.

18. Атлас Д. Успехи радарной метеорологии. Перевод с английского. Л,, 1967, 10-201.

19. Батан Л.Дж, Радиолокационная метеорология. Л., 1962, 38-139.

20. Лапчева В.Ф, Радиолокационные методы определения спектра и концентрации градин в конвективных облаках. Тр.ВГИ, 1966,вып.

21. Сулаквелидзе Г.К, Результаты сравнения радиолокационных методов индикации размера градин, разработанных в ВГИ, Тр.ВГИ, 1966, вып.3(5), 209-213.

22. Сулаквелидзе Г.К., Бибилашвили Н.Ш., Лапчева В.Ф. Образование осадков и воздействие на градовые процессы. Л., 1965, 129-156.

23. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град. Гидрометеоиздат, 1967, 177-214.

24. Бадарч М. Некоторые результаты радиолокационного исследования кучево-дождевых облаков в районе города Улан-Батор. Тр. Гидрометеорологического научно-исследовательского Центра СССР, 1980, 220, 90-93.

25. Абшаев М.Т., Бибилашвили Н.Ш. Радиолокационный метод определения спектра и концентрации градин в конвективных облаках. Тр. ВГИ, 1966, вып. 3(5), 154-163. 45. MJ Q- ЯЖе. f,4oicdiui of -оиХ in. члсйо* to *шо/а еЛс ijUi6 on iAe. Soutfi JUccn -ЯсыМ26. Абшаев М.Т., Атобиев М.Д., Мальбахова Н.М., Правосудов А.В. Некоторые результаты радиолокационных исследований структуры и динамики грозо-градовых процессов на Северном Кавказе. Тр. Вга, вып. 33, 1976, 81-91.

27. Абшаев М.Т., Кормов Х.Н. Обнаружение градовых очагов радиолокационно-радиометрическим методом. Тр. 4-го Всесоюзн.совещания по радиометеорологии, 1975, М., 1978, 63-70.

28. Абщаев М.Т., Белявский А.В., Тетуев Х.Б. О связи доплеровских характеристик радиоэхо метеообъективов с их микроструктурой. Тр.ВГИ, 1975, вып.24, 150-172.

29. Щупяцкий A.Б., Моргунов С П Применение эллиптически поляризованных радиоволн для исследования облаков и осадков. Доклады АН СССР, I96I, 140, 3, 591-594.

30. Щупяцкий А.Б. Радиолокационные рассеяния несферическими частицами, Тр. ЦАО, 1959, вып.ЗО, 39-52.

31. Щупяцкий А.Б., Диневич Л.А., Тычина Р.П. Дистанционная индикация града в облаках по поляризационным характеристикам радиолокационного сигнала. Тр.ЦАО, 1975, вып.121, 18-27. 56. B&hM В, Uco>np*vCe6 Я Q-- oUA-hcaaCon, Q ЧЫ.*

32. Абшаев М.Т., 1чмезов О.М., Пинхасов A.M. Вероятностно-статистический метод индикации градовых очагов. Тр.ВГИ, 1969, вып.13, 230-248.

33. Абшаев М.Т. Радиолокационные методы измерения микроструктурных характеристик облаков. Тр.Ш Всесоюзного совещания по радиолокационной метеорологии. М. Гидрометеоиздат. 1967, 72-87.

34. Степаненко В.Д. Радиолокация и метеорология. Л.,1966, 60-233.

35. Салуквадзе Т.Г. О точности изменения высот и верхней границы радиоэхо от конвективных облаков. Тр. Института геофизики АН ГССР, 1975, Т.ХХХУ1, 28-35.

36. Калиновский А.Б., Пинус Н.Э. Аэрология, часть I, Л., I96I, 48-101.

37. Сальман Е.М., Жупахин К.С. Некоторые результаты радиолокационных исследований вертикальной структуры ливней и гроз. Тр. ГГО, 1964, вып.159, 59-64.

38. Бурдаков Ф.И., Завелевич И.М., Николаев П.Н. Усовершенствование системы измерения интенсивности радиоэхо метеорологического радиолокатора. Тр.ГГО, 1967, вып.217, 14-21.

39. Петрушевский В.А., Сальман Е.М. Определение высоты кучеводождевых облаков радиолокационным методом. Тр.ГГО, 1964, вып. 159, 48-58.

40. Бучмезов 0,М. Информационный подход к выбору параметров для диагноза и прогноза метеоявлений. Тр.ВГИ, 1972,вып.20,58-63.

41. Бибилашвили Н.Ш., Бочаров В.Б.,Бурцев И.И., Кучмезов О.М., Тимофеев А.В., Черняк М.М. О выборе информативных функциональных параметров в задаче опознавания градовых и ливневых облаков. Тр. ВГЙ, вып.22, 1973, 78-89.

42. Березкин В.В., Ватьян М.Р., Либровский Е.Д. Исследование некоторых радиолокационных параметров ливневых и градовых облаков на Северном Кавказе. Тр.ГГО, вып.395, Л.Гидрометеоиздат, 1977, 80-85. 68. Буз А.И. Применение некоторых статистик к анализу и прогнозу условий возникновения метеорологических явлений. В кн.: "Вопросы метеорологии, аэрометеорологии и гидрогеологии". М.

43. Андерсон Т. Введение

44. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я., Теория распознавания образов. Изд. Наука, М., 1974.

45. Кирия Д.К., Хелая Э.й. Об информативности некоторых характеристик конвективных облаков. Материал докладов на ресцубликанском семинаре по некоторым вопросам физики земли, атмосферы, ионосферы и космических лучей. Тбилиси, 1976, 25-26.

46. Карцивадзе А.И., Глазкова Т.Г., Хелая Э.И. Опознавание градовых облаков по методу обобщенного портрета. Тр. ЙГАН "Микрофизика и динамика облаков". Изд. Мецниереба, Тбилиси, 1980, 58-67.

47. Дореули Р.И., Карцивадзе А.И., Лапинскас В.А., Салуквадзе Т.Г7 (ИГАН), Боровиков A.M., Костарев В.В. (ЦАО), Радиолокационный способ определения градоопасности облаков. Исследования по физике облаков и активным воздействиям на погоду. Доклады на УП междуведомственной конференции. М., 1967, 128-135.

48. Салуквадзе Т. Г. Радиолокационные характеристики градовых облаков с учетом их сезонного хода. Тр. ИГАН ГССР, 1973, т. ХХХП, 129-138.

49. Сальман Е.М., Гашина С Б Применение методов статистического распознавания к задаче радиолокационной классификации облаков. Тр. ГГО, ВЫП.261, I97I, 20-28.

50. Абшаев М Л Сонечкин Д.М., Виноградарская А.А., Макитов П.М. Распознавание градовых радиоэхо с помощью квазилинейной дискриминантной функции. Метеорол. и гидрология. 1978, 3. 30-35.

51. Петров Р., Боев П. Обнаружение градовых облаков с помощью радиолокатора, работающего на длине волны 10 см. "Гидрология и метеорология", 1977, 26, 3, 37-42.

52. Алания М.В., Карцивадзе А.И., Хелая Э.И. Применение метода многомерной корреляции для распознавания градовых и ливневых облаков. Сообщ. АН ГССР, 84, 2, Изд. Мецниереба, 1976, 357-360.

53. Карцивадзе А.И,, Хелая Э.И., Кирия Д.К. К вопросу оптимального подбора предикторов в задаче радиолокационного диагноза вида конвективных облаков. Тр. ИРАН ГССР, т.40, изд. Мецниереба, 1977, 55-61.

54. Хелая Э.И. Диагноз вида конвективных осадков по данным радиолокационных и аэрологических измерений. Тр. Инст.геофизики АН ГССР. т. Х1УП, 1980, 51-57.

55. Хант Э. Искусственный интеллект. Мир, М. 1978.

56. Хелая Э.И. Опознавание градовых и ливневых облаков с применением теории Байеса, Сообщ. АН ГССР, 95, 3, Изд. Мецниереба, 1979, 597-600.

57. Карцивадзе А.И., Глазкова Т.Г., Хелая Э.И. Распознавание градовых и ливневых облаков по данным радиолокахщонных и

58. Боев П., Петров В., Стоянов Сравнение методов индикации градовых облаков. Хидрология и метеорология. I98I, 30, 3, 3-12.

59. Абшаев М.Т. Радиолокационное обнаружение града. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, т.18, 5, 1982, 483-494.

60. Автоматы. Под ред. Маккарти. М., Ил. 1956.

61. Линев А.Г., Опрешко B.C., Попова Н.Д., Сальман Е.М. Сравнительная оценка эффективности различных алгоритмов радиолокационной классификации гроз и ливней. Тр. ГГО, вып. 281, 1973, 86-89.

62. Брылев Г.Б., Завдовьев А.В., Линев А.Г. Принцип использования совокупности алгоритмов при автоматизации распознавания радиоэхо гроз и осадков. Тр. ГГО, вып. 430, 1979. 80-85.