О выборе управляющих параметров при моделировании целенаправленной модификации погодно-климатических процессов
Ключевые слова:
геофизическая кибернетика, геоинженерия, глобальное потепление, оптимальное управление, теория чувствительности, бароклинная неустойчивостьАннотация
Единая методология планирования и реализации проектов по модификации погоды и климата (геоинженерных проектов) может быть построена, по-видимому, только на основе идей и методов геофизической кибернетики, в которой климатическая система и протекающие в ней процессы являются объектами управления, а роль управляющей подсистемы отводится соответствующим общественным структурам и, в частности, операторам, в распоряжении которых находятся все необходимые силы и средства. В данной работе на примере моделей бароклинной неустойчивости исследуется влияние основных параметров, управляющих развитием бароклинной неустойчивости в атмосфере, на скорости роста амплитуд неустойчивых волн. Полученные аналитические выражения для абсолютных и относительных коэффициентов чувствительности позволяют оценить отклик модели на вариации управляющих параметров и на этой основе сделать выводы о гипотетической возможности управления крупномасштабной волновой динамикой атмосферы и океана. Выбор бароклинной неустойчивости в качестве предмета исследования обусловлен существенной ролью данного физического механизма в формировании общей циркуляции атмосферы и океана, а значит, и климата Земли.Литература
1. Climate Change 2013: The Physical Science Basis // Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Edited by Stocker T.F. et al. Cambridge University Press. Cambridge. United Kingdom and New York. NY. USA. 2013. 1552 p.
2. Crutzen P.J. Albedo enhancement by stratospheric sulphur injections: a contribution to resolve a policy dilemma? // Climate Change. 2006. vol. 77. pp. 211‒220.
3. Kravitz B., Caldera K., Boucher O. et al. Climate model response from the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) // Journal of Geophysical Research. 2013. vol. 118. pp. 8320‒8332.
4. Ming Y., De Richter R., Liu W., Caillol S. Fighting global warming by climate engineering: Is the Earth radiation management and the solar radiation management any option for fighting climate change? // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. vol. 31. pp. 792‒834.
5. Wigley T.M. A combined mitigation/geoengineering approach to climate stabilization // Science. 2006. vol. 314. pp. 452–454.
6. Hoffman R.N. Controlling the global weather // Bulletin of the American Meteorological Society. 2002. vol. 87. pp. 41‒248.
7. Введение в геофизическую кибернетику и экологический мониторинг / Под ред. Р.М. Юсупова. СПб: СПбГУВК. 1998. 165 c.
8. Soldatenko S., Yusupov R. On the possible use of geophysical cybernetics in climate manipulation (geoengineering) and weather modification // WSEAS Transactions on Environment and Development. 2015. vol. 11. pp. 116‒125.
9. Soldatenko S., Yusupov R. An optimal control problem formulation for the atmospheric large-scale wave dynamics // Applied Mathematical Sciences. 2015. vol. 9. no. 18. pp. 875‒884.
10. Soldatenko S., Yusupov R. Sensitivity analysis in optimal control of the Earth’s climate system. In: Recent Advances in Environmental and Earth Sciences and Economics // Proceedings of the 2015 International Conference on Energy, Environment, Development and Economics (EEDE 2015). Greece. 2015. pp. 6‒12.
11. Soldatenko S., Yusupov R. On the control of the geophysical system: problem formulation. In: Mathematical Methods in Science and Mechanics. // Proceedings of the 16th International Conference on Mathematical Methods, Computational Techniques and Intelligent Systems (MAMECTIS '14). Portugal. 2014. pp. 102‒108.
12. Soldatenko S.A. Some applications of the theory of optimal control of distributed parameter systems to weather numerical modeling // Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. Switzerland: WMO. 1999. vol. 28. pp 7.29‒7.30.
13. Lorenz E.N. Deterministic non periodic flow // Journal of the Atmospheric Sciences. 1963. vol. 20. pp. 130‒141.
14. Marshall J., Plumb R.A. Atmosphere, ocean and climate dynamics: An introductory text. London: Elsevier. 2007. 344 p.
15. Lions J.L. Optimal control of systems governed by partial differential equations. Berlin: Springer; Heidelberg: Verlag. 1971. 400 p.
16. Lurie K.A. Applied optimal control theory of distributed systems. New York: Springer‒Verlag. 1993. 499 p.
17. Katok A., Hasselblatt B. Introduction to the modern theory of dynamical systems. New York: Cambridge University Press. 1997. 824 p.
18. Розенвассер Е.Н., Юсупов Р.М. Чувствительность систем управления // М.: Наука. 1981. 464 с.
19. Rosenwasser E., Yusupov R. Sensitivity of automatic control // Roca Baton: CRC Press. 2000. 436 p.
20. Cacuci D.G. Sensitivity and uncertainty analysis. Volume I: Theory // Boca Raton: CRC. 2003. 304 p.
21. Cacuci D.G., Ionesku-Bujor M., Navon I.M. Sensitivity and uncertainty analysis. Volume II: Applications to large-scale systems // Boca Raton: CRC. 2005. 368 p.
22. Leith C.E. Climate response and fluctuation dissipation // Journal of the Atmospheric Sciences. 1975. vol. 32. pp. 2022‒2026.
23. Lea D.J., Allen M.R., Haine W.N. Sensitivity analysis of the climate of a chaotic system // Tellus. 2000. vol. 52. no. 5. pp. 523–532.
24. Wang Q. Forward and adjoint sensitivity computation of chaotic dynamical systems // Journal of Computational Physics. 2013. vol. 235. no. 15. pp. 1–13.
25. Wang Q., Hu R., Blonigan P. Least squares shadowing sensitivity analysis of chaotic limit cycle oscillations // Journal of Computational Physics. 2014. vol. 267. pp. 210–224.
26. Palmer K.J. Shadowing in dynamical system: Theory and applications // Dordrecht: Kluwer. 2000. 300 p.
27. Pilyugin S.Yu. Shadowing in dynamical systems. Lecture notes in mathematics // Berlin: Springer‒Verlag. 1999. vol. 1706. 276 p.
28. Soldatenko S., Yusupov R. Sensitivity analysis of coupled chaotic dynamical systems with the pseudo-orbit tracing property // Applied Mathematical Sciences. 2015. vol. 9. no. 18. pp. 885‒893.
29. Soldatenko S., Yusupov R. Shadowing property of coupled nonlinear dynamical system // Applied Mathematical Sciences. 2015. vol. 9. no. 50. pp. 2459‒2466.
30. Holton J.R. Introduction to dynamic meteorology: 4th edition // London: Elsevier. 2004. 507 p.
31. Солдатенко С.А. Влияние статической устойчивости атмосферы и меридионального температурного градиента на рост амплитуды неустойчивых волн синоптического масштаба // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Вып. 50. № 6. С. 554‒561.
32. Soldatenko S., Tingwell C. The sensitivity of characteristics of large-scale baroclinic unstable waves in southern hemisphere to the underlying climate // Advances in Meteorology. 2013. vol. 2013.
2. Crutzen P.J. Albedo enhancement by stratospheric sulphur injections: a contribution to resolve a policy dilemma? // Climate Change. 2006. vol. 77. pp. 211‒220.
3. Kravitz B., Caldera K., Boucher O. et al. Climate model response from the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) // Journal of Geophysical Research. 2013. vol. 118. pp. 8320‒8332.
4. Ming Y., De Richter R., Liu W., Caillol S. Fighting global warming by climate engineering: Is the Earth radiation management and the solar radiation management any option for fighting climate change? // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. vol. 31. pp. 792‒834.
5. Wigley T.M. A combined mitigation/geoengineering approach to climate stabilization // Science. 2006. vol. 314. pp. 452–454.
6. Hoffman R.N. Controlling the global weather // Bulletin of the American Meteorological Society. 2002. vol. 87. pp. 41‒248.
7. Введение в геофизическую кибернетику и экологический мониторинг / Под ред. Р.М. Юсупова. СПб: СПбГУВК. 1998. 165 c.
8. Soldatenko S., Yusupov R. On the possible use of geophysical cybernetics in climate manipulation (geoengineering) and weather modification // WSEAS Transactions on Environment and Development. 2015. vol. 11. pp. 116‒125.
9. Soldatenko S., Yusupov R. An optimal control problem formulation for the atmospheric large-scale wave dynamics // Applied Mathematical Sciences. 2015. vol. 9. no. 18. pp. 875‒884.
10. Soldatenko S., Yusupov R. Sensitivity analysis in optimal control of the Earth’s climate system. In: Recent Advances in Environmental and Earth Sciences and Economics // Proceedings of the 2015 International Conference on Energy, Environment, Development and Economics (EEDE 2015). Greece. 2015. pp. 6‒12.
11. Soldatenko S., Yusupov R. On the control of the geophysical system: problem formulation. In: Mathematical Methods in Science and Mechanics. // Proceedings of the 16th International Conference on Mathematical Methods, Computational Techniques and Intelligent Systems (MAMECTIS '14). Portugal. 2014. pp. 102‒108.
12. Soldatenko S.A. Some applications of the theory of optimal control of distributed parameter systems to weather numerical modeling // Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. Switzerland: WMO. 1999. vol. 28. pp 7.29‒7.30.
13. Lorenz E.N. Deterministic non periodic flow // Journal of the Atmospheric Sciences. 1963. vol. 20. pp. 130‒141.
14. Marshall J., Plumb R.A. Atmosphere, ocean and climate dynamics: An introductory text. London: Elsevier. 2007. 344 p.
15. Lions J.L. Optimal control of systems governed by partial differential equations. Berlin: Springer; Heidelberg: Verlag. 1971. 400 p.
16. Lurie K.A. Applied optimal control theory of distributed systems. New York: Springer‒Verlag. 1993. 499 p.
17. Katok A., Hasselblatt B. Introduction to the modern theory of dynamical systems. New York: Cambridge University Press. 1997. 824 p.
18. Розенвассер Е.Н., Юсупов Р.М. Чувствительность систем управления // М.: Наука. 1981. 464 с.
19. Rosenwasser E., Yusupov R. Sensitivity of automatic control // Roca Baton: CRC Press. 2000. 436 p.
20. Cacuci D.G. Sensitivity and uncertainty analysis. Volume I: Theory // Boca Raton: CRC. 2003. 304 p.
21. Cacuci D.G., Ionesku-Bujor M., Navon I.M. Sensitivity and uncertainty analysis. Volume II: Applications to large-scale systems // Boca Raton: CRC. 2005. 368 p.
22. Leith C.E. Climate response and fluctuation dissipation // Journal of the Atmospheric Sciences. 1975. vol. 32. pp. 2022‒2026.
23. Lea D.J., Allen M.R., Haine W.N. Sensitivity analysis of the climate of a chaotic system // Tellus. 2000. vol. 52. no. 5. pp. 523–532.
24. Wang Q. Forward and adjoint sensitivity computation of chaotic dynamical systems // Journal of Computational Physics. 2013. vol. 235. no. 15. pp. 1–13.
25. Wang Q., Hu R., Blonigan P. Least squares shadowing sensitivity analysis of chaotic limit cycle oscillations // Journal of Computational Physics. 2014. vol. 267. pp. 210–224.
26. Palmer K.J. Shadowing in dynamical system: Theory and applications // Dordrecht: Kluwer. 2000. 300 p.
27. Pilyugin S.Yu. Shadowing in dynamical systems. Lecture notes in mathematics // Berlin: Springer‒Verlag. 1999. vol. 1706. 276 p.
28. Soldatenko S., Yusupov R. Sensitivity analysis of coupled chaotic dynamical systems with the pseudo-orbit tracing property // Applied Mathematical Sciences. 2015. vol. 9. no. 18. pp. 885‒893.
29. Soldatenko S., Yusupov R. Shadowing property of coupled nonlinear dynamical system // Applied Mathematical Sciences. 2015. vol. 9. no. 50. pp. 2459‒2466.
30. Holton J.R. Introduction to dynamic meteorology: 4th edition // London: Elsevier. 2004. 507 p.
31. Солдатенко С.А. Влияние статической устойчивости атмосферы и меридионального температурного градиента на рост амплитуды неустойчивых волн синоптического масштаба // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Вып. 50. № 6. С. 554‒561.
32. Soldatenko S., Tingwell C. The sensitivity of characteristics of large-scale baroclinic unstable waves in southern hemisphere to the underlying climate // Advances in Meteorology. 2013. vol. 2013.
Опубликован
2016-02-15
Как цитировать
Солдатенко, С. А., & Юсупов, Р. М. (2016). О выборе управляющих параметров при моделировании целенаправленной модификации погодно-климатических процессов. Труды СПИИРАН, 1(44), 153-180. https://doi.org/10.15622/sp.44.10
Раздел
Методы управления и обработки информации
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
