Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Автоматизированный метод прогноза температуры воздуха и количества осадков на месяц по территории Казахстана

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Автоматизированный метод прогноза температуры воздуха и количества осадков на месяц по территории Казахстана"

ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И КЛИМАТА

V ОД

г На правах рукописи

1 0 ; :0!! Ь УДК 551.509.323/324:519.688(574)

МНЗИНА СВЕТЛАНА ВЛАДИМИРОВНА

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД ПРОГНОЗА ЗМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И КОЛИЧЕСТВА ОСАДКОВ НА МЕСЯЦ ПО ТЕРРИТОРИИ КАЗАХСТАНА

гениальность 11.00.09 — Метеорология, климатология

и агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

дссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

АЛМАТЫ - 1996 г.

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте мониторинга окружающей среды и климата Главного управления пс гидрометеорологии Республики Казахстан.

доктор географических наук. Г.Н. Чичасов

Среднеазиатский научно-исследовательский гидрометеорологический институт им. Е. А. Бугаева

B.C. Чередниченко -доктор географических наук, профессор академик АН Высшей Школы

C.И. Твребаева -кандидат географических наук. СКС

Защита диссертации состоится 28 июня 1996 г. в 10.00 часов на заседании Специализированного совета К 44.00.01 в Казахском научно-исследовательском институте мониторинга окружающей среды и климата.

Адрес: 480072, г. Алматы, проспект Сейфуллина, 597. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского научно-исследовательского института мониторинга окружающей среды и климата.

Автореферат разослан 24 мая 1S96 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

Ведущая организация:

Официальные оппоненты:

П. Ж. Кожахметов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

к к т у а л ь н о с т ь работы. Долгосрочные прогнозы погоди играют большое значение для населения и экономики лю-оо!! страны. Повышение оправдываемости долгосрочных прогнозов до .'О % и более могло бы значительно способствовать увеличению эффективности сельского хозяйства, энергетики и других природоемких отраслей экономики. Для Казахстана, территория которого расположена е? зоне рискованного земледелия, необходимость получения таких прогнозов особенно актуальна. Наблюдаемое в настоящее время глобальное потепление атмосферы, обусловленное увеличением концентрации в атмосфере парниковых газов, имеет место и на территории Казахстана Эта тенденция выражена неярко, однако, даже относительно небольшие увеличения средней температуры' воздуха могут примости к увеличение количества случаев с экстремальными температурами. Результаты расчетов по моделям общей циркуляции атмосферы показыва-?;т, что в будущем при удвоении концентрации С02 в атмосфере можно ожидать дальнейшего повышения температуры на территории Казахстана на З-Ю 5С при незначительном увеличении осадков - на 20-30 %. Таким стразом, засушливость климата на территории республики увеличится и значимость долгосрочных прогнозов погоды для Казахстана в дальнейшем будет только возрастать. В то жъ время долгосрочные прогнозы имеют самую низкую оправдываемость из всех существующих видов метеорологических прогнозов, поэтому исследования в этой области особенно важны.

Ц е л и и задачи исследован и й. Основная цель работы исследование пространственно-временных закономерности крупномасштабных погодообразующих процессов и разработка автоматизированного метода прогноза температуры воздуха и количества осадков на месяц лс территории Казахстана. Для этого необходимо ■'¡•ало решить слчдуюцие основные задачи:

- ьыорать необходимый набор предикторов для расчета долгосрочного прогноза погг.ды. для чего потребовалось исследовать связи ««'жду характеристиками планетарной высотной Фронтальной зоны ;ПВ13) и координатами полюса циркуляции (1!Ц) с одной стороны и 'одними месячными температурами воздуха и месячными суммами осадков - С другой.

■ разработать и внедрить в (.-нора ["ивнум практику программ!!'.);' ОееПек нпо для ебгрл и контроля срочны:: данных о температуре В'1.-, в ::о.г:,:чес:"^.ал осадков по станциям К'.залетай." и ; .•ми;;:-; ':о:нг-

и значениях геопстенциалз поверхности 500 гПа, получение по этим данным месячных значений и архивирование последних:

- развить методы и программные средства для объективного определения характеристик ПВФЗ и координат ПЦ;

- создать автоматизированное рабочее место синоптика-долгос-рочника;

- разработать оперативную технологию прогноза аномалий температуры воздуха и сумм осадков на месяц с заблаговременностыо до 12 месяцев по территории Казахстана.

Методика исследований. Работа имеет прикладную и теоретическую направленности. Для ее выполнения привлекались материалы наземной системы наблюдений Казгидромета. Кроме того.' использовались ежедневные поля объективного анализа абсолютного геопотенциала поверхности 500 гПа по северному полушарию за 00 ч среднего гринвичского времени, поступающие по глобальной системе телесвязи из Национального метеорологического центра США. Лля обработки и анализа данных нспг>Л!:ЗОБались методы разложения их полей по эмпирическим ортогональным функциям (ЭОФ), расчет уравнений трендов, корреляционный, регрессионный и другие анализы. Лля расчета параметров ПВФЗ использовался метод, разработанный Г.Н. Чича-совым и усовершенствованный автором диссертационной работы. Методика расчета координат ПЦ основана ка методе, предложенном Г. А. Глызь. При разработке модели АР?-' использовался аппарат сетей Петри.

Н а у ч 1 а я н о е 'и з н ?. и с с л ■.-; д о е а к к й.

Автором впервые:

- детально изучены связи между характеристиками ПВФЗ и местоположением полюса циркуляции одной стороны и средними месячными температурами воздуха и месячным;; суммами осаякоь на территории Казахстана - с друге;: Анализ :-тих связей на новом материале подтвердил и дополни.!! выводы более ранних работ Чичасоьа Г. К. . Пановой E.H., Есеркегюнои К.Е., Исакова A.A., Муратова М. А. , Тюребае-вой С.И. и др. о наличии и характере тесных синхронных и асинхронных связей между данными характеристиками атмосферной циркуляции и формированием ьлажностно-температурпого режима на территории Казахстана:

- получены уравнения трендов характеристик ПВФЗ и координат ПЦ за 42-летний период (1945-1990 гг ) на основе чего выявлены характерные изменения ь циркуляции атмосферы северного полушария;

- разработан комздт: ьрл рак* для п.:лолг.;;увания ь расчетах прогноза оперативной информации из метеорологической базы данных "ЛАССО" и для реализации на персональном компьютере автоматизированного рабочего места (АРМ) синоптика для расчета долгосрочных прогнозов по территории Казахстана. По целому ряду рассматриваемых в диссертации вопросов для Казахстана имелись лишь частичные или предварительные выводи.

Обоснованность выводов обеспечена использованием статистически и физически корректных и адекватных исходному материалу методов анализа, . а также большого материала исходных данных: для анализа привлекались данные по температуре по 93 станциям Казахстана и данные по осадкам по 106 станциям за весь имеющийся по ним период наблюдении (в том числе длиннорядные станции, период наблюдений по которым составляет более 100 лет), а также данные по характеристикам .ПВФЗ и координатам полюса циркуляции за 42 года.

П Р а к т и ч р с к а я значимость работ ы.

Разработанный метод долгосрочного прогноза после прохождения производственных испытаний будет внедрен в оперативную практику Бюро погоды Казгидромета. Созданное программное обеспечение для выборки и осреднения за месяц срочной информации по температуре воздуха и количествах осадков по территории Казахстана, а также данных по геопотенциалу на поверхностях Н300. Н500. HflS0 используется в оперативной работе отдела долгосрочных прогнозов погоды Казгидромета. Материалы исследований изменений крупномасштабных циркуляционных характеристик, а также элементы автоматизированного рабочего места и принципов создания баз данных метеорологической информации используются при чтении лекций по долгосрочным прогнозам погоды на географическом Факультете Казахского государственного университета им. аль-Фараби и в Алматинском государственном университете им. Абая. Базы данных средних месячных температур воздуха и сумм осадков по станциям Казахстана используются в упомянутых учреждениях и в Казахском научно-исследовательском институте мониторинга окружающей среды и климата в качестве климатического справочника.

Предмет защиты. На защиту выносятся результаты изучения и обобщения пространстьенно-временних связен между характеристиками ПВФЗ и координатами ПЦ с одной стороны и средними месячными температурами воздуха и месячными суммами осадков на территории Казахстана - с другой; материалы исследований длиннсшери-

одних изменений крупномасштабных атмосферных процессов севераиГи I полушария; оперативная технология долгосрочных прогнозов средних | месячных температур воздуха и месячных сумм осадков по территории Казахстана, которая может быть использована для предсказания полей других метеорологических величин.

Апробация работы, основные положения работы доложены на IV Всесоюзной конференции по статистической интерпретации гидродинамических прогнозов с целью прогноза элементов и явлений погоды (Москва. 1991), Международной конференции по проблемам адаптации к изменениям климата (Санкт-Петербург, 1995), Международном семинаре по оценке уязвимости и адаптации к изменениям климата (Прага, 1995), Международном семинаре по составлению национальных климатических планов действий (Вашингтон. 1996), Ученом Совете КазНИИМОСК (Алматы. 1993, 1995).

П у б л и нации. Содержание диссертации отражено в 9 печатных работах и тезисах доклада Список работ приведен ниже.

С т р у к т у р а и об ъ е м р а б с т и. Диссертаци-ционная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 8 табличных приложений. В работе имеется .21 рисунок., 14 таблиц, список литературных источников включает 153 наименования, в том числе 39 иностранных. Общий объем работы составляет 166 страниц.

■ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В а- введении обоснована актуальность темы исследований,. сформулированы цели и задачи, кратко описано содержанж-каждой главы представленной работы, дан краткий обзор существующих методов ярчгоорочннх прогнозов погоды.

, Ь п «• р г о м р ь г 1 е л е рассмотрен исходный материал. исследованы многолетние изменения средних месячных и годовых значений характеристик Г1ВФЗ, представлены результаты исследования роли ПВГЗ в формировании погоды ь Казахстане, описан алгоритм расчета характеристик ПВФЗ.

Планетарная высотная Фронтальная зона характеризуется следующими величинами: широтой осевой нзогипсы. ее извилистостью, длк-кой. интенсивностью ПВФЗ, а также- углом наклона, осевой пзопшск к 2.ИР2ТО Расчет этих характеристик проводится по месячным данным Н;)(Ч, вдоль ооеь'ой нзогипсы 1 «/¡»лих регулярной сетки • через'10° по долготе, что почешет опиосГп •млшыш* свойства ПВч-З в 36 'то' :ах северного полушария а»,: ^зочгт* чаги.ткриг.тик ЛЕМ-я одним из глав-

них пиментов является метод определения LiüpuTU осевой изогипсы. Ъ данной работе ьзят за основу метод, предложении« Г.П. Чичасовым, с некоторыми модификациями, сделанными автором. В методе Г.Н. Чича-сова характеристики ПВФЗ определялись по суточным данным, а затем вычислялись их месячные значения. В данной.работе сначала определяются средние месячные ¿качения геопотенциала, а уже затем находятся значения шроты осевой и остальных параметров, при этом существенно уменьшается объем необходимых вычислений, а значит время счета.

Из анализа средних месячных и средних годовых значений параметров ПВФЗ видно, что наиболее, высоких широт осевая ПВФЗ достигает над Атлантикой между тридцатыми меридианами восточной и западной долготы, а также над западным побережьем Тихого океана. Среднее многолетнее положение высотной ложбины в восточном полушарии находится над Восточной Сибирью и только в два летних месяца, июле и августе, она располагается над Западной Сибирью. В западном полушарии высотный гребень располагается в основном в районе lGQ-ro меридиана, а высотная ложбина - над восточной половиной Америки.

Средние квадратические отклонения широты осевой изогипсы ПВФЗ, показывают, что наибольшей изменчивости их значения достигают над Тихим океаном между 160-ми меридианами восточной и западной долготы в зимние и весенние месяцы. Наиболее постоянно по географической широте положение ПВФЗ над Восточной Сибирью, особенно в холодную половину года, а в западном полушарии - над восточным побережьем Северной Америки, месте расположения климатических высотных ложбин. Экстремальные значения широты осевой изогипсы ПВФЗ находятся также над Тихим океаном: в апреле 1958 г. на 180-ом меридиане она достигла 79° с.ш. Самых низких широт (33° с.ш.) за исследуемый период она достигла-в январе - феврале 1984 г.

Выявленные отрицательные тренды показывают, что происходит сдвиг осевой изогипсы ПВФЗ в южные шпроты. Особенно-заметен этот процесс весной (в марте, мае), осенью (в октябре, ноябре) и зимой (в декабре, январе). В эти месяцы амплитуда тренда максимальна и равна от -3.5° до -4,9" С. Для того, чтобы оценить, насколько хорошо линейный тренд аппроксимирует реальные значения, оыли рассчитаны коэффициент детерминированности гг, нормированный от 0 до 1. и F-статистика. по значениям которой можно судить, является наблюдаемый тренд случайным или нет. Числи ст.'пет-и свободы для всех рядов равно 40. F-критичеекое на í> % -ти и 1 "'-ном уровнях значимости равно соответственно 1.60.и 2.иЭ.

Значение г2 для трендов средних месячных значений широты осевой изогипсы составляет 0.40-0,58 в холодную половину года (с ноября по март), а в апреле, июне и октябре оно соответственно равно 0,19, 0.25 и 0,12. Г-статистика на порядок превышает Г-критическое почти во все месяцы. Исключение составляют только август и сентябрь. значение гг в эти месяцы равно нулю.

Для того, чтобы дополнить картину изменения широты осевой, были рассчитаны скользящие пятилетние средние, изучая ход которых можно выявить наличие квази-одиннадцатилетних циклов в январе, феврале, марте, июле и октябре, а в мае, ноябре и декабре - ква-зи-двадцатилетних. В остальные месяцы периодичность не так ярко выражена. Однако практически в каждом месяце с середины 60-х годов прослеживается уменьшение значений. Наиболее явно это выражено в месяцы холодного полугодия. Исключение составляет лишь август и сентябрь. В августе с 1967 г. наблюдается сдвиг ПВФЗ к северу, который продолжался вплоть до 1983 г.. а в сентябре смещение широты осевой в южные широты по сравнению с остальными месяцами сдвинуто по времени на более поздние годы. Обращает на себя внимание резкое уменьшение значений широты осевой ПВФЗ. наблюдаемое в январе-марте в 1983 г. В 1986 г произошел еще один скачок: существенно сместилась к югу осевая с августа по декабрь и в то же время происходит резкий сдвиг ее к северу в апреле и июне, что и сказалось на направлении линейного тренда в эти месяцы.

Коэффициент извилистости ПВФЗ, характеризующий степень мери-диональности атмосферных процессов, мало менялся от месяца к месяцу Следует лишь отметить небольшое увеличение его значения ь июле и августе. Разность ме:кду его максимальным значением наблюдавшимся в августе 1951 г . и минимальным значением, наолюдавыимся в августе 1990 ]•■ составила 0,62. Извилистость ПВФЗ уменьшилась за исследуемый период, причем отрицательный линейный тренд наблюдается во все месяцы. Коэффициент детерминированности г? для извилистости имеет достаточно высокие значения во все месяцы голе, (от 0.32 до 0,69), причем Р-статистика ют 18.5 до 87.0) здесь существеннс больше "-критического. Ьс ьсе месяцы с 1955 и до 1963-1965 гг на кривых скользящих пятилетних средних хорошо прослеживается отрицательный.тренд. Н мае и декабре падение значений извилистости продолжалось ло 19?г г а ? месяцы переходных .сезонов марте к ноябре ?р~нл сохранил свой знак до 1985 г. Начина/ " 196-: г а. в мае и д^ка&ре ■ с '976 г. извилистость остается приблизительно на одно;.: уровне Срасчлва* ход скользящих пятилетних

средних и линейные тренды, можно заметить, что отрицательный тренд во многом обуславливается резким падением извилистости до значений порядка 1.05 во все месяцы в 1983 г.

Что же касается интенсивности ПВФЗ, то наибольших значений она достигает в летние и осенние месяцы над Восточной Сибирью, а в зимние и весенние - над Европейской территорией России, в районе 30° в.д.. а в западном полушарии - над западной половиной Северной Америки. Над океанами северного полушария значение интенсивности в среднем за месяц невелико. Большие значения среднего квадратичес-кого отклонения интенсивности в летние месяцы на 150-ом и 180-ом меридианах свидетельствуют о большой ее изменчивости над Тихим океаном. В месяцы холодного полугодия интенсивность ПВФЗ на этих же меридианах наименее изменчива.

В ходе интенсивности выявлены линейные положительные тренды. Самый большой коэффициент детерминированности гг. равный 0.27, наблюдается в июле. В остальные месяцы значение его не превышает 0,1, хотя F-статистика всюду больше F-критического. По рассчитанным скользящим пятилетним средним сделан вывод, что в середине 60-х годов наблюдался рост интенсивности в январе и июле. В апреле и октябре этот рост начался соответственно в начале 60-х и конце 50-х гг.

Основной особенностью во временном ходе средних годовых значений средней по полушарию широты осевой ПВФЗ служат небольшие, в пределах 1°. колебания в 1950-1965 гг., а затем резкое (на 3°) изменение в сторону меньших значений. Второй резкий спад широты осевой произошел в 1983 г. В целгм за весь исследуемый период планетарная высотная фронтальная зона в северном полушарии опустилась от 53.5° до 50.1° с.ш. Приблизительно также ведет себя средняя годовая извилистость ПВФЗ. В период с 1950 по 1965 гг. на фоне квазидвухлетних колебаний происходит уменьшение ее значений. Следующие 15 лет отмечаются небольшие колебания в ее ходе и лишь в 1983 г. имеет место резкое снижение извилистости. Совсем иной характер изменения среднегодовой интенсивности ПВФЗ. Первые 12 лет периода она быпа почти на одном уровне и начиная с 1964 г. на фоне резких перепадов от года к году происходит увеличение ее значения.

Для среднегодовых значений параметров ПВФЗ рассчитаны уравнения линейных трендов. Наиболее сильно выражены тренды по широте осевой и извилистости, т.к. гг достаточно высок в том и другом случае (соответственно 0,64 и 0.66). При этом F-статистики (соответственно 69.66 и 77,50) существенно больше F-критнчсского на

5 %-нсн! и 1 'а-ном уровнях. Понятии, что большей частью, тренды для этих характеристик объясняются резким уменьшением их значений в 1983 году. Тренд осредненного по полушарию среднегодового значения интенсивности менее выражен. Значение г2 здесь равно 0,21, тем не менее Г-статистика. равная 10, больше Г-крнтического. Рассчитанные амплитуды трендов равны -2,7° и 1.4° для широты и интенсивности осевой изогипсы ПВФЗ и -0,3 для ее извилистости.

Начиная с 30-х годов нашего столетия е северном полушарии преобладали меридиональные процессы. Интенсивный воздухообмен между высо1 ими и низкими широтами полушария способствовал ослаблению контраста температур между полюсом и экватором, опусканию ПБЗЗ в более низкие широты. В конце 60-х годов меридиональные процессы начали приобретать черты зональных. Следует полагать, что ослабление меридиональное™ и привело к уменьшению извилистости, нарастанию контраста температур между низкими и высокими широтами и увеличению интенсивности планетарной высотной фронтальной зоны.

Для установления влияния параметров ПВФЗ на термический режим Казахстана был проведен анализ коэффициентов корреляции между значениями параметров ПВФЗ и средними месячными температурами воздуха во все месяцы года на 35 станциях, равномерно расположенных по исследуемой территории. Для оценки корреляционной связи был принят .5 %-й уровень значимости. Критическое значение коэффициента корреляции для 33 коррелируемых пар г > ¡0,33|. Значимые синхронные связи между широтой осевой изогипсы и средними месячными температурами выявлены для всех месяцев. Б зимние месяцы температура воздуха тесно связана с широтой осевой изогипсы высотной фронтальной зоны {ВФ3.1. расположенной над континентами. Так.-б январе наиболее тесная синхронная отрицательная связь наблюдается с широтой осевой линия ВФЗ. расположенной над Бостонной и Западной Европой и положительная - с широтой осевой изогипсы ВФЗ. расположенной над Красноярским краем. В Феврале найдены значимые отрицательные коэффициенты корреляции с широтой осевой изогипсы ВФЗ над Восточной Европой, а положительные •• г, шпротой .осевой линии ВФЗ над Западной Сибирью. Довольно тесная положительная связь выявлена мех,ту широ- ■ той осевой изогипсы ВФЗ над Западной Споирьв 1! Казахстаном и/ тер- ' мическим режимом Казахстана в апреле и июле Коэффициенты корреляции между температурой воздуха на станциях и интенсивностью ПВФЗ на ветвях ВФЗ. ограниченных определенными меридианами расположения • основных.ложоин и гребней в барическом поль. превышают критические значения на -1г-ном уровне значимости.

Коэффициенты корреляции между извилистостью ПВФЗ и средней месячной температурой воздуха превышают 5 %-ный уровень значимости на большей части территории Казахстана только в декабре. В остальные месяцы они значимы лишь на ограниченной части рассматриваемой территории.

Анализ асинхронных связей средних месячных температур воздуха с характеристиками ПВФЗ показал, что термический режим б Казахстане находится в значимой корреляционной связи с состоянием и местоположением ПВФЗ в предшествующие месяцы. Зависимости, полученные между средней месячной температурой воздуха и характеристиками ПВФЗ со сдвигом 24 месяца и более, позволяют ■учесть предысторию процесса, нестационарность периода квазидвухлетних колебаний, а также отразить ритмическую деятельность атмосферы и, наконец, ист пользовать их в прогностической схеме.

Количество атмосферных осадков характеризуется более пестрым распределением по территории, чем температура. Однако, выявлено, что в зимние, весенние и осенние месяцы осадки почти на всей территории синхронно тесно связаны с широтой осевой ПВФЗ на 0-50 меридианах. причем зависимость эта прямая. Кроме того, значимая корреляционная связь обнаружена между суммой осадков в весенние месяцы. особенно в мае, и широтным положением ПВФЗ на 30-80° 5. д. Со сдвигом в один месяц зимние осадки значимо связаны с широтой ПВФЗ над Тихим океаном между 160° восточной и западной долготы. При прогнозировании осадков на декабрь предикторами могут служить значения широты на меридианах 0-30° в.д. со сдвигом 3, 9 месяцев и 80-120° в. д. со сдвигом 3. 4 месяца. В прогнозе количества осадков на июль можно использовать в качестве предсказателей положение осевой изогипсы по широте над восточной частью Тихого океана (130 - 160° з.д.) в предшествующие 2 и 7 месяцев и с его положением над Гюсточной Европой и Западной Сибирью (40 - 70° в.д.) - в предшествующие 5 месяцев.

Со значением интенсивности ПВФЗ над Тихим океаном в январе и феврале тесно связано количество осадков, выпадающих в Казахстане в марте, августе, ноябре и декабре. При расчете сумм осадков на июль - август, а также на ноябрь •■ декабрь предсказателями могут служить значения интенсивности в апреле и мае. Причем, летние осадки коррелируют с интенсивностью ПВФЗ на меридианах 30 - 60° з.д., а зимние - на 0-30° в. д. в апреле и 60-90° в. д. - в мае.

Одним из наиболее информативных параметров при расчете прогноза осадков в Казахстане оказалась извилистость. Так. например.

оольшое значение извилистости в январе может обеспечить переувлажнение в июле и августе на большей части территории республики и наоборот. Или. чем больше извилистость в марте, тем меньше осадков выпадает в ноябре. Для расчета осадков на декабрь предсказателем может быть извилистость в апреле. Если в мае преобладает зональная циркуляция, то в июле может наблюдаться дефицит осадков.

Крупные аномалии отдельных метеовеличин или их совокупности возникают, как правило, при экстремальном развитии Факторов, определяющих погоду. В работе проведен анализ экстремумов в поле температуры и состояний ПВФЗ в эти месяцы, который показал, что в месяцы 'с крупными аномалиями температуры воздуха в Казахстане были отмечены и экстремальные значения одной, или нескольких характеристик ВФЗ между меридианами расположения основных ложбин и гребней.

Второй раздел посвящен исследованию многолетних изменений средних месячных и годовых значений координат полюса циркуляции, и исследованию связи между формированием температур-но-влажностного режима Казахстана и положением ПЦ.

Значения температуры воздуха и осадков для каждой формы циркуляции без учета местоположения ПЦ оказываются мало различимыми, т.е. атмосферная циркуляция должна характеризоваться в глобальном масштабе: и с учетом параметров ПВФЗ, и с учетом координат ПЦ.

Координаты ПЦ (<р, X) рассчитывались по методике, в которой его местоположение'определено как положение центра тяжести атмосферы, заключенной между поверхностью Н500 и ограниченной некоторой поверхностью Н0 со значениями геопотенциала характерной изогипсы. Методические основы определения ПЦ совпадают с предложенными Г. А. Г;:ызь.

Анализ статистик координат показал, что полюс циркуляции весьма редко совпадает с географическим полюсом. За рассматриваемый период их совмещение наблюдалось в 7 %, если считать значения широты, превышающие 89-90° с.ш. за полюс. Чаще всего, в 52 % случаев центр циркуляции располагается в широтном поясе 83-86° с.ш. Очень редко (4 %) он опускается южнее 79° с.ш. В годовом цикле можно отметить следующую особенность его повторяемостей: в январе - апреле, августе и октябре чаще всего он фиксировался на 65-86° с.ш. Наиболее низких широт (83-84° с.ш.) ПЦ достигает в предзимье, (ноябрь - декабрь).

Полюс циркуляции в исследуемый период чаще находился в западном полушарии, чем в восточном (55 и 45 % соответственно). Наи-

большая повторяемость (32 55) его положения в восточном полушарии приходится на Чукотский сектор, а в западном - на Аляскинский (27 %). В остальных случаях он располагается в Канадском (16 %) й Гренландском (11 %) секторах и совсем редко в Таймырском (8 %) и Баренцевоморском (5 %). Неравномерно распределены повторяемости местоположения ПЦ в различных арктических районах и по месяцам. Так, например большая вероятность его локализации в Чукотском секторе отмечена в зимние (40 - 44 %), весенние (40 - 41 55) и осенние (36 - 50 %) месяцы. В то время как во второй половине лета .(июль -август) в этом секторе он.наблюдается весьма редко (8 - 10 % случаев). В эти месяцы центр циркуляции локализуется в Гренландском секторе в 30 - 37 случаев, В июне и сентябре самая большая повторяемость (26 - 27 %) нахождения ПЦ в Канадском секторе.

Изменчивость значения широты, выраженная среднеквадратическим отклонением (б) колеблется от 1,02° в мае до 1,68° в декабре. Среднемесячные значения долготы указывают на то, что почти во все месяцы центр циркуляции занимает Аляскинский сектор. Исключение составляет август и ноябрь. В августе среднее многолетнее значение X приходится на Канадский сектор, а в ноябре - на Чукотский. По среднеквадратическому отклонению X можно судить о стабильности положения полюса циркуляции в мае и декабре и о нестабильности в июне - сентябре. Прогностический интерес представляет совпадение минимальных среднемесячных значений <р с отрицательными аномалиями температуры Еоздуха на большей части территории Казахстана в январе, феврале, мае и ноябре. Максимальным же значениям ч>-соответствуют экстремально теплые зимние и летние месяцы (январь, июль, декабрь) и экстремально холодные месяцы переходных сезонов (май, сентябрь). Экстремальные холодные по температуре месяцы при максимальных значениях X наблюдались в трех случаях: сентябрь 1974 г.. октябрь 1973 г., декабрь 1951 г.

Обнаружен линейный тренд во временном ходе средней годовой широты Г1Ц, отражающий сдвиг ПЦ к географическому полюсу, который происходит на фоне увеличивающегося от года к году размаха колебаний местоположения ПЦ по широте.

Для определения степени влияния параметров ПЦ на формирование погоды в Казахстане вычислялись коэффициенты корреляции между средними месячными значениями широты и долготы ПЦ с одной стороны и средними месячными значениями температуры воздуха и количеством осадков стороны и - с другой. Анализ статистически значимых корреляционных зависимостей позволил сделать целый ряд общих выводов.

Так. например, значимые положительные коэффициенты корреляции между температурой воздуха и параметром у наблюдаются в январе и октябре на северной половине республики, & в феврале температуры Б центральных областях коррелируют с X со знаком минус. Синхронной статистической связи между географическим положением ПЦ и температурой в нарте - сентябре не выявлено.

Выявлен целый ряд предсказателей для каждого месяца с различными временными сдвигами Так, например, температура воздуха в зимние месяцы в северной половине Казахстана коррелирует с местоположением ПЦ в мае - июне со сдвигом два года. Температура' еогду-ха в западной половине республики в марте - апреле тесно связана с положением центра циркуляции в предыдущую зиму. Температурный режим в мае - июне на 70 % территории республики коррелирует со значением X в марте предыдущего года. Значительно превышают критический на принятом уровне значимости коэффициенты корреляции на всех станциях, исключая расположенные на западе республики, между температурой в июле и значениями <р в январе и апреле со сдвигом два года. Температура в сентябре и октябре корреляционно связана с местоположением ПЦ в эти же месяцы в предыдущем году и со сдвигом три года. Декабрьская температура в северной половине Казахстана коррелирует со значением ф в январе, а в южной - со значением ц> в марте синхронного года.

Количество осадков на Бсей территории республики в январе, декабре и ноябре напрямую зависит от широтного положения ПЦ. т.е. чем ближе к полюсу располагается центр1 циркуляции, тем больше осадков выпадает в Казахстане. С локализацией полюса циркуляции в июне тесно связано количество выпадающих осадков и в октябре.

Наибольшее число значимых связей между режимами температуры и увлажнения и местоположением полюса циркуляции приходится на месяцы. отстоящие от прогнозируемого на полгода и более. Для предсказания средней месячной температуры воздуха к количества осадков в Казахстане в качестве предиктора целесообразно использовать положение ПЦ с заблаговременностью до двух лет. В то же Еремя эффективно использование местоположение ПЦ как предиктора и с малой заблаговременностью. Примечательно, что для осенних и зимних месяцев число значимых связей больше, чем для летних.

В третьем разделе описана ' автоматизированная технологическая линия долгосрочных прогнозов погоды, модель автоматизированного рабочего места синоптика-долгосрочника (АРМ).

организация баз данных и контроля посту;-,-^-л: информации, а также метод расчета прогноза.

Основными целями, которые поставили.перед собой разработчики интерфейса АРМ были: гибкость диалога, ясность, простота обучения, простота пользования, надежность.

Для успешной работы АРМ создан ряд БД. который можно разделить на два класса. Первый включает в. себя базы, содержащие собственно сами данные по метеовеличинам, участвующим в прогнозе: данные по приземной температуре воздуха, по суммам осадков и по характеристикам ПВФЗ. Второй класс состоит из вспомогательных БД. содержащих различного рода справочную информацию.

Для автоматизации пополнения БД АРМ разработан комплекс программ, выполняющих Еыборку срочных данных из метеорологической БД "ЛАССО", их обработку и пополнение БД АРМ полученной информацией. При накоплении информации по срочным наблюдениям в необходимом объеме (месяц), проводится осреднение данных по температуре воздуха и давлению и суммирование данных по осадкам, расчет параметров ПФВЗ и ПЦ. а также занесение полученных результатов в БД АРМ.

Ошибки в данных, поступающих в метеорологическую базу данных "ЛАССО", могут существенно исказить результаты прогноза. Поэтому предусмотрен контроль выбираемой информации, который при желании можно проводить либо визуально, либо автоматически.

Данные о геопотенциале поступают из Национального метеорологического центра США. Они являются проверенными и восстановленными с использованием метода оптимальной интерполяции. Возможные грубые ошибки, связанные со сбоями на линии при передаче, маловероятны. Чтобы отбраковывать их, были определены по рядам многолетних наблюдений средние квадратические отклонения и средние значения геопотенциала на поверхностях Н500, Н300 и Н850. Отбраковываются все значения, отклонения от среднего которых превышают 1.5хб.

При контроле данных о температурах воздуха и количествах осадков в первую очередь отбраковываются записи, содержащие код отсутствия данных. Для данных о температурах воздуха ,контроль пространственной непрерывности, совмещается с контролем временной совместимости информации. Полагая, что значения, температуры распределены по нормальному закону, основанием для браковки подозрительных членов исходного ряда является выполнение неравенства:

X - аб < \1\ < X + аб, (1)

где х - среднее значение контролируемого ряда;

а - квантиль стандартного нормального распределения,

отвечающий вероятности (1-р0)1/п: б - стандартное отклонение: X - проверяемое значение.

Значения а для различных месяцев на 0,05 %-ном уровне значимости были определены по таблице квантилей.

Для проведения горизонтального контроля за основу был выбран метод, основанный на оптимальной интерполяции. разработанной Л. С. Гандиным и Р.Л. Каганом. Этот метод имеет принципиальное преимущество перед другими, которое заключается в явном учете статистической структуры исследуемого элемента и ошибок его измерения.

В первую очередь были выбраны для каждой станции по возможности четыре влияющих станции по одной в каждом из четырех квадрантов. Полагая, что истинные значения в точке 1 и ошибка измерения в точке 3 не коррелированы, и также не коррелированы ошибки наблюдений на влияющих станциях, можно получить формулы для расчета Бесовых коэффициентов и меры ошибки соответствия:

2 а1ги + - го1. 1-1......; (2)

с0 = 1 - I а^щ. (3)

где а1 - весовые множители.

ги - коэффициент корреляции истинных значений элемента в

точках 1 и 3, V! - мера ошибок наблюдений в точке 1. с0 - мера ошибки.

При этом в целях повышения точности интерполяции вместо самих значений элемента, составляющих ряды, используются их отклонения от норм, которые вычисляются и для всех влияющих станций. Для выбранных станций были рассчитаны коэффициенты корреляции между значениями температуры воздуха на этих станциях по срокам. Диагональные элементы определены из соображений, что гп = 1. тогда гп + V2 » 1 + V2. А значения ошибки наблюдений V2 для метеоэлементов у земли были взяты из литературы. Полагая, что распределение невязок близко к нормальному, критерий отбраковки условно был определен ¡сак значение Е = Е ± 2бЕ. где Е и бЕ - соответственно среднее и среднеквадратическое отклонения распределения невязок. Горизонтальный контроль температуры отбраковывает примерно 1 % сообщений, большая часть которых, как показал визуальный контроль, действительно является ошибочными. Это относится в основном к равнинным станциям. В горных районах гопизонтальный контроль менее надежег

Контроль осадков основан на сравнении суточного значения с месячной нормой осадков на этой станции. Для этого все станции на исследуемой территории были разделены на два класса: станции, где годовая норма осадков превышает 300 мм и станции, где она менее или равна 300 мм. Для первого класса пороговым значением являются 1,5 месячные нормы, а для станций, где годовое количество осадков менее 300 мм/год - 4 месячные нормы.

В схему расчета прогноза заложены в качестве предикторов все характеристики ПВФЗ и координаты полюса циркуляции со сдвигами до 36 месяцев. При расчете прогноза используется метод множественной линейной регрессии. Ниже представлены основные шаги алгоритма, по которому рассчитывается прогноз средней месячной температуры воздуха.

1. Подготовить матрицу предикторов:

- разложить ряды значений широты осевой ПВФЗ по эмпирическим ортогональным функциям (ЭОФ). Отобрать первые коэффициенты, описывающие не менее 90 % дисперсии поля. Записать их в массив предикторов;

- разложить ряды значений интенсивности ПВФЗ по ЭОФ. Отобрать первые коэффициенты, описывающие не менее 90 % дисперсии поля. Записать б массив предикторов;

- разложить ряды значений угла наклона осевой ПВФЗ к широте по ЭОФ. Отобрать первые коэффициенты, описывающие не менее 90 % дисперсии поля. Записать в массив предикторов;

- записать в массив предикторов значения длины, извилистости осевой ПВФЗ и координат полюса циркуляции.

Из сформированного массива методом корреляционного анализа

отобрать значимые независимые предикторы.

3. Найти коэффициенты регрессии.

4. Рассчитать прогноз.

Распределение сумм осадков сильно отличается от нормального. Поэтому, для того, чтобы применять регрессионный метод, прогноз осадков рассчитывается в отклонениях от нормы.

В ч. етзертом разделе даны метод и резуль ■ татн оценки оправлываемости прогнозов.

■ Прогнозы отклонения средней месячной температуры воздуха от средних многолетних значений }ЛТ| и прогноз отклонения месячной суммы осадков'от средних многолетних значений оцениваются по стандартной методике.

Авторски^ прогнозы средней месячной температуры воздуха рассчитывались с 1970 по 1985 гг. В среднем составленные прогнозы имеют вполне удовлетворительную оправдываемость. равную 65.5 %. При этом из 192 прогнозов температуры воздуха 41 имели оправдываемость выше или равную 80 %. Высокая оправдываемость, превышающая ь среднем за 16 лет 70 %. отмечается в летние и осенние- месяцы, с июня по октябрь. Менее удачными как по величине, так и по знаку оказались прогнозы по температуре на зимние месяцы, январь и февраль. Объяснить это. видимо, можно высокой повторяемостью экстремальных аномалий температуры в эти месяцы. Из-за ограниченных возможностей вычислительной техники в расчетах авторских прогнозов не были учтены параметры полюса циркуляции которые могут повысить оправдываемость прогнозов экстремальных температур.

Прогноз сумм осадков рассчитан на период 1980-1985 гг. Средняя за этот период оценка равна 58,6. Более удачными оказались прогнозы, составленные на эсенние и зимние месяцы: январь, октябрь-декабрь. Менее удачными были прогнозы на август и сентябрь. Результаты оценки опраЕДываемости позволяют еде >ать вывод о методической обусловленности и прогностической значимости предложенного метода составления прогнозов погоды на месяц.

ВЫВОДЫ

1. За период 1949-1990 гг. произошли средующие изменения в циркуляции атмосферы северного полушария: осевая изогипса ПВФЗ сместилась в направлении южных широт; уменьшилась извилистость ПВФЗ, что говорит о преобладании широтных процессов; ослабление меридиональности привело к нарастанию контраста температур между низкими и высокими широтами и увеличению интенсивности ПВФЗ.

2. Проведенный корреляционный анализ подтвердил наличие тесных синхронны:»: и асинхронных связей между средней месячной температурой воздуха и месячной суммой осадков на территории Казахстана и изменениями параметров ПВФЗ. а также целесообразность использование этих характеристик в качестве предикторов в долгосрочных прогнозах погоды.

3. На новых материалах подтверждена целесообразность использования в качестве предикторов в долгосрочных прогнозах погоды наряду с характеристиками П6ФЗ координат полюса циркуляции'. Найдены тесные синхронные и асинхронные связи между изменениями местополо-

женин ПЦ и формированием темиературно-влажностного режима на исследуемой территории.

4. Усовершенствованы алгоритмы расчета характеристик ПВФЗ, предложенные ранее Г.Н. Чичасовым. Показано, что при модернизации алгоритма, который существенно уменьшает общее время счета, не происходит-искажения расчетных значений. Разработаны программы для расчета характеристик ПВФЗ и координат полюса циркуляции на ПЭВМ.

5. Качество разработанного алгоритма для контроля крупномасштабных полей температуры и осадков удовлетворительно. Значения геопотенциала на поверхностях Н300. Н500, Н850 не нуждаются.в пространственном контроле, поэтому при осреднении за месяц срочных значений геопотенциала достаточен только грубый контроль.

6. Спроектирована и программно реализована проблемно-ориентированная база данных по средним месячным температурам воздуха, месячным суммам осадков, средним месячным значениям параметров ПВФЗ и ПЦ. Эта база данных является информационной основой прогности-чрской системы расчета долгосрочного прогноза элементов погоды на исследуемой территории. База данных пополняется в оперативном режиме и открыта для пользователя.

7. Для работы на персональном компьютере разработано автоматизированное рзоочее место синоптика-долгосрочника и целый комплекс программ, обеспечивающих ввод информации из метеорологической БД "ЛАССО" в БД АРМ. ее первичную обработку, автоматическое пополнение баз - данных АРМ и расчет прогноза. Прогноз представляется в табличном и графическом изображении (картами)

8. Расчет прогноза базируется на алгоритме множественной линейной регрессии, включает в себя отбор значимых предикторов- :на основе корреляционного анализа ¡5 разложение полей предикторов по •эмпирическим ортогональным Функциям. Автоматизированный ..метод прогноза реализован на ПЭВМ. Время.расчета прогноза для 20 станций составляет ю минут в зависимости от клз компьютера.

9 Авторские испытания показали, что составленные прогнозы с заблаговременностью 12 месяцев в среднем имеют вполне удовлетворительную оправдываемость равную 65,5 % для средней месячной температуры воздуха !• 58.6 % для месячной суммы осадков.

о с к о в н о е содержание д и с с е р т' а ц и и о п у с л и к V в а я о в работах:

1. Концептуальная и логическая модели региональной базы данных "Пропп з" для автоматизированной системы долгосрочных проп'.>

зов погоды // Тр. КазНИГМИ. - 1992. - Вып.111. - С. 14-21 (в соавторстве с Е.Н.Бондаренко).

2. Проектирование и создание региональных баз данных // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по статистической интерпретации гидродинамических прогнозов с целью прогноза элементов и яв-ленкй погоды. - М.. 1991. - С. 40-41 (в соавторстве с Е.Н. Бондаренко. Г. Н. Чичасовым).

3. Об информационном обеспечении автоматизированного рабочего места синоптика-долгосрочника // Гидрометеорология и экология. -1995. - N 3. - С. 55-67 (в соавторстве с Е. Г.Кореньковой).

4. О технологии долгосрочных прогнозов погоды в Казахстане // Тр. КазНИГМИ. - 1992. - Вып. 111. - С. 3-7.

5. О разработке автоматизированного рабочего места синопти-ка-долгосрочника // Гидрометеорология и экология. - 1995. - N 1. -С. 89-103.

6. A model-based climate change vulnerability and adaptation assessment for wheat yields in Kazakhstan // Adapting to climate change. - New York: Sprlnger-Verlag New Yck Inc.. - 1996. -P. 148 - 163 (в соавторстве с 0. В. Пилифосовой. И.Б. Есеркеповой. С. А. Долгих и др.).

7. Kazakhstan: Overal Approaches and Preliminary Results from Country Study // Interim .Report on Climate Change Country Studies.

- U.-S. Government printing office. - 1995. - ?. 49-57 (в соавторстве с П. Ж. Кожахметовым. В. В. Голубцовым. 0. В. Пилифосовой. др. )-

8. Vulnerability and adaptation assessment for Kazakhstan // Vulnerability and adaptation to climate change. A Synthesis on results from the U.S. Country Studies Program. - U.S. Government printing office. - 1996. - P. 161-181 (в соавторстве с Г.Н. Чичасовым. В. В. Голубцовым. И.Б.Есеркеповой и др.).

9. A potential GCM Model-based climate change vulnerability assessment for wheat yields in north Kazakhstan // Proceedings of the Regional Workshop on Climate Variability and Climate Change Vulnerability and Adaptation Assessments. Prague: - 1996.

- P. 131-143 (в соавторстве с И. Б. Есеркеповой).

КДЭАКРТАН АУМАГЫ БОЛЫИПА ДШТЫК, АУЛ IElfflEF AT УРАСЫН KSF?

ЖАУЦН- ШАШН }*ЭЛШЕР IН ЕОЛЖАУ 9Д1С1

11.00.09 - "Метерологня, климатология, агрометеорология" мамандыгы бойынша география гылымдарынын кандидаты гылыш! дзрежесане »сынылатыя диссертация.

1949 - 1390 ж. ж. аралыгындагы планетарлык Сиi кг i к me6i ау-магы мен айналым полюс i елшемдерк-ин, кенi ст i к-уакдгылы таралу гандылык,тарк герттелген. Айкшдалган тренд1лерд4н статнстикалык маныэдылыгына бага бермледк

Aya температурасын жэне жауын-шашын uezmepiH бакулау кетиже-.-.epiH статпстикалык, екд-у непггнде Кдгадстан айматында aya райы-чьш тык^алуына кен, аук^ялдагы айналышьи, рол i герттеледь

Планетгшд-; жогары пепПк аймак; еипаттарын есептеу алгоритпи .-.анган. "ЛАССО" метерологиялык, деректер багасынан алынган органа ijíгыл акдараттар мен ПЕК жше ПЦ паранетрлер^ндеп есептер' бо-.';ыкиз дайьмдалган багдзрлаыалы-; талда1,;дар, шкулаулар aya райы ■:омпктгерд5 болжау ЭД2С1Н жасауга mtmkjhaík бердь Деректер багасы лэне кеп сыгыптык, регрессия ед1спн ь;олдану непгпгде есепт! бол-«ау багдарламалык, ед1С1меи жарактанган тгак, MepieiMfli болжау--и-спнспгикт 1Н а2т0.'.вттаядырылган .т.гмыс орныка aya райын 12 айга д£-П1К дер кегшд«- юолжау лроцес i н онай жтрпэуге мтмкгквдмс т:тызады.

Автоматтандырылган болгзу едгсп-пн, кдкагаттандьгрлык, акталуы -.•сынылгак 6ip ойга aya райьи бопжау sfiiciHiH, методпкалык, д*рыс-гыгы жэке болжаульп-: ман,ыгдыль.ты туралылыгын р.ерсетедь

MIZINA Svetiane Vladimirovr.a

AUTOMATIC METHOD FOR LONG-TERM MONTH MEAN AIR TEMPERATURE AND MONTH PRECIPITATION SUM FORECAST FOR TERRITORY OF KAZAKHSTAN

The defence for the doctor's degree oi geographical sciences 11.00.09 - meteorology, climatology and agrometeorology

Spattlal and temporal regularities of parameters of planetary fluid dlnamics and location of pole of cyrcuiation In 1949-199C-were investigated Statistical significance of discovered trends was evaluated.

The influence oi large-scale cyrculation processes on weatner conditions forming was investigated on the base oi statistical treatment of air temperature and sum of precipitation observations Calculation algorithm of characteristics of planetary fluid dlnamlcs was modernized. Developed software for extract, control and averaging information from meteorological data base "L.ASS';'-and for calculation of parameters of planetary fluid dinamics and pole oi cyrculation made it possible to Implement weather forecar. ting method on the computer. Automated work stations tor long-we-ath t predicting which included data base and forecast, calculation (on the base oi linear multiple 1'egression method) software allowed to simplify considerably the process of creation long-weathe: forecast with time predicting by 12 months. Automated forecast method has satisiacted Justification, that allows to conclude thai offered procedure for creation month weather forecast is si sterna • tic substantiated and predicting significant.