Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Метод долгосрочного прогноза сроков появления льда на реках севера Европейской России

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Метод долгосрочного прогноза сроков появления льда на реках севера Европейской России"

РГ6 од

России но гидрометеорологии

и мошггоипиу окружающей среды

Гидрометеорологический научно-исследона1ельский кешр Российской Федерации

Ни нраиах рукописи

СИЛ1.НИЦКАЯ Мария Июрениа

МЕТОД ДОЛГОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА СРОКОВ ПОЯВЛЕНИЯ ЛЬДА НА РЕКАХ СЕВЕРА ЕВРОПЕЙСКОЙ

РОССИИ

11.00 09 - метеоролиты, климатологи», а|ромсгеороло1 им

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой скненн кандидата географических наук

Москва -

Работ пмпо/шена в Гидрометеорологическом in«MiLM(iiiii!cnw.'Ki>M нешрс Российской Федерации

науч!

Научные руководщели:

докюр тмрафичееких наук, про(|)сссор Д.Л.Педь

докюр ¡еографическнх наук, прфессор R.M.Гинзбург

Официальные оппоненты.

докюр к-офафнческих наук, профессор Пстросяни М.А. кпнлилаг |ео|рафическнх наук Вильфанд P.M.

Зашита состоится " января 1997 г. в 14 час. в конференц-3(

Гидрометцентра России (6 li этаж) на заседании сцецнализнровашк сопета K024.05.0l Гидрометеорологического научно-исследовательски центра Российской Федерации по адресу: 123242, Москва, Болып Предтеченский переулок, 9-13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрометиет России.

Автореферат разослан "¡¿Р" декабря 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета

капчилат геогр. наук ¡¿л/**У . Полякова К.Н.

ОЫЦАН ХАРАКТЕРИСТИКА l'AKOTM

Начало замерзании рек - важное нвленне win природы и хошйемм верных территорий Европейской России. Ьыт населения, сообщение н лих шонаселенных районах, рентабельность и рашитие болпиннеша oipacJieii ономпки региона связаны с использованием полных ресурсов, коюрое копируется появлением льда, Прошоз этою явления ежегодно включаося в ему гидрометеорологического обслуживания с целью нредска заи, появление рвичных форм льда с заблатвременноезью, достаточной для перехода к мним условиям хозяйствовании. Однако, «се используемые в насюящее время поды долгосрочных npoiHoion не обеспечивают их усюйчппой |равдываемосш, а краткосрочные прошозы - досгаючной забдатвремемносш.

(>1сч1с|вие надежной методики долюерочною npoiiioia появления льда |ределяет актуальность рассмотрения данной проблемы и по точно i формулировать пели и задачи нааонщего исследования.

Цель и задачи работы

Целью данной цабощ является разработка повой меюдики npoiiioia )ок(!В начала ледообразования на реках севера Европейской Г ссии большой >бла| «временности и его уточнения с заблатвременноегью, достаточной для РИНН1ИЯ хозяйственных решений.

И соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1) Рассмотрение режима сроков появления плавучего льда, аналп) их :ррп|ориально-нременно|о распределения.

2) Получение обьектинного способа территориально! о обобщения аблк>лаемых сроков появления льда, как результата влияния крупномасштабных ак трои.

3) Изучение метеороло! ических условий, определяющих сроки начана едообра шванпя.

А) Обоснование во1можностп существования прямых связей между дашмн ояилепия льда и характеристиками океанической подстилающей поверхности с D4 кн зрения современных представлений о воздействии океана в нертактивных областях (ЭАО) на атмосферные процессы.

5) Получение колнчесшснных характеристик полей темиерату поперчносш иксами <Т|IO) п использование их дли протоза с болыи ■абнаювремснносп.м раннею появления льда как особо опасного явлении.

(<) Исследование связей срок«» появления льда со средней температур тмлух» за ра »личные декады, предшествующие этому явлению.

7) l'aipaOoiKa метода уточнения долгосрочного прогноза lia ociio мемолькшанмн прогноза температуры воздуха па декаду с учетом влияния пол ПК).

Научная новизна

Обоснована возможность территориального обобшения аномалий срок« появлении льда на реках как фонового дли всего российского севера, так и i шлролотческим районам (бассейнам Печоры, МСзенн, Северной Двины).

Установлена тесная связь фона сроков появления льда lia реках характером и степенью возмушемности планетарной высотной фронтальной зон (ПНФЧ) н положением основных барических очагов над атлантико-европейски сектором в октябре.

Ныявлена возможность использования характеристик распределен« аномалий ТПО основных ЭАО Северной Атлантики и северо-запада Тихог океана для прогноза замерзании рек.

Показана эффективность для этих прогнозов совместного учета ожидаемо декадной температуры воздуха и параметров предшествующего тепловог сосюинмя океанов.

Практическая ценность

Получены прогностические зависимости, позволяющие составление i большой (до трех месяцев) заблаговременностью предупреждений об опасн< раннем замерзании рек севера Европейской России.

Разработана методика долгосрочного прогноза пилиления льда на ли: реках и последовательных его уточнении со средней заблаговременностью ш менее 10 сут.

Внедрение дкадьшхм»

Предложенные в диссертации методики, начиная с 1991 юли, иолмукггея в отделе речных щдрплогпческих прогнозом Гидрометцентра ссии при состаьлении и уточнении долгосрочных мрогнозон появления льда ни исходных реках. Оправдываемость за этот период составила 79% для прогноза, пускаемого 1 октябри, и 89% дли его уточнении I I октябри.

Аиробациярабогы

Основные результаты были представлены и докд;шач ангора на >нференннях молодых ученых Гидрометцентра СССР (1991-1992 п.), на минарах ио речным гидрологическим прогнозам Гидромоцентра России (11>9|-95 i г.), на объединенном семинаре по лолюерочным прошлым ноюды и 4IH.IM гидрологическим прогночам (1996 г.).

Шблнкацииг10^ем^дисседга11ии

По теме диссертации опубликовано 3 работы.

С ТРЖШЗ-Н^бъем ра 6<>ты

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, бщии объем работы состоит из 132 страниц, включая 8 таблиц, 20 рисунков и шеок литературы ич 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулирована цель и задачи исследований, обоснована ктуальность работы, кратко охарактеризована ее общая структура и главные езультаты.

Глава I. Характеристика режима появления льда на реках севера Европейской

России

В первой главе дана краткая характеристика режима появления льда на еках Сеьерного края по данным наблюдений за период с 1948 по 1988гг. ¡оказана сравнительная устойчивость рассматриваемых рядов. Изменение

I |.нис1н,к-> кп* п.фамефои в сыин с изменениями климата для рек этого регт

нс шачшсльно.

Дли оценки пепсин однородное!» аномалий сроков появления льда рекдч рассматриваемой 1еррнюрии применен критерий аномально* I пароме 1еороло| нчсских полей К (Ьшрои, Мякишева, 1У66|, принятый мск-ороло! ической пракшке. Ью значения имеют большую амплитуду и »менчниосп.. Максимальное значение Кшах составляет 3,5, а ак=0,84. Болыг и 1мснч|цик|1. ко зффшшеши аномальности поля указывает на то, что очи .том.1.НШ, сформировавшиеся и конкретные юли, обычно занимают почти в* площадь бассейнов рек севера Европейской России. Установлено, что в случае коим ш.^инп)! козффициеша аномальности превышают норму, круши аномалии сроков появления ш.ли одною знака наблюдаются более, чем на 2 общею числа носк.п. Э|» по»волнег прнмешпь дли описания ежегодных под| .томл ю!! |.1к)ю харамернешку, как осредненное но пространству отклонение < нормы сроков появления льда ДО. Среднее отклонение может служи' количес! венной харамерноикой природного фона начала замерзания рек. Ь юн основе выполнено обобщение сроков и в форме их типизации.

Мыдслены 1|>и класса нолей аномалий сроков появления льда - ранни) поении) н нормальный типы замерзания (границы класса норм принималис равными 1<1,б74о), коюрые оказались приблизительно равновероятным! Проаншш трованы некоюрые с1ишстические характеристики аномалий каждог пни 11ока1лно, чю их пространственное распределение свидетельствует о устйчивоои данной пшизации. Величины коэффициента аномальности I под1исржлают, чю в ранний и поздний типы входят практически все годы о ш.1чн1ел|.ной аномалией сроков появления льда. Средние значения К для ни; сосывлинн 1,3-1,4. Для случаев нормального замерзания А'^0,3.

Гланд 1. Ме1еоролшические у слонин формировании различных типов замерзания рек

Но вюрой |лаис рассмотрены метеорологические условия осени, 1».>1вс|с1|>ун)|цие раннему, нормальному и позднему типу замерзании. 1) клчеовс наиоолес общей харак1ерисп1ки лич условий проанализировано положение оси

1ФЭ в атлантико-европейском секторе. Выявлено, чю дли случаев раннею терзания характерно развитие в октябре высотного гребня нал Скандинавией и бокой ложбины над Уралом. ППФЗ нормальною тина в лог период имеет |ротный характер н располагается в поясе 55-60"с.ш. МИФ'} тюшнею тина (раняет такую конфигурацию и в ноябре. Таким образом, для раннею ишемия льда необходимо возникновение и ра ти тис пал севером Европы знетарной волны большой амплитуды. I) ocram.in.ix случаях, хотя 1мущенность ИВФЗ имеет место, возникающие волны не становятся отыми, а перемешаются на восток с большими скоростями.

Были исследованы также типовые поля ЛН500 и ЛР. Отмечается, что пожение основных очагов повышенного (пониженною) давления и нютенниала практически совпадает, т.е. тип замерзания связан с ределенпым характером возмущения барического ночя всей тропосферы.

Для раннего замерзания характерно возникновение области пониженною шогенциала и давления над Уралом. Нал Атлантикой зона активной клонической деятельности смешена на юг, а область климатическою енландского максимума значительно расширена (на месте Исландской зрессии имеется очаг положительных значений ЛН500).

В годы позднего замерзания Исланлский минимум итубже обычною, что особствует развитию циклонической деятельности над всем севером атлантико-топейского сектора. Область повышенного гсопо1енннала распола!ается над зеро-востоком Европейской России.

Отмечено, что основные типы замерзания характеризуются наибольшими зличиями в октябре (оценка но р составляет -0,52). Типовое ноле для рмальнмх условий появления льда также сильно отпичаегся ог ноля раннего па (р=-0,52) и при этом является не аналогичным полю позднего типа =0,15). Можно сказать, что распределение ЛН500 октября в атлантико-ропейском секторе является информативным для характера замерзания. В ябре возрастают различия поля ДН500 позднего и нормального типа.

Противоположность барических полей средней тропосферы, полученных в нхронные с основными типами замерзания рек сроки, позволяют едположить возможность возникновения отдельных признаков jthx полей с которой заблаговременностью. Однако, оценка степени различия Л H 500 в

сешяОре пока кит, 'luí ia месяц до начала дедовых явлений в тропосфере паблюдае1ся какой-либо перестройки, которая указывала бы на тип будут* процесса.

Глаы J. Суиксшуммне метилы npoiниш помвлеимн льда на реках Северного кр; и иомижнйе новые подходы к решению этой проблемы

1'а»дел 3.1 посвящен ойюцу исследований но долгосрочным ледовь проыкнам. Подробно рассмотрены работы, выполненные но пробле| ммер»аиии рек севера Европейской России.

В рлшслс 3.2 рассмофены возможности использования океаноло|цческ< информации II долюсрочных гидрологических прогнозах, в том числе в ледовы Ншожены современные представления о влиянии теплового состояния OKealu на формирование различных режимов атмосферной циркуляции. Приведен данные окчеивенных и зарубежных работ |Погосян, 1947; Семенов I960; Пед 1972; Уфюмов, 1981; Linnb, 1961; Murray, RatclilTe, 1969, 1970] в Koropi нокаино влияние распределения аномалии T1IO на возникновение возмущен» барического поля тропосферы.

1) ратделе 3.3 дана краткая характеристика существуют« океаноло! ическон информации. Приводятся сведения об истории сбора исполыования в прогностических целях данных о ТПО. Даны некоторые оцепк качества наиболее полной базы данных, созданной в Гидрометцентре Pocchi Ko.op.ui попользована ь данной работе.

Глава 4. Особенности термической структуры поверхности океанов н сроки появлении льда на реках европейского севера 1'оссии

Наличие базы данных о состоянии океанической поверхности нрактическ всею северною полушария позволяет рассмотреть различные гипотез! пространственно-временного влияния океанов на формирование атмосферно циркуляции и связанных с ней явлений природы. В данной работе mi придерживались теории энерюактнвных областей (ЭАО) Мировою океан; Учтивая сведения о локализации ЭАО, исходные данные по Атлангик выбирачись но схеме, предложенной М. Г. Глаголевой и Jl.lt.Скрипту ноной |1979| коюрая хорошо обусловлена географически. Она охватывает «се основны íc'icijh» Атлантики к северу от акватора и важнейшие ЭАО (Лапио и Др., 199Uj

;\нарскую, течении Гольфстрим, Ньюфаундлендскую, Норвежско-»енландскую, причем мапболыпаи плотность точек соответствует наиболее iimiiii.im очагам тецлообмена Гольфстрима и Северо-Атлантического ]ечения.

Было решено привлечь к аналту также данные но Тихому океану, лияние этого региона на поюду в Европе рассматривалась редко, поскольку шталось, что поюдообразующие (факторы взаимодействуют только в ipaiinuax :тественного синоптического района. В то же времн имеющиеся исследовании ромова, Меписцверндзе, 1971; Корт, 1970; Kawanuira, 1986| подтверждают шогезу о сопряженности атмосферных промессой, а, следовательно, о влиянии »стояния океанической поверхности всего полушария. В схему нропнна омочены данные о температуре поверхности Тихою океана, полученные в узлах '-ной сетки. Общее число исходных точек равно 50. Рассматриваемая акватория <ва1ыва£г северо-запад океана. Кроме области течения Куросио, коюрая lpuKiepn 1уется максимальными в Тихом океане значениями теплоотдачи, здесь леположены Япономорская, Охотоморская и [¡еринювоморская ЗАО.

В качестве предикторов, характеризующих состояние океанической оверхностн, будем использовать первые 10 коэффициент» разложения се гмпературы по естественным ортогональным функциям (е.о.ф.) | Kai ров, 1959|.

Влияние ТПО было решено рассматривать в месяцы, предшествующие оявлепию льда, начиная с июня. В этот период подстилающая noBepxiiocib, в им числе океаническая, поглощает наибольшее Количество солнечной Jiiepiun. I океане происходит заглубление термоклипа и формирование летней гратификации деятельного слоя. Если творить о точности представления полей НО с июня по сентябрь, то для Атлантики учет первых К) членов разложения ¡о с.о.ф. охватывает 93-96% их суммарной дисперсии, для Тихою океана чт елнчнна составляет 88-90%,

Для oi6opa значимых потенциальных предикторов был использован орреляционный метод просеивания. Предсказуемой величиной служили поманим сроков появления льда у релре зешашпных опорных пункта. )одомерные посты Усть-Щугор на Печоре, Койнас на Мезени, Абрамково на -'сверкой Двине, Ярепск на Вычегде и Тои.ма на Сухоне, расположенные в (сшральных часых речных бассейнов, хараюеризукн начало ледообразования на (ссй реке. Корреляционная ма|рпца предскаlaiejieii строилась для каждого iu них пунктов. Не касаясь Описания процедуры о|бора, отмстим, чю значимыми

счтапю. прелнкюры, имеющие в уравнениях рорессии сводный коэффшше! кмррозяпии К не ниже 0,6. (.'рели харамерисгик нолей ТНО наиСхык «начимымн ока мчись: в Липииикс нюрой и ияп.ш коэффициенты рашожеш *а нюнь, в 1ихом океане - первый >а нюнь. Будем обо тачан, их АН\'ч АО5' / н\1 соо1ве|с1венно.

Рассмафиная влияние океанов, нельзя ипюрировать тот факт, чю Дании юррмюрня неносрсловенно |раннчнг с морями Арктическою бассейна Баренцевым и Карским. Для определения прогностических свойств ледовитост Карскою моря была щучена свя и. ее характеристик со сроками появления льда бассейне Печоры по мак-риалам авиаразведок за 1957-1988 гг. Однако расчеп пока\а)1и, чю коэффициенты корреляции очень малы. Это можно объяснить тем 41 о, при сокращении числа ультраполярпых вторжений, которое отмечается последние юлы, воздушные массы над Карским морем не оказывают решающем влияния на 1смпсратурныи режим осени и предзимья.

Рассмофим Баренцево море как подстилающую поверхность, своим! свойствами влияющую на формирование температурных аномалий предзимья. I пракшке лолюерочных ледовых прогнозов для характеристики такого ьлиянш исионь юиалась температура воды вдоль Кольского меридиана | Гинзбург, 1959| Учшывая особенности временного распределения, в качестве потенциальногс предимора была взята разность аномалий температуры воды самого теплого и самою холодною месяцев Д1|Х-Д1|у (обозначим КМ). Эта динамика аномалий должна отражать как процессы тенлонакоплени», зависящие от погодных условии, так и интенсивность Северо-Атлантического течения.

Со|ласно принципу пространственно-временною соответствия при большой заблаювременности следует рассматривать влияние состояния подстилающей поверхности на формирование наиболее крупных аномалий, характеризующих однородные условия появления льда на всей рассматриваемой территории. Преликтантом такого масштаба может служить средняя территориальная аномалия сроков появления льда А£>. Она хорошо отражает и выделенные тины замерзания: АО<-4 соответствует ранним срокам появления льда, -4<,&£><5 - норм,ни,пому, а ДО>5 - позднему типу замерзания. Чтобы убедиться в информативности отобранных предикторов но отношению к ДО, бьн» произведен регрессионный анализ. Результаты показали, что для двух

еликюров (TH\' ,АВ\') K-0,68, а для набора 7'fl|", АН\', KM cooiiiciciüciiho -О,7Н, чю свиде1ельс1вусг о нелесообратост учет данных lio Кольскому рнлиану.

Хорошее качесшо классификации явления ношоляо решай. мдачу сю oí ilota на oclioiic корни расио пившим образов. Для решения нашей ылачи ел применен меюд линейною дискриминашною анализа. Иснолыование скриминаншой функции линейною вида вошожно в случае, копа зематческис ожидания нритаков ражых классов рашичны. Сравншельнын .пни среднепшовых полей аномалий IIЮ, выполненный для Aui.uinikii ильнинкая, 1ЧЧ2|, iioKajbtnaei, чю ло феОовлние вполне нынолнпмо «.коньку обьем ныборки составил .12 юла, нросфаново нритаков ратбин.итсь на |ри, а на два класса. Преимуществом lakoio р.пбисния мнляскн Ыкже kyccHieiiHoe увеличение рассюяния мех.ay векюрамн средних шачений с;к:к.1 кислен в раишчных классах, чю цошожег улучшшь качесто ассифнкании

Проведены две серии _»кспернмснюв. Н первой ращеляниаая функции роилась для ранних сроков появления льда (ДЛХ-4) н для обьединенпою uicca нормальных и шмдннх сроков '.амертания (A/)¿-4) lio нюрой серии i|).i(i.i:i.iti.iiiui. пришит р.кцо таванни раннею или нормальною 1Л1>\Ь) и >шнег» ( Л/i >5) 1НПОВ laMepiaiiiiu.

C'ouiaciio змннрическому правилу, ошнмальным онюшением числа >едска 1а|елей к обьему выборки следует синап, 1/10. Для фиднашлсшею рила >слик|ан|а жела1ельпо, чюбы количество преднкюров не превышало 3. оскольку все 4 предсказателя, оюбранные процедурой нросеипанич, внжнли mcc ntemiuil вклад в величину множесшенною козффнциеша коррелннии, ■скриминантый ан.uní i проволнлеи как дли че1ырехмерною, |лк и л'ш lyMcpiioio векюра-нредикюра. I.ikiim образом, cocías нредикюрон tiv/ici lejiyioiiuiM.

схема I ГН\', ЛН\'

<чемл 1 lili', АН1/, АН1/, КМ.

Окончлкльный liapnaiii upoi ностческой зависнмосш определялся на новации опенок кроны юн на зависимом ряду При upoi но шровании ним^шестенпо раннею появлении льда оценки иротоюв октались

одинаковыми при уиме как чепиреч, 1ак и двух информативных признаков. Так, пика »а|ель р в обоих случаях равен 0,44, а вероятность правильной киасснфпканпи Р=(>,72. Расстояние Махаланобиса и для схемы 2 составило И),5, а для схемы I - 8,6. При распознавании преимущественно позднего типа ммермнпя на основе двумерною вектора-предиктора оценки оказались таковы: р-М>,68, Р=0,84, и-9,4. Использование четырех предсказателей привело к небольшому улучшению мокшаIелей качества р=0,75, Р=0,88. Только расстояние Махачанобиса возросло до 20,3.

Дли речною транспорт, лесосплава, сгрошельных работ особенно важно предсказание раннею появления льда, которое всегда является неожиданным ешхнйным собьпием. Поэтому распознавание раннего типа замерзания можно рассма1ривап. как пропюз. особо опасного явления, для которого важна не колпчесчвенная опенка, а точность прогноза наличия или 01сутствия события. В чн>м случае качество прогнозов определяется такими показателями: и - общая опранлываемость; р - оценка но знаку аномалии; 1!о, ро - то же для случайных прошоюв. Для квазиравноверолгных классов явления применяется также критерий Г, рекомендованный Л.М.Обуховым, который учитывает возможное смешение оценок и в случае идеального прогноза равен +1. Эмпирически нриняю счи1аи> нротоз хорошим при Т=0,3-0,5. В практике используется также оценка ИяН1я, 1де IIя - оправдмваемоегь явления; Пя - иредсказанность явиения. Кршерием удовлетворительной зависимости служит соотношение 1ЬИПя>1,30. Показатели качества фоновых прогнозов появления льда на основе линейного лискриминанзною анализ» приведены в табл.1.

Резулыаты оценок позволяют сделать выводы о том, что почти во всех случаях методические прогнпи,| существенно лучше случайных. Плохими явчякнеи оценки качес1ва распознавания позднего типа замерзания, полученные на независимом ряду. Как и следовало ожидать, связи, полученные для поздних сроков, оказ;ии1сь менее устойчивыми. Однако, особо опасным явлением считае|ся появление льда в ранние сроки, которое прогнозируется улонлсиюршелмю, что позволяет использовать методику именно для раннего типа замерзания.

Наконец, из табл.1 следует, что включение в схему прогноза четырех предскашелей практически не дает выигрыша по сравнению с использованием

Таблица I.

Оценка качества прогнозов тина .'замерзания

95798 8

9891993

Схема 1) Р и„ р>, Т и.* П.

прогноза

ОЯ - ранний

1 0,72 0,44 0,52 0,04 0,44 1,30

2 0,72 0,44 0,52 0,04 0,44 1,30

Поздний

1 0,84 0,69 0,55 0,11 0,72 1,56

2 0,88 0,75 0,60 0,19 0,68 1,56

ОЯ - ранний

1 0,80 0,60 0,56 0,12 0,75 1,50

2 0,80 0,60 0,56 0,12 0,75 1,50

Поздний

1 0,40 -0,20 0,56 0,12 -0,50 0

2 0,40 -0,20 0,56 0,12 -0,50 0

UbyMCpitOtO ЬСкТОри-ПрСДЦКЮри. I loilUMy приведем црошосшческис уравнении в следующем виде:

класс ранних Д2(х)-0,3 Ufl|' -0,38 Tb\' -0,28 (I)

класс поздние I нирма Д,(х)--0, 13Лй{' i 0, IS/tff'-O.Oó (2)

класс ранниеТ норма Д,(х)-0,\2Ati\' -0,137Д," -0,06 (3)

класс поздних Д,(х)~0,20Л/»|7 40, lO/flf '-O.Só (4)

Показатели качес|ва ньдякнсд общепринятой формой обьективной оценки алыернаишпых прошозов. Однако, об усгойчивосш полученных связей можно судить по юму, насколько выбранные предикюры офажают реальные явления, происходящие ь природе и, возможно, влияющие на рассма|ривасмые события. Как покашл ll.Alj.upou, собсшенные иск юры, по крайней мере, первых номеров харак1српзую| дейстншельныс колебания pauiuiaeMoio поля.

Ношожносш аналита влияния конкретных предикторов офаничивакмея недос1аючной шучспмос1ью механтма взаимодействия океана и ашосферы. Можно лишь обратшь внимание на то, что собственные ьекюры наиболее шачимых сооавляющих нолей ГКО о|ражан>г особенности, о1меченные и друшми авюрами |Ьардин, 1995; Керенщин и др., 1995; Кап, 19/3, Ломакин, (Чиачев, 1983| как важные для формировании шмосферной циркуляции в умеренных nmpolax северною полушария:

- котраст аномалий MIO между зоной Гольфстрима и Ньюфаундлендской МАО (ЛИ',' ,ЛН" ), спосо6с1иующий во|Г)уждснию меридпопаиыюй циркуляции;

- возникновение о|рица|едьной аномалии "IIК) b цешралыюй част liixoio океана и ноложшелмюй - ь Ьеринювоморской УАО (/#"), способс1вук1щсе усилению циклонической дешсльносш над ззиадом 1нхшо океана, а в конечном C4eie ¡i мал всем полушарием.

П исключение выскажем еще два соображения, под1верждаюш>1х дошку полученной схемы iipomoia Uo-периых, нредс|авляе1см закономерным, чю дня Пронина фоновых условий появления льда наиболее значимыми окаылись харакирпстикп I IК) июня - месяца, ксида происходит формирование ИКС и в основном определяйся ак1пвпос|ь очиюв вкшмодейовпи. Ьыводы рабены А.Ф.Ломакина и К.А.Роычена |I9<¡1| покаи.шакм существование .»корсмальныч периодов 1акою вошейепшя. И ли периоды аномалии начинаю! формировался

Ii мае-июне, получая максимальное развитие в начале осени. Авторы работы IHepeiiiaiiin и др., 1995) установили, что интенсивность зональной ниркулннии не является прямо пропорциональной меридиональному контрасту температуры воды Мировою океана. Причиной несоответствия, но их мнению, является невыполнимость предположения о полной реализации оперши скрытою тепла в пределах широтного пояса без запаздывания во времени. Максимальный эффект во (действия меридиональных разностей TIIO на атмосферную циркуляцию, следовательно, может проявиться со значптеньным запаздыванием. Из лих примеров видно, что в настоящее время исследователи все больше склоняются к признанию асинхронносш влиянии температурных аномалии океана на особенности циркуляционного режима.

Во-вторых, очаги максимальных значений собо венных векторов совпадают с постоянно действующими ЭАО, коюрые характер»!зуннся мощными поюками как явного, так и скрытого тепла и в сезонном, и в климатическом масштабах.

11редложенное толкование фишческого смысла полученных предикторов, конечно, не является объяснением механизма в мимолепствия океана и атосферы. Однако, если такие схемы взаимодействия существуют, становится ясно, почему важно рассматривать период времени, не прямо предшествующий прогнозируемому явлению, а тот, в течение которого складываются необходимые (но не всегда достаточные) условия его реализации.

Глава 5. Прогноз дат начала ледообразования с учетом декадной температуры воздуха и свойств океанической поверхности

Каким бы хорошим качеством ни отличалась методика прогноза с большой заблатовременностью, на практике вероятность явления всегда оценивается также из условий, максимально приближенных к его осуществлению. Наиболее надежным является краткосрочный прогноз появления льда, основанный на решении уравнения баланса между притоком тепла из волной массы к поверхности раздела вода-воздух и затратами тепла па теплообмен с окружающим пространством. Однако, такой прогноз может быть составлен на 4-5 суток, а для обеспечения большинства хозяйственных мероприятий нужны прогнозы на примерно в 2-3 раза больший период времени.

I) с|ли.с |Силы1ицкил, 1988| рассмотрено влияние декадной температуры вошуха па сроки начала замерзания. Корреляционные функции строились для аномалий 1емпсра|уры календарных декад за период, охватывающий экстремальные сроки появления льда. Показано, что па всех реках Северного края происходи! резкое возрастание коэффициента корреляции для декады, предшествующей средним срокам начала ледовых явлений. Для бассейна Северной Двины на эту декаду приходится максимальное значение корреляционной функции (г-0,58-0,81). Для станций, расположенных в бассейне Печоры, пик корреляционной функции (г=0,62-0,76) приходится на декаду, в |сченпе коюрой чаше всею появляется . лед, хотя связь с предшествующей декадой также д.сгаючно значима (1-0,38-0,56). Коэффициенты корреляции сроков с декадной аномалией температуры воздуха накануне замерзания окакишеь несколько ниже, чем с месячной. Особенно существенно это снижение для рек, тде велика изменчивость сроков появления льда.

Тем не менее, полученные автором результаты позволяют предложить новый подход к прошозу ледовых явлений. Он основан, прежде всего, на сушесшсшшм повышении качества декадною прогноза температуры воздуха, сос1авляемою на основе статистического анализа результатов интегрирования шлродпнамических моделей атмосферы |П.II.Васильев, 1989|.

Следует заме 1ип., чю в 1989 году Центральная методическая комиссия I оскошидромек» по ирошозам нот оды ушердила в качестве основного способ пропкиа среднемесячной аномалии температуры воздуха на основе ре|рессионной святи с аномалией первой декады этого месяца |Педь и др., 1992|. В 1994 и>ду были предложены линейные ретрессионные схемы проиюза среднемесячно!о поля ЛН500 с учетом ею аномалии в первой декаде тою же месяца |1|едь, Сздоков и др., |994|.

Для каждою и) постов, расположенных в бассейне Она и, Северной Двины, Метенп и Печоры, была усыновлена связь аномалий сроков появления льда с аномалией температуры воздуха за первую и вторую декады октября. Коэффициент корреляции г за первую декаду составили для бассейна Печоры 0,5*1-0,61, для Мезени 0,50, для Северной Двины 0,39-0,49. У|а связь значительно усплпвае(ся во второй декаде окшбри. Коэффициешы корреляции сооавляют для Печоры 0,75-0,89, для Метени 0,77, а для Северной Двины 0,790,88. 1.одсе слабая связь с термическим режимом вюрой декады наблюдайся в

бассейне Сухоны (г=0,52-0)65). Эго связано с тем, что средние многолетие сроки ледообразовании на данной реке приходятся на начало ноября. Решения, полученные по данным первой декады, вообще не соответствуют требованию Наставления по службе гидрологических прогнозов т£0,60. Но данным о температуре второй декады октября удовлетворительные зависимости получились для тех постов, где появление льда в среднем многолетнем происходит в третьей дек;ше октября (т.е. постов, расположенных па Северной Двине, Ваге, Выче|де, Мезени и Онеге). Но и эти оценки близки к критическим. В остальных случаях они неудовлетворительны. Более детальный анализ ошибок показал, что для бассейна Печоры эти зависимости имеют удовлетворительную оиравдываемость в годы, когда лед на реке появлялся позже нормы - в третьей декаде октября-начале ноября. Таким образом, данный подход применим в тех случаях, когда ожидаемые сроки появления льда следуют по времени за декадой, исполмуемой в качестве предиктора. Можно сделать вывод, что возможности прогнозирования дат начала ледовых явлений с помощью однопараметрнческих уравнений регрессии весьма ограничены.

Будем исходить из того, что аномалия дат появления льда в каждом конкретном году складывается из двух составляюши::: аномалии, обусловленной декадной температурой воздуха, и аномалии, связанной с глобальной атмосферной циркуляцией. Предположим, что синоптические процессы, определяющие декадную температуру воздуха, не связаны с макропроцессамис которые влияют на время начала ледообразования на реках. Тогда ошибки прогноза с использованием декадной температуры воздуха должны быть связаны с характеристиками таких макропронессов. С целью проверки этого предположения для каждого из 17 постов по годам вычислялась разность между фактической аномалией сроков появления льда и спрогнозированной на основе декадной температуры воздуха. Поскольку эта ошибка определяется влиянием крупномасштабной циркуляции, она должна быть примерно одинакова в пределах большого района.

Из всех ошибок декадной) прогноза по постам выводились средние значения отдельно для каждого из грек выделенных выше (гл.1) районов -бассейнов Печоры, Мезени и Северной Двины-Онеги. Ути средние по бассейну ошибки были названы терршорнальнымн отклонениями. Затем в результате расчетов с использованием процедуры пошагового регрессионного анализа

выявлена связь между территориальными отклонениями и составляющими нолей I IК) (множественный коэффициент корреляции составил 0,67-0,72). Получены порайонные уравнения для вычисления территориальных поправок к прогнозу, составленному с учетом декадной температуры воздуха, в которые вошли по 3-5 наиболее значимых предикторов. Эти уравнения имеют следующий вид:

1 декада октября

Печора

6=-7,31 АВ" -8,23 АВ™ - \,2%ТВ? + \№ТЕ?? +0,84 ТВ™ -0,74 (5) Мезень

6= 1,67 тв" - 4,65 лв;1" -1,63 га™ + 10,97 км'"-1,44 (6)

Северная Двина + Онега

8= 1,92 7 В',7 + 9,79 КМ - 1,30 ТВ'," - 3,11 АВ7" - 0,32 (7)

2 декада октября

Мезень

6= -4,54 ТВ',1 + 1,22 ТВ," - 2,74 АВ™ - 0,74 (8)

Северная Двина + Онега

6-2,12 АВ." + 6,57 КМ + 0,99 ТВ',1 + 0,33 (9)

Можно видеть, что наборы влияющих факторов весьма разнообразны. Отметим некоторые общие для них закономерности. Предиктор, характеризующий теплоотдачу в районе Кольского меридиана, присутствует в обоих уравнениях по Северной Двине и в уравнении лая Первой декады по Мезени, но не вошел в уравнение по Печоре. Это связано с тем, что чаше всего появление льда на Печоре, особенно в ранние сроки, происходит под влиянием затоков холода с северо-востока, которые не зависят от теплового состояния Баренцева моря. В уравнения как по Печоре, так и по Северной Двине входят предикторы, характеризующие термическое поле Северной Атлантики в сентябре - месяце, непосредственно предшествующем появлению льда. Наконец, во все

уравнении входят первые коэффициенты разложении полей термической аномалии Тихого океана за летние месяцы, описывающие наиболее характерные особенности этих полей.

11редегашшет интерес анализ составляющих полей относительно высокого порядка, несущих 5% и менее суммарной дисперсии, т.е. членов разложения выше шестого. Как отмечал Н.А.Багров, поля этих собственных векторов плохо поддаются физической интерпретации, однако оценить их вклад в оправдываемосгь вполне возможно. Таких составляющих в прогностических уравнениях пять: ТВ", ЛН[", А В','", АН", АВ". В диссертации показана значимость вклада каждого из них.

Общими особенностями всех рассмотренных собственных векторов высокого порядка является сохранение термических контрастов в районе Гольфстрима и Ньюфаундлендской ЭАО, что не противоречит существующим представлениям о сезонной и климатической активности этих областей, а также формирование крупных термических очагов у берегов Европы - там, где традиционно отмечалось их влияние на погоду.

Полученные территориальные поправки были внесены в расчеты, выполненные по одпопараметрическим уравнениям регрессии с учетом ожидаемой декадной температуры воздуха. В результате коэффициенты корреляции возросли для всех гидрологических постов и состав1' т по первой декаде 0,84-0,90 для Печоры и 0,68-0,79 для Северной Двины. Эти оценки нвляются вполне удовлетворительными. Исключение составляет Тотьма на Сухоне (1<=0,54).

Зависимости по второй декаде октября для Северной Двины получились шачителыю более надежными. Коэффициент корреляции увеличился до 0,853,90, а оправдываемосгь составила 81-91%.

Для Сухоны и Оцет такие зависимости в большинстве случаев точнее, чем ю нерпой декаде (КМ),58-0,78). Для этих рек есть возможность использовать и ;>олсс ючные связи с учеюм прогноза температуры воздуха на третью декаду жшбря. С целью их проверки были рассчитаны даты появления льда для трех юсюв в бассейне Сухоны (Воло|да, Наремы, Тотьма) за 29 лет, когда ледовые явления на реке начинались в средние сроки и позже. На зависимой выборке юпучена оправдываемосгь 89-90%

Таким образом, для рек севера европейской части России, текущих по огромной территории и имеющих большой разброс дат начала ледообразования, наиболее эффективен предлагаемый пошаговый мсгод, когда первый прогноз составляется в начале октября, а .затем уточняется по мере необходимости со средней заблаювременчостью 15-20 сут. '

Предложенные уравнения для вычисления территориальных отклонений были проверены по методу скользящего контроля или "выброшенной точки" |Румянцев, Русин, 1979|. Уменьшение коэффициентов корреляции по сравнению с полученными на зависимом ряду находится в пределах вероятных ошибок расчета коэффициента корреляции.

I) течение пяти лет с 1989 по 1993 год прогцозы по изложенной методике составлялись п оперативном режиме. Исходные д;;лные представляли абсолютно независимую выборку. Для расчетов использовались декадные прогнозы аномалии температуры воздуха, выпускаемые отделом среднесрочных прогнозов пошлы Гидрометцентра России. Начиная с 1994 года, в связи с нерегулярностью поступления исходных данных и крайней неполнотой гидрологической информации составление и оценка прогнозов были затруднены. Хотя прогнозы в целом оказались удовлетворительными, здесь мы их не учитываем.

Из 39 прогнозов, составленных вначале по уравнениям для первой декады, оправдался 31, т.е. оправлываемость составила 79%. Средняя обеспеченность метода по первой декаде равна 75%. В начале второй декады было выпущено 27 уточнений, из них 24 оправдались. Оправлываемость составила 89% при обеспеченности метода 86%. Вполне удачно предсказаны как положительные аномалии на Печоре и Северной Двине, так и очень раннее появление льда на Печоре в 1990 году и на всей территории в 1992 году. Большинство неудачных протноюп приходится на бассейн Сухоны, где они имеют наибольшую заблатовременность, режим - наибольшую изменчивость, а методика наименьшую надежность.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

1. Показано, что дня сроков начала ледообразования на реках севера Европейской России характерна значительная повторяемость большой

аномальности. При этом появление льда происходит, как прапнло, однородно (по знаку и величинам (формирующихся аномалий) как по бассейнам крупных рек (Печоры, Мезени, Северной Двины), так и на всей территории края. Такие особенности режима позволили выделить три шпа замерзания - раннее, позднее и нормальное, каждому из которых соответствует определенное значение средней аномалии и предельного отклонения от нее. Сведение к минимуму числа классов явления дало возможность применить для решения поставленной задачи методы распознавания,образов.

2. Сроки появления льда на рассматриваемых реках зависят от характера понижения температуры воздуха в октябре и определяются, в конечном счете, особенностями ашосферной циркуляции в этом месяце, в частности, положением и степенью возмущенностн ПВФЗ и локализацией основных барических очагов в тропосфере атлантико-епроиейского сектора. Циркуляционные условия предшествующего месяца не имеют значимой связи с процессом .замерзания.

3. На основе анализа современных исследований проблемы ззаимодействия океана и атмосферы пред/южен подход к оценке осенних температурных условий с учетом термики океанов в летние месяцы. С использованием базы данных о ТПО, созданной в Гидрометцентре России, юлучены количественные характеристики полей аномалий в основш^* ЭЛО жетропнческих широт северного полушария посредством их разложения по ;.о.ф.

4. Посредством корреляционного анализа показана прогностическая шачнмость полей аномалий ТПО, формирующихся в нюне, в частности, на :еверо-западе Тихого океана, и возможность прогноза типа замерзания рек ;евера европейской России с учетом характеристик полей ТПО Северной \тлантики и Тихого океана. С применением линейного дискриминантного тализа получена методика предупреждения с большой эаблаговременностью об >собо опасном явлении - раннем начале ледообразования.

5. В результате исследования связи сроков появления льда со средней емпературой воздуха за различные предшествующие средним срокам начала (е нюбразования декады наилучшие зависимости получены для первых двух |екад октября. Выявлена целесообразность учета долгопериодного фона, на :отором развиваем „я текущий процесс, с привлечением данных о ТГ10.

6. Разработана методика последовательною уточнении долгосрочною Пронина с учетом декад нот прошоза температуры воздуха и характеристик распределении II И) в предшествующие месяцы. Средняя эаблаговременность сосшвлиет около 20 сут для нрошоза, выпускаемою I октября, и около 10 суг при выпуске уточнения 11 октября. Проверка на независимом материале в оперативном режиме показала устойчивую оправдываемость. Для первою промюза она составляет 75-79% , для второго - 86-89% .

7. Предложенный подход к долгосрочному прогнозированию сроков ледовых явлений на реках может быть применен как к замерзанию других рек и водохранилищ, так и к их вскрытию. Исследования в этом направлении нронодятсн в настоящее время в Гидрометцентре России при участии автора.

1. Смлмнщкаи М.И. Влияние метеорологических условий на сроки появлении льда на реках севера европейской части СССР. - Труды Гидрометцентра СССР, 1992, вып.317, с. 155-159.

2. Сидьницкая М.И. Метод среднесрочного прогноза появлении льда на реках севера европейской части России. - Метеорологии и гидрологии, 1993, №5,

с.78-85.

3. Сильннцкаи М.И. О некоторых особенностях сроков замерзания рек севера европейской части СССР. - Труды Гидрометцентра СССР, 1988, вып.300, с. 120128.

Публикации «о теме диссертации: