Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Характеристики циклоничности во внетропической зоне Северного полушария в задачах диагноза и прогноза климата

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Характеристики циклоничности во внетропической зоне Северного полушария в задачах диагноза и прогноза климата"

РГб од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ИНСТИТУТ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА И ЭКОЛОГИИ

На правах рукописи УДК 551.509.314 : 551.509.323/33 : 551.513 : 551.582

БАРДИН Михаил Юрьевич

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИКЛОНИЧНОСТИ ВО ВНЕТРОПИЧЕСКОЙ ЗОНЕ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ В ЗАДАЧАХ ДИАГНОЗА И ПРОГНОЗА КЛИМАТА

04.00.22 — Геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1994 г.

Работа выполнена в Институте глобального климата и экологии Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Российской академии наук.

Научный руководитель — доктор физико-математических наук, профессор Г. В. Груза

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор М. А. Петросянц

кандидат физико-математических наук Р. Г. Рейтенбах

Ведущая организация — Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.

Защита состоится «ЦЦ) » 1994 г. в » час.

«С&» мин. на заседании специализированного совета К 003.36.02 по специальности 04.00.22 «Геофизика» при Институте глобального климата и экологии по адресу: Москва, ул. Глебовская, д. 20-6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института глобального климата и экологии.

Ваш отзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 107258, Москва, ул. Глебовская, д. 20-6, спецсовет ИГКЭ.

Автореферат разослан « » ¿Ыл¿\Х/иХ. 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, /^у^^

кандидат физико-математических наук"4' Э. Я. Ранькова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность думы. Проблема диагноза и прогноза климата является одной из основных а метеорологической науке и наиболее актуальных в настоящее время, когда гозможные последстиш изменений климата осознаются не только учеными, ио и правительственными организациями и широкой обществсиносшо. Б 1978г. ВМО ислючкла блок "Данные о климате" за Всемирную климатическую программу как одну из ее важнейших частей. 3 рамках Всемирной программы климатических данных осуществляется проеггг "Мониторинг климата". Действующая на основе межправш^ельствеяинх жланюшсй IPCC (Iniergov;m.v.entsl Panel oa ClrrnatG Change) координирует усилия »0 даагшзу текущих изменений климата, выявлению их физических «ханюмсв я разработке сценариев предстоящих изменений, а также их зоследстдай для гсри-родаых и сониозгономических систем.

В настоящее время наиболее рззработанкай является часть зтт«х гселедсвакий, относкншся к пршемпым среднемесячным полям температурь^ в несколько меньшей сгетгекн - атмосферным осадкам, и хшщптуре поверхности океана. Еще s меньшей' статики разработаны :оггрсо.г, относящиеся к тропосферным метеорологаческим гтояям. В части лее, сасаккцекся .шржуякцяоикых и сккоптлгко-климатойопкеских параметре», »бота находится, яо существу, в' начальной спадай, что связано с гсраэработаилостью методов их количагтаештою списания и, соотпетстсенио, ясутсгваем надежных рядез эмпярмчесхих данных для климатических ¡ссягдовашгй (IPCC Scientific Assessment, дополнения 1992 года). В то же ремя, потребность в иих ощущается настоятельно: з частности, в IPCC92 itMCHCiio^ что "исслсджлтич изменений атмосферной гаркулящт являются лючегой темой' будугш х исследований, так как эш изменения, по всей идамости, являются шгаюй хомпог&нтой региональных изменений климата*, t то же время, яеда/ что циркуляционные проагссы играют определяющую «ль ö формировании климатических аномалий.

1&Шй_ШЁЯМ является создание методов численного описания араметров циклокичности, как одной из важнейших компонент общей тмупяшк атмосферы, для задач мониторинга м прогноза коротксиериодных' ояебкнкй климата. Падукккыг ряды эмпиричесхих данных и ляматячеопге статистики могут быть использованы для решения широкого руга задач в смежных областях: анализ траекторий циклонов и их •

изменчивости; синоптдоо-хлиматологичесхие аспекты • формировали] климатических аномалий; валидация и. сравнение моделей ОЦА используемых в экспериментах по моделированию и прогнозу предстоящи: изменений климата.

В диссертации решень: следующие задачи:

X. Предложено формализованное описание циклонов и разработок! алгоритмы их идентификации и количественного описания на основе данны барических полей в узлах регулярной сетки.

2. Получены на ЭВМ архивы расчетных параметров циклоничности н уровне 500 гПа. ■ '

. 3. Выполнен обширный эмпирико-сгатистический авалю параметре циклоничности во внетропической зоне Северного полушария. Получен) карты повторяемости и интенсивности циклонов для всех 12 месяцев; оценк многолетних статистик (средние, стандартные отклонения, минимумы максимумы, ф.п.р.) этих характеристик для различных - масштабе пространственного осреднения - в ' годовом ходе; описание ковариационно структуры поля повторяемости циклонов (пространственные корреляции дг различных пространственных масштабов; оценки е.о.ф.).

4. Проанализированы связи параметров циклоничности с , другие характеристиками климатической системы, в частности, температурнь» контрастами "материк-океан" и "экватор-полюс", и с температур« поверхности океана. Получены оценхи статистических показателей связи различных масштабов осреднения параметров циклоничности. .

5. Обоснованы формы представления параметров циклоничности д мониторинга климата и разработана технология получения материал мониторинга в реальном времени.

6. Выполнен анализ климатических трендов параметров циклоничнос во второй половине столетия. Получены мллс.ч>ценки линейного тренда, д внетропической зоны СП в целом и различных регионов; бьшолне сравнение климатических норм за два периода: 1951-1970 и 1971-19' Обнаружен рост интегральной циклоничности; описаны региональн особенности долгопериодных колебаний циклоничности.

7. Оценена информативность параметров циклоничности для прогн« короткопериедных колебаний климата. Выполнено сравнение оцег успешности прогнозов температуры по методу групповых аналогов (ГРАН использованием оперативной схемы и с дополнительно включенными в сос

предикторов циркуляционными параметрами. Показана цгласообразность исполкювания параметров циклоничности в качестве предикторов в схемах статистических долгосрочных метеорологических прогнозов.

Научная новизна работы сотоит в следующем:

- разработан метод идентификации циклонов по данным барических полей в узлах регулярной сетки; предложен набор параметров для численного описания характеристик интенсивности циклонов;

- впервые получено подробное змпирико-статистичесхое описание сезонного хода и географического распределения повторяемости и интенсивности циклонов на уровне 500 гПа для всех 12 месяцев года и всей внетропическсй зоны Северного полушария; исследована ковариационная структура повторяемости циклонов;

- впервые • получены статистические оценки связи параметров циклоничности с температурными контрастами "зхштор-полюс" и "материк-охеан", а также связи повторяемости циклонов в крупных регионах СП с температурой поверхности океана;

- проанализированы климатические тренды параметров циклоничности; обнаружен рост повторяемости циклокичнев для внетропической зоны СП в целом, в основном, за счет резкого усиления циклоничности в середине 70-х годов в районе Берингова моря;

- получены оценки информативности параметров циклоничности для прогноза температурного режима Северного полушария.

1 Разработан к ргглиэован на ЭВМ метод идентификации и расчета положения и параметров интекошгасти циклонов • по данным барических полей в узлах регулярной сетки.

2. Получены архив ежедневного положения и интенсивности циклонов на поверхности 500 гПа (с 1949г.) и его месячное обобщение а узлах регулярной сетки; ряда включены в информационную базу мониторинга и прогноза климата РФ, пополняемую оперативными данными в реальном' времени. . .i

3. Обоснована целесообразность использования предложенных параметров для мониторинга и прогноза короткопериодных колебаний климата и для обнаружения изменений климата.

4, Подготовлена практическая основа применения параметров циклоничносги в действующей системе мониторинга климата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 212 страниц машинописного текста, включая список литературы из* 97 наименований, 48 рисунков, 28 таблиц, 4 приложения.

Апробация результатов. Результаты, заложенные в работе докладывались на Всесоюзной конференции "Исследование взаимодействш мезо- и макропроцессов в атмосфере и применение статистических методов i метеорологии", Алма-Ата, 1981, V Всесоюзном совещании "Применешн статистических методов в метеорологии", Казань, 1985, Советско американско\ совещании по проблемам мониторинга и прогноза климата (Москва, 1989) VI Всесоюзном совещании "Примените статистических методов з метеорологии" (Светлогорск, 1990), Совещании группы экспертов т мониторингу климата (Хельсинки 1991; материалы включены в двухлетни; обзор BMQ The Global Climate System 1988-1991), Всесоюзной конференци; "Методы диагноза и прогноза климата" (Ленинград 1992), 18 Climate Diagnosti Workshop, Boulder, Co, 1993, совещаниях по мониторингу климата в Москв« Обнинске, Ленинграде. '

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе предлагается метод идентификации и количественно! описания циклонов по данным барических полей в узлах регулярной сетки, также описываются исходные данные, методика расчета и результируклш архивы параметров циклоаичности на уровне 500 гПа.

Объектом исследования является циклон, классически определяемь как область низкого давления, ограниченная замкнутыми изолиниями J барической карте. Однако, последовательное отслеживание и анал; замкнутости изолиний алгоритмически неэффективны. Поэтому был выбр; другой способ идентификации, одновременно дающий возможность удобно численного расчета ряда параметров интенсивности циклона. Этот споо основан на том, что циклон является вогнутой областью изобарическ! поверхности, т.е. лежащей ниже некоторого семейства секущих поверхност

постоянного уровня. Отсюда эквивалентное определение: циклон есть максимальная по вложению (одно)сзязная область, ограниченная некоторой линией уровня, содержащая единственный минимум (простой или плато) и не содержащая точек границы карты (этим исключаются ложбины). Таким образом, рассматриваются только ояноцентровые циклоны.

Для количественного описания циклонов предлагается следующий набор параметров:

~ положение циклона характеризуется координатами центра Хц (точки минимума или центра тяжести плато); - интенсивность описывается: .

- площадью циклона = „ (площадь области О внутри

- глубиной = Н(АТо) - Н(^ц) (разность значения крайней изолинии Н(Хо) и значения в центре);

[Хо))&%/ 5 (1$ (средняя глубина);

Кроме этих, предложены некоторые более тонкие производные характеристики.

Оказывается, выделение определенных выше циклонических областей и расчет их параметров легко реализовать алгоритмически, используя кусочно-линейную модель поверхности Н(АГ), определяемую триангуляцией сетки диагоналями прямоугольников. Тогда для заданной точки экстремума и уровня С выделение области (А' : ЩХ) < С} сводится к выделению связного подграфа триангуляции, в вершинах которого Н(Х) < С Остается, начиная с С=Н(ЛГц) и уменьшая С с некоторым шагом, проверять необходимые условия;, когда они перестают выполняться, предыдущий шаг соответствует искомой циклонической области. Расчет количественных параметров не представляет принципиальной сложности: площади и объемы составляются из треугольников, тетраэдров и призм, для которых выписываются явные формулы. -

■ Для отыскания точек ■ минимума используется вариант метода градиентного спуска; однако эффективность этого алгоритма ухудшается наличием плато (нередких в архивных полях Н500): показано, что от этой трудности нельзя избавиться алгоритмически.

ограничивающей изолинии); - значением в центре = Н(Хц);

Алгоритм реализован для ЭВМ ЕС. Полученная программа использована для расчета ежедневного архиеа циклонов по архиву данных Н500 с 1949г, полученному из ВНИИГМИ-МЦД и подвергнутому некоторой обработке. На основании полученного архива расчитан архив месячных обобщений в узлах регулярной сетки: число циклонических центров над прямоугольником сетки 5x10° за месяц; средняя площадь; масса; глубина и значение в центре этих циклонов.

Следует отметить, что несмотря на использование весьма эффективных алгоритмов расчет ежедневных данных о циклонах занимает заметное время; 15-20 минут на ЭВМ ЕС-1060 для одного года.

Во второй главе анализируются эмпирико-статистические характеристики параметров циклоничности.

В первом разделе главы рассматривается повторяемость циклонов Построены карты повторяемости центров для всех 12 месяцев для базовой периода 1951-1980. Показано, что основной особенностью географической распределения циклонов является наличие компактных областей высоко; повторяемости, ассоциирующихся с границей суши и моря (северная част Тихого океана; полярная Канада - Гудзоков залив - Ньюфаундленд Исландия; Средиземноморье - Малая Азия - Черное море), причем первы две системы расположены севернее климатического положения ПВФЗ ассоциируются с сезонным положением климатических ложбин. Имеете выраженная сезонная динамика внутри этих областей; в частности, максиму] повторяемости в Тихом океане зимой у азиатского побережья смещается Берингово море весной и залив Аляска летом, и далее в обратном порядк появляется летний максимум повторяемости в районе Исландии; Средиземноморской области зимаий максимум в районе Апеннин смещае-к в теплый период в Малую Азию и далее - в Черное море. Выполне! сравнение' карт повторяемости, полученных автором, 'с • ра» опубликованными (полученными по коротким рядам и для ограниченнь регионов) другими авторами, а также сравнение карт, полученных по архи автора для трех 10-летних периодов: 1951-1960, 1961-1970, 1971-1980. Показа» что основные черты распределения повторяемости устойчивы (хотя ее некоторые расхождения между данными разных авторов из-за разлит периодов и методов обработки). Однако, имеются некоторые области высок

повторяемости, обнаруживающиеся на коротких рядах, но из-за колебания положения пропадающие на средней карте за 30 лет.

Получены пространственные обобщения по областям, выделенным на основе анализа карт повторяемости; это иерархическая по пространственному масштабу система областей: (1) внетропическая зона в целом; (2) крупные регионы - секторы: Атлантика; Европа; Сибирь; Дальний Восток-запад Тихого океана; восток Тихого океана; Америка; (3) области высокой повторяемости; (4) зональные обобщения. Для этих регионов оценены климатические статистики в сезонном ходе. Показано, что для интегральной повторяемости минимум достигается в феврале (-7 центров на суточной карте в среднем за месяц), а максимум - в нюне (> 9 це/ггров), а интенсивность циклонов, напротив, в зимой максимальна, а минимальна летом-осенью (суммарная

< /у

площадь циклонов на суточной карте Изменяется от 18-10 кмЛ в январе до ,7'IO^KM^ а октябре, а средняя интенсивность одного циклона - ст 72м в январе до 44 м в августе). При этом годовой ход и межгодичная • изменчивость дают соизмеримый вклад в суммарную дисперсию (вклад годового хода в дисперсию ряда с. исключенным линейным трендом около 45% для повторяемости и от 30 до 50% для различных характеристик шатснсквности). Аналогичные закономерности (с незначительными вариациями) прослежитшстся и для обобщений по крупным регионам. . Максимальная повторяемость цккяонрэ во все сезоны обнаруживается i:a широтах 50-55°, а тггенсиЕносп» максимальна несколько «зерне® (55-60°).

Функции плотности распределения всех характеристик, как и следовало • ожидать» отличаются юшметричиостью (с тяжелым правым "хвостом"), растущей с уменьшением маепзтабаосредвдния.

г Анализ iecrparte .то. распределения пар?>лстроэ кнтексшиосга цзклояоз показывает, «rfô o;ni а салом accoiœstpyraréa с областями высокой ковторнемосш циклопоп, едкаm игсколько смешены относительно последних; кроме того, зимой основное максимум интенсивности гдалонов находится не .над-западал.! побережьем Тихого сжеата {как для позторясмости), а над ■ севером Канады,' ' \ . '

Анализ ковз|»юка:кой структуры повторяемости показывает калитеб йаяьЕВХ к&рреляхдайкяих связс.й между отдельными регионами Северного пчлуШ2р»я (рассматхяэалмсь корреляции ках между исходными рядами, так н игкду рядами с исключенными З-яеппшя средними - для исключений койкдащяи, оС^тлойлгияой трендом). Выделяется положительная корреляция

между секторами Тихого океана и Северной Америкой (порядка 0.5); она проявляется также в корреляции между областями высокой повторяемости в Тихом океане и в районе Ньюфаундленда (хотя между Тихим океаном и районом Гудзоном залива наблюдается зимой отрицательная корреляция до -0.47). Отмечаются также характерные черты междуширотных корреляций, в частности, отрицательная связь между широтами, различающимися на 15-20°. Выполнен анализ главных компонент повторяемости (для устранения смещения порядка (размерность)/(объ<уц выборки) в оценках использовались псевдозначения "складного ножа"). Первые две ЕОФ объясняют, немного более 20% суммарной дисперсии. Форма первых. ЕОФ показывает, что основной вклад в дисперсию вносят области высокой повторяемости.

В последнем разделе главы рассматриваются связи между повторяемостью циклонов и некоторыми физико-географическими факторами, такими, как распределение суши и моря, горы, а также приведены некоторые результаты анализа корреляционных связей с положением планетарной высотной фронтальной зоны.

Показано, что имеются характерные черты повторяемости, связанные, по-видимому, с распределением горных массивов, которые носят, однако, выраженный сезонный характер (что, вероятно, объясняется сезонной изменчивостью основных воздушных потоков).

1 Ассоциация областей высокой лоэторяемости циклонов с границе! суши и моря является наиболее . характернй чертой распределенш циклонических центров. Сезонная динамиха таких областей, приуроченных 1 океаническим побережьям (смещение основных очагов повторяемости о западных побережий океанов зимой на восток в теплое время) может быт объяснена сезонным изменением знака температурных контрастов на границ материк-океан.

Анализ корреляций повторяемости циклонов с положением ПВФ (определяемой для каждого месяца климатической осевой изогиясой ■ п Ю.В.Храброву; архив получен Г.А.Нестеровой) показывает, что связь наиболе отчетливо проявляется в области климатических ложбин над Тихим океако; и западным побережьем Атлантики: отрицательная (смещение ПВФЗ к юг при усилении циклоничности) и наиболее сильная - летом, и положительна - зимой. Последняя может объясняться, например* тем, что смещение ПВФ к югу означает усиление средней зональной циркуляции, которая становит< более устойчивой к возмущениям.

В третьей глава рассматриваются связи параметров циклоничиости с температурными контрастами "экватор-полюс" и "материк-океан", а также с температурой поверхности океана.

Общие соображения, связанные с тем, что контрасты "экватор-полюс" определяют общую интенсивность циркуляции, а контрасты "материк-океан" -возмущения зонального потока, позволяют предполагать наличие связи между циклом гчностъю и этими контрастами.

Контракт "экватор-полюс" определяется как разность средней температуры тропического пояса (15-25°с.ш.) и полярной области (S0-90°cja.). Контрасты "океая-материк" рассчитывались в полосах вдоль береговых линий с максимальными климатическими значениями градиента температуры. Рассчитаны времешше ряды этих параметров за 1891-1980 и проанализированы- их статистические характеристики. В годовом ходе контрастов "экзатор-полюс" как для средних, так и для дисперсий минимум наблюдается летом, а максимум - зимой. Годовой ход градиента "материк-океан". определяется тем, что летом материки теплее океанов, а зимой -наоборот (кроме северной части атлантического побережья Америки, ■ где летом градиент в среднем кулевой).

ff качестве показателя связи • используется статистка Р(х < у), оценивающая вероятность того, что для значений параметров циклоничиости X и Y, соответствующих значениям контраста "ниже нормы" и "выше нормы" соответственно, выполняется неравенство X < Y (контрасты делятся на три равновероятные градации). Такая статистика выбрана, чтобы не использовать стандартную корреляцию для несимметричных распределений. Эта статистика сказывается линейной функцией затабулированной статистики Уилкоксона (та, является ранговой по природе), что облегчает статистические выводы. Кроме того-, для учета влияния низкочастотных изменений наряду с исходными • среднемесячными данными рассматривались данные с исключенными скользящими 5-летсими средними. Результаты, в общем достаточно сложны, однако можно выделить некоторые наиболее общие и яркие. . .

Связи повторяемости с контрастами "экватор-полюс" зимой в основном отрицательны, что согласуется с представлением о том, что циклоничность выше при пониженной интенсивности зональной циркуляции (это же проявляется в сезонном ходе). Летом же отрицательные связи наблюдаются, в

.

основном, в Тихоокеанском (западном) секторе; южнее 55° ели связи с интенсивностью (в фильтрованных данных) положительны.

Связи с контрастами "океан-материк" более сложны. Прежде всего, следует упомянуть зимние положительные. связи южных частей американского побережья Атлантики и азиатского - Тихого океана как непосредственно с циклоничностью в прилегающих областях, так и с интегральной циклоничностью (летом связь для Атлантики сохраняется, а дня Тихого океана - меняет знак). Интересной, хотя и неочевидной, выглядит отрицательная связь контрастов северной части азиатского побережья с повторяемостью циклонов в заливе Аляска (летом, когда именно там самая высокая повтряемость циклонов).

Для территории России интересна положительная связь контрасте! европейского побережья Атлантики с повторяемостью циклонов над Еврог.о! в полосе 45-б0°с.ш.

Для анализа связей повторяемости циклонов в крупных региона; (секторах) Северного полушария с температурой поверхности океанов качеств! показателя связи рассматривалась условная средняя величина аномалии ТПС при значении цшелоничшетн в данном регионе выше . медаанногс Анализируемый период - 1957-1986гг. - определялся тем, что именно он бы базовым для имевшегося в нашем распоряжении ряда ТПО (в узлах сетк 5x5°), так что именно для него мы могли получить "симметричные" по знак результаты.

Основные вывода состоят в том, что,во-первых, имеются обширны ярко выраженные области в океанах, где оценки связи имеют одинаковы знак, что указывает на реалистичность связи для этих областей независимо с статистической значимости значений в отдельных узлах. Важны подтверждением (и б данном случае более ярким) наличия свя: повторяемости циклонов с температурными контрастами "материк-океа! служат зимой прибрежные полосы значительных положительных аномалг ТПО вдоль тихоокеанского побережья Евразии, соответствующие повышение повторяемости циклонов в Тихом океане. Другая чрезвычайно характерн; черта связей, повторяемости циклонов в западной и центральной част Тихого океана с температурой воды - наличие обширной облас отрицательной связи (т.е. отрицательной аномалии температуры воды п) повышенной повторяемости циклонов) в полосе 30-50° слн. с максимумом районе 40°с.ш.-160°за, и весьма сильную связь температуры воды в юг

восточной (тропической) частя Тихого океана с повторяемостью циклонов в Северной Атлантике: отрицательную зимой и положительную летом. Кроме того, следует упомянуть изучавшуюся В.Г.Семеновьш и Г.МШушевской связь аномалии Tw з Северной Атлантике с повторяемостью циклонов над Атлантикой и в Европе: эта связь, в действительности, наблюдается как зимой, так и летом.

В четвертой главе рассматривается применение параметре» циклоничности в задачах мониторинга и обнаружения Изиенений климата и прогноза короткоперяодяых колебаний климата.

В перюм раздел приводится обоснсвагаю и описание схемы практического мониторинга параметров циклоничности. ■

Квазиоперативная (в том смысле, что данные мониторинга могут получаются в реальном времени, но не включены в ежемесячный регламент) -схема мояиторянга циклотгагости включает:

I) историческую базу: месячные обобщения в узлах регулярной сетки -БД "Прогноз* на ЭВМ ЕС ГВЦ Росгидромета; обобщения по избранным регионам (система которых обоснована во второй гласе) и климатические статистики - информационная база мониторинга и пропила климата на IBM PC ОМВПК ИГКЭ;.

2) схему квазиоперативяого расчета параметров мониторинга: расчет ежедневных характеристик циклонов по данным анализов H5G0 из БД "YEAR" и месячных обобщений в узлы регулярной сетки - ЭВМ EQ расчет пространственных обобщений и аномалий - IBM PC,

3) блок подготовки выходных материалов мониторинга - IBM PQ

Обобщение опыта представления материалов мониторинга показывает,

что дли агоитаза атмосферных процессов необходимо представление сивоппгео-климатслогических параметров за достаточно • длительные промежутки времени - 1-2 года, и в комплексе, т.е. совместно характеристики повторяемости и интенсивности циклонов для различных масштабов аространствешюго обобщения (иначе, з силу сложной природы этих объектов, возможны ошибочные общие выводы). Приведены различные формы представления материалов мониторинга для 2-летних обзоров климатической системы (в том числе, использованные в сбзоре The Global Climate System 1988-1991). .

посвящен анализу климатических трендов параметре! циклон-чности. Исследование включало анализ , линейных трешки интегральных и обобщенных по крупным регионам характерней» циклоничкостеза базовый период 1951-1980пг. и сравнение средних (норм двух 20-лстних периодов: 1951-1970 . и 1971-1990гг. Поскольку мллг.-оцеша линейных трендов весьма чувствительны к выделяющимся наблюдениям особенно на концах анализируемого временного интервала, использовала« метрическая шйзэризация остатков с весами, линейно убывающими от 2.0 : середине ряда до 15 на краях.

Показано, что общая тенденция - рост интегральной цаклоничности в вне-тропической зоне Северного полушария во второй половине столетю наиболее выражен рост повторяемости циклонов (значимый летом по крайне: мере на 5% уровне). Основной в:слад в угу тенденцию дает область Берингов моря, где в середине 70-х годов произошло резкое увеличение поэторяемост циклонов. Это согласуется с данными 1РСС о резком уменьшении среднег давления над северной частью Тихого Океана и сопряженных изменения тихоокеанских центров действия атмосферы. Сопутствующее понижен» температуры воды в этом регионе, вероятно, вызвано ¡ыЛхолаживанпем пр повышенной ..циклоаичности. Однако, / на фоне общей теиденци прослеживаются региональные особенности, в частности, уменьшен! циклоничности над юго-западом и северо-востоком Европы; на зашц Северной Америки и, б особенности, над заливом Аляска...

Тргткй раздел гласи поссящен анализу ииформатшшосго параметр* циклоиичности в задачах прогноза короггкопериодных колебаний климат Сначала анализируются автокорреляции с месячным лагсм этих параметре та возможность азгорегрессионного прогноза. Обнаружено, чтй а зоиальэд повторяемо и летом наблюдается заметная инерционность (г~05). Напроп инерционность поьторяемогги в «кюр&х проявляется зимой (Тихий океа-Рассмотрение карты значеаий коэффициента корреляции в узлах ссг.ш зим также показывает заметную положительную корреляцию над беринговь морем и залгаом Аляска; над Атлантикой и большей частью Европы сю отрицательна. - , • • . . . •

Далее анализируются корреляционные оценки информативное характеристик циклонической циркуляции (несколько другие парамец рассматривались очаги отрицательной' аномалии Н500, превосходящей модулю стандартнее отклонение) для пропюза средней месячной температу

ассматривались очаги отрицательной аномалия Н500, превосходящей по юдулю стандартное отклонение) для прогноза средней месячной температуры оздуха над крупными регионами Северного полушария. Показатель связи читывал число значимых корреляций для разных регионов или сдвигов; его начимость оценивалась, как для схемы Бернулли (q; 1-q), где q -»верительная вероятность. Наиболее информативными оказались: район евера Канады и западной части Атлантики (зимой и летом); северной части Тихого океана (зимой и летом; особенно Берингова моря); Средиземноморья, 5осточной Европы и Западной Сибири (летом). Лаги, на которых ;арактеристики оказываются наиболе наиболее информативными, -1, -7 и -12 лесяцез.

' В заключение приведены оценки, полученные в экспериментах по гсполъзованию циркуляционных параметров в качестве предикторов для 1рогноза температуры воздуха по схеме ГРАН (групповые аналоги) с ттимизацией состава предикторов (т.е. для каждого индивидуального фогаоза подбирался свой состав предикторов, оптимизирующий априорное сачество). Производилось сравнение оценок успешности с оперативно юйствующей схемой прогноза. Показано, что учет циркуляционных тарам етров существенно увеличивает качество точти во всех жспериментальных прогнозах (24 случая): оценка APS в среднем гвелнчивается с 034 до 036, а в ряде случаев увеличение составляет 0.05-0.07. Что касается апостериорных оценок, то здесь можно отметить, что улучшение иблюдается в тех случаях, когда оценки по оперативной схеме были эсобенно неудачны (оценка APS хуже, чем у климатического прогноза); в эстальных случаях оценки были примерно одинаковы.

В заключении представлены основные результаты и выводы, полученные в работе. •

1. Обосновано формализованное определение циклоноз, позволяющее алгоритмически идентифицировать их по данным барических полей в узлах ■ регулярной географической сетки. Разработан метод количественного описания положения и интенсивности циклонов, алгоритм и программные средства идентификации и расчета численных параметров циклонов по ежедневным данным барических полей в узлах регулярной сетки.

X По данным архиве геоштенциала Н500 получен архив ежедневных данпы:; о положении и кол^чесгвекных параметрах индивидуальных циклонов и их интегральных обобщений для внетропической зоны Северного полушария. Рассчитаны временные рады ежемесячных обобщений параметров циклонячиосги (повторяемость и интеисмвиссть циклонов) в узлах регулярной сетки 5x10°.

3. По данным подученных архивов проведен подробный статистический анализ фгаико-географичесхях и сезонных особенностей распределения и интенсивности циклонов; построены карты повгоргемистн циклонов для всех 12 месяцев; исследована ковариационная структура поля повторяемой! циклоноа Показано, чго:

- в сезонном ходе повторяемости циклонов ьшхимум достигается летом, а зимой наблюдается минимум, в то время как ход интенсивности циклонов противоположен: > .

- ео все сезоны существуют компактные облили высокой пЕШорхсмосп циклонов (северная часть Тихого омижа; pa.Ro!; Гудаошша :шшва • Ньюфаундленда; Средаташсморъе); пгл:азака их устойчивость дав разлиздок

" частей анализируемого периода; отсмеата их риоиаая динашаа; .

- з хоазрадииониоЛ структуре доаторяшссти цикяоког вддеяяюто дальше корргллцяомше тали между сч'йлькмьш регжкзмк . («гириЬкр районом Ньюфаундленда к севером Тнхсто .оксапа) и -'тлзду цшреяам! (отрштелыше корреляция аи.-рог, разлчча1хцлиск на. 15-20°); формы пераы ЕОФ покааикиаг, что фбласпг высокой шкяфксьюсга внося? ослсвпсЯ гама; в даспсрано; • './'-' : '. ,

- прослеживается ашъ каяожеакя облгялЧ шестой Еозторкгкосш такими физ ло-геогргфачшиаи*. факторам?, как гркшщм мамршгоа и марс! горы; а так;;;е с сезонным поашшякм дюйиа ПБСЗ. 1

Обоснован выбор • физдомвогрфичесхих . - р-ггг.одаз . дв пространотетьж сбо&цгний «арамегрз» ,'¿цашошгаростш 'д;ш дигшоз клкьшя:' внетрошш: О-всрсого паяушарая ь цгпо;.: - .к?5т«иьж рггшки (сектора) - области высокой кдаторксмосгн' «¡шшвое; »одаливыз обобщена: По>.,ч»кы сгатнспшк йарамстра» цшшшлвжяа дет жиж. рижейга.'

4. Получек ■ згА'.гетрк'^аЧгггткстдагсжаг ирыстерясйжз кмаёрзлурш кскграстоз " ^искмор-гамгос" -р Лште^&жчиювя'У жикетгос-и' сготвэтичесза

анализ связей величины этих контрастов параметрами циклоничиости для различных масштабов пространственного обобщения. Показано, что зимой связи контрастов "экватор-полюс" с повторяемостью в основном отрицательны (что согласуется с общими представлениями и с годовым ходом этих параметров). Структура связей цихлоничности с контрастами "материк-океан" более сложна, но можно выделить роль контраста?) вдоль южных частей атлантического побережья Америки и тихоокеанского побережья Евразии в формировании циклоничности как в непосредственно прилегающих к ним регионах (Атлантика п север Тихого океана), так и во всей вкетропкческой зоне. Представляет интерес для территории России положительная связь контрастов атлантического побережья Европы с повторяемостью циклонов над Европой. .

5. Выполненный анализ связи повторяемости цихлонов в крупных регионах (секторах) Северного полушария с ТПО подтвер?вдает наличие связей с контрастами "материк-океан". Кроме того, выявлено наличке обширной области отрицательной связи с температурой воды Тихого охеака в полосе 30-50° ели с максимумом г. районе 40°с.ш.-1б0п1Д., и весьма сильную связь температуры воды в юго-восточной (тропической) части Тихого океана с повторяемостью циклонов в. Северной Атлантике: отри, .ательную зимой и положительную летом.

6. На основании проведенного статистического анализа параметров циклоничности для обоснованной системы регионов построена схема квазноператнвного получения данных мониторинга параметров циклоничности в системе ЕС ЭВМ ГВЦ Росгидромета - IBM PC ОМВПК ИГКЭ. Опыт мониторинга данных циклоничности показал, что наилучшей для анализа является форт представления комплекса материалов для разных параметров за промежутки времени 1-2 года или более. Представлены графические выходные Материалы мониторинга. ..

7. Выполнен анализ климатических трендов параметров цихлоничности. Показано, что тенденция изменений для внетропиков в целом положительна как для повторяемости, так и для интенсивности циклонов. Основной вклад в эту тенденцию дает резхое усиление циклоничности в районе Берингова моря во второй половине 70-х годов. В то же время, в ряде регионов наблюдались

отрицательные изменения циклоничности (в том числе, на северо-востоке и юго за'-ще Европы, вдоль западного побережья Америки).

8. Оценена '; возможность авторегрессионного прогноза параметро; циклоничности. Получены оценки автокорреляций с лагом 1 месяц яя* различных масштабов пространственного осреднения. Показано, что инерции повторяемости циклонов проявляется в основном зимой в тихоокеанской регионе, а также над Ньюфаундлендом; над Атлантикой и большей чаегьк Европы наблюдается отрицательная связь.

9. Получены корреляционные оценхк информативности параметро: циклоничности для прогноза средней месячной температуры воздух® Показано, что наиболее информативными являются регионы севера Канада западной чаелг Атлантики и северной части Тихого океана (особенно райо: Берингова моря).

10. .Проведены эксперименты по включению ' синоптике климатологических параметров (характеристики ЦПВ и ПВФ! циклоничность) в качестве преднктороз в схему прогноза средней месячно температуры воздуха по методу групповых аналогов (ГРАН). Показано,. чт включение этих параметров заметно улучшает априорные оцмжн хачесп прогнозов почти ю всех случаях. Апостериорные оценки не дают возможное! "делать однозначный вывод; еднакс можно заметить, что благодаря учет циркуляционных параметров наиболее неудачные прогнозы по схеме ГРА' несколько улучшажггея.

Основное содержание диссертации" опубликовано в работах:

1. Бардин М.Ю. Описание метеорологических полей характеристиками выбросов. - Труды ВНИИГМИ-МЦД, 1983, вып.97.

2. Бардин М.Ю, Нестерова Г.А. Пространственно-временные связи приземной температуры с характеристиками крупномасштабной циркуляции. - Труды V Всесоюзного совещания "Применение статистических методов в метеорологии", Казань, 1985.

3. Бардин М.Ю, Нестерова Г.А. Анализ климатической изменчивости некоторых характеристик циркуляции та уровне 500гПа.' - Труды Гидрометцентра СССР, 1987, вып. 294.

4. Бардин М.Ю, Нестерова Г.А. Пространственно-временные связи приземной температуры с характеристиками крупномасштабной циркуляции на уровне 500 гПа,- Труды Гидрометцентра СССР, 1987, вып. 294.

5. Бардин М.Ю. Статистические характеристики цихлоничностц на уровне 500 гПа в Северном полушарии - Труды Гидрометцентра СССР, 1990, вып. 304.

6. Бардин М.Ю, Нестерова Г.А. Корреляционные связи характеристик циклоничности и положения планетарной высотной фронтальной зоны. -Труды Гидрометцентра СССР, 1990, вып. 304.

7. Бардин М.Ю. Контрасты "полюс-экватор" и "мат эдк-океан" в поле температуры воздуха на уровне моря (статистические характеристики и климатическая изменчивость) - Мониторинг и вероятностный прогноз климата. Санкт-Петербург Гидромегеоиздат 1992.

8. Бардин М.Ю, Нестерова Г.А. Об использовании характеристик циркуляции средней тропосферы в вероятностном долгосрочном прогнозе температуры воздуха. - Метеорология и гидрология, 1993, N0.8.

МП «Петит»