КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-62-10043
НазваниеНовые методы выявления и анализа закономерностей, определяющих наблюдаемую динамику сложных систем, и их применение к исследованию климатических и магнитосферных процессов
РуководительЛоскутов Евгений Михайлович, Кандидат физико-математических наук
Прежний руководитель Фейгин Александр Маркович, дата замены: 27.04.2024
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук", Нижегородская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2026 г. |
Конкурс№82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-403 - Радиофизика, статистическая радиофизика
Ключевые словасложные динамические системы, эмпирическое моделирование, пространственно-временные структуры, динамический спектр, климатические системы, магнитосфера Земли, радиопульсары.
Код ГРНТИ29.35.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект нацелен на развитие междисциплинарного подхода и реализующих его методов и компьютерных технологий к построению верифицированных моделей, описывающих эволюцию систем различной природы. Подход будет основан на методах эмпирической реконструкции наблюдаемой динамики исследуемой системы путем прямого анализа данных наблюдений. Такое эмпирическое моделирование наиболее актуально в случае сложных систем, уравнения для описания эволюции которых отсутствуют или не могут быть эффективно применены из-за больших неопределенностей в параметрах этих уравнений. Продолжающийся в различных областях наук прогресс в технологиях мониторинга и обработки данных позволяет получать массивы измерений высокого разрешения (например, радиоастрономические измерения излучения различных космических объектов или спутниковые измерения различных климатических характеристик), содержащие информацию, достаточную для реконструкции важнейших свойств динамической системы, лежащей в их основе. На передний план выходят задачи статистически корректной расшифровки законов собственной динамики наблюдаемых явлений по данным измерений. Для решения таких задач требуются методы построения моделей, учитывающих как разномасштабность наблюдаемой динамики, так и нелинейность моделируемой системы. Предлагаемый к разработке подход будет опираться на результаты, полученные в последние годы членами авторского коллектива, и будет включать методы выделения динамических структур в мультимасштабных высокоразмерных данных различной природы и методы построения оптимальных эмпирических моделей, описывающих эволюцию выделенных структур.
В рамках проекта данный подход будет применен для исследования и верификации имеющихся представлений и моделей из «первых принципов» систем различной природы.
Во-первых, участниками из ИПФ РАН будет проведена эмпирическая реконструкция процессов, протекающих в земной магнитосфере и магнитосферах радиопульсаров В0329+54 и В0950+08. На основе такой реконструкции будут проверены или модифицированы современные представления о природе и механизмах регистрируемого электромагнитного излучения и верифицированы или улучшены существующие и создаваемые в ходе выполнения проекта модели «из первых принципов». По результатам этих исследований предполагается сделать важные выводы о возможности существования и закономерностях подобных процессов в магнитосферах экзопланет и других радиопульсаров соответственно.
Во-вторых, совместно с партнером – Институтом вычислительной математики РАН – новый подход будет применен для исследования декадной и мультидекадной изменчивости океана. Особенности динамики океана на указанных характерных временных масштабах будут исследованы методом эмпирической реконструкции на основе данных реанализа поверхностной температуры океана с середины XIX века по настоящее время и с помощью глобальной климатической модели ИВМ РАН, входящей в мировой ансамбль лучших прогностических моделей CMIP6. Верификация и последующая коррекция модели ИВМ РАН позволит повысить качество описания моделью динамики океана на исследуемых временных масштабах и, тем самым, улучшить ее прогностические способности, необходимые для прогноза возможных климатических изменений в XXI веке.
В целом, разработка подхода к верификации моделей «из первых принципов» на основе методов эмпирической реконструкции, протестированного путем исследования систем различной природы, приведёт к построению уникального метода проверки и повышения качества моделей, описывающих эволюцию сложных систем разной природы В частности, применение данного подхода для эмпирической верификации и улучшения климатических моделей, входящих в ансамбль CMIP6, позволяет рассчитывать на увеличение надежности прогноза климатических изменений в XXI веке, который является главной целью создания и развития такого ансамбля. Именно этот прогноз является основой для принятия политических и экономических решений, направленных на смягчение прогнозируемых климатических изменений.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты.
1. Будет создан новый междисциплинарный подход, который позволит верифицировать и повышать качество моделей, описывающих динамические свойства и эволюцию сложных систем разной природы, благодаря развитию
1.1. методов выделения динамических структур в мультимасштабных высокоразмерных данных различной природы и исследования связей между этими структурами;
1.2. методов верификации имеющихся и поиска новых представлений об «устройстве» исследуемой системы путем их сопоставления с характеристиками найденных структур;
1.3. методов построения оптимальных (наиболее статистически значимых) эмпирических моделей, описывающих динамические свойства и эволюцию выделенных структур;
1.4. методов верификации моделей «из первых принципов», применяемых для объяснения наблюдаемой динамики и описания фактического «устройства» исследуемой системы.
2. С помощью нового подхода будут исследованы и промоделированы процессы, протекающие в магнитосфере радиопульсаров В0329+54 и В0950+08:
2.1. Будет проведена обработка и декомпозиция (выделение частотно-временных структур и определение их характеристик) данных, зарегистрированных приёмниками радиотелескопа БСА ПРАО для нескольких эпох наблюдений 2018-2022 гг. импульсного излучения указанных пульсаров. Будут выяснены существование и уровень запаздывающих корреляций различных спектральных составляющих сигнала, что позволит судить о механизмах возбуждения радиоимпульсов и о свойствах магнитосферной плазмы в областях их формирования. Будут проанализированы особенности и зависимость от эпохи наблюдения состава мод импульсного радиоизлучения пульсаров, их меры дисперсии и меры вращения, интенсивности и фаз «фарадеевского» вращения различных компонент импульсов пульсаров, частотного дрейфа этих компонент. Развитые методы и обнаруженные корреляционные особенности динамических спектров мощных импульсов будут сопоставлены с имеющимися (базирующимися на данных других радиотелескопов, наблюдающих пульсары в иных диапазонах частот) представлениями.
2.2. Будет разработана модель «из первых принципов», которая геометрически сводится к магнитосферному источнику излучения в виде нескольких вложенных друг в друга конусов неравновесной электрон-позитронной плазмы, начинающихся на разных высотах, и позволяет дать качественное объяснение наблюдаемых динамических спектров радиопульсаров. На её основе будут выделены структуры в данных, несущие ключевую информацию о физических характеристиках источника излучения. Путём сравнения реальных и модельных данных будет указана возможная модификация модели, улучшающая совпадение тех и других с учётом частичной корреляции излучения из различных конусов и тем самым способствующая детализации физического механизма формирования наблюдаемого сигнала.
2.3. Будет осуществлена оптимальная реконструкция случайно-динамического (стохастического) эмпирического оператора, описывающего эволюцию выделенных частотно-временных структур с учетом априорной информации об искажении сигнала и о шумовых воздействиях на импульсное радиоизлучение пульсаров. Будут изучены динамические свойства построенной эмпирической модели, прежде всего, в отношении влияния уровня корреляционной связи различных компонент импульса радиопульсара и ее изменения с течением времени на характеристики получающихся динамических спектров. Будет проведена верификация развитой модели «из первых принципов», применяемой для объяснения основной части найденных корреляционных свойств динамических спектров радиопульсаров с учётом выявленных различных компонент их импульса излучения. По результатам моделирования процессов, протекающих в магнитосфере пульсаров В0329+54 и В0950+08, будут сделаны выводы о природе и свойствах подобных процессов в магнитосферах других пульсаров.
3. С помощью нового подхода будут исследованы и промоделированы процессы, протекающие в магнитосфере Земли:
3.1. Будут выбраны и проанализированы представительные события хоровых ОНЧ излучений по данным спутников Van Allen Probes и/или ARASE, подобраны параметры их физического моделирования. Будет проведен анализ выбранных данных с использованием эмпирической реконструкции соответствующей динамической системы.
3.2. Будет проведена модификация модели генерации хоровых излучений «из первых принципов», учитывающая выявленные методом эмпирической реконструкции динамические особенности исследуемой мезосферной системы.
3.3. На основе анализа данных измерений с помощью авроральных камер ПГИ высокого разрешения будут выделены разномасштабные пространственно-временные структуры, определяющие изменчивость пульсирующих полярных сияний для различных типов возмущений (брейкап, омега-структуры, пульсирующие дуги на утренней стороне овала). Эти результаты будут сопоставлены с имеющимися морфологическими моделями пульсирующих полярных сияний.
4. Совместно с партнером проекта – Институтом вычислительной математики РАН – новый подход будет применен для исследования декадной и мультидекадной изменчивости океана:
4.1. По данным моделирования современного климата (1850-2014гг) и климата предыдущего тысячелетия (850-1849), выполненного в рамках международного эксперимента по сравнению климатических моделей CMIP6 будет проведен анализ изменчивости характеристик океанической циркуляции (температура поверхности, теплосодержание, термохалинная функция тока) с целью построения низкочастотных (с периодами более 10лет) нелинейных мод ее динамики. Будет исследовано поведение нескольких моделей, участвующих в данных экспериментах, включая климатическую модель ИВМ РАН – INMCM5. Будут выявлены междумодельные отличия в пространственно-временных характеристиках нелинейных мод изменчивости, их зависимость от используемого сценария (постоянные форсинги, естественный форсинг прошлого тысячелетия, форсинг современного климата 1850-2014гг).
4.2. Будет проведена эмпирическая реконструкция оператора эволюции моделей в низкоразмерном пространстве ведущих мод с учетом вклада внешних воздействий на систему (извержения, антропогенные парниковые газы и аэрозоли). Будут изучены динамические свойства построенных эмпирических аналогов климатических моделей, проведено междумодельное сравнение, проанализированы механизмы возбуждения низкочастотной изменчивости.
4.3. Будет проанализировано влияние чувствительности климатических моделей к изменению концентрации парниковых газов на механизмы поддержания низкочастотной изменчивости, в особенности Атлантического мультидекадного колебания (АМО). В частности, для новой версии климатической модели ИВМ РАН, имеющей вдвое более высокую чувствительность, чем модель INMCM5, будут выполнены эксперименты по моделированию современного климата и климата предыдущего тысячелетия. По их данным будет проведен анализ, аналогичный пп. 4.1 и 4.2., что позволит выявить особенности возбуждения АМО в моделях с разной чувствительностью.
5. В целом, будет разработан междисциплинарный подход к верификации и улучшению моделей «из первых принципов» на основе методов эмпирической реконструкции. Подход будет протестирован путем исследования систем разной природы, что позволит создать метод проверки и повышения качества моделей, описывающих динамические свойства и эволюцию различных сложных систем (магнитосферных, климатических, живых, социальных систем и др.). В частности, применение данного подхода для эмпирической верификации и улучшения климатических моделей, входящих в ансамбль CMIP6, позволяет рассчитывать на увеличение надежности прогноза климатических изменений в XXI веке, который является главной целью создания и развития данного ансамбля. Именно этот прогноз является основой для принятия политических и экономических решений, направленных на смягчение прогнозируемых климатических изменений.
Важным представляется и развитый метод анализа корреляционных особенностей динамических спектров различных радиосигналов, который повысит мировой уровень исследований в науках о Земле и космосе, где информация о тех или иных объектах во многом опирается на данные о подобных динамических спектрах их излучения. Практическое значение этого метода состоит в ожидаемом существенном повышении эффективности извлечения физически значимой информации о различных источниках излучения магнитосферных объектов, которая лишь неявно содержится в наблюдаемых динамических спектрах этих объектов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Разработан новый метод анализа пространственно-распределенных данных, направленный на выделение доминирующих временных масштабов наблюдаемой динамики. В основе предлагаемого метода лежит аппарат разложения данных по характерным временам предсказуемости, классический вариант которого основан на оценке среднего времени предсказуемости (Average Predictability Time - APT) рассматриваемой динамической системы на основе линейной регрессионной модели. Новый метод лишен одного из основных недостатков классического подхода, состоящий в накоплении ошибки при оценке матрицы ковариаций прогнозов по ограниченной по времени выборке наблюдаемых данных, что может приводить к неадекватным (даже отрицательным) значениям времени предсказуемости, получаемым в ходе численной реализации классической версии APT-разложения. Возможности нового подхода были продемонстрированы на примере разложения ансамблевых данных, полученных в рамках экспериментов по воспроизведению климата 19-21 веков с помощью современной глобальной модели Земной системы INMCM5 В качестве основного объекта исследования выступало явление Эль-Ниньо-Южное Колебание (ЭНЮК) -- главная мода внутренней изменчивости климата Земли на межгодовых масштабах. Изменчивость ЭНЮК является типичным примером нестационарной динамики, поскольку характеризуется выраженной синхронизацией с сезонном циклом, связанным с годовым вращением Земли вокруг Солнца. Разработанный модифицированный аппарат APT-разложения опробован в задаче исследования качества воспроизводимости динамики ЭНЮК климатической моделью INMCM5, созданной в ИВМ РАН и входящей в мировой пул глобальных климатических моделей.
Получено, что предсказуемость ЭНЮК в модельном климате демонстрирует ярко выраженную сезонную зависимость. При этом в течение календарного года эволюционирует не только само среднее время предсказуемости главных APT-мод, но и характер соответствующих им пространственных распределений (областей наибольшей предсказуемости). Временные ряды первой (наиболее предсказуемой) APT-моды имеют характерные временные масштабы в диапазоне 2 - 7 лет, которые совпадают с характерными масштабами реальной динамики ЭНЮК Соответствующие пространственные паттерны, характеризующие области максимальной предсказуемости, преобладают в центральной и восточной части тропического Тихого океана в которых, происходят максимальные вариации ТПО во время событий Эль-Ниньо\Ла-Нинья. Проведен сравнительный анализ описанного выше метода с другими разложениями, направленными на выделение характерных временных масштабов изменчивости по наблюдаемым пространственно-распределенным данным. Показано, что предложенный метод дает, во-первых, дополнительную информацию о предсказуемости рассматриваемой неавтономной динамической системы в зависимости от времени (в рассмотренном случае - в зависимости от фазы сезонного форсинга). Во-вторых, временные ряды главных мод, полученные в процессе АПТ-разложения выглядят лучше отражают мелкомасштабные (внутрисезонные) процессы наблюдаемой динамики ЭНЮК. Эти мелкомасштабные процессы могут содержать в себе важную информацию, необходимую для адекватного краткосрочного прогноза исследуемой динамической системы и, следовательно, должны учитываться при построении ее прогностической модели.
2. Разработан метод реконструкции сложных динамических систем на основе пространственно распределенных данных наблюдений с помощью построения скрытой марковской модели. Метод позволяет представить пространственно-временную динамику исследуемой системы в форме эволюции во времени сравнительно небольшого числа пространственных структур. В предлагаемом методе исходные данные разделяются на сообщества с помощью классического метода кластеризации, при котором минимизируется суммарное квадратичное отклонение наблюдаемых данных от центров кластеров. Каждый кластер трактуется как скрытое состояние системы. Динамика скрытых состояний описывается с помощью случайного марковского процесса. На модельном примере было продемонстрировано, что скрытая марковская модель позволяет выявить пространственно-временные структуры простого детерминированного периодического движения в системе, способной испытывать каскад бифуркаций при изменении управляющего параметра и демонстрирующей в наблюдаемой временной динамике сложное хаотическое поведение. Разработанный метод может быть применен для распознавания в данных как зарождающихся периодических во времени структур, так и повторяющихся устойчивых структур с характерным временем жизни большим, чем характерный временной масштаб динамики системы.
3. На основе анализа данных моделирования современного климата («Исторический эксперимент», 1850-2014гг), климата предыдущего тысячелетия («Климат предыдущего тысячелетия», 850-1849) и доиндустриального климата («Контрольный эксперимент»), выделены моды низкочастотной изменчивости океанической циркуляции, характерные для климатических моделей ведущих мировых научных центров. Анализировались поля температуры поверхности океана, теплосодержания верхнего 300 метрового слоя океана и термохалинной функции тока в Атлантике. В проведенном сравнении были использованы данные, полученные для восьми климатических моделей: модели MPI-ESM низкого и высокого разрешения, модель CESM2, модель GFDL-ESM4, модели МетОфиса UKESM и HADGEM, а ткаже модели INM-CM6 и INM-CM5 ИВМ РАН. Рассмотрены междумодельные отличия характеристик пространственно-временной структуры низкочастотной изменчивости и проведен анализ чувствительности полученных результатов по отношению к используемым модельным сценариям. В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что модели имеют похожую структуру низкочастотной изменчивости в Тихом океане, связанную с явлением Тихоокеанского декадного колебания. Имеет место также и согласие модельных расчетов с данными реанализа. На глубине заметны отличия моделей друг от друга и от данных реанализа. Отличия наблюдаются в пространственной структуре температуры поверхности океана (ТПО) и теплосодержания верхнего слоя в Атлантике. Отчасти это может быть связано с недостаточной длиной ряда данных прединдустриального эксперимента в некоторых моделях (INM-CM6).
Анализ данных эксперимента «последнее тысячелетие» показывает, что стратосферный вулканический форсинг, приводящий к быстрому охлаждению поверхности, Земли оказывает влияние на низкочастотные моды изменчивости. Если в Атлантике благодаря этому усиливается ведущая мода изменчивости - атлантическое мультидекадное колебание (АМК), то в Тихом океане появляется новая глобальная мода, имеющая один знак во всем Тихом океане. В модели INM-CM5 она становится доминирующей по амплитуде, в модели MPI-ESM – второй по значимости. Следует отметить, что заметного влияния на низкочастотные моды изменчивости теплосодержания со стороны вулканического форсинга наш анализ не выявил.
4. Предложен эффективный спектрально-временной корреляционный анализ и развит новый метод периодических главных компонент для сигналов с квазипериодическим динамическим спектром, свойственным радиопульсарам. На примере наблюдений PSR В0329+54 радиотелескопом ПРАО АКЦ ФИАН вблизи частоты 111 МГц в полосе 2.5 МГц показано, что даже для коротких интервалов данных (несколько минут) развитый метод позволяет выделить до 9 составляющих импульса излучения пульсара. Проведенное исследование позволило установить корреляционную связь между ними и для каждой составляющей с высокой точностью порядка 1-3% определить меру вращения и частотный период фарадеевской модуляции, а также найти её фазу относительно фазы наиболее сильной составляющей импульса и скорость частотного дрейфа (чирпа) элементов динамического спектра излучения. Полученные результаты представляют важную информацию о механизме генерации радиоимпульсов и о свойствах магнитосферной плазмы в области расположения источника наблюдаемого излучения.
Публикации
1. В.В.Кочаровский, В.В.Вдовин, А.С.Гаврилов, Е.Р.Кочаровская, С.В.Логвиненко, Е.М.Лоскутов, В.М.Малофеев Метод периодических главных компонент динамического спектра радиопульсаров и фарадеевское вращение девяти составляющих импульса PSR B0329+54 Российская академия наук, Редакция журнала «Письма в Астрономический журнал» 117342 Москва, ул. Бутлерова 17Б, а/я 47, - (год публикации - 2024)
2. Медведев А.И., Елисеев А.В., Мохов И.И. Байесовы оценки изменения стока российских рек в XXI веке на основе результатов ансамблевых модельных расчетов CMIP6 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК «Известия РАН. Физика атмосферы и океана» Россия, 119017, Москва, Пыжевский пер., 3, e-mail: fao@ifaran.ru, - (год публикации - 2024)
3. Мухин Д.Н., Сафонов С., Гаврилов А.С., Грицун А.С., Фейгин А.М. A new tool for studying seasonality and spatiotemporal structure of ENSO cycles in data and ESM simulations Российский журнал численного анализа и математического моделирования (Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling), - (год публикации - 2024)