CC BY
39
Метрология и метрологическое обеспечение
2. Курбатова Н.А. Исследование температурной зависимости коэффициента преобразования датчиков теплового потока радиационно-конвективным методом // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5, ч. 2. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2011. -С.242-245.
3. Черепанов В.Я. Адиабатический метод формирования и измерения тепловых потоков в эталонах физических величин // ГЕО-Сибирь-2006. Т. 4, ч. 2. Специализированное приборостроение, метрология: сб. матер. Междунар. научн. конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 201-206.
4. Курбатова Н.А., Черепанов В.Я. Радиационный метод поверки датчиков теплового потока на основе адиабатического излучателя // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 5, ч. 2. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии: сб. матер. VI Междунар. научн. конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 118-123.
Получено 23.05.2011
© Н.А. Курбатова, В.Я. Черепанов, 2011
УДК 681.783.25
СНИИМ - СГГА В МЕЖДУНАРОДНОМ ПРОЕКТЕ EOPCPPP (EARTH ORIENTATION PARAMETERS COMBINATION OF PREDICTION PILOT PROJECT)
Виктор Мартынович Тиссен
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-04-71, e-mail: tissen@mail.ksn.ru
Статья посвящена проблемам прогнозирования параметров вращения Земли и результатам, полученным за 9-месячный период участия Сибирского НИИ метрологии (СНИИМ) и Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) в экспериментальном международном пилотном проекте EOPCPPP.
Ключевые слова: вращение Земли, движение полюсов, прогнозирование, трендовые изменения, гармоническая модель, авторегрессия, оценка СКП, международный проект, сравнение.
SNIIM - SSGA - IN THE INTERNATIONAL PROJECT EOPCPPP (EARTH ORINTATION PARAMETERS COMBINATION OF PREDICTION PILOT PROJECT)
Victor M. Tissen
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., senior lecturer, the department of Metrology, Standartization and Certification SSGA, tel. (383)361-04-71, e-mail: tissen@mail.ksn.ru
97
Метрология и метрологическое обеспечение
Article is devoted to the problems of predicting Earth rotation parameters and the results obtained for the 9-month period, the participation of the Siberian Institute of meth-meteorology (SNIIM) and the Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) in an experimental international pilot project EOPCPPP.
Key words: Earth rotation, polar motion, forecasting, trend changes, the harmonic model, autoregression, estimation UPC, the international project comparison.
Введение. В начале 2010 г. Международная служба вращения Земли (МСВЗ) объявила о проведении с сентября 2010 г. по сентябрь 2012 г. нового проекта по сравнению прогнозов параметров вращения Земли (ПВЗ) (eopcppp@maia.usno.navy.mil). К настоящему времени в проекте участвуют 10 служб и институтов из США, Польши, России, Франции и Китая. Его основная цель состоит в разработке комбинированного метода по ансамблю прогнозов, полученных различными методами. Результаты за 9-месячный период проведения проекта по оценкам авторов проекта выглядят многообещающими.
Многообразие применяемых в EOPCPPP методов, начиная от обычного Фурье-анализа с последующей аппроксимацией методом наименьших квадратов (МНК) наиболее значимых гармоник и кончая использованием нейронных сетей и моделей на основе нечеткой логики, указывает на сложность и неоднозначность проблемы прогнозирования ПВЗ. Один и тот же метод может показывать хорошие результаты на одних участках прогноза и плохие - на других, а другой - прямо противоположные. Также в зависимости от глубины прогноза: краткосрочного (до 10 дней), среднесрочного (до 30 дней) и долгосрочного до года и более - применяются разные методы. Например, по результатам предыдущей аналогичной компании EOP PCC (http://www.cbk.waw.pl/EOP_PCC), проводившейся с октября 2005 г. по март 2008 г., наилучшие результаты краткосрочного прогноза неравномерности вращения Земли дало использование геофизических данных, а именно рядов атмосферного углового момента в сочетании с фильтрацией Калмана, в то время как параметры движения полюса более качественно предсказываются с помощью МНК экстраполяции полигармонической модели и авторегрессионного прогнозирования (http://www.cbk.waw.pl/EOP_PCC).
В данной статье представлены результаты метода прогнозирования, описанного в [1]. Его особенность состоит в построении полигармонических моделей ПВЗ на интервале наблюдений не менее 70 лет. Метод обладает большей универсальностью по сравнению с другими применяемыми в мире, так как показывает относительно более устойчивые результаты на разные длины прогноза.
Описание изменений ПВЗ за последнее столетие.
Суточное вращение Земли происходит вокруг оси, изменяющей с течением времени как свое положение в теле Земли, так и направление в пространстве. Для описания характеристик этого явления используют совокупность из 5 математических величин, называемых параметрами вращения Земли [2]. К этим величинам относятся:
98
Метрология и метрологическое обеспечение
• координаты полюса xp, yр, характеризующие положение оси суточного вращения в теле Земли;
• всемирное время UT1, представляющее собой текущую фазу суточного вращения Земли;
• отклонения dy, dz действительного направления оси вращения Земли в пространстве от направления, вычисленного по фундаментальной теории прецессии и нутации.
Движение полюсов. Точки, в которых ось вращения Земли пересекает ее поверхность (мгновенные полюсы Земли), перемещаются по земной поверхности вокруг среднего полюса в направлении вращения Земли, т. е. с запада на восток. Траектория движения полюса имеет вид спирали, которая периодически то закручивается, то раскручивается.
Самое большое удаление мгновенного полюса от среднего не превышает 15 м. Закручивание и раскручивание траектории полюса объясняется тем, что полюс совершает два периодических движения: свободное, или чандлеровское с периодом около 14 месяцев с радиусом порядка 15 м, и вынужденное - с периодом, равным году. Чандлеровское движение полюсов возникает вследствие несовпадения оси вращения Земли с ее главным моментом инерции. Вынужденное движение полюсов вызывается периодическим годовым действием на Землю сил со стороны атмосферы и гидросферы. Период свободного движения зависит не от периода возбуждающей силы, как это характерно для вынужденного движения, а от динамического сжатия и упругих свойств Земли. Сложение этих двух движений определяет наблюдаемую картину спирали [2].
На рис. 1, заимствованном из [3], точками показано движение мгновенного полюса Земли в 1996-2000 гг., а сплошной линией - траектория среднего полюса с 1890 по 2000 г.
99
Метрология и метрологическое обеспечение
Рис. 1. Движение северного полюса Земли
На рис. 1 центр спирали находится в стороне от начала координат - международного условного начала, отнесенного на эпоху начала 1900 г. Такое смещение вызвано вековым движением среднего полюса, которое происходит со скоростью около 10 см/год по сложной зигзагообразной кривой.
Неравномерности вращения Земли. В отличие от движения земных полюсов ряд UT1 - UTC имеет очень мощную нерегулярную низкочастотную составляющую (тренд и десятилетние вариации), на порядки превосходящую прочие квазипериодические вариации во вращении Земли. На рис. 2 приведен график изменений разностей между неравномерной шкалой всемирного UT1 и равномерной шкалой земного динамического времени TT (эфемеридного TE с 1900 по 1956 г. и атомного TA1 с 1956 по 2010 г.), отражающий трендовые составляющие неравномерностей вращения Земли за этот период.
Анализируя график на рис. 2, можно отметить, что за последние 100 лет трендовая составляющая претерпевала значительные изменения не менее 6 раз. Эти изменения, как и менее продолжительные в 1, 2 года, в настоящее время считаются практически непредсказуемыми.
О проблемах и методах прогнозирования ПВЗ.
100
Метрология и метрологическое обеспечение
Основные трудности в создании высокоточных прогностических моделей ПВЗ связаны с одновременным действием на процесс вращения Земли многообразных природных сил. Работы многих исследователей посвящены изучению взаимосвязей между различными вариациями во вращении Земли и глобальными изменениями климата [2, 3]. В частности, Н.С. Сидоренков в работе [4] отмечает: «В периоды замедлений скорости вращения Земли типы атмосферной циркуляции C появляются чаще, а (W + E) - реже обычного, масса льда в Антарктиде уменьшается, понижается темп роста глобальной температуры в северном полушарии, отмечаются отрицательные аномалии глобальной облачности, снижаются от года к году уловы промысловых рыб в Тихом океане».
Земля действительно с 2006 г. вступила в фазу замедления своего 70-летнего цикла, которое предположительно продлится до 2020 г. Тогда, если верить исследованиям Н.С. Сидоренкова, в ближайшие 8-10 лет зимы в северном полушарии должны быть несколько холоднее среднестатистических, а в летнее время можно ожидать относительного увеличения числа ясных дней.
Математическая обработка многолетних наблюдений за вращением Земли и за геофизическими и атмосферными процессами показывает существенную корреляцию динамики ПВЗ с такими явлениями, как Эль-Ниньо - южное колебание, квазидвухлетняя цикличность ветров в стратосфере, колебания массы ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии, уровня солнечной радиации. Очевидно, что корреляция процессов, происходящих на поверхности и внутри Земли, определяется как гравитационными воздействиями от Луны и Солнца, так и сезонными изменениями в атмосфере. Однако, как внутреннее строение Земли, так и механизмы атмосферных процессов изучены пока недостаточно, для того чтобы на их основе можно было бы создать физическую теорию, позволяющую предсказывать геофизические процессы и динамику ПВЗ на сроки, востребованные в задачах космической геодезии и навигации.
Традиционные методы прогнозирования ПВЗ основаны на изучении статистических закономерностей рядов ПВЗ. Вначале из исследуемого ряда на интервале порядка 4-6 лет исключаются трендовые и периодические составляющие, затем стохастические. Периодические составляющие возникают вследствие сезонных изменений климата и приливов в океане. Сезонные изменения аппроксимируются годовыми и полугодовыми гармониками, параметры которых, как и параметры тренда, находятся эмпирическим путем с помощью Фу-рье-анализа или МНК [5]. Параметры приливных вариаций рассчитываются на основе физико-математической теории движения Луны и Солнца. Для учета коротко-периодических и стохастических составляющих используется множество разных методов, среди которых наибольшее распространение получили модификации методов авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего. В последние годы также нашли применение: методы средней квадратической коллокации (СКК); сингулярного спектрального анализа; искусственные нейронные сети и другие методы, описанные в работах [6, 7].
101
Метрология и метрологическое обеспечение
Об участии и результатах СНИИМ - СГГА в проекте EOPCPPP.
Работы над созданием методик, алгоритмов и программ прогнозирования ПВЗ в СНИИМ и СГГА были начаты с 2005 г. Результаты этой работы в 2007-2009 гг. неоднократно докладывались на российских конференциях в Москве и Петербурге, а в октябре 2009 г. - на международной конференции в Варшаве [8, 9]. В настоящее время в ГСВЧ России (Государственная служба времени и частоты, г. Москва) рассматривается вопрос о включении прогнозов СНИИМ - СГГА в периодически издаваемые бюллетени серии «А» и «Q», предназначенные для официального использования в российских службах времени и в организациях, ответственных за качество ЭВО ГЛОНАСС.
С октября 2010 г. СНИИМ - СГГА начали участвовать в проекте EOPCPPP, требующем ежедневной передачи данных в главные центры МСВЗ: центр космических исследований польской академии наук (г. Варшава) (eopcppp@cbk.waw.pl) и военно-морскую обсерваторию США (г. Вашингтон, округ Колумбия) (eopcppp@maia.usno.navy.mil). Полученные результаты за прошедший период проведения проекта с 10 октября 2010 г. по 20 июня 2011 г. в сравнении с результатами других участников этого проекта приведены на рис. 3-5.
6 т СКП (UT1-UTC, мс),
5 ■
4 ■
3 ■
2 ■
1 ■
о +
о
5 10 15 20 25 30
дни прогноза
СНИИМ/СГГА - - *> - ■ Пулково - - - ■ USNO - - * - ■ NASA - - * - ■ ГСВЧ - - - ■ Парижская обсерватория
Рис. 3. Сравнение СКП прогнозов всемирного времени на 30 дней участников EOPCPPP и ГСВЧ с 10 октября 2010 г. по 20 июня 2011 г.
102
Метрология и метрологическое обеспечение
. п . , 1Л»1Л _ ,_Л„,,
“ С1 1ИИМ/С1 1 А Мулково ^ CBK NAsA »
Рис. 4. То же, что и на рис. 3, только для координаты полюса X
18
СКП (Y, 0,"001)
16-
14-
12-
10-
8-
6-
4-
2
0
0 5 10 15 20 25 30
день прогноза
СНИИМ/СГГА - - о ■ ■ Пулково ■ - о ■ ■ CBK - - * ■ ■ NASA ■■ Парижская обсерватория ■ - ■ ■ USNO ■■ ГСВЧ
Рис. 5. То же, что и на рис. 4, только для координаты полюса Y
103
Метрология и метрологическое обеспечение
Приведенные на рис. 3-5 графические данные показывают преимущество метода прогнозирования ПВЗ СНИИМ - СГГА в сравнении с методами, применяемыми другими участниками EOPCPPP, в том числе и официальными поставщиками данных о ПВЗ, каковыми в России является ГСВЧ, а в мире МСВЗ (USNO).
Заключение. За первые 9 месяцев проведения экспериментального проекта EOPCPPP, в котором представлено более 10 различных методов прогнозирования ПВЗ, лучшие результаты показал метод, применяемый в СНИИМ -СГГА. Так, в частности, для параметра всемирного времени, считающегося наиболее важным и трудно прогнозируемым, на интервале прогноза 30 дней точность прогнозов СНИИМ - СГГ А по 220 реализациям оказалась выше, чем в МСВЗ, в 1,19 раза и чем в ГСВЧ России в 1,81 раза. Аналогичные результаты получены и на более длительных интервалах прогноза (90 дней и более). На сайте МСВЗ eopcppp@maia.usno.navy.mil ежедневно выставляются файлы с прогнозами ПВЗ всех участников проекта EOPCPPP и их результаты в оценках СКП, абсолютной ошибки и стандартного отклонения, обновляемые два раза в неделю. Уважаемый читатель настоящей статьи может легко проверить динамику изменения результатов СНИИМ - СГГА на указанном сайте.
Таким образом, на основании результатов СНИИМ - СГГА, достигнутых в проекте EOPCPPP, можно сделать вывод о недостаточной состоятельности доминирующей в настоящее время точке зрения об абсолютной непредсказуемости трендовых декадных изменений в скорости вращении Земли и движении географических полюсов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Высокоточное прогнозирование всемирного времени по 100-летним данным / Тис-сен В.М., Толстиков А.С., Балахненко А.Ю., Малкин З.М. // Измерительная техника. -2009. - № 12. - С. 3-6.
2. Подобед В.В., Нестеров В.В. - Общая астрометрия. - М.: Наука, 1975.
3. McCarthy D.D., Petit G. (eds.). IERS Conventions (2003). IERS Technical Note No. 32, Verlag des Bundesamts fur Kartographie und Geodasie, Frankfurt am Main, 2004.
4. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. - М.: Наука, 2002. -
320 с.
5. Горшков В.Л. О методах прогнозирования в геодинамике // Изв. ГАО. - 2005. -№ 214. - С. 313-335.
6. Малкин З.М., Скурихина Е.А. On prediction of EOP // Communications of IAA. -1996. - № 93. - С. 127-135.
7. Тиссен В.М., Толстиков А.С., Малкин З.М. Неравномерности вращения Земли и результаты, достигнутые в их прогнозировании // Тр. Всероссийской астрометрической конференции «Пулково-2009», Известия ГАО. - 2009. - № 219. - Вып. 4. - С. 329-334.
8. Tissen V.M., Tolstikov A.S., Malkin Z. UT1 prediction based on long-time series analysis. In: IERS Workshop on EOP Combination and Prediction, Warsaw, Poland, 19-21 Oct 2009, Book of abstracts, С. 35.
Получено 01.06.2011
© В.М. Тиссен, 2011
104
Метрология и метрологическое обеспечение
105
