Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Численная схема краткосрочного прогноза осадков по территории Европы в холодный период года с учетом результатов параметризации водности облаков

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Численная схема краткосрочного прогноза осадков по территории Европы в холодный период года с учетом результатов параметризации водности облаков"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ НО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Р Г 3 О 1

На приних рукописи

УДК 551.509.313: 551.509.324

БЕСПАЛОВ Сергей Васильевич

ЧИСЛЕННАЯ СХЕМА КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА ОСАДКОВ ПО ТЕРРИТОРИИ ЕВРОПЫ В ХОЛОДНЫЙ ПЕРИОД ГОДА С УЧЕТОМ РЕЗУЛЬТАТОВ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ВОДНОСТИ ОВЛАКОВ

Специальность 11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской Федерации. Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник И.А.Петриченко

Официальные оппоненты:

доктбр географических наук Ф.Я.Клипов

кандидат географических наук Г.К.Веселова

Ведущая организация: войсковая часть 75354

Защита диссертации состоится 21 декабря 1993 Г. в 14 часов на заседании Специализированного совета К.024.05.02 Гидрометеорологического научно-исследовательского центра по адресу: 123242, Москва, В.Предтеченский пер., д.9-13, Росгидрометцентр

С диссертацией можно ознакомиться! в библиотеке Росгидрометцентра.

Автореферат разослан "19 " ноября 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геогрхфических наук

^/сг А.и.о

•рашнан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на значительный общий прогресс в научных исследованиях и технологии составления краткосрочного прогноза погоди, требования многочисленных потребителей к точности прогноза осадков, его максимальной детализации в пространстве и времени, постоянно растут. Задача объективизации краткосрочного прогноза количества и продолжительности осадков в холодный период года представляет собой сложную комплексную проблему.

Известны различные подходи к решении проблемы разработки и оперативной реализации методов краткосрочного прогноза осадков: гидродинамического моделирования, синоптико--гидродинамичвских и синоптико-статистических расчетов' и др. Численные схемы прогноза осадков по гидродинамическим моделям ввиду того, что пока нет полного решения системы дифференциальных уравнений процесса облако- и осадкообразования, дают лишь фоновый прогноз, ошибки которого особенно велики при большом количестве осадков, например, при сильных снегопадах.

Применяемые модели и методы прогноза осадков различаются включением той или иной совокупности физических факторов, определяющих внешнее энергетическое воздействие на процесс осадкообразования, таких как фазовые, радиационные и турбулентные притоки тепла, влияние орографии, морей и океанов, динамическое и тепловое взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью земли и др. Модели с более развитой физической постановкой процесса осадкообразования и Со-

ле» совершенным математическим описанием учитываемых факторов обеспечивают в принципе возможность получения более точного прогноза по сравнению с упрощенными моделями.

В связи с этим является актуальной задача разработки эффективных методов краткосрочного прогноза количества й продолжительности осадков в холодный период года на основе комплексного подхода с использованием математического описания, адекватного процессу осадкообразования в явном или параметрическом представлениях, а такжо с привлечением дополнительной, ранее не использовавшейся информации, в частности, результатов параметризации водности облаков.

Цель р^дотц состоит в разработке численной схемы краткосрочного прогноза осадков в холодный период года для территории Европы, основанной на использовании более полной, чего не делалось ранее, метеорологической информации, в частности, дополнительного учета вкладов ь расчет осадков за счет дивергенции (конвергенции) параметризированных значений водности облаков и ее адвекции. Разработанный метод прогноза основывается на использовании результатов численного прогноза осадков по схеме лаборатории синоптических исследований ЛСИ Р'осгидрометцентра, данных специально созданного для этих целей архшм - численного решения интегра-лов-с.чигаимы* исходного прогностического уравнения, характеризующих влияние водности облаков, - все вместе с применением методой мат«мнтцч«сксй статистики

Целью роботы тыкже является получение новых и усовершенствование известных методов прогноза ме¿еовеличин. кото-

pue могут использовться в синоптико-гидродинамической схема прогноза осадков JICH, а также иметь самостоятельное значение .

Методика исследования и походный материал. Реализация' поставленной -задачи проводилась численными методами решения метеорологических задач, а также с помощью синоптико-гидро--динамических и статистических методов.

Решение интегралов полученного прогностического уравнения для прогноза осадков с учетом результатов параметризации водности облаков производится методом трапеций.

При разработке сшюптико-статистического метода прогноза количества осадков по более мелким градациям при сильных и очень сильных снегопадах критериев ОН и СГЯ использовался непараметрический диснриминантний анализ.

Метод прогноза температуры и влажности воздуха в движущейся воздушной массе при сильных снегопадах получен в результате применения метода группового учета аргументов (МГУА).

Материалом для разработки прогностических методов"На ЭВМ ЕС-1060 послужили поля объективного анализа (OA) метеовеличин базы данных "SHOT" Росгидрометцентра, карты приземного давления и барической топографии, ежедневные карты фактических полусуточных сумм осадков, фактическая погода для отдельных пунктов (узлов сетки) на Европейской территории России, взятая из дневнико^ погоды, а также специально созданный архив многолетних данных - рассчитываемых термодинамических характеристик атмосферы.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректной постановкой решенных задач, строгим применением математического аппарата и, главное, проверкой их реальных данных.

Научная новизна и практическая ценность выносимых на защиту основных, впервые полученных результатов:

1. Численная схема краткосрочного прогноза количества осадков по территории Европы в холодный период года с учетом параметризации водности облаков.

2. Синоптико-статистическкй метод краткосрочного прогноза осадков в холодный период года, позволяющий комплексно учитывать прогноз осадков по синоптико-гидродинами-ческой схеме ЛСИ и прогноз осадков, формирующихся в результате дивергенции (конвергенции) ожидаемой водности облаков, а также ее адвекции.

3. Синоптико-статистический метод детализированного (по многим градациям) краткосрочного прогноза сильных снегопадов (критериев ОЯ и СГЯ), полученный с помощью непараметрического дискриминаннтного анализа.

4. Синоптико-статистический метод краткосрочного прогноза температуры и влажности воздуха у поверхности Земли и в свободной атмосфере при выпадении сильных снегопадов (критериев ОЯ к СГ^).

Усовершенствованы изложенные'в Руководстве по краткосрочным прогнозам погоды (1986 г.) методы прогноза продолжительности рыладення ойложных и лив невых осадков для холодного периода года путем применения функциональной эависи-

»

мости в виде уравнения прямой линии, полином« второй степени, гиперболы, степенной и логарифмической функций.

Выявлена эффективность использования разработанных методов прогноза, которая отвечает современным требованиям оперативной практики.

Все полученные методы могут быть использованы в численных схемах краткосрочного прогноза ооеадков, а также имеют самостоятельное значение.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах по синоптическим краткосрочным и среднесрочным прогнозам погоды Росгидрометцентра'(ноябрь 19901993 гг.), на П научно-технической конференции ВВВАИУ (Воронеж, 1989 г.), на Ш Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Суздаль, 1990 г.), на IV Всесоюзной конференции по статистической интерпретации гидродинамических прогнозов (Одесса, 1991 г.), на Ш научно-технической конференции ВВВАИУ (Воронеж, 1992 г.). Отдельные части работы опубликованы в научно-технических статьях, отчетах о НИР, вошли в Методические рекомендации метеоподразделениям авиации Вооруженных Сил России (1992 г.)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержание ее изложено на ¿9Х страницах машинописного текста, включая А рисунков к 20 таблиц. Список литературы содержит 313 наименований, в том числе 18 иностранных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введшими дается обоснование актуальности темы, определяется цнль и задачи исследовании. Дани краткая характеристика ноьих результатов, полученных в работе. Сформулированы положении, выносимые на защиту, и определена практическая значимость работы.

В Первой глин« описывается состоянии проблемы краткосрочного прогноза количества и продолжительности осадков. Выделяются основный направлении решения зтой задачи: гидродинамический, синоптико-статиотичегкий, статистический и их комшшксация.

Начало исследований по вышеуказанной проблеме связано с работами И А.Кибеля, Е Н.Блиновой, А.Ф.Дюбюка, М.И.Юдина И др. , которые являются основой для многочисленных исследований, посвященных динамики и кинематике атмосферных процессов, обусловливающих эволюцию ряда метеорологических величин (давлении, геопитенциал, температура и влажность воздуха, облачность и осадки).

Далее излагаются основы современных объективных методов прогноза осадков, которые изложены в трудах Б.Д.Успенского, А.Н.Багрова, В.Ы.Кадышникова, И.П.Васильева, И.А.Петриченко, С.О.Кричака, Л.В.Берковича и др.

В последнее десятилетие прогноз полей метеовеличин в гидродинамических схемах решается в макро- и даже мезомасш-табе, однако прогноз этих же метеовеличин в конкретных пунктах, а интенсивных опасных и стихийных явлений даже в регионах по-прежнему затруднен из-за их недостаточной

изученности и отсутствия достаточного количества информа-* ции. В этом направлении синоптическая метеорология сделала большой шаг вперед, и особенно благодаря сочетанию гидрог

I

динамической основы в виде карт прогностических полей с синоптической и физико-статистической их интерпретацией.

Идея реализации концепции КОБ для краткосрочного прогноза осадков продиктована прежде всего отсутствием эффективных методов восстановления нелинейных асинхронных зависимостей, определяющих процесс осадкообразования. С учетом этих трудностей для повышения успешности прогноза осадков целесообразно использовать дополнительно наряду с исходными данными гидродинамических прогнозов ряда физически значимых предикторов (или их параметризованных значений), а также информации о результатах решения прогностических уравнений гидротермодинамики.

Во второй главе излагается синоптико-статистический метод краткосрочного прогноза количестза осадков при сильных снегопадах критериев ОЯ и СГЯ (7 мм и более за 12 ч) на основе использования непараметрического дискриминантного анализа. В частности, используется метод эталонов, с помощью которого по минимуму суммы квадратов отклонений от эталона наблюдаемый вектор-предиктор относится к одной из рассматриваемых градаций предиктанта.

При решении задач краткосрочного прогноза сильных снегопадов, включая опасные СОЯ) и стихийные гидрометеорологические явления (СГЯ) на территории Европы, наиболее перспективным является совместная реализация комплексного

синоптико-климатологического анализа фактической метеорологической информации и результатов численного синоптико-гид-родинамического прогноза осадков.

Для разработки метода прогноза использовалась многолетняя архивная выборка за 1982-1986 гг. о перемещающихся зонах сильных снегопадов по территории Европы, составленная в ЛСИ Росгидрометцентра. В качестве потенциальных предикторов были взяты рассчитанные термодинамические характеристики в перемещающихся зонах сильных снегопадов, а также прогностическое количество осадков в зонах, полученных по си-ноптико-гидродинамической схеме ЛСИ.

Выборка составлена для 55 предикторов и одного предик-танта. Далее приводится описание используемых предикторов.

Вся выборка (по 248 случаям для предиктанта и каждого предиктора) делится на обучающую (186 случаев) и контрольную (62 случая);

Установленная Наставлением по службе прогнозов (1981 г.) градация "сильные осадки" (7-19 мм за 12 ч) является очень широкой и явно не удобна с точки зрения большинства потребителей. Поэтому разрабатывался метод для прогноза следующих градаций: 7-10 мм за 12 ч., 11-15 мм за 12 ч., 16-19 мм за 12 ч. и 20 и более мм за 12 ч. Для этого получены три прогноостических решающих правила (ПРП), позволяющие прогнозировать одну из двух градаций:

1. 7-10 мм за 12 ч. или 11 и более мм за 12 ч;

2. 7-15 мм за 12 ч. или 16 и более мм за 12 ч;

3 7-19 мм за 12 ч. или 20 и более мм за 12 ч.

Под прогностическим решающим правилом (ПРП) здесь и далее понимается один из этапов алгоритма прогнозакоторый позволяет с помощью метода эталонов относить новую реализацию вектора-предиктора X (х1, х2, ... хп) к одной из двух градаций. Последовательное использование этих трех ПРП дает возможность получить одну из четырех градаций максимального количества осадков в зоне сильных снегопадов.

При разработке метода прогноза с целью отбора наиболее информативных предикторов принимался следующий алгоритм:

- для каждого из 55 предикторов рассчитывается критерий Махалоиобиса;

- из всего перечня предикторов отбираются те, которые имеют значения критерия Махаланобиса больше порогового;

- для отобранных предикторов рассчитываются коэффициенты парной корреляции;

- из сильно коррелируемых предикторов отбираются предикторы с максимальным значением критерия Махаланобиса;

- для всех отобранных предикторов осуществляется процедура отбраковки, которая заключается в следующем: все первоначально отобранные предикторы поочередно исключаются, образуя при этом группы размерностью (п-1). Для этих групп по методу эталонов осуществляется прогноз одной из двух градаций количества осадков. Результаты сравниваются между собой по некоторому количественному критерию (критерию Пир-си-Обухова) . Выбирается та группа, которая имеет максимальное значение данного критерия. Предиктор, не включенный в данную группу, подлежит исключению. Далее из оставшихся

(п-1) предикторов вновь составляются группы, на этот раз размерностью (п-2), вновь по критерию Пирси-Обухова определяется лучшая группа, и предиктор, не вошедший в эту группу, исключается. Процедура повторяется несколько раз и на каждом шаге наименее ценный предиктор отбраковывается.

Таким образом, наиболее информативными предикторами для первого ПРП являются (Ятах)-12' (лр)-24> Для второго ПРП - (Ктах>-12. <8>-24 и для третьего ПРП-(Нтах)_12, (Птах)-24. ( н85())-<4..

ЛН700)'^0,700].,2 АН^О «Игоо)- ¿Го,70о]-г6 >

где (Кщах)-12> и (^шах)-24 " фактические адвективные значения максимального количества осадков в зоне сильных снегопадов с заблаговременностью 12 и 24 ч;

(дР)_24 ~ адвективное значение лапласиана приземного давления с заблаговременностью 24 ч;

(йНд5о)-24 - адвективное значение лапласиана геопотенциала на АТ-850 с заблаговременностью 12 ч; Ц^ ЛЦ850 аДвективные значения суммы индивиду-

альных изменений лапласианов геопотенциала АТ-850, АТ- 700, умноженной на разницу температур в слое Земля-АТ-850 с заблаговременностью 12 и 36 ч. I

Для этих предикторов были определены максимальные по модулю значения (необходимы для осуществления предварительного нормирования) и вычислены средние нормированные значения предиктаита по градациям. Работа ПРП основывается - на. , сравнении степени близости вектора-предиктора с векторами-

образами двух градаций нредиктанта при помощи евклидова расстояния Lfc, вычисляемого по следующим формулам

1. Первое ПРП ' ''_____

L| = V- о.м«)'* ((^1 -

Lt . / ( ( *7д t ( - О, IST )t'

2. Второе_ПРП __

ч. и -«W I

U - /г \ ( igjü. -М4»)7

3 . Треть»; ПРП L5 = [( - о.ж): ♦ (d^bi-vst)' ♦

♦ - 0,22а)1 4 ( «А «Н«" . р „4)Ч

* JJ > #40 '

- 0,141)'j7'

V J$2 J ,

u , ц СЬ~Ь> - 0,118)* t ((Ц^й- - м») ♦ + ( (»Ни»)-« _ о,И4 )1 + («Я аН,я> + А *'■>")-« _ в MI У ♦

Далее рассматривается вопрос рачработки единого прогностического алгоритма с испол<>зовянием трех ПРП. Прогностические решающие правила можно использовать в одной из следующих последовательностей:

1. третье-второе-первое;

2. первое-второе-третье;

3. второе, а патем третья чли первой.

В первом случае' прогностический алгоритм будет иметь следующий вид:

- по уравнениям (5) и (6) вычисляются значении L5 и

L5;

- при 1,5принимается прогностическая градация 20 и более мм за 12 ч., т.е. градация "очень сильные осадки";

- по уравнениям (3) и (4) вычисляются значения Ьз и Ь4; '

- при Ьз>Ь4 принимается прогностическая градация количества осадков 16-19 мм за 12 ч. Дальнейшие вычисления в этом случае не производятся;

- при но уравнениям (1) и (2) вычисляются значения Ь] Ьз;

- при принимается прогностическая градация количества осадков 11-15 мм за 12 ч., а при - 7-10 мм за 12 ч. ' . '

Использование знака "меньше" или "равно" в случаях, когда Ь} должно быть меньше , позволяет прогнозировать максимальное количество осадков так, что предупрежденность градации с большим количеством осадков будет выше.

Практическое использование данного алгоритма рассмотрено на примере снегопада в районе Сыктывкара в период с 6 по 8 января 19в8 г.

Статистические характеристики успешноости исследуемых последовательностей применения ПРП показывают, что лучшим является первый прогностический алгоритм, который предусматривает следующую последовательность применения ПРП: третье-второе-первое.

Оценки успешности разработанного метода сравнивались с аналогичными для метода, полученного на этой же архивной выборке по алгоритмам МГУЛ при прогнозе градаций "сильные

осадки" и "очень сильные осадки", т.е. 7-1У мм за 12 ч, и 20 и более мм за 12 ч. Выявлено преимущество предлагаемого в данной работе метода.

Таким образом разработанный метод позволяет детализировать прогноз количества осадков и при атом улучшить показатели успешности в сравнении с существующим методом прогноза .

В третьей главе изгалаетсн синоптико-статистический метод прогноза температуры и влажности воздуха у поверхности Земли и в свободной атмосфере на 12, 24 и 36 ч. при сильных снегопадах критериев ОЯ и (ЛИ на территории Европы.

До настоящего времени все еще актуальна проблема повышения точности прогноза 'Г и Т<1, что необходимо как для хозяйственных задач, так и, в частности, дли улучшения краткосрочного прогноза осадков. Специфика возникновения благоприятных условий для выпадения сильных снегопадов при определенной температуре и влажности воздуха - наличие адвективных и упорядоченных вертикальных подъемов воздушных масс, сопровождающихся конвективными явлениями, способствующими значительным перераспределениям притоков тепла в результате турбулентного перемешивания, фазовых превращений водяного пара и др., как правило, может вызывать существенные локальные изменения температуры и влажности, воздуха, что, естественно, нужно учитывать при прогнозе Т, и Т<1. При решении вопроса о краткосрочном прогноз 'Г и Тс1 у поверхности Земли и на основных изобарических поверхностях атмосферы, ставилась задача учета выходных данных численной

схемы прогноза осадков ЛСИ одновременно с исходной метеорологической информацией вдоль пути перемещения воздушной массы, включая данные об адвективных фактических сильных снегопадах. Такой комплексный подход к решению задачи позволяет максимально использовать имеющуюся адвективную фак-. тичоскую информацию, представляющую собой конечный результат взаимодействия реальных процессов в атмосфере - перераспределения притоков тепла и влаги вследствие фазовых превращений водяного пара, его вертикального турбулентного перемешивания в атмосфере, разрешения положительной энергии неустойчивости при конвективных явлениях и т.п.

Для разработки метода прогноза температуры и влажности воздуха при сильных снегопадах использовался многолетний архив, созданный в ЛСИ Росгидрометцентра, описанный выше в предыдущей главе.

Далее проводится описание отобранных предикторов. Для разработки метода в работе использовался итерационный и ад-дитивно-мультииликмтивный алгоритм метода группового учета аргументов (МГУА).

Получены уравнения для прогноза Т и Td у поверхности Земли и на поверхностях 850 и 700 гПа с заблаговоременостыо 12, 24 и 36 ч. Оценки прогнозов приведены в табл.1. Из табл.1 видно, что лучшие результаты прогноза температуры у поверхности Земли (Тос ) с заблаговременностью 12 и 36 ч.' можно получить, если ввести при статистической обработке материала учет «е суточного хедв (чмплитуды температуры в

Таблице 1

Средняя абсолютная (б) и относительная (6) ошибки и оправ-дываемость (I! в %) прргнозов Т и Тс!, рассчитанные на независимом материале

Заблаго- Показа

времен- тели То Тс1 Тос Г850 Г (1850 Т700 Тс1700

ность

б 3 ,231 3 ,092 2,584 2,315 2,584 1 .917 2,240

12 е 0,42В 0,511 0,315 0,799 0,820 0,776 0,768

и 66 67 78 80 77 04 79

б 2,735 2,521 — 2,474 2,605 2,097 2,496

24 е 0,627 0,510 - 0,699 0,673 0,581 0,625

и 72 75 - 80 77 80 76

б 2,821 2,791 2,437 2 , 465 2, 570 1 .994 2,408

36 6 0,627 0,634 0,512 0,637 0,619 0,630 0,505

и 71 71 77 во 77 83 78

зависимости от количества облачности) в качестве потен

циального предиктора.

В имевшейся литературе не было найдено оценок успешности прогноза Т и Т(1 при сильных снегопадах, поэтому данные табл.1 сравнивались с результатами успешности прогнозов Т и Тс1 при любом количестве осадков или их отсутствии.

Сравнительный анализ показывает, что предлагаемый Метод комплексного использования фактической метеорологической информации в движущейся воздушной массе и выходных данных численной синоптико-гидродиннмичесиой схемы прогноза осадков ЛСИ при статистической обработке материала позволяет прогнозировать Т и Тс) у поверхности Земли и в свободной атмосфере при случаях сильных снег спадов на территории Европы с такой же успешностью•и даже превышать ее как при на-

личии слабых осадков, так и при их отсутствии.

В четвертой главе дана методика усовершенствования метода прогноза продолжительности выпадения оОложных и ливневых (Ьп) осадков.

Проанализированы существующие методы прогноза продолжительности выпадения осадков. Отмечается, что материал этой главы является продолжением исследований, выполненных Е.М.Орловой, А.А.Бачуриной, Г.К.Веселовой, И.А.Петриченко.

Исследуется возможность прогноза и в рамках

численной схемы с использованием той исходной информации, которая уже имеется в базе данных при прогнозе осадков по синоптико-гидродинамической схеме (СГС) ЛСИ.

Для оценки эффективности существующих прогностических формул, приведенных в Руководстве по краткосрочным прогнозам погоды (19В6 г.) и их усовершенствования, был создан специальный многолетний архив, куда вошли:

- данные о фактической продолжительности осадков с 15 метеостанций (Псков, Бологое, Бабаево, Вологда, Тотьма, Великие Луки, Ыарья, Ржев, Владимир, Красные Баки, Утеча, Су-хиничи, Рязань, Торбеево, Москва (ВДНХ), близких к узлам регулярной сетки точек (РОТ) с шагом 300 км московскго региона;

значения упорядоченных вертикальных движений на поверхностях 650 и 700 гПа для 12-часового промежутка времени ( Ъцо , 1'»»о ), значения дефицитов точки росы на этих же изобарических поверхностях (О^ц, 0700);

- значении длин 12-часовых траекторий воздушных частиц для изобарических поверхностей 1000, 650, 700 и 500 гПм

(L]000. l850. l700. l500>'

При расчетах метеовеличин, включенных в архивную выборку, использовались поля объективного анализа (OA) из базы данных SHOT Росгидрометцентра, где информация хранится за последние 5 суток за О и 12 ч. СГВ.

Далее приводится описание методики усовершенствования метода прогноза продолжительности выпадения обложных осадков. Выполнена аппроксимация фактической продолжительности обложных осадков (t ф.обл^ от продолжительности, рассчитанной по формуле А.А.Бачуриной и И.А.Петриченко, и также от метеорологических параметров, входящих в эту формулу.

1*1

где для изобарической поверхности 850 гПа А-12, t-12, для 700 гПа А—10, t=12.

Для определения аппроксимирующих функций был выбран метод наименьших квадратов с процедурой линеаризации функции. Получены расчетные формулы для определения продолжительности выпадения обложных осадков в виде следующих функциональных зависимостей:

- уравление прямой линии

i , t.íj,. » 0,212 tts». * 6,5li

- полином второго порядка

t'.b. * 0,02 Ut,. " 0,0flW +6,750

- уравнение гиперболической функции -уравнение экспоненциальной функции

I -»,СМ» -t.г«

t.«,. - 6,5» • е

- уравнение степенной функции

t'a». "

- уравнение логарифмической функции

tU. » о.ыо ■ + M«

Согласно вычисленным характеристикам успешности (средняя квадратическая ошибка аппроксимации ( tí), средняя абсолютная ошибка (S ) средняя систематическая ошибка (fi ), оправдываемость прогнозов продолжительноссти обложных осадков (Р^ %) при заданных градациях ошибок (по абсолютному значению t«t . , , t«i , г) преимущество расчетных формул 0« 10), по сравнению с формулой (7), очевидно.

В связи с тем, что в формулах (8-13) в качестве предиктора были взяты значения t^j,, рассчитанные по формуле (7), то не исключена возможность накопления систематических ошибок прогноза. Поэтому с помощью методов корреляционного и регрессионного анализа было определено количественное выражение связи между фактической продолжительностью обложных осадков и физически значимыми предикторами ( Т^го, TioOj^ero , U700 ) •

Получены линейное и нелинейное?уравление регрессии.в

виде:

= -0,05 teso " 0,007fToo- 0,160РТОО + O.OíDeíO + М7

ton. = - О,иъ100 - 0,<V«ríDy».,rero + 0,<9 • io Pío» +

+ 0,21 10*V¿o - 0,39 • 10**17<,0Tero + 0,15 ■ I0"'tw + +'i>,7A IÓ'StooTjoo +7,22

Исходя из результатов исследовния по усовершенствованию существующего метода прогноза t0Qj¡, можно сделать вывод о том, что наиболее эффективной является прогностическая формула (14), расчеты согласно которой, по сравнению с формулой (7), уменьшают среднюю абсолютную ошибку на 1,7 ч и увеличивают оправдываемость прогноза при заданных градациях ошибок Ptt , P4t соответственно на 14 и 22 %.

Далее рассматривается методика усовершенствования метода прогноза продолжительности выпадения ливневых осадков в холодный период года, которая аналогична приведенной выше для случаев с обложными осадками.

Г.К.Веселовой ранее определены значения коэффициента К для различных синоптических ситуаций. В диссертационной работе выполнено исследование по уточнению значений коэффициента К при различных синоптичческих ситуациях, наиболее характерных для выпадения ливневых осадков в холодный период года.

Определенный научный интерес представляет изучение количественного соотношения между обложными и ливневыми осадками при их одновременном выпадении, которое обусловлено, по-видимому, таким же количественным соотношением по

величине отмечаемых в «тот период упорядоченных и конвективных вертикальных движений. Поэтому Ьф.л. аппроксимировались еще и с помощью следующих предикторов: .Ьт^по

Результаты оценки успешности полученных прогностических формул позволяют сделать вывод, что наиболее эффективными являются следующие расчетные формулы: ^ » ®»+ 2> »

1'де 1л - значение продолжительности ливневых осадков, рассчитанное по формуле, приведенной в Руководстве пс) краткосрочным прогнозам погоды (1.9В6 г).

^ -- 0,004 Т|о<а - У,- 0,0021,^ ♦ 0,0Г51>,*> ч 4,64

Любая из рекомендованных формул (16) или (17) повышает по сравншшю с существующей формулой оиравдываемость прогноза при заданных градациях ошибок Р и Р44 соответцтвен^ но на 5 и АЦ.

В пятой глине предлагается разработанный метод краткосрочного прогноза количества оОножних осадков в холодный период года с учетом результатов параметризации водности облаков и его реализация в виде численной схемы прогноза осадков для территории Европы.'

Из уравнения, характеризующего общее влагосодержание единицы объема воздуха, И.А.Петриченко после ряда математических преобразований было получено уравнение для прогноза количества обложных осадков в системе координат X, У, Р Ь'

где - прогнозируемое количелство осадков;

g - ускорение свободного падения;

3 М - среднее прогностическое значении плотности воздуха и водности облаков;

Я - прогнозируемая массовая доля водяного пира при максимальном насыщении;

с - скорость движения твердых или жидких элементов (облака, полосы падения осадков);

и, V - составляющие скорости ветра на оси X и У соответственно;

Ро, Р1. Ь1. - предела интегрирования.

В работе показано, что количество осоадков можно определять следующими рассчитываемыми метеорологическими характеристиками - параметрами, входящими в уравнение (18) в виде слагаемых:

- индивидуальным изменением массовой доли водяного пара в насыщенном воздухе, его решение представлено результатами расчетов по численной синоптико-гидродинамической схеме (СГС) ЛСИ;

- прогнозируемым значением дивергенции или конвергенции водности облаков;

прогнозируемым адвективным значением,воднчети облаков.

• Далее в диссертации излагаются прогностические алгоритмы расчета всех трех слагаемых уравнения (18), объединенные математической статистикой в единую численную схему

прогноза осадков. При разработке методики расчета осадков возникли большие трудности вследствие отсутствия в настоящее время исходной информации о водности облаков (данных самолетного зондирования). Поэтому применялся способ параметризации водности облачов на основании предположения о том, что запас воды в атмосфере прямо пропорционален упругости насыщения водяного пара, и, используя результаты исследований И.П.Малина, Л Т.Матвеева, Т.В.Евневич, В.Г.Сноп-нова , В.И.Скацкого, Водность облаков (М) выразим через интегральное значение упругости насыщения водяного пара (Е) в слон Земля - 500 гПа:

где Е зависит только от температуры воздуха и рассчитывается по формуле Магнуса

где Т - температура воздуха ввК.

Таким образом, все переменные , входящие в уравлениэ (16), могут быть рассчитана по той информации, которая ежедневно поступает в каждое метеоподразделение страны.

Для разработки метода был создан специальный многолетний архив на магнитных лентах. Из базы данных SHOT Росгид-рометцентра были зыбраны за нужные нам сроки синхронные с фактическим количеством осадков (в узлах РСТ) снятых с карт полусуточных сумм оосадков, поля OA различных метеовеличин, необходимых для расчета всех трех интегралов, решаемых ме-

Г|

М » 0,62 J Е ЫГ ,

тодом трапеций и входящих в уравление (1В) в качестве потенциальных предикторов. В архивную выборку вошли вышеперечисленные поля (27x2.3 точек) ОЛ за 98 сроков холодного периода 1986-1988 гг. Фактическое количество полусуточных сумм осадков за каждый срок снималось по полю (15x11). т е. в 165 узлах РСТ. Таким образом, архивная.выборка насчитывает 16170 случаев с осадками и без осадков.

Метеоинформация из первоначально созданного архива была обработана с помощью специально разработанных вычислительных программ по методике, изложенной в диссертации, п результаты счета записаны в файл, состоящий из следующих массивов:

- фактического полусуточного количества осадков;

- результатов расчетов 1-го интеграла, которые были выполнены по аналогии со схемой ЛСИ с некоторыми уточнениями ;

- результатов расчетов 2-го интеграла, где дивергенция или конвергенция скорости ветра рассчитывалась с шагом 600 км, а параметризация водности осуществлялась через Е с некоторыми эмпирическими коэффициентами;

- результатов расчета 3-го интеграла, который есть прогнозируемое адвективное значение водности облаков. Третье слагаемое для исследовательских целей было рассчитано з трех вариантах:

1) чисто адвективное значение водности облакоз;

2) адвективное изменение водности облаков;

3) осредненное по прогноостической траектории значение

водности облаков.•

Чтобы определить лучший способ представления прогнозируемого адвективного значения водности облаков была выполнена аппроксимация фактического количества осадков по всем трем вариантам расчета -3-го слагаемого уравнения (18). При сопоставлении результатов выяснилось, что использование ос-редненного по прогностической траектории параметризирован-ного значения водности облаков в исходный срок наблюдений оказалось наиболее эффективным.

Разработка синоптико-статистического метода производилась с помощью многомерного корреляционного и регрессионного анализа, где в качестве потенциальных предикторов были взяты все рассчитанные по предлагаемой методике слагаемые, а предиктантами являлись синхронные фактические значения полусуточного количества осадков в узлах РСТ. Проанализированы основные статистические характеристики: дисперсии, коэффициенты вариации, стандартные ошибки среднего арифметического, коэффициенты парной и частной корреляции, критерии Фишера и Стъюдента и др.

Далее была оценена информативность предикторов, выполнен пошаговый регрессионный анализ и получено линейное уравнение следующего вида:

Уравнение множественной нелинейной регрессии в виде полинома третьей степени для трех переменных имеет вид:

0*1,40J i d.r<Lt t 0,02 f jdiV^cdUi - 0,f6 I J H^MMM -" f° Vv <,r, e *

- 0,93 (j? ^ irUtf + wff £ <ti V«j 4

+ 029 f't & dfdit ft My M dUt ♦ O^S-O/aiV«, crfreU)* +

' • f. <4ТеГ. лГ'

+ f nffdi V.^cdifM j ¡*d VtJ MdPdt t 0,08 (J } «¿V,, M^P^v) + ' в К ' ft t f • r.

+ °>1С(Ц Жd,Jit?* Tt- ¿'"fjl^ "

- °>>< (i'l & ' o'3t «»(ib^-

it t 4|f ^ Л _

ooef/f'dLWycT^t) JJarf/xjMrfP/t -

Л5 Г» »Г» ер»

-0 32 J йш*) - 0,03 ( I i ad^MrfraO + >

' i r. • * N °

где (§£ .ft) , adV„M*(u%L*V%!. )

Значения средней квадратической и средней абсолютной ошибки уравнения (20) уменьшились по сравнению с ошибками для уравнения (19). Этот факт свидетельствует о нелинейности связи вкладов в осадки за счет дивергенции или конвергенции скорости ветра и адвекции параметризировнных значений водности облаков с количеством обложных осадков.

2В

В полиноме (20) содержится 19 аргументов, что вызывает определенные сложности при его практическом применении в оперативной практике. Поэтому для получени менее громоздкого уравнении используем метод исключения переменных и получим: u t|(i t r,

Q, oís íí dw *1,11 /(di^cd-ш j j t +

Jf. ' ' t. o f*

♦ o 02 (¡¡advn H <W- 0,05 (¡f h. dUtfjpd^ M d?¿t -

+ Я йd?¿t (íídi^+°'03 ¡i &*

д j'jad^ M * 0,06 {I ¿fe ÍUt ( ¡l «H» * У '

- <МЭ ¡¡div^c dUi +

' i?.

Уто уравнение содержит 8 аргументов. Анализ характеристик успешности показывает, что наиболее эффективным нв-лнетсн уравнение (20) в виде полинома третьей степени с тремя ннизвеотнынп. Так использование значений дивергенции (конвергенции) и адвекции водности облаков в линейном виде позволило повысить общую оправдываемость прогнозов до 83%, и н нелинейном виде - до 87% Оправдываемость прогнозов количества осадков при заданных градациях ошибок в мм за 12 ч. ( -'Д 1 . !j , < 3) увеличилась по сравнению с существу.');;^?; с оперативной практике (Я'С J1C11 на 4-8% (в арудлок пч О/) составила PS2 -95%, "99%.

Далее описываются алгоритм и блок-схема предлагаемого численного прогноза количества обложных осадков.

Таним образом анализ получинных результатов позволяет сделать вывод о целесообразности использования предлагаемой численной схимы прогноза осадков в исследовательской и синоптической практике. Полученную схему можно применять в практической работе тех метеоподразделений, где имеются ЭВМ (ПЭВМ) или для упрощенных расчетов в прогностических подразделениях, который ежедневно получают но факсимиле или в цифровых сводках по телеграфу карты прогностических полей обложных осадков, рассчитанные по СГС ЛСИ Росгидромет-центра .

В заключении сформулированы основные результаты данной работы:

1 Проведенный анализ состояния проблемы краткосрочно го прогноза осадков и результаты работы позволяют сделать выьод о необходимости и правильности комплексного синопти -ко-гидродинамико статистического подхода к прогнозу осадков .

2. Впервые разработана численная схема краткосрочного прогноза осадков в холодный период года для территории Европы, основанная на использования индивидуального изменения массовой доли водяного пара и результатов параметризации водности облаков. При разработке схемы в качества потенциальных предикторов используются рассчитываемые физически значимые метеорологические величины, которые являются слагаемыми нового полученного аналитически уравнения для прогноза количества осадков.

3. Впервые разработан синоптико-статистический метод прогноим осадков в холодный период года, позволивший комплексно учитывать прогноз осадков по синоптико-гидродинами-ческой схеме .ПСИ Росгидрометцентра и прогноз осадков, формирующихся н результате дивергенции (конвергенции) ожидаемой водности облаков, а также ее адвекции.

4. Предложен способ параметризации водности облаков, применением которого позволило улучшить показатели успешности численной схемы краткосрочного прогноза количества обложных осадков.

5. Дли осадков холодного периода года исследованы статистические связи между метеорологическими величинами, использующимися для прогноза количества и продолжительности осадков. Выявлены наиболее информативные метеорологические параметры.

6. Предложено аналитическое решение нелинейного дифференциального уравнения, описывающего процесс осадкообразования, При этом неизбежные ошибки, возникающие из-за погрешности в начальных донных конечного числа узлов сетки в сх«ме, минимизируются методами математической статистики.

7. Впервые разработан синоптико-статистический метод краткосрочного прогноза температуры и влажности воздуха у поверхности Земли и в свободной атмосфере при выпадении сильных снегопадов.

8. Впервые разработан синоптико-статистический метод дифференцироьанногс (по нескольким градациям) прогноза .-¡ильных оны-опндов (критериев ОЯ и СГЯ), полученный с

помощью непараметрического дискриминантного анализа.

9. Усовершенствованы изложенные в Руководстве по краткосрочным прогнозам погоды (1986 г) методы прогноза продолжительности выпадения обложных и ливневых осадков длл холодного периода года.

10. Все полученные методы могут быть использованы в численных схемах краткосрочного прогноза осадков, а также имеют самостоятельное значение.

11 Создана информационная база, содержащая метеорологические данные и рассчитываемые характеристики атмосферы за прошлые годы, необходимая для совершенствования существующих численных схем прогноза осадков. Разработаны программы, обеспечивающие эффективное использование архивных данных.

12. Появилась возможность прогноза количества обложных осадков при нисходящих упорядоченных вертикальных движениях, т.к. дополнительно используемые интегральные слагаемы« прогностического уравления являются величинами знакопеременными .

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ: .

1. Графический метод прогноза количества ливневых осадков (в соавторстве с А.Ф.Заводченковым). Сборник статей Воронежского ВВАИУ, 1985, вып.8

2. Метеорологические условия образования зимних гроз и оценкГ способов их прогноза - Сборник статей Воронежского ВВАИУ, 1987, вып.10.

3. Автоматизации прогноза опасных конвективных явлений на микрокалькуляторе "Электроника-БЗ-34" (в соавторстве с

А.ф.Заводченковым) - Информационный листок Воронежского ЦНТИ, 1987, N367.

4. К вопросу о связи автокорреляционной функции с пределом предсказуемости метеорологических элементов (в соавторстве с В.Н.Золоторевым и В.А.Жуковым) - Сборник статей Воронежского ВВАИУ, 1988, вып.11.

5. Усовершенствование методики краткосрочного прогноза интенсивности и количества осадков в холодный период (в соавторстве с И.А.Петриченко) - Тезисы докладов П научно-технической конференции Воронежского ВВАИУ, 1989 г.

6. О вкладе дивергенции скорости ветра и упругости насыщения водяного пара в формулу для численного краткосрочного прогноза осадков (в соавторстве с И.А.Петриченко) -Сборник статей Воронежского ВВАИУ, 1990 г., вып.12.

7. Краткосрочный прогноз вида осадков методами теории распознавания образов. - Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии, - М., 1990 г.

й. Возможность уточнения объективного прогноза количества осадков. - Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по статистической интерпритации гидродинамических прогнозов погоды - М., 1991 г.

9. Возможность усовершенствования численной схемы краткосрочного прогноза осадков.- Сборник статей Воронежского ВВАИУ, 1991 г., вып.14.

10. Синоптико-статистический метод прогноза темпе-

ратуры воздуха у поверхности Земли на 12, 24 и 36 ч. при сильных снегопадах на территории Европы. (В соавторстве с И.Л.Петриченко) *- Метеорология и гидрология, 1991 г. N9.

11. Численная схема прогноза осадков на 24 ч. по ЕТ СССР в холодный период года на основании параметризации водности облаков в интересах повышения эффективности метеорологического обеспечения авиации ВС СССР (в соавторстве с И.А.Петриченко). Отчет о НИР Воронежского ВВАИУ, 1991 г.

12. Методические рекомендации по краткосрочному прогнозу обложных осадков с учетом дивергенции и водности облаков. - Воронежское ВВАИУ, 1992 г.

13. Анализ условий осадкообразования и краткосрочный прогноз количества и продолжительности осадков по Европейской территориии страны. - Тезисы докладов Ш научно-технической конференции Воронежского ВВАИУ, 1992 г.

14. Синоптико-статиетичческиЙ метод краткосрочного прогноза сильных снегопадов (критериев ОЯ и СГЯ) на Европейской территории страны (в соавторстве с И.Л.Петриченко, В.Н.Золоторевым, Г.А.Галаховым, И.В.Таран). Тезисы докладов Ш научно-технической конференции Воронежского ВВАИУ,

1992 г.

15. Использование дискриминантного анализа для прогноза сильных снегопадов (в соавторстве с В.В.Мартыновым). Тезисы докладов Ш научно-технической конференции Воронежского ВВАИУ, 1992 г.

16. Прогноз температуры воздуха у поверхности Земли при сильных снегопадах на Восточно-Европейской равнине с

эаблаговременностью 12, 24 и 36 ч. (в соавторстве с И . А . Петриченко) .- Труды Росгидрометцентра, 1993 г.1 вып.326.