Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Условия формирования крупных аномалий температуры воздуха в западном районе Арктики в весенне-осенний период и прогноз температуры на декаду во время этих явлений

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Условия формирования крупных аномалий температуры воздуха в западном районе Арктики в весенне-осенний период и прогноз температуры на декаду во время этих явлений"

КОМИТЕТ ГЮ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЦ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи УДК 551.501:519.24+551.509.323+551.524.35

ГРАХОВСКИЙ Геннадий Николаевич

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КЕУПШХ АНОМАЛИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ЗАПАДНОМ РАЙОНЕ АРКТИКИ В ВЕСЕННЕ-ОСЕШИЙ ПЕРИОД И ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУР!! ДЕКАДУ ВО ВРЕМЯ ЭТИХ ЯВЛЕНИЙ

Специальность 11,00.09 - метеорология, климатология и агрометеорология

Автореферат диссертации на соискадие учёной степени кандидата географических наук

Москва - 1993

Работ выполнена ц Арктическом и Антарктическом научко-гтпслсдопательском институте

ИпучгшИ руководитель -кандидат географических наук, старший научный сотрудник

М.П.Косвен

Офищкщьные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник и.В.Тросипков

доктор географических наук, профессор А.А.Исаев

Ведущая организация -Санкт-Петербургский гидрометеорологический институт

Защита диссертации состоится /¿£'фовраля 19УЗ г. в 14 час. на заседании специализированного совета X 024.05.02 в Гидрометеорологическом нзучно-иеслодоватьльском центре Российской 'Содерации (12324?., Москва, Большевистская, 9-13)

П диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Росгидрометце!

Автореферат разослан 18 января 1993 г.

Ученый секретарь

А.И.Страшная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Освоение нефтяных и гр.зовнх месторожде-1Й в заголярных районах Тюменской и востока Архангельской обла-гей вызывает расширение производственно-хозяйственной деятель-зсти в этом регионе. Рост промышлеиного потенциала, вовлечение производственные процессы дополнительных материальных ресурсов здёт к увеличение зависимости производственной деятельности от ?ловиЙ внешней среды. Соответственно возрастает стоимостное пиление убытков от неблагоприятных природных факторов. Это новы-чет роль гидрометеорологического обеспечения работ, выполняемых цесь в условиях сурового климата Заполярья. Потребность п гид-зметинформации растёт по мере развития производительных сил, ^повременно повышается уровень требований к качеству н объёму гдрометеорологического обслуживания. Для повышения оффективное-I, использования лтой информации в системах текущего планирована и управления производством, оптимизации учёта гндрометеоро-огических факторов необходимо увеличение как заблаговременности аннных об ожидаемых гидрометусловиях, так и их детализации во ремени и в пространстве. Остаётся весьма актуальной и задача овш1»!11ИЯ надёжности прогностической информации.

Работа посвящена разработке методики прогноза крупных анома-ий температуры воздуха на декаду в весенне-осенний период для рибрежных районов гго-западной части Карского моря. Её актуаль-ость определяется тем, что объектом исследования является один з наиболее важных и сложных параметров погодных условий в Арк-ике - температура воздуха у поверхности земли, которая в эначи-ельной мере опрьделяет ледовую обстановку на трассе Северного орского пути, лимитирует сроки проведения сезонных навигаций и ругих мероприятий, работ на открытом воздухе, определяет усло-ия эксплуатации оборудования и сооружений. Информация об ожида-мых термических условиях, позволяющая обеспечить оптимальную тратегию действий потребителей и минимизировать их затраты и оэможннй ущерб, особенно важна в период крупных температурных номалий, когда текущие температуры воздуха наиболее существен-о отличаются от своих средних многолетних значений и этим гшо-ят наибольшие коррективы в действующие хозяйственные планы и .оговоры, в характерные сроки и условия работ. При этом наиболее

важными периодами на протяжении года являются весенний и осенний сезоны. На них приходятся начало и завершение перевозок по автозимникам, навигационного завоза грузов морским и речным флотом, эксплуатации грунтовых и накатанных на снегу взлётно-посадочных полос. Весной производится выгрузка значительного количества грузов для геологов и нефтегазодобытчиков с морских судо! через припайный лёд. Кроме того, основные кампании в оленеводстве - отёл и забой - также приходятся на весну и осень. Поэтому разработка локального метода прогноза крупных температурных аномалий на средние сроки с суточной детализацией для весеннего и осеннего сезонов является актуальной задачей, имеющей как научное, так и большое практическое значение.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы являлась разработка метода прогноза температуры воздуха на декаду по западному району Арктики в период крупных температурных аномалий весной и осенью на основе статистической интерпретации выходных данных гидродинамических прогностических схем с учётом специфик Арктики. Для реализации этой цели необходимо было решить следую щие основные задачи:

1) провести анализ особенностей возникновения крупных аномалий среднесуточной температуры воздуха на указанной территории в эт сезоны в зависимости от условий крупномасштабной атмосферной ци ркуляции средних и высоких широт северного полушария;

2) исследовать роль циркуляционных факторов в формировании рассматриваемых температурных аномалий;

3) выявить наиболее информативные пространственно-временные свя эи параметров термобарических полей атмосферы с этими явлениями

4) разработать и реализовать на ЭВМ статистическую схему прогнс за на декаду на основе объективной интерпретации фоновых гидродинамических прогнозов.

Методика исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основании существующих методов анализа данных с испс льаов&нием накопленного опыта в области прогнозирования элементов погоды на средние сроки.

С целью получения параметров, в сжатом виде отражающих существенные для решаемой задачи особенности полей давления и те» пературы в атмосфере, использованы гармонический анализ и мето; полиномиальной аппроксимации их значений. Прогностическая мoдeJ

роилась на основе статистической интерпретации результатов новых гидродинамических прогнозов. Просеивание и выбор предик->ров производились методом пошагового регрессионного анализа, ютроенная прогностическая модель представляет собой систему из »льшого числа уравнений множественной линейной регрессии. Полу-жнне прогностические связи пррверета на зависимом и независимы материале.

Исходные данные. Материалами Для наследования послужили анные наблюдений полярных станций Малые 1<армакулы, Амдерма, Ха-асавэй, Марресаля, им.М.В.Попова, ТамбеЙ, Тадебяяха, мыс Камек-ый и Новый Порт, взятые из таблиц ТМ-1, архив на магнитных ленах ежедневных полей и И^од северного полушария в узлах егуллрной сетки с шагом 5 X 10 градусов. Кроме того использовались ежедневные карты полей Н500 и Р0 из ежемесячных синоптичес-:их бюллетеьей ГМЦ СССР, каталоги форм и типов атмосферной цир-суляции северного полушария Г.Я.Вангенгейма-А.А.Гирса и А.С.Ру-ушва, каталоги типов атмосферных процессов в Арктике Л. А./1ддн-юй и А.А.Д^итриева-В.А.г£учина-П.А.Сельцера. Все указанные выше материалы в целом охватывают период с 1964 по 1983 годы.

Научная новизна. В итоге выполнения исследования впервые цлл западной Арктики получены следующие результаты:

1) выработаны количественные критерии и выделены с их помощью периоды крупных аномалий температуры воздуха у поверхности земли, значимых в масштабе декады;

2) выделено 3 типа атмосферных процессов, обусловливающих возникновение указанных явлений в весенне-осенний период;

3) предложено количественное представление региональных особенностей атмосферной циркуляции на основе аппроксимации барических полей ортогональными полиномами третьей степени;

4) установлены значения пространственно-временных корреляционных связей величины и знака крупных температурных аномалий с количественными характеристиками циркуляционных условий, определяющих термическую адвекцию и условия радиационного выхолаживания воздушных масс в рассматриваемом районе;

5) выявлены имеющие прогностическое значение информативные области северного-полушария, установлена пространственно-временная динамика районов со значимой корреляционной связью между геопотенциалом и крупными аномалиями температуры обоих знаков;

б

6) определены оптимальные сочетания предикторов, в совокуп ности обеспечивающих наилучшую множественную корреляцию с преди ктантами в рассматриваемых интервалах заблаговременности по пун ктам прогноза;

7) разработана региональная регрессионная схема прогноза крупных аномалий средней суточной температуры воздуха на декаду с суточной детализацией для весеннего и осеннего сезонов.

Практическая ценность работы. Разработан детализированный во времени и в пространстве декадный прогноз крупных аномалий температуры воздуха для западной Арктики, восполняющий отсутствие такой информации, особенно важной для потребителей весной и осенью. Этот прогностический метод может быть непосредственно и пользован в оперативной работе по гидрометобеспечению. Основные методические положения и результаты, аппробированные или впервь полученные в рамках настоящего исследования, могут быть использованы при разработке аналогичных прогностических схем для других районов. В практике оперативного гидрометобслуживания и пру выполнении оперативно-методических рабог могут быть использовав и некоторые промежуточные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией. К ним относятся:

1) данные о режиме возникновения крупных температурных анс малий в рросматриваемом районе;

2) оценки пространственно-временных связей температурных аномалий с параметрами атмосферной циркуляции;

3) описание типовых синоптических ситуаций, обусловливаю^ формирование крупных температурных аномалий;

4) аппроксимация метеорологических полей ортогональными к} бическими полиномами;

5) отдельные блоки программного обеспечения.

Внедрение. Схема прогноза прошла оперативные испытания в

весенний и осенний сезоны 1988-1990 гг. в соответствии с плано» испытания и внедрения новых методов гидрометеорологических и г« лиогеофизических прогнозов Росгидромета, которые показали её Х( рошую эффективность. Рассмотрев результаты испытаний Техничесю совет Амдерминского управления по гидрометеорологии принял репи ние о внедрении данного прогноза в оперативную практику в каче< твэ основного для прогноза температуры воздуха на декаду в пер! од её крупных аномалий в весенне-осенний период.

Апробация работы. В процессе работы по теме диссертации о<

овные её результаты были опубликованы в 3 статьях, а также не-днократно докладывались в ДАНИИ на научно-технических семинарах гдела долгосрочных метеорологических прогнозов, на секциях Учё-ого совета, заслушивалась на. объединённом метеорологическом свинаре САНИГМИ им.В.'А.Буг&ева', .ТадГУ и Узгидромета. В целом ра-ота была доложена и одобрена в качестве диссертации на секции етеорологии и геофизики Учёного совета АА11ИИ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, яти глав и заключения. Общий объём работы составляет 145 стра-иц, из которых ПО страниц занимает текстовая часть. В диссерта-ии содержится 17 таблиц, 16 рисунков и графиков. Список литера-урных источников включает 102 отечественных и 36 зарубежных из-аний.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, пределена цель исследования, указывается научное и практическое начение работы, новизна полученных результатов, характеризуются :етоды исследования, используемый материал, перечислены основные ыносиыые на защиту результаты, кратко описано внедрение резуль-атов исследования в оперативную практику.

В первой главе представлен обзор исследований, посвягцёшшх 1азработке методов прогнозирования температуры воздуха на средне сроки. Отмечается тесная связь исследований в этой области с чтением общей проблемы среднесрочного прогноза погоды.

Долгое время развитие прогнозов температуры воздуха на средне сроки непосредственно зависело от успехов синоптического ютода, разрабатывавшегося в СССР школами Б.Л.Мультановского, ¡.Т.Пагавы, Г.Я.Вангенгейма, А.А.Гирса и другими. Работы этого вправления способствовали выработке представлений о характере 1Тмосфернцх процессов на основании анализа карт погоды и бармче-:кой топографии. Температура воздуха и другие элементы погоды фогнозировались на основании выявленных связей между их характе-шстиками и типами или формами атмосферной циркуляции. Текущие ■енденции в ходе значений ыетеоэлементов экстраполировались на ¡рок прогноза. Циркуляционные условия прогнозировались исходя из ютода аналогии с учётом эмпирически установленных закономерности и повторяемости форм и типов циркуляции.

Велись исследования- и по разработке синоптико-статистиче ких методов прогноза температуры воздуха на 5-10 дней, основа ных преимущественно на использовании множественной линейной р грессии (Педь Д.А.,1964, Кац A.JI.,1965, Федулова М.Н.,1966, F фаилова Х.Х.,1973 и др.). Однако использование в качестве пре кторов характеристик атмосферной циркуляции, подстилающей nos хности, облачного покрова для исходного или предшествующего г гноэу периода не позволило получить их существенного преимуще ва перед соответствующими инерционными прогнозами из-за резке убивания во времени асинхронных корреляционных связей, на ко: рих строились такие методы.

Использовался подход, основанный на применении метода ai логов (Юдин М.И.,1968, Вудкок,1980, Груза Г.В., Ранькова Э.Я 1977,1981, Федулова Ы.Н., Бородина A.B., Щувалова A.B.,1981)

Перспективно составление указанных прогнозов в вероятно ной форме (Мерфи, Уинклер,1979, Есакова Н.П., Афанасьева В.Б 1981, Груза Г.В., Ранькова 3.Я.,1983). Однако такая форма пр ставления прогностической информации пока не получила широко распространения ввиду не готовности потребителей к её исполь ваши.

Успехи в численном моделировании ОЦА и прогресс в облас вычислительной техники привели к появлению численных прогног барических полей, имеющих довольно высокую оправдываемость ^ период до 5-7 суток. При этом достоверно воспроизводятся дм ка глобальной циркуляции атмосферы и основные черты развигш ноптичаских макропроцессов в тропосфере. Хотя прогнозы поле! приземного давления несколько уступают по качеству прогноза! рических полей свободной атмосферы. Гидродинамический прогн< элементов погода, однако, пока не даёт результатов, которые ли бы непосредственно использоваться для гидрометобеспечени. родного хозяйства.

Проблема решается путём включения ьыходных данных указ моделей в состав исходных параметров статистической модели, тоящей из уравнений множественной линейной регрессии, свяэы щих прогнозируемые погодные элементы {предиктанты) и исходи параметры (предикторы). Это позволяет строить прогноаана ос синхронных связей, что определяет бо'льшую их успешность. Та подход используется в последние годы в большинстве метеорол ческих центров для оперативных среднесрочных прогнозов оснс

лементов и явлений погоды. Такие прогнозы могут расчитываться * территориально удалённых метеоцентрах, получающих гидродинами-:еские прогнозы барических полей по каналам связи и имеющих свои [рогностические схемы, опирающиеся на собственный архив предик-'антов.'- Первые прогностические схемы, основанные на таком подхо-1е, не были лишены элементов субъективизма (Клейн, Льюис, Инджер, !959, Кац А.Л.,1975). Дальнейшее совершенствование шло в направ-1внии расширения освещаемой территории, повышения пространственного разрешения и дискретизации во времени, увеличения заблаго-феменности прогнозов, расширения информационной базы задачи, 1Втоматизации всех этапов прогностической технологии (Клейм, ^311,1974, Бенгтссон, 1981, Васильев ПЛ.,1985 и др.).

Качество прогнозов, получаемых на основе региональной прогностической схемы статистической интерпретации фоновых гидроди-тмических прогнозов, определяется эффективностью учёта физико-географических особенностей региона, специфики связей погодных условий с параметрами атмосферной циркуляции, характера их продления и возможности идентификации по данным существующей сети тблюдений. Для западной части Арктики характерна плохая осве-цённость данными наблюдений, что может частично искажать соотве-гствие между полученными на основании анализа этих данных полями I элементами погоды в пунктах прогноза. Регион отличается особыми радиационными условиями, связанными с полярной ночью и характером подстилающей поверхности - чередованием участков суши и морских акваторий (снежный и ледяной покров). Его циркуляционные /словил формируются под воздействием нескольких основных центров цействия атмосферы, что определяет бо'льшую вероятность смены синоптических процессов по сравнению с восточной частью Арктики. Кроме того, регион подвержен отепляющему воздействию океанов, которое проявляется в виде адвекции воздушных масс с Северной Атлантики и в выделении тепла водами окраинных морей Северного ледовитого океана. Взаимодействие указанных факторов обусловливает наибольшую повторяемость здесь крупных аномалий температуры воздуха по сравнению с другими районами Арктики.

Работа над диссертацией строилась с учётом как достижений в области объективной интерпретации гидродинамических прогнозов барических полей, так и накопленного в ААНИИ многолетнего опыта составления прогнозов погоды для арктической зоны, в том числи и среднесрочных, на основе синоптико-статистического■подхода. Анн

лиэ атмосферных процессов на основе наблюдаемых параметров, типизация атмосферных процессов с определением характерных естественных градаций и пределов изменений рассматриваемого элемента, внимание к более важным для потребителей аномальным условиям способствовало обогащению физического содержания и практической ценности разработанной прогностической схемы, её лучшей адаптации к особенностям атмосферных процессов в западной Арктике.

Вторая глава посвящена анализу статистических свойств рядов аномалий среднесуточной температуры воздуха у поверхности земли ь западной Арктике весной и осенью, распределения их изменчивости во времени и в пространство. Обосновываются критерии крупных температурных аномалий, выделяются периоды со значительными отклонениями приземной температуры от своих средних многолетних значениГ

Полученные значения средних квадратических отклонений, коэффициентов асимметрии и эксцесса (2.1.) указывают на значительную изменчивость аномалий среднесуточной температуры воздуха, связанную с особенностями атмосферной циркуляции и местными физико-географическими условиями. Пространственное и временное распределение изменчивости неравномерно. Значения средних квадратических отклонений возрастают по мере удаления от побережья в соот-

ветствии с увеличением континентальности климата. Их сезонный xo^ выражается в возрастании как самих величин, так и различий между прибрежными и более континентальными станциями от тёплого полугодия к холодному, что связано с аналогичным изменением здесь интенсивности атмосферной циркуляции. Значения коэффициентов асимметрии к эксцесса позволяют считать распределение вероятностей рассматриваемых рядов близким к нормальному и применять к их анализу статистические методы обработки данных. Полученные результаты в целом согласуются с выводами других авторов.

Полученные данные о пространственном и временном распределении средних квадратических отклонений позволили определить комплексный критерий крупной аномалии температуры воздуха для данного района и на его основании Еыделить за 20-летний период (1964-198^ гг.) около ста случаев таких аномалий обоих знаков (2.2.). Их повторяемость по данным за указанный период имеет сезонный ход, выражающийся в увеличении частоты возникновения от тёплого полугодии к холодному. Большинство выделенных случаев приходится на начало весны и конец осени. По годам они распределены крайне неравномерно, различна и их продолжительность. Наиболее продолжитель-

ныв случаи весной отмечались в марте (до 15 дней подряд), а осенью - в ноябро (до 18 дней). При этом преобладают случаи продолжавшиеся 3 и 4 суток, их средняя продолжительность 3-5 дней.

В третьей главе даётся описание характерных особенностей атмосферной циркуляции, обусловливающих формирование крупных температурных аномалий в западной Арктике.

Синоптические условия в период возникновения указанных яяло-иий описаны в 3.1, Выявлено два типа процессов над рассматриваемым и прилегающими районами, соответствующих началу случаев крупных положительных аномалий. Они характеризуются устойчивой адвекцией тепла с юга или юго-запада (тяп "тепло с суши") и выносом тёплого влажного воздуха с Северной Атлантики с запада или северо-запада (тип "тепло с моря"), Отрицательные аномалии связаны с адвекцией холода по западной периферии обширной высотной барической ложбшш, расположенной над Западной Сибирью. У земли при атом в исследуемом районя образуется область повышенного атмосферного давления, способствующая последующему радиационному выхолаживанию приземных слоев воздуха. Соответствующие началу рассматриваемых явлений лоля Нзд^ характеризуются существенной меридианальностыо атмосферной циркуляции б атлантико-евразийском секторе северного полушария.

В 3.2. анализируется соответствие между возникновением крупных аномалий температуры и типами атмосферной циркуляции северного полушария по типизация« Г.Я.Вангенгайма-А.А.Гирса и А.С.Г^-дяепа. Полученные результаты подтверждают связь рассматриваемых аномалий со значительными меридианалънши составляющими в атмосферной циркуляции. 65$ всех имевших место случаев возникло при форма циркуляции Е и её сочетаниях с формой И/" согласно первой из указанных типизация. Применительно к типизации А.С.Г^дяевп указанная связь выражается в соответствии таким аномалиям блокирующих тропосферных барических гребней, локализованных в определённых секторах северного полушария. Однако в целом однозначных связей между возникновением аномалии определённого знака и конкретными типами атмосферной циркуляции не просматривается, ого не позволяет строить прогноз таких явлений на основании рассмотренных типизация, используя прогноз определённых типовых состояний атмосферной циркуляции в качестве индикатора формирования крупной температурной аномалии в западной Арктике.

Аналогичные результаты представлены в 3.3. применительно к типизациям атмосферных процессов в Арктике Л.А.Дыдиной и а.А.Дми-триева-В.А.Кучина-П.А.Сельцера.

Четвёртая глава посвящена подбору методов количественного описания особенностей атмосферной циркуляции в период рассматриваемых явлений и уточнению их влияния на величину аломалии.

В 4.1. представлены результаты параметризации возмущений циркумполярного вихря в выооких и умеренных широтах северного полушария, соответствующих выделенным случаям,.гармониками Фурье. Гармонический анализ полей на пространстве от Исландии до

Якутии по данным их значений вдоль 70° с.ш. с дискретностью в пространстве 10° долготы и во сремени 2 суток (от двух суток до начала случая по его десятый день включительно) выявил преобладание значимости первой гармоники для всех соответствующих выделенным случаям серий из семи полей. Амплитуды этой гармоники возрастали к началу случаев и их вторым суткам после чего характер изменения их величины мог быть различным при убывании межсуточной изменчивости. Соотношение величины этих амплитуд между отдельным* сериями не проявляло определённой закономерности. Наиболее информативной характеристикой оказалось положение максимума первой гармоники. Его положение оказалось различным для выделенных типов атмосферной циркуляции, соответствующих крупным температурным аномалиям. При случаях, возникших на фоне процессов типа "тепло с суши", он располагался около 80-100° в.д. (соответствует влиянию на район передней части высотной ложбины с адвекцией тепла с юга) Случаи крупных положительных аномалий, соответствующие циркуляции типа "тепло с моря", имели максимумы первых гармоник около 0-20° в.д. (влияние передней части пологого тропосферного гребня с осы: над Скандинавией). При крупных отрицательных аномалиях эти максимумы располагались вблизи 0° долготы практически у всех случаев, что соответствует расположению над районом тыловой части высотно( барической ложбины с адвекцией холода и ростом давления у поверхности земли. Эти особенности особенно ярко проявлялись до начала и в первые дни рассмотренных случаев, что очевидно связано с преобладанием их 3-4-суточной продолжительности. Изложенное указывает на возможность использования первой Фурье-гармоники в качестве аналога барических гребней и ложбин на среднем уровне тропосферы, а также на существенную связь рассматрййаемых явленгй с характером термической адвекции на западную Арктику. Хотя полученные ре-

зультаты объективно подтверждают существование трёх типов атмосферных процессов, способствующих формированию крупных аномалий температуры в западной Арктике весной и осенью, они не могут быть использованы в прогностической схеме для идентификации возникновения этих явлений ввиду близости положения максимумов первых гармоник при случаях значительных похолоданий и потеплений по типу "тепло с моря".

Роль радиационного выхолаживания приземного слоя воздуха в период значительных похолоданий рассматривается в 4.2. на основании сравнительного анализа межсуточной изменчивости аномалий среднесуточной температуры воздуха на отдельных станциях при различном количестве облачности. Делается вывод о необходимости учёта наличия приземной области повышенного атмосферного давления и её интенсивности при прогнозе величины температурной аномалии и её межсутовдой динамики.

Методика к результаты исследования пространственно-временных связей между параметрами термобарических полей северного полушария и величинами температурных аномалий в пунктах прогноза представлены в 4.3. Определённых закономерностей и индивидуальных особенностей в пространственных распределениях синхронных корреляционных связей между ними выявить не удалось. Динамика таких связей во времени, рассматривавшаяся на основании значений полей Hjqqq, HgQQ и Hjqqq и аномалий температуры для одних и тех ка пунктов при различных временных сдвигах, оказалась достаточно закономерной. Преобладают синхронные связи, по типу поля наилучшие связи для геопотенциала Hjqqq, худшие - для %qq. Анализ про-странстве1шо-временных связей изменений температурных аномалий на станциях со значениями и изменениями указанных термобарических полей при различных сдвигах во времени выявил определённые закономерности в конфигурации и локализации ближайших к пункту прогноза корреляционных очагов, связанные с типом поля и типом формирующих температурные аномалии атмосферных процессов. Регион, в пределах которого локализуются эти основные очаги корреляции, охватывает северную полярную область (севернее 65° с.ш.), а в умеренных широтах территорию между 40 и 120 градусами в.д. севернее 45° с.ш. Особенности указанных метеорологических полей в период крупных температурных аномалий в западной Арктике рассматривались далее в пределах этого "влияющего района".

Пятая глава посвящена разработке статистической прогностической модели, реализующей объективную интерпретацию гидродинамического прогноза параметров динамики крупномасштабной циркуляции атмосферы в элементы погоды, формирования оптимального набора предикторов этой модели методом пошаговой множественной линейной регрессии, функционирования технологической линии прогноза среднесуточной температуры воздуха на декаду по западной Арктике в период крупных температурных аномалий весной и осены эффективности унизанных прогнозов.

В 5.1. изложены основные принципы построения регрессионны; прогностических моделей, описываются особенности схемы прогноз; реализованной в рамках данной диссертационной работы. Осуществлять разработку можно исходя из двух различных подходов. Формирование обучающей выборки на основании наблюдённых значений предикторов и предиктанта предполагает концепция "идеального прогноза" или РР-концепция. Полученные на данных такого истори ческого архива реальные статистические связи при оперативной расчёте прогноза заменяются прогностическими. Это было бы опра вдано при идеальном качестве прогноза предикторов. Поскольку реальные прогнозы этим качеством не обладают, ошибки в прогноз снижают качество расчитываемых на его основе значений предикте нта. Другой подход - МОй-концепция - предполагает использован!' в исходном архиве не наблюдённых, а спрогнозированных значений предикторов, Решая таким образом указанную выше проблему этот подход имеет и свои недостатки. К ним относятся необходимость предварительного накопления громоздкого архива прогностически) полой, жёсткая привязка к определённой гидродинамической схем* прогноза. Особенностью таких схем является возрастание несоответствия несистематического характера между прогнозируемыми и реальными условиями с увеличением заблаговременности прогнозирования, что определяет обучение статистической модели на нес! схематически неадекватных связях. Выбор одного из представлен ных выше подходов при выполнении данной работы определялся рл дом дополнительных условий. Это редкость рассматриваемых квле иий и нерегулярность поступления прогнозов барических полей н обходимой заблаговременности от ряда прогностических центров Аидерминский ГМЦ, где их использование строится на принципе взаимозаменяемости. Поэтому невозможно сформировать достаточн архив прогнозов метеорологических полей, необходимый для испо

эования М05-концепции, что определило применение концепции "идеального прогноза".

Математической основой статистических прогностических модулой, как правило, служит многомерная линейная регрессия. Гипотеза линейности является упрощением реальных связей, однако, применение в качестве предикторов результатов гидродинамических прогнозов эффективно учитывает нелинейность. Нелинейная комбинация группы предикторов может также входить отдельным членом в линейное уравнение регрессии. Кроме того, в описываемой модели нелинейность учитывается с помощью таких известных приёмов, как разделение общей выборки на части по сезонам, типам атмосферной циркуляции, построение уравнений для отдельных станций. Обеспечение устойчивости работы модели при различных индивидуальных особенностях атмосферных процессов достигается путём оптимизации набора предикторов. С увеличением их числа улучшается соответствие уравнений модели обучающей выборке, одновременно растёт вероятность неустойчивости на независимых данных. Оптимизация набора предикторов в данном случае выполнялась методом яошагоьой многомерной регрессии, позволяющим оценить индивидуальную эффективность каждого из потенциальных предикторов.

В свете сказанного вше важно верно выбрать метод количественного описания особенностей атмосферной циркуляции посредством минимального числа значений, адекватно отражающих физическую сущность протекающих' процессов. Для компактного представления циркуляционных условий В пределах "влияющего района" в диссертации предложена аппроксимация метеорологических полей ортогональными полиномами третьей степени. Это позволяет вместо значений поля в узлах регулярной сетки характеризовать важные для прогноза его особенности тремя коэффициентами. В силу своей ортогональности они могут использоваться как независимые предикторы. Приводятся основные выкладки, поясняющие построение таких полиномов. С их помощью достигается существенное сжатие массивов данных о полях-предикторах, позволяющее сильно сократить объём хранимой и обрабатываемой информации при разработке и оперативном использовании прогноза, уменьшить трудозатраты на подготовку исходных данных и их занесение на машинные носители. Аппроксимация осуществляется по значениям поля, расположенным вдоль прямой линии на равном удалении друг от друга. Подбор оптимального положения точек выполнялся на основании оценки тесноты линейной корреляцион-

ной связи между аномалиями температуры воздуха на станциях и коэффициентами кубических полиномов при различном положении последовательности точек по отношению к пункту прогноза и к основным корреляционным очагам. Наилучшим оказалось их расположение вдоль линии, соединяющей наибольшие значения коэффициентов корреляции в ближайших к станции корреляционных очагах. Для полей %00 эго соответствует расположению точек в зоне станции перпендикулярно ведущему потоку. Тем самим характеризуется направление и интенсивность адвекции в пункте прогмоза.

Просеивание предикторов прогностической модели описало в 5.2. В предварительный набор входили значения полей ATjqqq,

^1000 в Уалах регулярной сетки в пределах "влияющего района" и на станциях, аномалии этих значений, их изменения соответственно периодам прогнозирования (от начала случаев к их 2,4, 6,8,10 суткам), аналогичные изменения температурных аномалий на станциях, исходные значения этих аномалий (в день начала крупной аномалии и за двое суток до него, изменения за этот период), Лапласианы поля Hjqqq и коэффициенты полиномиального представления всех указанных выше полой. Просеивание проводилось на основе многофакторной линейной регрессии шаговым методом, работающим следующим образом. Первый предиктор выбирается из предварительного списка на основании максимума его взаимной корреляции с предиктантом. Далее на каждом шаге добавляется по одному не выбранному ранее предиктору из предварительного списка, обеспечивающему вместе с уже выбранными предикторами наибольшие по сравнению с остающимися о предварительном наборе коэффициент множественной корреляции с предиктантом и прирост объясняемой доли егс дисперсии. Пополнение окончательного списка прекращается когда добавление очередного предиктора даёт прирост объясняемой доли дисперсии предиктанта менее заданного уровня, в данном случае принимавшегося равным 0,01. В итоге в окончательный набор предикторов вошли значения полей Hjqoo "а станЧиях в последний день периода прогноза (2,4,6,0,10 сутки рассматриваемых случаев), исходные значения температурных аномалий на станциях в первый дет явлений, коэффициенты кубических полиномов, аппроксимирующих поля Hjjqq, и значения Лапласианов полей Hjqqq в районе прогнозирования в те же дни, что и значения H^qq.

Рассмотрение корреляционных связей между предиктантом и характеризующими метеорологические поля предикторами при различны:

временных сдвигах между ними показало, что при 2-суточной дискретности декадного прогноза для 6-суточной и большей заблагов-ременности наиболее тесная связь в случаях, когда изменения параметров полей или их значения запаздывают на двое суток. Например, при прогнозе изменений аномалий температуры воздуха от начала случая к его восьмым суткам в качестве предикторов лучше использовать изменения значений полей к шестым суткам или их значения на шестой день случая.

Разработанная прогностическая модель, особенности расчётов по ней и результаты оперативных испытаний представлены в 5.3. Модель состоит из 270 уравнений множественной линейной регрессии, в которые в различных сочетаниях для каждой станции района, сезона и типа процесса вошли предикторы окончательного набора. В общем виде уравнения выглядят следующим образом

М^Л.о-] ^Аутло +^Н100СНк -

где -изменение аномалии среднесуточной температуры

воздуха, (дТ„„г. ) - средневыборочное значение изменения анома-су г.

лии температуры, К - коэффициенты кубического полинома поля %00* ^1000 " значбние относительного геопотенциала на станции, V - Лапласиан поля Н^д в района станции, ^ - эмпирическая функция влияния при соответствующем предикторе, £ - порядковый номер станции (1 = 1,2.....- заблаговременность прогноза

температуры в сутках =■ 2,4, ... ,10), к - заблаговременность прогноза барических полей в сутках (к « 2,4, ... ,6), I»- число коэффициентов кубического полинома {Ь, « 1,2,3). Малозначимые для конкретных типов температурных аномалий предикторы по критерию отсечения не вошли в итоговые уравнения. Поэтому в действительности число членов в них различно и, как правило, меньше шести. Первый и второй предикторы входят в уравнения модели всегда и с наибольшими весами. Коэффициенты кубических полиномов имеют меньший вес и обычно не все три входят в уравнение. То же можно сказать и о Лапласианах полей Н^д, особенно при положительных температурных аномалучх.

Автоматизированная прогностическая технология строилась на базе описанной регрессионной модели исходя из реалий её оперативной эксплуатации. Исходными данными являются прогностические

поля Н1000 и Нздо ЕЦСПЛ на 1-6 суток с суточной детализацией и значения среднесуточной температуры воздуха на 9 станциях района, Даже с учётом упоминавшегося ранее 2-суточного сдвига по времени заблаговременность прогноза метеорологических полей недостаточна для декадного прогноза аномалий температуры. Переход к их прогнозу на десятые сутки по прогностическим полям шестого дня вызвал уменьшение соответствующих коэффициентов множественной линей^ной корреляции на 0,1 после чего их величина составила 0,4-0,5. Исходные значения геопотенциальных высот 500- и 1000-миллибаровых поверхностей в заданных точках могут быть сняты с прогностических полей вручную и затем введены в ЭВМ с консоли или расчитаны автоматически по данным соответствующих телеграмм в коде ГРИД. Далее на их основании расчитываются относительный геопотенциал Н^дд, коэффициенты полиномов третьей степени полей Н^дд, Лапласианы полей Н|ддд. Исходя из этих данных, массивов норм температуры на станциях и коэффициентов уравнений модели расчитываются прогнозируемые изменения температурных аномалий на декаду с 2-суточной дискретностью по станциям. Результаты счёта выдаются на печать в виде карты-схемы или таблицы. Технологическая схема автоматизированного расчёта прогноза представлена на рис. I.

Разработанная схема прогноза позволяет предвычислять температуру воздуха по рассматриваемому району в период её крупных аномалий, что требует предварительного прогноза их возникновения. Оперативный расчёт прогнозов может выполняться как с нулевой заблаговременность» начиная с дня возникновения крупной температурной аномалии, так и в режиме использования в качестве исходных значений температуры их прогноза для тех же пунктов на основании другого метода, применяемого постоянно. Например, это может быгь прогноз экстремальных температур воздуха по дням на 6 суток, поступающий из Москвы. За начало аномалии в таком случае следует принимать те сутки, когда оно ожидается по данным этого прогноза. В последующие дни такой расчёт может быть повторён для уточнения прогнозируемых значений если ожидаемое возникновение явления подтверждается прогнозом из Москвы с меньшей эаблаговременностью.

Оперативные испытания описанной прогностической схемы проводились в отделе метеорологических прогнозов ГМЦ Амдермагидро-

Ввод с дисплея значений прогностических полей Н1000 и Hsnn в заданных точках и исходных среднесуточных4^" ° температур воздуха на станциях

т_____ZZUZZ__ZZ~ZZZI=

500

Расчёт прогностических значений Нщдо на станциях

_____

Расчёт прогностических значений Лапласиана поля Н^дд

~ ~ .....Г

Аппроксимация прогностических полей Нпдл кубическим полиномом

Гс

Пересчёт исходных значений температуры на станциях в аномалии

Коэффициенты множественной линейной регрессии

Многолетние нормы среднесуточной температуры воздуха на станциях

Расчёт ожидаемых изменений аномалий температуры воздуха на станциях через 2,4,6,8,10 суток от исходной даты

£

Пересчёт прогностических изменений температурных аномалий в прогностические аномалии и температуры на станциях

"I

[ Печать результатов расчётов в виде таблицы или карты-схемы

Рис. I. Блок-схема работы программного комплекса расчёта прогноза среднесуточной температуры воздуха на 10 суток в период крупных температурных аномалий

мета весной и осенью 1988-1990 гг. В период испытаний прогнозы расчитывались с нулевой заблаговременностью. Их оценка выполнялась по следующим показателям:

- абсолютная ошибка прогноза (средняя по району)

ТЙ ' йТФ - ЛпрЧ'

- совпадение по знаку прогностических и фактических полей

п+ - 11

<Р - —" '

- относительная ошибка (по отношению к инерционному прогнозу) й ,йТпР - ЛфЧ

е

N

♦

Й 1*%

ф ~ атисх!i

- процентная доля точек прогноза п, в которых относительная ошибка £ меньше определённого критерия С (здесь принято С = 0,85

т.е. £ = 0,85)

Р „ х 100 % ^

N

где ДТф, лТисх, дТпр - соответственно фактические, исходные и прогностические аномалии температуры; И - общее число точек прогноза; п+ и п_ - количество точек прогноза, в которых совладают (+) и не совпадают (-) знаки фактических и прогностических аномалий температуры; п - число точек, в которых условие <5 £ 0,85 выполняется. Качество прогнозов можно считать удовлетворительным если.р > 0 и 8 < I.

За период испытаний в оперативном режиме расчнтано 162 прогноза по полям ЕЦСПП на 2,4,6,8,10 суток. Предварительно было расчитано 980 прогнозов на зависимых данных и 306 прогнозов № независимых данных с использованием фактических полей вместо прогностических ("идеальный прогноз"). Полученные оценки прогно зов, осреднённые по сезонам, представлены в табл. I. Сравнение успешности методических и инерционных прогнозов указывает на преимущество первых, возрастающее с увеличением заблаговременно сти прогнозов. Сравнить эти оценки с качеством аналогичных про-

Таблица I

Зправдываемость детализированных декадных прогнозов средней :уточной температуры воздуха в период её крупных аномалий в переходные сезоны для западной части Арктики за 1980-1990 гг.

Забла-! Исходные данные

говре-!---------------------------------------------------------

иен- ! Зависимые данные ! Идеальный прогноз! Прогноз ЩСГ1П

пость, I----------------------------------------------------------

сутки ! ^о 1 ! £ ! Р ! ,р ! о ! & ! Р ! ^ ! ^ ! е- 1 Р

Положительные аномалии I типл ("тепло с суши")

2 0,95 1,98 0,77 63 0,94 2,01 0,70 60 0,89 2,41 0,91 56

4 0,94 2,16 0,79 75 0,91 2,23 0,61 72 0,87 2,66 0,84 65

6 0,86 2,78 0,61 82 0,87 2,65 0,49 81 0,80 2,92 0,78 72

в 0,80 2,92 0,43 97 0,79 3,04 0,37 90 0,68 3,54 0,41 81

10 0,65 3,58 0,18 91 0,70 3,57 0,18 93 0,57 3,96 0,29 89

Положительные аномалии П

2 0,97 2,06 0,86 60 0,93

4 0,95 2,32 0,73 61 0,90

6 0,86 2,56 0,69 76 0,85

8 0,73 2,89 0,52 81 0,71

10 0,68 3,90 0,37 87 0,67

■ипа ("тепло с моря")

2,23 0,86 52 0,87 2,60 0,86 50

2,58 0,68 56 0,82 2,76 0,77 57

2,73 0,52 70 0,63 2,97 0,63 70

3,07 0,27 81 0,58 3,43 0,57 78

4,17 0,16 82 0,51 4,65 0,45 85

Отрицательные аномалии

2 0,93 2,17 0,89 61 0,90 2,23 0,90 56 0,88 2,47 0,93 55

4 0,88 2,35 0,82 67 0,85 2,50 0,86 60 0,80 2,77 0,88 62

6 0,76 2,610,53 73 0,72 2,79 0,63 76 0,70 2,96 0,57 70

8 0,67 2,93 0,25 87 0,68 2,88 0,31 86 0,61 3,48 0,27 88

10 0,60 3,57 0,12 90 0,58 3,72 0,21 91 0,52 4,53 0,38 87

гностических методов не представлялось возможным ввиду отсутствии прогнозов среднесуточной температуры воздуха той же забла--гонр>?моннпти с суточной детализацией по западной Арктике. Ре-тинигм Технического совета Амдермагидромета от 19.06.1990 г. метод рекомендован к внедрению н оперативную практику в качестве основного для детализированного декадного прогноза среднесуточной температуры воздуха в период её крупных аномалий весной и осенью.

В заключении диссертации'сформулированы основные результаты работы.

1. Выполнен анализ статистического распределения данных ort аномалиях среднесуточной температуры воздуха в западной i«v:th Арктики весной и осенью, описаны пространственное распределение и сезонный ход их изменчивости.

2. Выработаны количественные критерии крупных аномалий приземной температуры и на их основании выделены случаи таких аномалий весной и осенью 1964-1983 гг.

3. Описаны типы атмосферной циркуляции, обусловливающие крупные температурные аномалии в западной Арктике.

4. Проанализирована повторяемость рассматрипдсмых аномалий п зависимости от типов атмосферных процессов, выделяемых для сезерного полушария и Арктики на основании ряда известных типизации циркуляции атмосферы.

5. Предложено количественное описание региональных особенностей атмосферной циркуляции на основе параметров гармонического анализа полей ¡í-qq и аппроксимации метеорологических полей ортогональным-.! полиномами третьей степени,

6. Рассмотрено влияние радиационного выхолаживания на формирование крупных отрицательных аномалий температуры.

7. Получены количественные оценки пространственно-временны корреляционных связей величины и знака крупных температурных аномалий с рядом количественных характеристик циркуляционных ус повий, определяющих термическую адвекцию и условия радиационн-ного выхолаживания воздушных масс над рассматриваемым районом.

8. Выявлены имеющие прогностическое значение информативные области северного полушария и установлены районы со значимой корреляционной связью значений H^qq с рассматриваемыми явлениями.

9. Определены оптимальные сочетания предикторов для разли-

чных пунктов района и заблаговременностей прогноза, обеспечивающие наилучшую множественную корреляцию с предиктантом.

10, Разработана региональная регрессионная модель прогноза крупных аномалий среднесуточной температуры воздуха на декаду с суточной детализацией по западной Арктике в переходные сезоны года. В 1988-1990 гг. модель прошла оперативные испытания в Амдерминском ТГЩ, показавшие существенное превосходство данного метода над инерционными прогнозами. Решением Технического совета Амдермагидромета метод внедрён в оперативную практику в качестве основного.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Граховский Т.Н., Евсеев М.П. О диагнозе и прогнозе значительных декадных аномалий температуры воздуха в западной Арктике с помощью спектральной гидродинамической модели. - Тр./Аркт. н антаркт. науч.-исслед. ин-т, 1988, т.416* с.88-96.

2. Граховский Г.Н. Некоторче статистические характеристики среднесуточной температуры воздуха в западном районе Арктики в переходные сезоны года. - Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-т, 1990, т.422, с.36-43.

3. Граховский Г.Н. О некоторых особенностях резкого понижения среднесуточной температуры воздуха в масштабе декады над западным районом Арктики в переходные периоды года. - Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-т, 1990, т.422, с,60-64.