Новые методы выявления и анализа закономерностей, определяющих наблюдаемую динамику сложных систем, и их применение к исследованию климатических и магнитосферных процессов

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 проекта 23-62-10043

НазваниеНовые методы выявления и анализа закономерностей, определяющих наблюдаемую динамику сложных систем, и их применение к исследованию климатических и магнитосферных процессов

Руководитель Лоскутов Евгений Михайлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

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 слова сложные 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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. 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)

3. 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)

4. Самойлов Р.С.,Мухин Д.Н.,Сафонов С.Е.,Лоскутов Е.М.,Мухина А.Ю., Грицун А.С. Reproducibility of mid-latitude atmospheric circulation regimes by the INMCM Earth system model Российский журнал численного анализа и математического моделирования (Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling) (год публикации - 2025)

5. Елисеев А.В., Гизатуллин Р.Д. Hysteretic Response of the Global Carbon Cycle to Anthropogenic CO2 Emissions into the Atmosphere Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Том 60, номер 3, страницы 249-259 (год публикации - 2024)
10.1134/S0001433824700282

6. Мурышев К.Е., Елисеев А.В., Мохов И.И., Тимажев А.В., Климович Г.П. The Phase Shift between the Global Surface Temperature and the CO2 Content in the Atmosphere According to Simulations with the Ensemble of CMIP6 Models Doklady Earth Sciences, Том 516, Часть 2, страницы 1036-1041 (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X24601688

7. Елисеев А.В. ИЕРАРХИЯ МОДЕЛЕЙ ЗЕМНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Известия вузов. Радиофизика, Том 67, выпуск 7, страницы 545-561 (год публикации - 2024)
10.52452/00213462_2024_67_07_545

8. Чернышов А.А., Козелов В.Б., Могилевский М.М. Non-extensive (Tsallis) q-statistics and auroral glow Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, Том 639 (год публикации - 2024)
10.1016/j.physa.2024.129661

9. Гурьянов В.В., Михайлов Р.П., Елисеев А.В. Present–day and future lightning frequency as simulated by four CMIP6 models Pure and Applied Geophysics (год публикации - 2024)
10.1007/s00024-024-03587-w

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработанная ранее методика эмпирического моделирования сложных динамических систем получила дальнейшее развитие по двум основным направлениям. Во-первых, в качестве переменных эмпирической модели предложено использовать компоненты, получаемые путем разложения наблюдаемых данных по характерным временам предсказуемости. Во-вторых, предложена методика исследования качественных изменений динамики сложных систем на основе их эмпирических аналогов. Работоспособность развитых методов эмпирического моделирования успешно продемонстрирована на примере реконструкции динамики и анализа критических переходов в концептуальной модели колебания Эль-Ниньо, демонстрирующей сложную стохастическую динамику. В частности, было показано, что предложенная методика позволяет эффективно реконструировать динамику сложных динамических систем и анализировать их структурную устойчивость на основе построения соответствующих эмпирических аналогов. Исследованы динамические свойства эмпирических моделей, построенных по выходным данным двух версий модели Земной системы ИВМ РАН. Продемонстрировано, что эмпирические аналоги изменчивости экваториального Тихого океана, построенные с учетом вклада внешних воздействий на систему, в двух версиях моделей Земной системы ИВМ РАН демонстрируют существенно различные динамические свойства. В частности, показано, что новая версия модели ИВМ РАН INMCM6 более адекватно воспроизводит одно из ключевых свойств колебаний Эль-Ниньо – асимметрию между его теплой (Эль-Ниньо) и холодной (Ла-Нинья) фазами. Выявлена инерционность различных компонент Земной климатической системы, приводящая к запаздыванию отклика различных составляющих углеродного цикла относительно интенсивности антропогенных эмиссий на несколько десятилетий. Инерционность компонент углеродного цикла приводит к гистерезисному отклику его характеристик на немонотонные во времени антропогенные эмиссии углекислого газа в атмосферу, заметному, в частности, для полной первичной продукции и дыхания растений и почвы. В свою очередь, гистерезисный отклик характеристик глобального углеродного цикла указывает на необратимость его изменений на масштабах (по крайней мере) в несколько десятилетий. Завершена разработка и создан набор программ реализации метода периодических главных компонент для анализа динамического спектра сложных квазипериодических сигналов, типичных для большинства радиопульсаров. Оригинальный корреляционный анализ проведен с использованием вычислительного кластера ИПФ РАН для 12 серий наблюдений PSR В0329+54 и для 3 пар серий наблюдений пульсаров В0950+08, B1133+16 и B1237+25 радиотелескопом ПРАО АКЦ ФИАН вблизи частоты 111 МГц в полосе 2.5 МГц. Проведена декомпозиция динамических спектров указанных радиопульсаров, т.е. выделены ключевые структуры – частотно-временные эмпирические ортогональные функции (ЭОФ), количественно охарактеризованы их свойства и выявлены различия этих свойств у разных составляющих динамического спектра импульса и для разных серий. Несмотря на очень короткие интервалы наблюдения (~4 минут) и дрожание импульсов, удалось выделить ряд значимых составляющих, несущих информацию об источниках принимаемого излучения. Для PSR В0329+54 выделено примерно 20 значимых ЭОФ (от 15 до 25 в различных сериях), подтверждено наличие 9 составляющих динамического спектра, определены их среднестатистические характеристики, включая структуру усредненного профиля, и указана точность этого определения . В каждой серии и для всех серий вместе определена степень корреляции между найденными составляющими. Важнейшим результатом является указание для каждой из них (с высокой точностью до 3%) частотного периода модуляции фарадеевского типа, а следовательно, меры вращения принимаемого линейно поляризованного излучения. Проведенный анализ свойств выделенных 9 составляющих и установленные зависимости их характеристик от эпохи наблюдения на примере 12 серий в январе-феврале 2024 г. позволили впервые судить о различной протяженности и локализации соответствующих источников излучения и их возможной динамике на масштабах времени порядка суток, а также получить важную информацию и обоснованные ограничения на механизм и область генерации излучения. На основе проведенной обработки и тестовой декомпозиции данных наблюдений динамических спектров пульсаров В0950+08, B1237+25 и B1133+16 найдены их значимые частотно-временные ЭОФ (в количестве 7, 9 и 20, соответственно). Анализ их свойств показал слабо выраженную частотную структуру и позволил выделить пока только 4 и 2 составляющих импульса у второго и третьего пульсара, соответственно. Было проведено эмпирическое моделирование ОНЧ-события 11 октября 2017 года. По нескольким сотням хоровых элементов, распределённых по 75 12-секундным спектрограммам, удалось построить эмпирические модели, генерирующие качественно схожие с наблюдениями спектрограммы на временах, превышающих суммарную длительность исходных данных наблюдений. Показано, что наиболее значимым внешним управляющим параметром построенных моделей является амплитуда магнитного поля, при этом качество моделирования улучшается при учете одного из двух других управляющих параметров (плотности плазмы и отношения плазменной частоты к гиромагнитной). Проанализированы отличия результатов физического и эмпирического моделирования хоровых ОНЧ излучений. Показано, что эмпирическая модель дает более разнообразную картину динамического спектра. Разработан усовершенствованный алгоритм выделения дискретных элементов хоровых ОНЧ излучений в динамическом спектре волн, который позволил в 2 раза меньшее число ошибок, связанных с пропуском цели и ложным срабатыванием по сравнению с алгоритмом, разработанным ранее. Усовершенствованный алгоритм позволяет определить границы найденных дискретных элементов, что дает возможность получить адекватные оценки их энергии, скорости частотного дрейфа и роста амплитуды. Рассмотрены события «хороших» (в отсутствии засветки, облаков и Луны) наблюдений различных пульсирующих форм излучения земной магнитосферы в оптическом диапазоне камерой всего неба в Апатитах с 2013 по 2020 гг. Собрана статистика по 4 группам событий с пульсациями, предположительно соответствующим разному уровню диссипации в магнитосфере. Получено, что характеристики этих событий не зависят от индекс временного спада и параметров солнечного ветра , что может свидетельствовать о ключевом влиянии на пульсирующие сияния в рассмотренных событиях динамики плазмы во внутренней магнитосфере Земли.

Публикации