Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Особенности распределения облачного покрова над Восточной Европой, Западной Сибирью и Казахстаном в сезоне первой половины лета и возможности его предсказания

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Особенности распределения облачного покрова над Восточной Европой, Западной Сибирью и Казахстаном в сезоне первой половины лета и возможности его предсказания"



ЗАКУСШЮВ ВАДИМ ПАВЛОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЛА'ШОГО ПОКРОВА НАД ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПОЙ, ЗАПАДНОЙ СИБИРЬЮ И КАЗАХСТАНОМ В СЕЗОНЕ ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЫ ЛЕТА И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ПРЕДСКАЗАНИЯ

Специальность: 11.00.09 - метеорология, климатология,

агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Воронеж - 1995

Работа выполнена на метеорологическом факультете Воронежского высшего военного авиационного инженерного училищ.

Научные руководители: доктор географических наук,

профессор Д.А.Педь кандидат географических наук, доцент Т.Н.Задорожная

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

профессор А.А.Васильев доктор географических наук А.А.Исаев

Ведущая организация: войсковая часть 75354.

Защита диссертации состоится^-^ ■ |лЛэ95г. в [^"часов

на заседании диссертационного совета Д-053.05.30 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСШ-З, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 18-01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географического факультета МГУ на 21 зтаже.

ШЧ уС(4^-1995 г.

Автореферат разослан у^

Ученый секретарь диссертационного совета Д-053.05.30 кандидат географических наук С.Ф.Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тены. Облачный покров, являясь мощным регулятором радиационного режима атмосферы и подстилающей поверхности, принадлежит к числу ведущих факторов формирования климата и тем самым оказывает большое влияние на жизнь и деятельность человека.

Определяя степень сложности летно-метеорологических условий, облачность существенно влияет на безопасность полетов. Долгопериодные особенности облачного покрова, его изменчивость в пространстве и во времени необходимо учитывать при выборе места и времени проведения крупных по масштабу и продолжительных по времени войсковых учений, а также при планировании длительных боевых операций, поскольку от этого во многом зависит применение авиации в полном объеме при поддержке сухопутных войск. Данная информация необходима при целенаправленном перспективном планировании деятельности авиации (авиационных подразделений, летных училищ) на длительные промежутки времени (учебный год, период обучения, сезон, месяц).

В работе исследуется естественный синоптический сезон первой половины лета, включающий календарные месяцы май-июнь. Согласно исследованиям А.И.Угрюмова, Ш.А.Мусаеляна, двухмесячный интервал времени является оптимальным для долгосрочного прогноза осреднен-ных метеорологических полей, поскольку при этом достигается наилучшее соотношение между эффективностью прогноза и практической его полезностью.

Цельи данной работы является изучение особенностей распределения облачного покрова над Восточной Европой, Западной Сибирью и Казахстаном в мае-июне, исследование факторов влияющих на это и оценка возможности сезонного его прогноза с заблаговременностыо в несколько месяцев.

В эти месяцы в войсках подводятся итоги первого периода обучения и заблаговременная информация о степени сложности погодных условий имеет важное значение при планировании мероприятий, связанных с проверкой их боевой готовности. Для сельского хозяйства

данный период важен тем, что в это время идет активное формирование корневой системы растений, степень раввития которой зависит от притока солнечной радиации и влагообеспеченности, предопределяя тем самым урожайность большинства культур.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следую-1дих задач:

- изучение климатического распределения общей облачности над рассматриваемыми районами в сезоне первой половины лета, выявление его особенностей при различных формах атмосферной циркуляции;

- исследование факторов, оказывающих влияние на процессы формирования облачных полей над континентом, выбор наиболее информативных их параметров;

- проведение типизации полей общей облачности со значительной аномальностью, выявление особенностей среднетиповых полей и их свяаей с параметрами атмосферной циркуляции и термическим режимом Северной Атлантики;

- разработка методики прогноза количества общей облачности на сезон ^первой половины дета над рассматриваемой территорией с эаб-лаговременностыо в несколько месяцев и уточнение на вторую половину сезона с нулевой аабдаговременнастью.

Методика исследования. Реализация поставленных задач проводилась путем синоптико-статистического анализа гидрометеорологических полей с привлечением метода главных компонент, корреляционного анализа как отдельных составляющих, так и полей в целом (метод канонических корреляций), способа объективной типизации полей. Разработка методики прогноза данного метеорологического элемента осу-

I

ществлялась с использованием дискриминантного анализа и пошаговой множественной линейной регрессии.

Научная новиана. Впервые проведен анализ статистических характеристик полей общей облачности в сезоне первой половины лета над обширной территорией евроазиатского континента, оценена степень их аномальности. Выявлены оааовныв сюоОокнаати абяачнага покрова при различных формах атмосферной циркуляции (по А.Л.Кацу).

Оценено влияние различных параметров подстилающей поверхности (Северной Атлантики), атмосферной циркуляции, вертикальных движений в средней тропосфере на формирование полей облачности над континентом. Детально исследованы поля общей облачности, существенно отличающиеся от климатических (со значительной степенью аномальности), сведенные с помощью объективной типизации к шести достаточно различимым по ряду характеристик типам. Предложена методика прогноза на данный сезон как фона поля общей облачности, так и конкретного его типа с заблаговременностью в несколько месяцев, с последующим уточнением прогноза на вторую половину сезона с нулевой заблаговременностью.

Практическая ценность. Выявленные особенности в распределении облачного покрова в сезоне первой половины лета совместно с предлагаемыми схемами прогноза позволят повысить эффективность метеорологического обеспечения при долговременном планировании леткой деятельности авиационных подразделений и могут быть использованы в интересах как военной так и гражданской авиации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на пятой военно-научной (ноябрь . 1991г.).' • и третьей научно-технической (май 1992 г.) конференциях Воронежского ВВАИУ, на заседаниях кафедры метеорологии Воронежского ВВАИУ (январь 1991г., ноябрь 1993 г.), на заседании кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова (май 1995 г.). Проблемы практического применения результатов исследования обсуждались на научно-практическом семинаре в/ч 75354 (декабрь 1994 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ. Перечень публикаций приведен в конце работы.

Диссертации состоит т введения, пяти разделов и заключения. В работе имеется 38 таблиц, 98 рисунков, и приложения на 25 страницах. Список использованных источников включает 166 наименования, включая 15 - иностранных авторов. Общий объем работы составляет 262 страницы.

- 4 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности рассматриваемого исследования, определены цели и показана новизна работы, приводится краткое ее содержание.

В первой главе проводится анализ современных подходов к диагнозу и прогнозу облачного покрова над обширной территорией на длительные сроки. Отмечается, что это одна из сложнейших проблем метеорологии. Несмотря на многочисленные исследования в этом направлении часто удается составить лишь весьма общие прогнозы климатического плана.

В основу одного из таких подходов положено районирование. Первую попытку изучить распределение облачности над обширной территорией в конце 50-х годов предпринял В.М.Михель. В основу районирования им положено время наступления максимума повторяемости нижней облачности 8-10 и 0-2 баллов. Ь работе В.И.Кос.тинской осуществляется районирование территории по распределению высоты нижней границы облаков. Т.Н.Дерюгина,* А.П.Пеньков районируют Азиатскую территорию по степеням сложности погоды. За основу они берут типы годового хода низкой облачности и ограниченной дальности видимости.

Другой подход в описании облачного покрова основан на расчете различных статистических характеристик облачности. В частности, Т.Г.Берлянд и ее сотрудниками построены месячные карты распределения общего количества облаков. Ш.А.Мусаелян рассчитал среднеширот-ные климатические значения количества облаков для каждого месяца с января по декабрь, им построены карты среднего многолетнего количества облаков. В трудах В.Я.Лобановой и Е.Ф.Сычевой сделаны климатологические обобщения синхронных наблюдений за облачностью по данным метеорологических станций мировой сети. З.М.Маховером и Л.А.Нудельман, составлен атлас, климатических характеристик облачности. опасных явлений погоды, горизонтальной видимости по отдельным регионам земного шара.

С накоплением спутниковых данных появилась возможность исследования крупномасштабных облачных образований на огромных площадях. Анализу сведений об облачности по данным с ИСЗ посвящены работы М.А.Арушанова, Л.Н.Аристовой, Л.Т.Матвеева, Ю.Л.Матвеева, В.И.Титова и др.

Перечисленные работы дают представление о климатическом распределении общего количества облаков в различных районах земного шара. Методических же прогнозов данного метеорологического элемента на длительные сроки (на месяц,, сезон), позволивших бы получить определенный экономический эффект при планировании летной деятельности, в настоящее время не существует. Причиной тому является сложность выбора и последующего учета факторов (предикторов), ответственных за формирование облачного покрова.

Исследования С.Т.Пагавы, А.С.Монина, В.Г.Семенова, А.Л.Каца, Л.Н.Крындина, Ю.В.Николаева, Д.А.Педя, Х.Х.Рафаиловой, А.И.Угрюмо-ва и др. показали, что особенности атмосферной циркуляции, а следовательно и формирование долгопериодных аномалий погоды в значительной степени зависят от термического состояния океанов, которое следует учитывать при разработке методов долгосрочных прогнозов погоди. Представления о влиянии океана на континент получены в работах М.А.Дуйцевой, Д.А.Педя, Т.Н.Задорожной, О.И.Перевозчиковой, А.В.Попова и др.

Проведенный в работе анализ исследований подтверждает, что влияние температурного режима Северной Атлантики на погодные условия Евроазиатского континента - явление реальное, в значительной степени определяющее и особенности распределения облачного покрова.

Во второй главе исследованы климатические особенности пространственного распределения количества общей облачности в сезоне первой половины лета над Восточной Европой, Западной Сибирью и Казахстаном. В качестве исходного материала использованы среднемесячные (май, июнь) значения количества баллов общей облачности

по данным 26 станций за период с 1938 по 1985 годы. Сезонные значения Ыдо получены в результате осреднения

где Мдм,Ыди-среднее количество облачности в мае и июне соответственно; з - порядковый номер года в выборке; q - номер станции на континенте.

Анализ показал, что распределение облачного покрова в сезоне первой половины лета имеет широтный характер с максимумом до 8 баллов на севере Западной Сибири вблизи станций Салехард, Туру-ханск. К югу происходит плавное уменьшение облачности и минимальное ее количество около 4 баллов отмечается в районах станций Тур-гай, Ф.Шевченко.

Степень устойчивости вычисленных норм оценивалась с помощью среднеквздратических отклонений. Их анализ позволил установить, что наиболее устойчивым климатический прогноз поля общей облачности будет над югом рассматриваемой территории и центральными районами Западной Сибири. Дополнительно' для каждой станции были рассчитаны пределы возможных колебаний значений Ыч с 95& доверительной вероятностью.

Оценена степень аномальности полей общей облачности в сезоне первой половины лета с помощью параметра, предложенного Н.А.Багровым (Кз) и рассчитываемого по формуле

где т-число станций, привлекаемых к исследованию; бма - среднек-вадратическое отклонение количества общей облачности от нормы.

Временной ход данного параметра показал ярко выраженную неустойчивость в появлении локальных экстремумов Ко, которые повторяются в среднем через 2-3 года, что соответствует квазидвухлетней цикличности ветра в экваториальной стратосфере. На ж фоне выделяются и более продолжительные однородные отрезки времени до 10-12

N43 = 1/2 №м + д ,

/1/

О

/2/

лет с преобладанием полей с аномальностью выше и ниже нормы, что соответствует 11-летнему циклу солнечной активности. Кроме того, отмечаются периоды, разделяющие экстремальные значения аномальности одного знака, продолжительностью около 30 лет, что соответствует зпохе.

Исследованы временные ряды исходных данных по облачности на соответствие их нормальному закону распределения. Предварительно они были модифицированы с помощью цифровых фильтров и представлены в виде:

- межмесячных изменений количества общей облачности внутри сезона (б^з)

- (N4" - Ид")] ;

- аномалий количества общей облачности для двухмесячного осреднения (ДРкзЯ

ДМчз - N43 - N4 ;

- нормированных отклонений количества общей облачности от нормы (еЧз)

^ - Ыа

Для выбора наиболее приемлемого представления исходных данных к временным рядам ДЫч, 5Ыд, применены общеизвестные критерии согласия: коэффициенты асимметрии, эксцесса, критерии Пирсона, Ястремского. Установлено, что исследуемые ряды близки к нормальному закону распределения. Некоторое преимущество имеют при этом ряды представленные в виде аномалий (ДЫя). Они и использовались в дальнейшем анализе.

Для выявления внутрирядной связности исходных рядов использован автокорреляционный анализ, позволивший сделать вывод о независимости данных ЙМп почти на всех рассматриваемых станциях, С помощью спектрального анализа установлены циклы, длина которых в различных районах может меняться от 3 до 8 лет.

Рассчитана повторяемость форм атмосферной циркуляции Каца, обусловливающих преобладающее направление воздушных потоков, а следовательно и распределение облачности. Выявлено, что в сезоне первой половины лета преобладает меридиональный тип циркуляции, представленный центральной и восточной формами (33% и '¿\Л соответственно). Процессы западной формы встречаются редко, на них приходится только 67. случаев.

На основании положения планетарной высотной фронтальной зоны (ПВФЗ) для рассматриваемого сезона выявлены особенности в структуре высотного барического поля при различных формах атмосферной циркуляции, которые отражаются в амплитуде высотного гребня и более западном его положении, по сравнению со средним для всего теплого полугодия. Степень деформации ПВФЗ оценивалась с помощью: - показателя возмущенности (б<р), вычисленного по формуле

£ (фд - ф)2

бф - / - , /3/

где пд - число меридианов, на которых фиксировалось положение ПВФЗ; ф\- значение широты характерной иаогипсы на меридиане X; ¡¡¡-среднее широтное ее положение;

- параметра аномальности (К<р), рассчитанного по формуле

1 ПХ { <Рл - Ф \2

Кф = - 2Г - . У А/

ПЛ А=1 бфх >

Оказалось, что параметр Кф оказался более применим для описания ПВФЗ.

Получены карты пространственного распределения аномалий общей облачности при различных формах атмосферной циркуляции, позволившие выявить особенности в расположении положительных и отрицательных очагов ДИч в сезоне первой половины лета.

Приведенные в работе статистические характеристики полей об-

щей облачности могут быть использованы в качестве предварительных рекомендаций при планировании мероприятий на сезон первой половины лета. Кроме того, выявленные особенности распределения облачного покрова над отдельными районами континента при различных формах атмосферной циркуляции позволят существенно уточнить климатический прогноз. Их можно использовать при особом режиме поступления информации в работе с "обрезанной" картой, если форма циркуляции будет заранее предсказана.

В третьей главе исследована роль в процессе облакообразова-ния, термического состояния Северной Атлантики, циркуляционных условий в атмосфере, а также вертикальных движений в средней тропосфере.

Информация по облачности представлена рядами аномалий сезонных значений ДЫд

£N2.46» ^N2.40.

¿N20.48.^26. 49»

¿N20. * >

, £N1,65 , £N2,05

, ДМс|,65 .»¿N26. 05

/5/

где ч - порядковый номер станции; з-порядковый номер года в выборке; I-исходный момент времени.

В качестве исходных данных, характеризующих термический режим океана, к исследованию привлекались среднемесячные значения температуры поверхности воды в местах девяти стационарных кораблей погоды (А,В,С,0,Е,I,.1,К,М). Выборка охватывала все календарные месяцы года за период с 1948 по 1985 годы, представленая как точечными значениями в районе каждого корабля

ЛТ*А,4Э. ЛТ№А,4д, ДТУ»В<48, ЛТ»»В.49,

,, ДТид, ,, ДТив,

, Дт

» ДТ«М.' з

ДТ(»А, 85 ДТив, 65

ДТ*1,а5 &тт.в5

/б/

где 1 - порядковый номер корабля погоды, х - временной сдвиг;

- 10 -

так и обобщенными параметрами в виде вектора

. (5,01,02,03,04,А^.и.Ьг.Ьз.и)*! , ГГ/

где Б - суммарное значение аномалий температуры в районе всех, привлекаемых к исследованию, кораблей погоды, определяющее общий запас тепла акватории Северной Атлантики; 81,62,03,04 ~ контрасты температур между отдельными частями акватории океана: западной и восточной, северной и южной, юго-западной и северо-восточной, северо-западной и юго-восточной половинами соответственно; А- параметр, указывающий на степень аномальности поля температуры; Л-зна-чение индекса северо-атлантического колебания, характеризующее крупномасштабное взаимодействие атмосферы и океана; 1-1, Ьг, 1-3,1.4 -первые четыре коэффициента разложение полей ДТ« по естественным ортогональным составляющим, описывающие в зависимости от сдвига 807. - 847. дисперсии исходного поля.

В качестве показателя циркуляционных особенностей атмосферы использованы значения аномалий геопотенциала уровня Н500 в 24 узлах регулярной сетки с шагом 10° по'широте и 15° по долготе в районе,^ ограниченном 15° з.д.- 60° в.д. и 40°с.ш.- 70°с.ш.. На их основе были подготовлены ряды скользящего двухмесячного осреднения значений ¿\H500 с октября по июнь ва 1955 - 1985 годы. С целью представления исходной информации в более компактном виде без существенной потери ее прогностической ценности к полученным рядам была применена процедура разложения по естественным ортогональным составляющим. Для анализа привлекались восемь первых коэффициентов разложения

г \ X

Т1.55. Т2.55» Т1, 56, • • Тг. 56, • ■ , Т2) • 11.85 , Тг,85

Т1,55, 14,56,•■ , Т1(5,.. , Т1,85

Тб, 55, Те. 56,.• , Те, 5 , • . , Те, 85

где 1-порядковый номер коэффициентов разложения, описывающих в

сумме 90-96Х общей дисперсии поля в зависимости от временного сдвига.

В качестве параметра, косвенно характеризующего интенсивность и направление вертикальных движений, использован лапласиан геопо-тенциада среднего уровня тропосферы (У2Нзоо)• Он рассчитывался по картам средних месячных значений Н500 для территории, ограниченной координатами 40°-70°с.ш. и 20°з.д.- 90°в.д., в узлах сетки, полученной пересечением параллелей и меридианов с шагом 10°. Исходными данными являлись значения Н500 эа апрель, май и июнь с 1955 по 1985 годы

ЙН1.55.

7 Н2, 55, \72Н2. 5в,

, 1%.В5

/9/

где 1-порядковый номер узла сетки, в которой рассчитывались значения лапласианов. Расчет лапласианов производился эа период май-июнь и апрель-май.

Для оценки тесноты связи между характеристиками облачности над континентом и параметрами перечисленных факторов применен линейный корреляционный анализ. Оценка взаимно-корреляционных связей в синхронные: х=0 (май-июнь), х=0!(апрель-май) и асинхронные сроки: х=1 (март-апрель), т>2 (февраль-март), т>3 (январь-февраль), т>4 (декабрь-январь), т=5 (ноябрь-декабрь), х-б (октябрь-ноябрь), т>7 (сентябрь-октябрь), т>8 (август-сентябрь), %-9 (июль-август) осуществлялась с помощью парных коэффициентов корреляции (г), рассчитанных по формуле

X

п-1 Ь

Е

t х 5-1

г (ДЫц , X») - —

(ХО1

/10/

(п-1) б^

где п-объем архивной выборки; Х^-параметр рассматриваемого факто-

ра; х-временной сдвиг,на котором оценивается корреляционная связь.

При анализе вэаимно-корреляционных связей решалось несколько практических задач, связанных с выявлением: сдвигов по времени, через которые такое влияние проявляется на континенте; оптимального набора параметров каждого из рассматриваемых факторов; районов континента, на которые их влияние наиболее существенно.

Из проведенного исследования был сделан вывод, что по точечным значениям ДТ«* наилучшим по времени являются 1,3 и 6-й сдвиги. Это"можно объяснить тем, что, видимо, о октября-ноября начинается .активная передача тепла на континент, период январь-февраль характеризует максимальный контраст температур между океаном и континентом, период март-апрель непосредственно предшествует исследуемому сезону. Ив анализа интегральных характеристик термического режима установлено, что экстремумы наблюдаются на т>1,4,6.

Для уточнения оптимального временного сдвига между полями значений ДМд и ДТуп применен способ канонических корреляций полей. В результате ого найдены такие линейные комбинации вектора-предиктора (Л'1м) О и нокторп пр^диктанта (ЛИ) V

п т

и - Е a,iA^Wi ; V - Б , /11/

1=1 3-1

где Пит- количество кораблей погоды и станций континента участвующих в корреляции, причем п>т, которые максимально коррелировали друг с другом. Эти величины и называются каноническими составляющими (главными компонентами исходных векторов), которые обладают особыми свойствами, Они не коррелировали как внутри своего множества, так и с каноническими величинами другого множества за исключением пар с одинаковыми номерами. Задача канонической корреляции сводится к решению системы

(Еп - ^ Егк) Ь; - о

где Л - коэффициент корреляции между парой канонических величин;

Su; S22; Si2; S21 - ковариационные матрицы исходных векторов.

При решении поставленной задачи вся исоледуемая территория' континента была разделена на три района: западный (Европейская часть), центральный (район Урала, северо-запад Казахстана) и восточный (Западная Сибирь, северный Казахстан). В каждый из них вошло примерно равное количество станций. Каноническая корреляция поля аномалий температуры Северной Атлантики в районах девяти кораблей погоды проводилась последовательно с каждым районом континента и для 4сех временных сдвигов. Во внимание принимались значения корреляции (Л) между первыми тремя главными компонентами полей. Наибольшие значения X наблюдаются для восточного района континента, относительно ниже - для западного. Во всех трех районах максимальные коэффициенты связаны с первой' составляющей и характерны для случая, когда в качестве исходной информации над океаном используются данные о температуре поверхности воды в октябре-ноябро, несколько ниже в марте-апреле и феврале-марте.

Ииоледун дшиши о парамотрах атмоифорпой циркуляции Оыл одо-лпн вывод, что наилучшим сдвигом по времени является т-1,4,

При выявлении наиболее информативного набора параметров, влияющих на формирование облачного покрова, получено, что по точечным значениям термического состояния Северной Атлантики в холодное полугодие, начиная с октября по февраль включительно, основной вклад вносит информация центральных и южных районов океана (корабли погоды D и Е). В теплый период наиболее информативными являются северные районы океана (корабли А и М). В переходные сезоны включается район корабля К. По интегральным характеристикам на т-0,1,2,3 преимущество над другими имеет параметр G2, характеризующий контраст температур между севером и югом в сочетании о первыми коэффициентами разложения поля температуры Li и L3. Начиная с х-4 на

первое место выходит параметр S, определяющий общее теплосодержание океанической поверхности. Обращает на себя внимание то, что информативность всех перечисленных выше предикторов сохраняется, в основном, на смежных сдвигах. При анализе циркуляционного фактора установлено, что наиболее информативными являются коэффициенты разложения Т0.Т4 и Ti.

При решении следующей задачи на каждом временном сдвиге в отдельности проведено районирование континента по степени влияния на него рассматриваемых параметров. Получен набор карт, позволяющих при ограниченной метеоинформации оптимальным образом учитывать в качестве предикторов те исходные данные, которые имеются в распоряжении для прогноза облачности в определенном районе с желаемой заблаговременностью. Обращает на себя внимание компактность влияния некоторых параметров на рассматриваемую территорию. Это позволяет , с. одной стороны, утверждать о неслучайности полученных результатов, а с другой, достаточно обоснованно детализировать районы континента по степени влияния исследуемых параметров.

Анализ парных коэффициентов корреляции между значениями лапласианов каждого узла и количеством облачности на станциях континента показал, что полученные связи достаточно высоки. Наиболее четко они проявляются с близлежащими станциями. При этом полюс корреляции для узлов, расположенных в северной зоне, смещен к востоку и вытянут преимущественно в меридиональном направлении. Наиболее высокие связи отмечаются для центрального района рассматриваемой территории. Радиус, значимой корреляции по меридиану составляет '¿.ü-Р..Ь тыс,км, по широте l.O-1.h тыс.км. Ияокорррдпты для узлов, находящихся в южной softe, имеют широтное направление. Радиус значимой корреляции по меридиану составляет 3.0-3.5 тыс.км, по широте 1.5-2.0 тыс.км. Наиболее тесная связь и большие пространственные размеры ее проявления отмечаются между значениями V?-Hsoo и ANq на t-0.

Таким образом, результаты исследований подтвердили, что рассмотренные нами факторы оказывают определенное влияние на характер облачного покрова. Учет выявленных связей может дать более полную, чем просто климатические данные, информацию о количестве общей облачности над Восточной Европой, Западной Сибирью и Казахстаном в сезоне первой половины лета.

В четвертой главе проведен детальный анализ полей общей облачности, значительно отличающихся от климатических и представляющих наибольший интерес при планировании летной работы на сезон. Предварительно, для их выявления вся имеющаяся совокупность похей ДМ была разделена по степени 1« аномальности на пять равновероятных групп, названых классами: незначительной, малой, средней,крупной и экстремальной аномальности. К полям, значительно отличающемся от климатических, были отнесены ситуации, вошедшие в классы о крупной и экстремальной аномальностью (Ко>1.02).

Рассчитана матрица переходных вероятностей, позволяющая с определенной обеспеченностью судить о возможности появления каждого из установленных классов в следующем году при условии его осуществления в текущем. Данная матрица может служить вспомогательным средством при составления прогноза.

Проведена объективная (машинная) типизация полей ДЫ со значительной аномальностью, в основе которой лежит метод эталонов. В качестве меры близости между палями ДМ* и ДМ^ использовалось эвклидово расстояние (Бг э), получаемое из выражения

Бхэ - / Е (ДОЦ - ДН^)2 . /13/

V 1»!

В результате типизации, с учетом географической локализации очагов аномалий, формы циркуляции атмосферы, обусловившей их формирование, и отепени аномальности ПВФ0, было получено шесть типоп: один тип о явным преобладанием положительных аномалии, два типа о

явным и три с незначительным преобладанием отрицательных аномалий. В первый и второй из них вошли поля аномалий общей облачности, обусловленные преимущественно смешанной формой циркуляции, в третий - восточной; четвертый, пятый и шестой типы формировались при центральной форме циркуляции.

Однородность полей каждого типа оценена с помощью параметра р

ги - п-

п*

/14/

где п+(-)-количество случаев, вошедших в определенный тип с положительной (отрицательной) аномалией облачности в конкретной точке; п*-общее число полей данного типа. Значения р оказались довольно высокими. Особенно в очагах они достигают ±1, что свидетельствует о высокой аналогичности ситуаций, вошедших в один тип. Среднетипо-вые значения р составили 0.43-0.85.

Найдено соответствие между локализацией очагов аномалий общей облачности, характерной для каждого из установленных типов ДЫ и очагами аномалий 'геопотенциала сопутствующих им полей ДН500. Выявлены характерные признаки в поведении ПВЖЗ, обусловливающие поля общей облачности со значительной аномальностью в исследуемом сезоне. Общим является наличие ложбины над западными районами Северной Атлантики, формирование же конкретного типа определяется положением гребня над европейской частью континента.

Исследована качественная связь между полями облачности выявленных типов М и полями температуры в Северной Атлантике ДТи. Установлено, что каждому типу аномалий облачности над континентом соответствует конкретное распределение аномалий температуры поверхности воды в океане. Характерные особенности термического режима ДТи проявляются уже за восемь месяцев до возникновения определенного типа ДИ и от сдвига к сдвигу меняются незначительно. Од-

породность предшествующих полей ДТи по параметру р колеблется о? 0.11 до 0.67, достигая в очагах значений 11. Среднетиповые значения рт осредненные по сдвигам, изменяются от 0,30 до 0,46. Учет теплового состояния океана в виде полей ДТет дает возможность о большой эаблаговременностью качественно предсказать появление над континентом районов о якотремалышми значениями аномалий общей облачности и определить наиболее вероятный их знак.

В пятой глава предложена методика прогноза аномалий общей облачности над исследуемыми районами континента в рассматриваемой сезоне с различной эаблаговременностью о целыо получения боле^ полной информации о характере облачного покрова в будущем, чем при использовании только климатических данных. Задача такого прогноза решалась поэтапно и для нескольких вариантов исходной выборки о использованием дискриминантного (первый и второй этапы) и регрессионного (второй и третий этапы) анализов.

При использовании дискриминантного анализа для прогноза установленных типов ДИ предлагается как однокомпонентная модель, учитывающая термическое состояние Северной Атлантики только в видо точечных значений аномалий температуры поверхности воды /6/, так н двухкомпонентная модель, использующая предикторы, в виде наиболее информативных параметров термического состояния океана и атмосферной циркуляции

х ~ (ЬгДгЛз.и.з.Вг.Оз.в^.т^ТгЛз.и) . /15/

Из-за ограниченности объема выборки к-фазовый прогноз заменялся последовательностью альтернативных. Установленные типы полей ДМ разбивались на группы по два не пересекающихся подмножества (к»2),вектор-предиктор шел вид Х»(х1,ха). Задача сводилась к последовательному разбиению пространства признаков вектора X на два юласса (!?1 и Р?2).

Обобщающая дискриминантная поверхность (сЗ), разделяющая все множество случаев на два класса, имеет вид

й (X) » ах1 + Ьхз + с . /16/

Решающее правило при этом состоит в следующем

!?г. с! (XI, хг) > о , /17/

¡?2: сЗ(Х1, Х2> < О Соответствующие дискриминантные поверхности получены для всех временных сдвигов первого этапа прогноза. Попутно решалась задача по определению оптимального для прогноза временного сдвига и наиболее информативных параметров вектора-предсказателя путем попарного их перебора.

Критерием отбора служили параметры рьр2>р, которые вычислялись по формулам

п'а - п"1 п*2 - п"2

Р1 „- . р2 -- | /18/

П1 П2

_ (П'1 4 П'2)-(П"1 + п"2)

Р - -:--. /19/

П1 + П2

где п'1 (2) и п"к2) - число правильно и ошибочно отнесенных случаев в первый (второй) классы соответственно; пкг)- общее число случаев в классе.

Вероятность правильного отнесения случаев к тому или иному 4 классу Ри Рг; Р вычислялась по формулам

п'1 п'2 „ П'1 + п'2

. Р1--; Рг--; Р--. /20/

П1 П2 П1 + П2

В результате наиболее информативными временными сдвигами явились т=1,2,6. Наиболее часто в составе информативных пар оказались районы кораблей А и К, характеризующие термическое состояние северо-западной и юго-восточной частей океана. В двухкомлонентной модели наиболее информативными являются контрасты температур между северной и южной частями акватории океана (Зг) и коэффициенты раз-

1У

ложения полей температуры (L4.L3.L1). Кроме того, на всех сдвигах оказывают влияние и параметры общей циркуляции атмосферы, представленные 'в виде коэффициентов T1.T2.T4' Для второго этапа прогноза уравнения дискриминантных функций, их оценки получены только для выявленных информативных сдвигов.

Средняя для рассмотренных временных сдвигов повторяемость правильного прогноза полей общей облачности со значительной степенью аномальности на независимой выборке составила для однокомпо-нентной модели 67%, для двухкшлонентной - 73%. Качество прогноза полей установленных типов по параметру р в среднем составило в зависимости от сдвига для однокомпонентной модели 0.23-0.48, для двухкомпонентной 0.35-0.52.

Для фонового прогноза полей общей облачности с незначительной аномальностью предложено две модели регрессионных схем. Однокомпо-нентная модель, в которой предикторами являются: точечные значения аномалий температуры поверхности океана,представленные в виде /5/ (вариант А); интегральные особенности термического режима Северной Атлантики в виде /7/ (вариант Б); параметры атмосферной циркуляции в виде /8/ (вариант В). Двухкомпонентная модель, учитываюшдя совместный вклад рассматриваемых факторов в виде /15/.

Отбор лучшей совокупности предикторов осуществлялся с помощью метода пошаговой множественной линейной регрессии. В результате процедуры "просеивания" получен набор прогностических уравнений вида

п

ДНд = £ а^х1 + Ь , /21/

1-1

где х* - предикторы, составленные из параметров, полученных в результате процедуры отбора; а! - коэффициенты уравнения регрессии; п - количество используемых предикторов; Ь - свободный член. Из-га ограниченного объема архивной выборки в нашем случае число используемых предикторов не превышала трех (п < 3). Задача фонового

прогноза ДИд решалась для временных сдвигов с первого по шестой.

Успешность предложенных вариантов прогноза полей аномалий общей облачности оценивалась по знаку и величине Мч с помощью параметров р и С}, рассчитываемых по формулам ,

п+ - Пр = - 9 /22/

тп

1 т I Ш N 2

Ч - - Е - , /23/

И 'Ъ

где п+ (п-) - число станций, на которых знаки прогнозируемой и фактической аномалий совпадают (не совпадают); ш - число станций, привлекаемых к исследованию; бдм-среднее квадратическое отклонение фактических аномалий.

Успешность прогнозов однокомпонентных моделей оказалась наиболее высокой для варианта Б, но еще выше - для двухкомпонентной модели. При этом средняя оправдываемость по временным сдвигам составила 76,5%. Это обеспечило повышение успешности методического прогноза, по отношению к климатическому при фиксированном уровне ошибки в один балл, для различных станций и временных сдвигов от 77. до 147..

Рассмотрена возможность разработки уточнения прогноза поля общей облачности на вторую половину сезона с нулевой эаблаговре-менностью с применением регрессионного анализа. В основу легло предположение, что состояние облачного покрова второй половины сезона тесно связано с его особенностями в первой половине и величиной межмесячного изменения. Для прогноза использовалось выражение

Мди - Мсм + 5Мдп'м , /24/

где Мди(м)- среднемесячное количество баллов общей облачности в июне (мае); 5Маи~м - межмесячное изменение среднего количества баллов общей облачности в пункте прогноза.

Для получения прогностических значений 5Мди~м предложена регрессионная схема вида /21/. В предварительный перечень включены

предикторы, проявившие себя ранее как наиболее информативные. Дополнительно включены параметры, косвенно характеризующее вертикальные движения и представленные в виде временных коэффициентов разложения поля 72Нбоо по е.о.с. (P1.P2.P3)- Вектор - предиктор имеет вид

X .* (Р1. Рг. Рз. ц. 12,13. и. Т1. т2. Тз. т4.Б. о2.Оз. 3) . /гь/ В качестве исходной использовалась информация о значениях параметров вектора-предсказателя в апреле-мае (т>0'). Оценка оправдываемое т и схемы составила 75%, что обеспечило его успешность, по отношению к климатическому при фиксированном уровне ошибки в один балл, в среднем, 12%, в два балла-8%.

Таким образом общая схема прогноза, его этапы и шаги выглядят следующим образом. На первом этапе с помощю дискриминантного анализа прогнозируется возможность появления над континентом в рассматриваемом сезоне поля общей облачности со значительной степенно аномальности. На втором этапе, в случае утвердительного результата, средствами того же математического аппарата прогнозируется один из установленных ранее типов ДЫ. В противном случае, используя регрессионный анализ, дается фоновый прогноз аномалий общей облачности. На третьем этапе также с помощью регрессионного анализа производится уточнение прогноза количества баллов общей облачности на вторую половину сезона (разрабатывается прогноз на месяц с нулевой заблаговременностью).

Проведенный сравнительный анализ оценок оправдываемости , па различных этапах свидетельствует об успешности методических схем прогноза поля общей облачности в сезоне первой половины лета по сравнению с климатическим прогнозом. Последнее делает его применение на практике более предпочтительным по сравнению с использованием только климата.

В заключении приведены основные результаты исследования:

1.Особенностью сезонного распределения количества общей облачности в первой половине лета является широтный характер с максимумом до 8 баллов на севере Западной Сибири. К югу происходит плавное уменьшение до 4 баллов. Оценка устойчивости такого распределения по величине среднеквадратических отклонений указывает, что с. большим доверием к климатическим данным по общей облачности следует относиться для центральных и южных районов Западной Сибири(, а также для юга Восточной Европы.

г. Оценена степень аномальности полей общей облачности в рассматриваемом сезоне. Временной ход параметра аномальности выявил ярко выраженную неустойчивость в появлении локальных экстремумов, которые сменяются в среднем через 2-3 года. На их фоне выделяются более продолжительные отрезки времени до 10-12 лет с преобладанием полей общей облачности с аномальностью выше и ниже нормы. Кроме того периоды с экстремальной аномальностью одного знака разделены отрезками времени продолжительностью около 30 лет. Применение спектрального анализа позволило уточнить наличие циклов для различных районов исследуемой территории от 3 до 8 лет.

3. На основании положения ПВГО выявлены особенности в структуре высотного барического поля в сезоне при различных формах атмосферной циркуляции, которые проявляются в амплитуде высотного гребня и более западном его положении по сравнению со средним для всего теплого полугодия. Для различных форм атмосферной циркуляции получены поля пространственного распределения аномалий общей облачности, которые могут быть использованы в качестве уточнения климатического прогноза, если форма циркуляции будрт варанео продетспзгша.

4. Исследованы синхронные и асинхронные взаимно-корреляционные связи между сезонным распределением аномалий общей облачности над континентом и параметрами термического режима Северной Атлан-

тики, атмосферной циркуляции и вертикальных движений в средней тропосфере. Установлены сдвиги по времени, через которые такое влияние проявляется на континент; выявлен оптимальный набор параметров каждого из рассматриваемых факторов; определены районы 1-он-тинента, подверженные наибольшему' влиянию тех или иных параметров на каждом временном сдвиге.

5. Проведена объективная (машинная) типизация полей ДМ со значительной степенью аномальности, которая с учетом географического расположения очагов аномалий, формы циркуляции атмосферы, обусловившей их формирование и степени аномальности ПВДЗ позволила получить шесть достаточно различимых между собой типов. Для каждого из них выявлены характерные признаки в положении ПВСЮ. Установлено, что формирование всех типов со значительной аномальностью происходит при наличии над Атлантическим сектором ложбины, ось ¡со-тирой проходит вОливи меридиана 60° » 70°о.д.. Формирование же конкретного типа зависит от расположения ложбин и гребней над Европейской территорией континента и восточной частью Атлантического океана.

6. Для каждого установленного типа ДМ определены индивидуальные особенности в распределении очагов тепла и холода в Северной Атлантике. Выявлено, что они проявляются уже за восемь месяцев до возникновения определенного типа и от сдвига к сдвигу меняются незначительно. Это позволяет качественно предсказать возможность появление над континентом полей облачности со значительной аномальностью, а также уточнить локализацию очагов ДМ определенного знака с большой заблаговременностью.

7. Предложены дискриминантные схемы поэтапного прогноза полей общей облачности, позволяющие вначале определить возможность появления в сезоне первой половины лета поля со значительной аномальностью, а затем отнооти ого к одному ип установленных рпноо типов. Получены как одно-, так и двухкомпонентная модели, учитывающие в

первом случае термическое состояние Северной Атлантики в виде точечных значений АТи^ во втором - интегральные параметры термического состояния океана в сочетании с атмосферной циркуляцией. Средняя для рассмотренных временных сдвигов повторяемость правильного прогнопа полой общей облачности со значительной степенью аномальности составила для однокомпонентной модели 671, для двухкомпо-нент'ной - ?37„, качество прогноза полей конкретных типов ДЫ по параметру р изменяется для сдвигов в пределах: для однокомпонентной модели - 0.23-0.48, для двухкомпонентной ->0.35-0.52.

8. Предложены четыре варианта регрессионных схем прогноза полей общей облачности с незначительной аномальностью, предусматривающие использовать в качестве предикторов точечные значения аномалий температуры поверхности океана, интегральные значения термического режима Северной Атлантики, параметры атмосферной циркуляции и, наконец, вариант, учитывающий их совместный вклад. Успешность прогнозов оказалась наиболее высокой для двухкомпонентной модели. Средняя оправдываемость для временных сдвигов составила 76,5%, что обеспечило повышение успешности методического прогноза по отношению к климатическому при фиксированном уровне ошибки в один О ал л для различных станций и временных сдвигов от 7Х до 14X.

9. Предложена методика уточнения прогноза поля общей облачности на вторую половину сезона с нулевой заблаговременностью с использованием регрессионного анализа. В качестве предикторов ис-польйоп.члисг, , кроме показателей термического режима Непарной Атлантики и атмосферной циркуляции, параметры вертикальных движений в средней тропосфере. Оправдываемость схемы составила 75%, что обеспечило ее успешность по отношению к климатическому прогнозу при фиксированном уровне ошибки в один балл в среднем на 12%, в два балла на 8Х.

10. Оценка результатов испытания на независимом материале свидетельствуют об успешности предлагаемой схемы прогноза по прав-

нению с климатическим. Это позволит, применяя ее в оперативной практике, повысить эффективность планирования летной деятельности 'и других крупномасштабных мероприятий в данном сезоне г. паблагов-ременностью в несколько месяцев.

В приложениях приводятся результаты исследования, выполненные в виде таблиц.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Использование климатических особенностей для прогноза полей среднемесячного количества общей облачности (в соавторстве с Т. Н.м.чдарожной). -Сборник ота,т<>й Нороиежсжого ННАИУ , 1УУО. Hun. 12.

2. Типизация полей облачности с крупной и якотремалт.нпй аномальностью, наблюдаемых над ETC, Западной Сибирью и Казахстаном п первую половину лета (в соавторстве с Т.Н.Задорожной).- Сборник статей Воронежского ВВАИУ, 1991. Вып.13.

Использование дискриминантного анализа при долгосрочном прогнозировании поля облачности над ETC, Западной Сибирью и Казахстаном. -Тез. докл.У военно-научной конференции.Воронеж 1991 г.

4. Разработка прогноза полей двухмесячной аномалии облачности над ETC с заблаговременностью два месяца.- Тез. докл. III научно-технической конференции. Воронеж 1992 г.

5. Использование дискриминантного анализа для прогноза общей облачности над континентом.-Деп.в в/ч 11ЬЙ0,№° 5687 от 05.05.92г.

6. Использование процедуры канонической корреляции для. оценки влияния Северной Атлантики на об.пачннй режим континента (в соавторстве с Т.Н.Задорожной).- Сборник статей Воронежского ВВАИУ. 1993. Вып.15.

В.Закусилов