Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка возможности прогноза аномалии месячного количества дней с нелетными для авиации метеорологическими условиями

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Оценка возможности прогноза аномалии месячного количества дней с нелетными для авиации метеорологическими условиями"

ГОМИТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУ1АЩЕЯ СРЕДЫ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПШРОДШХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рухопнои УДК 551.509.33

ЧУПРИН НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ Ш 0ГН03А АНОМАЛИИ МЕСЯЧНОГО КОЛИЧЕСТВА ДНЕЙ С НЕЛЕТНЫМИ ДЛЯ АВИАЦИИ ИЕТЕ0Р0Л0ГИЧЕСКШ1 УСЛОВИЯМИ

Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология,

агрометеорология

Автореферат диосертации на ооисканив ученой степени кандидата географических наук

Москва-1992

Работа выполнена в Воронежском высшем военном авиационном инкеверном училище и Росгидрометцентре.

Научные рую водители: доктор геогра^ичеоких наук,

профессор А.А.ВАСИЛЬЕВ

кандидат географ!ческих наук, доцент Т.Н.ЗАД0Р0ЖНАЯ

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профеосор С.П.ПЕРЕВЕДЕНЦЕВ, кандидат географических наук,

отарший научный оотрудник Р.М.ВИЛЬФАВД

Ведущая организация: войсковая часть 52676 "Г"

Защита диссертации состоится " " , 1992 г.

в 44 часов на заседании Специализированного совета К 024.05.02 в Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской Федерации по адресу: 123242, г.Москва, Б.Предтеченски1 пер., д. 9-13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрометеорологического научно-исследовательского центра.

Автореферат разослан * сктА^рЛ- 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета ,,

кандидат географ, ваук Ссг-е'-ц/ А.И.Страшная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Планирование летной деятельности авиации ВС не месяц и более предполагает использование различной ■шформации, в том числе и метеорологической. В настоящее время прч метеорологическом обеспечении используются различные статистичое--кие характеристики. Однакс опыт работы показывпет, что такая информация, выполненная,как правило, в виде климатических справок 1ли описаний не удовлетворяет требованиям потребителя.

В связи с этим является актуальной проблема разработки методики прогноза псгодных условий, удовлетворлюдих интересе»- авиации ю планированию летной работы.

Важными элементами воздушной обстановки являются низкая обычность и ограниченная видимость, которые в комплексе определяют

п

зложность летно-метеорологических ^словий, ограничивающих или юлностью исключащих выполнение плановых мероприятий. Поэтому заблаговременное предупреждение о частоте их появления в пределах юнкретных месяцев будет способствовать эффективному распределению <ак материальных ресурсов, так и физических затрат, связанных с 1етной подготовкой. •

Цель исследования. Оценить возможность месячного прогноза гомплекса метеорологических условий, включающих в себя низкую об-шчность и ограниченную дальность видимости в пределах 8 нго^ 150м, 1ри 7 бал. и (или) Vщ} < 1500к., с максимально возможной заблаго-зременностью.

Метод1<уа исследования. Реализация поставленной задачи прово-;илась путем синоптико-статистического анализа гидрометеорологи-геских полей с привлечением метода главных компонент, корреляцией-юго анализа и способов объективной типизации. Разработка методики прогноза данного комплекса метеорологических условий о^уществ-

лялась о использованием множественной пошаговой регрессии,параметрического дискрпмипантного анализа. Все расчеты выполнялись на ЭВМ 1',С - 10^.

Научная нови»на. Ъервые н качестве объекта прогноза используется комплексный показатель сложности летно-метеорологических ! условий погоды. При этом исследуются не отдельные случаи (результаты наблюдений за (¡тксированные сроки), а временные интервалы с О - Ь L'ÜCÜfiOii HCllpepUBHOÜ их продолжительностью, которые условно названы нелетними сменами. С учетом специфики летной деятельности авиаирш ВС анализ смен проводится по трем вариантам выборок: дневным, ночным и суточным данным. Проанализирована их пространственно-временная статистическая структура. Выявлены климатические особенности отдельных районов исследуемой.территории для месяцев первой по но вины холодного полугодия.

Проведено исследование по оценке вклида различных параметров пчде.тнлг'тциП поверхности (Северная Атлантика), атмосферной циркуляции и центров действия атмосферы (Ц Д А) и формирование нелетных условий погоды. Предложено несколько вариантов регрессионного прогноза аномалии месячного количества нелетных смен Ч дЬ) с заблаговременностью от одного до пяти месяцев.

Оценена ^аномальность полей дЬ с помощью объективного параметра А и проведена их типизации. Дополнительно к полямдЬ каждого месяца Ь (ноябрь, декабрь, япг"рь) применена процедура объективен (машинной) типизации Головкина Г.А., что позволило вмде.шть по восемь существенно различимых ,v¡eеду собой типов .

Сделана попытка выявить характерные особенности в распределении аномалии приземного давления,полей геопотенциала И 500 ■ индексов циркуляции ¡й'.ца, Блиновой, а тьк.ке аномалии ÁTwj, в Северной Атлантики в шести предшествуш;их месяцах.

Впервые предложена методика Б'.сделения типов полей с преобла-

4

анием положительной и отрицательной аномалии дЬ и их уточне-|ця по степени аномальности с Помощью дискриминантного анализа, [спытано насколько вариантов схем прогноза и оценена их уопеш-юсть на зависимой и независимой выборках. Заблаговременность фогноза лЬ составляет от одного до пяти месяцев. .

Практическая ценность. Разработанные сх< ми месячного прогно-1й' позволяют, по сравнению с их климатическими прогнозами, рачительно повысить эффективность метеорологического обеспече-1ия планирования летной работы на ноябрь, декабрь и январь месяцы [ после оперативных испытаний могут быть рекомендованы к практическому использованию в интересах как авиации ВС, так и ГА.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной рабо-и докладывались на второй научно-технической конференции Воро-[вжского ВВАИУ, посвященной проблемам повышения эффективности ютеорологического, аэродромно-технического обеспечения авиации С СССР (март 1989 г.); на третьей Всесоюзной конференции по авиаионной метеорологии (Суздаль, май 1990 г.); на пятой военно-ручной конференции Воронежского ВВАИУ (ноябрь 1991 г.)у на семи-[арах кафедры метеорологии метеорологического факультета Воро-[ежского ВВАИУ (март 1990 г., сентябрь 1992 г.), на объединении семинара по краткосрочным и долгосрочным прогнозам погода 'осгидр-метцентра (сентябрь 1992 г."), мониторинга природной среди ; климата (сентябрь 1992), а также опубликованы в отчете по науч-о-исследовательской работе (декабрь 1989 г.) и пяти научных татьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, яти разделов и заключения. Объем работы вставляет 106 страниц ашиног.исного текста, '(2 таблицы, 50 рисунков и приложение на 3 страницах.

Список использованных источников включает 183 наименования,из

них У5 - иностранных авторов.

0СН0иН(Ж СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности рассматриваемого исследования, определены цели и показана новизна работы, кратко излагается основное содержание каедой главы.

В первой главе анализируются исследования, посвященные проблеме долгосрочных метеорологических прогнозов, рассмотрены основные подходы г ее решению, проведен анализ существующих способов месячного прогноза различных метеоэлементов, применяемых в оперативной риботе. Сделан вывод о том, что существующая организация обеспечения специализированными прогнозами (на пентаду,<декаду, месяц) не вполне удовлетворяет потребности авиации. На основании изучения результатов исследований по проблеме долгосрочных метео-роногических прогнозов выдвинуто предположение о возможности месячного прогноза комплекса метеоусловий, оказывающих отрицательно^ влияние на эффективность летной работы.

Развитие решения проблемы прогноза метеорологических элементов и явлений погоды на длительные сроки в интересах авиации воз-могшо в трех направлениях: гидродинамическом, статистическом и синоптическом. В последние годы основное условие ученых направлен на разработку гидродинамических методов прогноза.

Постановка и первое решение задачи о долгосрочном прогнозе погоди на длительные сроки методами гидродинамики принадлежат

I

Е.Н.Блиновой.

Новое направление в теории долгосрочного прогноза погоды создал Г.И.Марчук. Его подход основан на совместном решении уравнений гидротермодинамики для атмосферы и океана с использованием сопряженных уравнений, которые позволяют разрабатывать прогнозы циркуляции в средней тропосфере на несколько месяцев вперед.

Низкая облачность и ограниченная видимость, оиаэ^вагщче су-зственное влияние на безопасность полетов, являются результатом 5аимодействия многих физических процессов, описание которых с >мощью уравнений термо-гидродинамнки затруднено, а зачастую невоэ-)!Ш0. Поэтому при разработке долгосрочных метеорологических прог->зов используются, главным образом, синоптические и статис.тичес-(е методы исследований.

Основоположником синоптического метода является Б.П.Мульта-звский. Его идеи нашли дальнейшее развитие в работах С.Т.Пагвры, .А Педя, А.И.Угрюмова и др. Большое внимание уделяется ими изу-знию особенностей циркуляции в тропосфере и стратосфере.

Исследования С.Т.Пагавы А.С.Монина, В.Г.Семенова, А.Л.Капо, .Н.Крындина, Ю.В.Николаева, Д.А.Педя, А.И.Угрюмова и др. покпзп-I, что формирование долгопериодных аномалий погоды в значительной гепени зависит от термического состояния океанов, которые следует читывать при разработке методов долгосрочных прогнозов погоды.

В последнее время делаются попытки регработки "пособов дол-эсрочных прогнозов погоды на основе совместного учета цирчуля-лонных (параметры циркуляции тропосферы и стратосферы) и термм-еских (Тепловое состояние подстилащей поверхности океанов) фвк-эров. Решение отой задачи осуществляется путем использования гатистичесних методов (П.А.Багров, Н.Н.Мякишева, М.И.Юдин, Е.П.Бо-абенков, Г.В.Груза, Е.Я.Ранькова и др.).

В целях успешного решения проблемы прогнозов погоды на дли-эльнне сроки широкое применение находпт и синоптико-ствтистичес-ие методы, основу которых составляет сочетание синоптического нализа со статистическими данными метеоэлементов и явлений погоды ри определенных типах синоптических макропроцессовМ.А.Гирс, .Г.Громова, Т.Н.Задорояная и др.). В частности, составление прог-оза облачности заключается в предсказании типа синоптических.

процессов и их эволюции в течение промежутка времени, на который составляется прогноз (В.И.Сердюк).

Анализ исследований по проблеме долгосрочных прогнозов пого ды показа», что несмотря на определенные успехи в разработне сгю собов месячного прогноза аномалий различных метеоэлементов, разр ботанных методик по прогнозу наиболее важных для авиауии элементов и явлений погоды (низкая облачность, ограниченная видимость) определяющих сложность летно-метеорологических условий, не существует.

Эту задачу можно попытаться решить на основе детального выявления и учета особенностей термического режима океанов совместно с циркуляци. и атмосферы на различных уровнях.

В данной работе при реализации поставленной задачи предпола галось, что в холодное полугодие ответственным за поступление теплого и влажного воздуха, играющего важную роль в процессах формирования низкой облачности и ограниченной видимости на континенте, является теплосодержание Северной лтлантики, накопленное за летние месяцы. При этом учитывалось, что перераспределение аномальных запасов тепла и влаги в различных районах континента зависит от на11равленности атмосферной циркуляции. На этом основании теплосодержание океана и атмосферная циркуляция могут быть использованы в качестве предикторов.

Но второй главе 1...следуются климатические особенности пространственно-временного распределения месячного количества дней с нелетними для авиаци" условиями погоды.

Походным материалом для исследования послужили ежечасные наблюдения за еысотой нижней границы облачности и дальностью горизонтальной видимости на 30--ти метеостанциях аэропортов(МСГ), расположенных на территории, ограниченной меридианами 22°-51°в.д, и широтами 47° - 62° с.ш,

Анализу подвергались только те денные наблюдений за высотой Нитаей границы облачности ( ^ нго) и горизонтальной дальности видимости (V > которые удовлетворяли условию:

?1НГО<1500^, ПРИ /V* 7бы. исили)\/^пь< 1500^.

Указанные пределы " ?|НР0 - V мав" внбреиы как об'цие и наиболее соответствующие тем условиям погоды, которые в большинстве случаев ограничивают или полностью исключают выполнение плановых мероприятий по летной подготовке.

В авиации ВС продолжительность летных смен составляет 0 Чазов. Поэтому при метеорологическом обеспечении планирования по-тетов важно предусмотреть появление данного комплекса погоды ! ) именно с указанной непрерывной продолжительностью. В работе считалось достаточным, чтобы рассматриваемые пределы 1ч и

сохранялись непрерывно не менее 6 часов. При атом доп; жп-ось кратковременное улучшение погоды, но не более 1~2 часа.

С учетом специфики летной роботы авиании ВС рабочая выборка ормировалась отдельно как для дневной, тан и ночной частей суок. К полетам в дневных условиях относился период с 07.00 до В.00, а в ночных - с 19.00 до Сб.00 часов. Для удобства дяльнсй-сго анализа они условно названы челетными сменами (днями^с неб-егоприятными метеорологическими условиями . С целью выявления аиболе-э информативного вида данных дополнительно формировалась и'бортга и по суточным значениям количества исследуемых периодов.

Первичная статистическая обработка исходного материала закачалась в следующем: используя данные выборок в каждом из трех зслеДуемьгс месяцев "Ь за I -П день ^ -го года в рыборке.рао-шюталось количество периодов (по дням} с данным комплексом но->ДИ ;

где - суммарное за месяц количество дней с неблагоприят-

ными условиями погоди; е^ - вариант выборки (день, ночь, сутки); "Ь - исследуемый месяц (XI, XII, I); о£ - порядковый номер нелетной смецы в данном месяце; К - общее количество дней с неблагоприятными условиями погоды в данном месяце; - единичное наблюдение с данным типом сложности погоды; п-% - номер станции.

Анализ пространственного распределения норм пока-

зал, что их значения убывают с юго-запада на северо-восток.Причем от месяца к месяцу структура поля меняется незначительно, хотя в каждом из них имеются и свои индивидуальные особенности. Так, в декабре об:ций фон является наиболее высоким. Сравнительный

анализ полей Ь^д по вариантам выборки (день, ночь, сутки) существенных различий в характере их распределения не обнаружил.

Устойчивость норм оценивалась с помощью среднего квадрати-ческого отклонения б . Установлено, что значительная изменчивость месячного количества дней с данным комплексом погоды отмечается над юго-западными и центральными районами. При этом в каждом из трех исследуемых месяцев ^ (ноябрь, декабрь,январь) значения больше в ночное в; <;мя, чем в дневное и от ноября к январю наблюдается их уменьшение. Для определения точности значений (-»^д. строились доверительные интервалы при 5%-ном уровне значимости.

С целью более детального анализа особенностей пространст-Ренной структуры полей комплексного показателя данной сложности погоды внутри каждого из трех исследуемых месяцев рассчитывались их средние многолетние значения по пентадам. Оказалось, что в ноябре и январе для аэродромов, расположенных на севере и юго-западе исследуемой территории, наиболее неблагоприятными для полетов являются первые декады, а на остальной части территории -вторые и третьи. В декабре этот тип погоды чаще всего наблюда-

этся для центральных районов в третьей декаде.

При планировании летной работы кроме указанных характеристик тжно также знить частоту появления рассматриваемых условий погода в течение суток. Вычисления проводились по формулам: * 1

Здесь (1&)- суммарное количество случаев появления данного

'ипа сложности погоды в фиксированный срок наблюдения 1 ( = I,

t

¡, 3, ... , 24); и - число случаев; Р(г) - повторяемость ее/для

л/'

'иксированных моментов времени 2. ! " - общее число случаев.

Анализ полученных результатов показал, что наступление мак-:и)цумов (8-Ю часов) и минимумов (17-20 часов) охватывает однов-юменно значительную часть рассматриваемой территории. При этом ¡ля аэролромов, расположенных на заг де, неблагоприятные для по-етов метеорологические условия чаще всего возникают около 10-11 юсов, на востоке - около 6-7 часов. В целом, исходя из клпмати-[еских особенностей распределения , наиболее благоприятные

,ля полетов метеорологические условия наблюдаются во второй по-овине дня с переходом в ночь.

Исследовалась непрерывная продолжительность нелетных условий огоды, которая рассчитывалась Г'1 формуле:

де 21 ~ непрерывная продолжительность комплекса за-

1 I/'

анных периодов Н , выраженная в часах, /V - число периодов, ылег установлено, что она может изменяться в пределах от 3 до 13 асов. В то де время максимально возможная их продолжительность остигает 120 часов (6 суток) в декабре.

Л

В результате такого анализа полей АЬт,^ обнаружено, что аспределение комплексного показателя нелетных метеорологических словий имеет сложный характер. Рассматриваемая территория не

является однородной и не относится к единой шмационно-климатической области. Для аэродромов, расположенных на севере и север востоке, первая половина холодного полугодия по характеру росп-ределения лвлг.ется более благоприятной, чем для центрах^

иых, заиад:;т;х и ккных районов, гдо регулярность проведения лет-Iвлс смен мокет быть существенно ограничен».

С целью оценки возможности использования исследуемых рядов я корреляционном анализе осуществлялась их проверке на нормальность распределения с помощью различных критериев согласия. В преобладающем большинстг т пунктов ряды аномалии ДЬ*^ соответствуют нормальному закону распределения.

Для выявления скрытых периодичностей по временных рдцох использовался автокорреляционный и спектральный анализы. Автокорреляционные функции рассчитывались по формуле:

где - автокорреляционная функция, зависящая от временного

сдвига % ; £ - исходный момент времени;

N

- объем выборки.

Стандартная ошибка автокорреляции определялась по формуле, предложенной Бартлетом:

гДе руг ~ истинная автокорреляция.

Значимые величины фикций р^ наблюдаются при различных сдвигах по времени и зависят от географического района и рассма^ триьаемого месяца. При ятом обнаруживаются такие сдэиги по времени, при которьрс большая часть территории охвачена значимыми, ца*е На 2($ уровне, коэффициентами автокорреляции (например,при X - -2 области экстремальных знччэний р(1}?0,0). Используя такие сдвиги % можно с большой заблаговременностью разрабатывать инерционно-климатические прогнозы, позволяющие уточнять

нак ожидаемого поля ЛЬ .

Для выявления преобладающих волн во временном ходе &Ь ш-поль-овалось спектральное разложение

51 М- Рм (о) +11Р(г)со8[(2л1 г)/т] ,

■де Ь =1,2,..., - номер гармоники; N - максимальный сдгшц '(0) - значение р [V ) при Ч. = 0; Т - период колебаний.

Предварительно, с 1„олыо получения состоятельных и несмощеных оценок проводилось сглаживание с использованием фильтра Хана:

51=0,25 (5*м С^-1) + 5* М).

В результате анализа оценок выборочно спектров для рядов ыли выявлены статистически значимые циклы, длина которых монет еняться от 2-х до 7 лет в зависимости от географических координат ункта. В целом, в процессах всех месяцев Ь преобладает рптмич-ость с периодом й 2-3 года - для центральных районов и 5-6 лег -ля северных и юго-восточных районов ЕТ СНГ.

В третьем разделе оценивается вклад различных параметров одстилающей поверхности океана, циркуляционных условий в тропо-$ере г стратосфере, а также центров действия атмосферы в формирование нелетных для авиации метеорологических условий на контннен-е с целью выявления наиболее информативных предикторов с носле-упцим их включением в регрессионные схемы прогноза.

В качестве показателя термического режима океанов иппольпова-ась температура поверхности воды д^ууь» представленная девятью тационариыми кораблями погоды (Л, В, С, Д. Е, I, 0 , К| М). Так ак денное исследование проводится впервые, то для учета особен-эстей характера теплообмена методу океаном и континентом анализ ввисимости лЬ от дТуи проводился дифференцированно. Он необхо-ям для того, чтобы: во-первых, определить вклад отдельных райо-эг. Северной Атлантики. Во-вторых, учитывая то, что в термическом

отношении локальные области океана не являются однородными, необходимо определять оптимальные временные сдвиги *С , при которых корреляционные связи являются наиболее тесными. В третьих, так как исследуемая территория занимает значительную пло-

щадь, то необходимо выяснкэъ, в каких частях континента зависимость от дТ\л/ имеет ьысокии уроьень связи.

При анализе асинхронных связей дополнительно исследовался вопрос о том, насколько аналогично происходит влияние океана на каадый из трех исходных месяцев~Ь (ноябрь, декабрь, январь), и мо.«но ли при необходимости результаты, полученные для одного из них, распространить на все остальные. Кроме этого изучался, вопрос о наиболее успешном представлении информации по нелетным условиям погоды: суточным, ночным и дневным значениям аЬ .

Для решения поставленных задач между радами дТуу и значениями дЬ на континенте рассчитывапись асинхронные взаимно-корреляционные связи ( дЬт* д Ту*/ )» зависящие от исходного месяце ^ , временного сдвига X и варианта выборки .

При анализе взаимно-корреляционных матриц I , X ) выявлено, чд) наиболее значимый вклад в распределение дЬ на континенте вносит термический режим районов, находящихся в северной части рассматриваемой акватории (корабли А, I, Д, Ы). При этом . локализация динамически значимых районо! в Северной Атлантике для всех трех исходных месяцев ^ сохраняется.

При изучении особенностей термического влияния океана на континент было обнаружено, что для каждого исходного месяца "Ь и фиксированного сдвига X устанавливается свой состав наиболее информативных групп, включающих в себя отдельные р 'йомы в океане, воздействие которых на распределение дЬ является однородным как по знаку, так и структуре взаимно-корреляционных связей. С •учетом таких связей на исследуемой территория вццелены однородные

ро характеру теплового влияния Северной Атлантики области. Наиболее обширная ил них занимает центральные районы. При этом от ноября к январю она расширяется по площади и смещается к востоку,что связано с увеличением интенсивности процессов передачи тепла и влаги на континент.

Районирование данной территории по признаку однородности теплового влияния океана является удобным в том плане, что позволяет, по данным хотя бы одного пункта, судить о вероятности одновременного закрытия аэродромов на остальной территории.используя для этих целей выявленный комплекс наиболее информативных по д Туч/ районов в Северной Атлантике.

С целью изучения пространственно-временной изменчивости теп-ювого влияния океана на континент при фиксмрова"чых Ь и Т >пределялся средний по Северной Атлантике уровень корреляционных !вязей :

г^ со - (г^а^))

'де П - число рассматриваемых связей для одного пункта И"1 и ■иксированного сдвига 'Е ; I - район в Северной Атлантике.

Анализ рас предел ни л ( ^ ) показал, что в процессах заимодействия океана и континента имеет место определенная рит-ичность (шестимесячная для ноября и 3-4-месячная для декабря и нверя). Кроме того, установлено, что во всех исходных месяцах чючевым в перераспределении запасов тепла, накопченного океаном

/ т'* ч

а теплый период года, является армический режим (дТ*/ ) сен-^бря.

При исследовании тепловой инерции океана выявлено, что наи->ньшей инерцией (1-2 месяца) обладают крайние северо-востЛчные 1йоны акватории (кораблик , К, М), наибольшей (5-6 месяцев) -«тральные районы. Также отмечено, что от ноября к январю инерция1

океана увеличивается'не 1-2 месяца соответственно. Выявленные закономерности справедливы для всех вариантов выборки ф

Для комплексного учета особенностей термического влияния Северной Атлантики исследовались и такие характеристики ее состояния, как - - контраст температур между северной (А, В, I, М) и южной (С, Д, Е, К) половинами акватории;¿ГдТ*л/ НЕ - между северо-западными (А, В) и северо-восточными (I, М) районами; £дТ\«/ - БЁ - ме>еду юго-западными (С, Д) н юго-восточными (3 , К) районами, которые в той или иной степени характеризуют интенсивность атмосферной циркуляции. Для учета состояния центров действия атмосферы (азорский максимум и исландский минимум) рассматривались их координвты^Аум,л>-и,л«рд,Ах).

Детальный анализ пространственно-временного распределения пирних коэффициентов корреляции для каадого из включенных в перечень предикторов показал, что они имеют избирательный характер и по-разному воздействуют на различные участки данной территории. Важно при этом то, что поля коэффициентов корреляции имеют довольно гладкую структуру, зависгащ'Ю в большей степени от потеышаль-ных особенностей предсказателя, чем от сдвига Т и варианта выборки % > *

Установлено, что рассматриваемые три месяца ~Ь обладают определенными климатическими особенностями и поэтому включать их в одну выборку нецелесообразно, так как, видимо, в океане существуют ключевые месяцу, в которых концентрируется энергия, чтобы в последующем, освобождаясь, перераспределяться в месяцах холодного полугодия.

В общем, связи ыещту исследуемыми объектами неоднозначны и не везде достигают уровня значимости, однако имея сведения о каком-либо из них и набор вэаишо-корреляционных матриц, можно предсказать если не величину лЬ • то достаточно успешно ее знак.

Изучена роль циркуляции в распределении нелетных метеорологических условий на континенте. В качестве ее параметров рассматривались широко распространенные индексы Блиновой и Каца. Корреляционные поля для них являются сложными, области значимого влияния не имеют четкой локализации и обнаружить какую-либо закономерность в их пространственно-временном распределении не представляется возможным. Это вызвало необходимость поиска новых параметров атмосферной циркуляции. В качестве таковых изучались аномалии меридиональных градиентов георотен- чала АН¡, , рассчитанных по картам %00' которые характеризуют направление и интенсивность зонального переноса воздуха. К ним применена процедура разложения по естественным ортогональным составляющим.

Значения АИ{, , заданных на 12-ти участках (t = I, 2, ..., 12) поля для J -х моментов времени могут быть представлены в виде :

Ahl = ^ТьфХиО ,

где - естественные (собственныо)ортогональные функции, за-

висящие только от пространственных координат и статистических свойств рассматриваемых г::>лей; fi =1,2,...- число членов разложения; j =i,2, ...,30- число реализаций; T^ij) -коэффициенты разложения, описывающие амплитуду естественных колебаний во времени.

Следуя рекомендациям Багрова H.A., отбор достаточного количества предикторов проводился по формуле: . э я* . h

fT = l-Xhi/L -Mi .

I f ь

В результате было сЯобрано три первых спектральных коэффициента разложения , .которые описывают крупномасштабные особенности исходного поля "500. Так ^ характеризуют основной зональный перенос воздуха .над Атлантико-Европейскиы сектором, Т^ и Тц^ _ мзридионачьнъю процессы различных масштабов,

Проведено определение количественной меры связи между значе-

1-х л

ниями Т^ и А Ьщ с помощью метода множественной корреляции.

1-х

Анализ полученных связей показал, что коэффициенты обла-

дают определенной информативностью и могут использоваться для прогноза нелетных метеорологических условий.

Отбор лучшей совокупности* предикторов из рассмотренного их перечня осуществлялся с помощью метода пошаговой множественной линейной регрессии. В результате реализации процедуры "просеивания" строились прогностические уравнения вида:

—*

А Ьт = О-Хь +

Задача прогноза решалась в несколько вариантов. Первсначаль-

1'

но строились однопараметрические схемы прогноза, в которую включены только параметры атмосферной циркуляции (схема А). Во втором варианте схема прогноза аномалии д1» учитывала только термическое состояние Северней Атлантики (схема Б). В третьем варианте строилась двухфвкторная модель, учитывающая их совместное влияние (схема В).

На основании стандартных оценок успешности (р ,(?,/?) наиболее эффективной оказалась схема В. Причем максимальный вклад вносят предсказатели осенних месяцев, особенно - сентябрь. На зависимом материале опревдываемость прогнозов по знаку аномалии

аЬ повсеместно положительна., и находится по параметру р в А^еделпх от 0,2 до 0,5, а для отдельных пунктов р>, 0,7 (Воронеж, Киев и др.).На независимом материале успешность прогнозов несколько снизилось, особенно для исходного по л!-» декабря.

Оценка эффективности предлагаемых схем прогноза Л1-/ проводилась путем сравнивания их с климатическими прогнозами. Методические прогнояи оказались успешнее климатических на 1В% - 27?.

. В четвертей1/, разделе Слагаются процедура и результаты классификации полей дЬг как с учетом их аномальности, так и с точки

зрения географической локализации знаков аномалий. Степень воэцу-

&

щеиности оценивалась с помощью параметра аномальности :

Он дает возможность наряду с интенсивностью поля уточнить преобладающий' его знак.

Результаты показали, что поля с О чаще встречаются

в первую половину рассматриваемого периода. Исследуя межгодовую изменчивость знака полей при фиксированном исходном месяце "Ь обнаружено» что в ноябре максимальная непрерывная продолжительность поля д|_» о ^ < 0 составляет 4-5 лет, в декабре и январе 6-7 лет, перед которыми, как правило, наблюдались аналогичные по продолжительности отрезки времени с преобладанием полей с положительной аномалией (А .* > О). Вероятность сохранения знака А ¿д 0 течение всех трех месяцев холодного полугодия для фиксированного года составила 43$, для 2-х месяцев - 60^, что свидетельствует о значительной их инерции.

По данным параметра А^* с учетом равновероятности выделено три класса: крупной Кр£, средней Ср+ и малой аномальности, которые принимали знак " + " или " - " в зависимости от знака А . Замечено, что класс Кр+ Чслце встречается в январе, а, Ср+ - в декабре. Для каждого из трех месяцев "Ь рассчитаны матрицы переходных вероятностей. Установлено, что в каком бы месяце не возник класс Кр+-,поляаЬ которого характеризуются наиболее неблагоприятными для полетов метеорологическими условиями, в еле,дующем году его ожидать не еле,дует. Вместе с тем, наблюдается высокая межмесячная преемственность полей лЬ с Кр+-и Кр- аномальностью (53-64%).

Наряду с типизацией по степени аномальности к полям применен алгоритм объективной (машинной) классификации Голопки-

на Б.Л., в основе которого лежит метод эталонов. В данном алгоритме качество разбиений оценивалось на кь.<дом шаге с помощью критерия С:

С -Tcoc.^fol/En + Dw-ziA) -

T(oti1)(ií )]/Егг .

Здесь Т(сС,1>(1„) - сумма значений близости между объектами подкласса сХ-чг класса с эталонным признаком d-n ; Ejj ,

Епо - число признак^г в подклассах.

В качестве меры близости между полями X¿ и ЭС^ использовалось евклидово расстояние вида :

$ч в 1 /IjiLik-Abjl)*'.

Тестовые эксперименты по классификации полей были применены к различным вариантам выборки cj, и каждому месяцу fr. . В результате для ноября и декабря получено по восемь классов, а для января - 7, которые существенно различимы между собой как по величине отклонений так и по географическому ресположениг

их очагог.

Установленные типы сопоставлялись с результатами классификации полей дЬ по степени их аномальности, в результате -'его было установлено, что сгруппированные в ка»щом классе к л>ля дЬ характеризуются не только геометрическим подобием, н.« и относятся к определенному классу аномальности по параметр' Aj . Указанное соответствие проявилось особенно четко г/л полей дЬ , отнесенных к классам с Кр+ и Кр- аномальк.-стью, из которых путем машинной типизации' Г«%ли выделены пг,м дЬ» , характеризующиеся максимальными величинами Aj . Данные поля выделены в отдельный класс с экстремальной аномальностью Кэ+ . Однородность установленных типов по р достаточно высокая и находится в пределах 0,38-0,96. При этом в области очагов значения р дости-

гвют 1,0, что свидетельствует об успешности полученных разбиений. С целью их прогноза исследованы различные метеорологические факторы, сопутствующие установленным типам в синхронные и асинхронные сроки со сдвигами X от одного до шести месяцев.

Для характеристики интенсивности атм^форной циркуляции в тропосфере использовались карты Н^фф и ке^ты ПВГЗ, индексы Кеца, Блиновой и градиенты геопотенциала Н^эд над Атлантико-Епропсйс-ким сектором. Качественный анализ указанного материала показал, что общепризнанные индексы атмосферной циркуляции не п^лгюляют получить определенных указаний на появление полей А определенного знака с крупной положительной и отрицательно!1 аномальностью. Наиболее существенные различия в противоположных типах с Кр* и Кр- аномальностью обнаруживаются при анализе аномалии градиентов а и», по данным -Н^оо • Так, в 73$ изменения А^ и йщ находятся в противофазе. При росте значений аИ степень яномечьносчи пеля аЬ уменьшается и наоборот. Оценка такой связи по знаку (р ) составляет 0,47. Если же ввделить только ¡экстремальные положительные значения А^ , то во всех случаях им сопутствуют отрицательные значения а.-1,4) и наоборот.

Особенности циркуляции атмосферы в северном полушарии при противоположных типах полей исследовались и на болое высо-

ком уровне, то есть в стратосфере. Ошоставпение тонденщ-й в изменении параметра А^ и аномалии продолжительности летного показало, что в С£>% случаев увеличение (уменьшение) величины лАц} ведет к уменьшению (увеличению) А; . Это деот

I

возмохшость достаточно успешно по продолжительности летнего ЦПВ ориентироваться ня знак аномальности полялЬ.

о

'ормирование приземных уело пий .гогоды на континенте есть сложный процесс взаимодействия к^к циркуляционных, тик и терлм-ческих полей. Поэтому дополнительно были рассмотрены термические

особенности Северной Атлантики в периоды -£. (от одного до шести месяцев), предшествующие наступлению на континенте конкретного типа поля с крупной аномальностью.

При анализе интегрального показателя термического состояния 09 гт,

Северной Атлантики Га'Уу^ было выявлено, что появление полей дЬ с крупной положительной аномальностью наиболее вероятно при теплом океане (77%), когда в предшествующие месяцы (Т = -2 бмес.)

9 $

значения £ л Т\л/с> 0. Если в предшествующие месяцы ^.дТуу^сО,

то но континенте чаще всего появляются поля с крупной отрицательно (^аномальностью Кр-.

Кроме общего термического состояния Северной Атлантики рассматривались в качестве ее характеристики и градиенты температуры поверхности воды между западной и восточной (ВаТу^( - Е ) ) южной и северной (£лТ\у(5 -ЛО ) половинами исследуемой акватории. Оказалось, что если в моменты "Ь восточная часть океана более теплая, чем западная Е) < 0), то велика вероятность появления шля ЛЬ с крупной положительной аномальностью (57%). Вместе с тем, в 66% случаев перед появлением данного класса ) очаг с более высокими значениями а Ту* находится на юге Северной Атлантики (5 -А')> О). Таким образом, формирование шлей тесно связано и с. положением очагов Л Туус в отдельных частях акватории.

Проводился и более детальный анелк 1 предшествующего состояния Северной Атлантики о

привлечением полей лТуу^ » представленных кораблями А, В, С, Д,'Е, I, О , К, Ы. Исследования показали, что каждому из установленных типов предшествует конкретное, индивидуальное, только ему присущее расположение положительных и отрицательных очагов дТу^с • Важно при этом, что эти особенности? возникают уже за б месяцев до появления того или иного типа дЬ^ на континенте. Это дает возможность с большой

эаблаговременностыо качественно оценить тип ожидаемого распределения нелетных условий погоды. Обеспеченность полей aTwc, достаточно высокая и в среднем по р составляет 0,5.

В пятой главе выясняется возможность прогноза типов д с положительной крупной и экстремальной аномальностью на основе учета термического режима Северной Атлантики и особенностей циркуляции в' средней тропосфере.

Оценки связей между установленными типами ÀL,£ и различий-ии показателями подстилающей поверхности и циркуляцией атмосферы подтвердили возможность предсказания полей с нелетными условиями погоды с большой эаблаговременностыо. Основным метгдом объективного разделения типов дЬ^ избран параметрически? днскриминент-ный анализ. Преимуществом такого подхода является искусственное увеличение расстояния между векторами средних значений препока-зателей в различных классах Задача сводилась к последовательности разбиений пространства признаков X на два класса (Rj и Sq). В случае двух равновероятных генеральных совокупностей,которым соответствуют одинаковые цены ошибочных классификаций, ршамцее правило сс "тоит в следующем:

. RftSJÔ(X)*0; О

Построение дискриминантных функций для прогноза установленных типов ¿Lfc проводилось по следующей схеме. На первом этапе строились решающие правила для разделения на два условных класса Ilj и Hg. Первый из них С П{ ) включал в себя все поля с преобладанием положительного знака аномалии дЬ ÎAj } 0). То есть сюда входАт все поля с положительной экстрем(>пьн'>к Кэ+(тип 1), крупной Кр+(тип П), средней и малой аномальностью. Второй класс (Г^)

включал в себя все поля с преобладанием отрицательного знака аномалии&L (А < О). о

На втором этапе строились дискриминынтнке функции »^¿(х)

для разделения на классы П£ , включающего в себя поля лЬ с положительной экстремальной и крупной аномальностью, и П2» содержащей вси поля Ср+ и Мч- . Наконец, на третьем этапе решалась задача определения классов с Кэ+ и отделения их от .

Л

Описанная процедура разделения типов выполнялась в

двух вариантах моделей. " . При однофакторной модели

п качестве основной информации включались средние месячные значения иномпчии в девяти точках (судах погоды) Северной Атлантики.

Общий вид дискриминантной поверхности для последовательности двух альт;;рнптипньк прогнозов представлялся следующим образом:

сЦЛп »дТ^)* ^¿ц + с,

с!?(¿Тч^,дТЦ,-+ -г С^

Параллельно решалась задача по определению оптимального промежутка времени ~Ь , через который океан максимально влияет ни характер распределения нелетных метеорологических условий на континенте (Ъ - -1 f -б). Кроме того, выявлялись наиболее активные районы ь Северной Атлантике, воздействие которых на континент является рффектииным, путем попарного перебора данных О ,

представленных в каждой ь -й точке акватории.

Критерием отбора наиболее информативной пары предикторов служили параметры р1 , , р , Р|, ? » которые вычислялись по формул-:: с

п- 2Ь±г1!2а- . о - "«--"а- ,

/у з /?_ - /V •

где " количество случаен с положительной (отрицательной)

мюыотюП геличмны предиктором X , вошедших ъ соответствующий класс; N - общее число случаев.

Значение р • рассчитывалось по фг<5>куле:

где NS - общее число случаев в каждом классе.

Вероятность отнесения признаков к тому или иному клисеу вычислялась по формулам:

R = ^/«, ; Рг = Р =

где Pj(2) ~ вероятность правильного распознавания признаков в первом или втором классах; l^fa) - количество правильно предсказанных ситуаций; П<(а) - общее число ситуаций в данном классе В результате вычислений на первом этапе при отделении полей с преобладанием, положительной аномальности от отрицательной для каждого неходкого месяца "Ь Емявлены наиболее информативные районы в Северной Атлантике. Так, если в ноябре наиболее активными яепются веточные районы океана (корабли 1, К), то для декабря - северные (корабли А, В). Вероя ность правильного распознавания классов составляет от 0,63 до О.УЗ, a no р от 0,43 до 0,66. На сдвигах Z = -I +■ -2 мес.разделение является наиболее успешным.'

На втором ятапе,при отдечении типов с положительной крупной аномальностью от средней и малой,оценки правильной классификации Находились в пределах от 0,6 до 1,0, а вероятность правильных прогнозов по Р составляет от 0,8 до 1,0. Некоторое преимущество Перед остальными имеет сдвиг Ъ = -5 месяцев, а ответственными за формирование нелетных услррий погоды являются корабли I, К, расположенные в восточной чести океане.

Наиболее значимыми с точки api аия upon юза пиры предикторов, выявленные на третьем гтапе (отделение Кр+ от Ifof), располагаются в северо-западной части акоатории. Результаты испытания данной схемы на зависимом материале показали, что полное и.х разделение, происходит на первых трех временных сдвигах, где

оценки по р и Р достигают 1,0.

Предпринята попытка построения схемы дискриминантного прогноза установленных типов д с учетом двух факторов термического состояния Северной Атлантики и атмосферной циркуляции. В качестве предикторов рассматривались следующие параметры:

Определение наилучших разделяющих признаков осуществлялось путем попарного их перебора. Прогноз установленных типов &Ь(? осуществлялся выше описанной схеме. Анализ результатов, вычисления показал, что наибольший вклад в формирование полей

д1> с

0 и А^О вносит термический режим Северной Атлантики. При этом лучшими признаками являются значения и

. Совместный вклад атмосферной циркуляции и океана обна-рудивается на первых трех временных сдвигах.

1Ра втором этапе л утя им предиктором для отделения классов Ка-», Кр+ от Ср+, М+ является разность температур меаду западными и восточными районами акватории ¿Г д Туу (V/ - Е) и . Вероятность правильных прогнозов составляет 0,6-1,0, р по р от 0,2 до 1,0. Лучшими следует считать прогнозы, разрабатываемые с паблаговременностью в 4 и 5 месяцев для ноября и в 2 месяца для декабря. При 'З^^Ъ ® осуществляется переход к третьему этапу; разделе]»!и на классы Кэ+ и Кр+ . Лучшиг ! предсказателями являются характеристики термического состояния Северной Атлантики (исключг1Я X = -6).

Предложенные схемы проверялись на независимом материале за период с 1984 по 19Б7 годы и только для области, расположенной

на территории Российской Федерации. Средние оценки оправдывайся

мюти по р находятся на уровне значений 0,3, что свидетельствует о возможности использования данного подхода з оперативной

26

работе метеослужбы авиации ВС.

В заключении приведены основные результаты исследования.

1. Впервые в качестве объекта исследования рассматриваются периоды (нелетные смены) с 8-ми часовой непрерывной продолжительностью заданной сложности летно-метеорологических условий погоды, включающих в себя низкую облачность и ограниченную дальность видимости, которые оказывают отрицательное влияние на безопасность полетов в метеорологическом отношении. Изучены климатические особенности вднной сложности погоды. Установлено, что пространственное распределений нелетных смен по территории имеет сложный характер, рассматриваемый район является неоднородным и его нельзя отнести к единой авиационно-климатической области.

2. Произведена оценка исходных рядов аномалии месячного количества нелетных смен на соответствие нормальному закону распределения.

3. Изучена временная структура месячного количества нелетных смен с помощью автокорреляционных Функций и функций спектральной плотности. Выявлены статистически значимые циклы, которые, в случае отсутствия методики прогноза, могут бить использованы в качестве дополнительной информации к инерционно-климатическому прогнозу.

С целью разработки методического прогноза исследованы асинхронные взаимно-корреляционные связи между аномалиями месячного количества нелетных условий погоды и различными параметрами термического реяима Северной Атлантики, атмосферной циркуляции и центров действия атмосферы. При этом вклад температуры поверхности воды оцениваОся как по отдельным точечным, так о по сглаженным значениям. В результате выявлена активность отдельных районов Северной Атлантики в Формирование нелетных условий на континенте, отобраны наиболее информативные из них. Исследована инерция океана в различных частях акватории. Установлены оптимальные сдвиги по

времени как для всей территории й целом, так и отдельных ее частей, месяцев на континенте и варианив воЛоркй. Показано, что каждый из трех исследуемых месяцев обладает определенными особенностями, поэтому включать их в одну выборку нецелесообразно.

Па основании отобранной совокупности значимых предикторов предложено три варианта регрессионных схем: о использованием только характеристик термического режима Северной Атлантики; с использованием параметров атмосферной циркуляции, и, наконец, модель, учитывающая их совместный вклед. Испытания данных схем прогноза в оперативной работе метеослужб авиации ВВС показало, что некоторое преимущество имеет двухФакторнач модель.

5. К полям с преобладанием положительной и отрицательной аномалией месячного количества нелетных смен применена процедура объективной (машинной) типизации. Успешность качества разделения установленных классов по параметру р составила от О,';® до 0,96.

6. С целью выявления прогностических особенностей в шести предшествующих месяцев для каждого установленного типа распределения нелетных условий погоды на континенте исследованы параметры атмосферной циркуляции, представленные картами барической топографии, а также индексами.атмосферной циркуляции.

7. Произведено разложение параметров атмосферной циркуляции по естественным ортогональным составляющим, представленной градиентами геопотенциала Н^ над Атлаитико-Европейоким сектором, отобрано оптимальное их количество, исследована пространственно-временная структура, оценен пригодность коэффициентов разложения для прогноза установленных на континенте типов сложности погоди.

8. Для каждого установленного типа выявлены индивидуальные особенности в распределении очагов тепла и холода в Северной Атлантике за шесть месяцев до Формирования нелетных условий на континенте о преобладанием аномалии "выше" или "ниже" нормы.

9. Исследованы особенности атмосферной циркуляции в стратосфере перед возникновением положительной и отрицательной аноиа-лиО на континенте. В качестве основной характеристики использовалась продолжительность циркумполярного вихря, представленная гремя основными классами: малая, средняя и крупная аномальность.

10. Предложены модели дискрииинантного метода прогноза установленных типов как с учетом только термического режима Северной Атлантики, так и с совместный использованием предикторов характеризующих термический режим океана и особенности атмосферной циркуляции.

Приведены оценки оправдываемосгн предлагаемых схем, которые свидетельствует об успешности предлагаемого подхода.

11. Данная работа носит поисковый характер. Приведенные оценки оправдываемосгн предлагаемых схем прогноза свидетельствует о

IX успешности по сравнению с климатическими данными, что позвонит повысить качество метеорологического обеспечения планирования аегной работы на территории ETC в период первой половины холод-юго полугодия.

12. Предлагаемое исследование не претендует на полноту, оно !вляется лишь первой попыткой оценить возыонность прогноза комп-1екса нелетных условий погоды, которые сущесгвепно влияет на вы-гслнение плановой таблицы полетов и других крупномасштабных ме-

N

зоприягиЯ авиации ВВС.

В приложениях приводятся результаты исследования выполненные з виде таблиц, рисунков и графиков.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих табогах:

I. Оценка термического влияния Северной Атлантики на распределение типов сложности погоды (совместно с Т.Н.Задорожной).-Шорник трудов Воронежского ВВАИУ, I960. Вып. II.

2. Анализ характеристик атмосферной циркуляции над Аглангико-Европейским сектором, предо тавленных в виде коэффициентов разлоке-ния' по естественным ортогональным составляющим (совместно о Т.Н.ЗА-дорояной). - Сборник статей Воронежского ВВАИУ, 1991. Вып.13.

3. Оценка аномальности полей месячного числа случаев с нелетными условиями погоды над £Т СССР. - Сборник статей Воронежского ВВЛИУ, 199Т. Вып.13.

'i. О возможности долгосрочного прогноза нелетных условий погоды на первую половину холодного полугодия,- Ш Всесоюзная конференция по авиационной метеорологии, тезисы докладов,- М: Гидро-мегеоиздат, Т990.

5.. Сгагисгичеокий анализ нелетных метеорологических условий за первую половину холодного полугодия над ETC. - Сборник научных статей Воронежского ВВАИУ, 1990. Вып.12.

6. Пространственная структура распределения нелетных условие погоды над ETC. - Сборник научных статей Воронежского ВВАИУ, Т990. Вып. 12.