Введение к работе
Актуальность темы. Сложность формирования и разнообразие прсстранствен-но-времвнньгх масштабов изменений климата и степень его предсказуемости определяют многие физико-географические факторы, главным из которых является, как известно,- скорость поступления солнечной радиации в систему атмосфера-океан-супи (АОС). Одним из основных энергетических регуляторов климата и, следовательно, параметров системы АОС служит облачность. С одной сторопы, она выступает чувствительным индикатором видимого отображения ряда физических процессов, протекающих в атмосфере, с другой стороны, как свидетельствуют данные наблюдений и результаты гидродинамического моделирования, посредством множества прямых и обратных связей существенно воздействует на эволюцию погодо- и клнматообра-зующих процессов. Так, во взаимодействии атмосферы с подстилающей поверхностью облачность выступает как "регулятор с обратной связью" (А.С. Монпн, 1982). В самом деле, паличне облачности над любым районом земного шара сказывается, в первую очередь, па изменении альбедо, суммарной радиации и эффективного излучения и, в конечном итоге, на изменении радиационного баланса земной поверхности. Изменяя радиационный баланс поверхности, облачность определяет тепловые условия атмосферы, через которые и влияет на эволюцию механизмов циркуляции.
Основные направления исследования климата сформулированы во Всемирной программе исследования климата (ВПИК), одной из главных целей которой является изучение степени предсказуемости климата. Для достижения этой цели иеобходимо: углубить понимание закономерностей региональных и глобального климатов, их изменчивости во времени; проанализировать данные о существенных трендах регионального и глобального климатов; усовершенствовать физико-математпчвские модели, пригодные для адекватного воспроизведения и оценки предсказуемости климата применительно к различным пространственным и временным масштабам. С точки зрепия ВПИК важны масштабы времени от нескольких недель до нескольких десятилетий. Диапазон птххггранствеппых масштабов варьирует от регионального (~1000 км) до глобального. В соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организации к числу приоритетных параметров атмосферы относят распределение общего количества облаков.
В связи с изложенным представляется актуальным исследовать особенности эволюции северополупирных полей общего количества облаков по спутниковым данным
Цель исследования. Целями диссертационной работы являются: синтез эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) или естественных колебаний (ЕК) облачности над Северным полушарием и исследование их пространственно-временной устойчивости; расчет временных последовательностей коэффициентов разложения (главных компонент), описывающих эволюцию ЕК при переходе от месяца к месяцу, а также синтез и идептифгасация их авторегрессиониых моделей; исследование статистпче-ской предсказуемости и прогнозируемости ЕК на основе северополушарпых полей облачности и моделей рядов главных компонент.
Задачи работы. Автором сформулированы и последовательно решены следующие задачи:
- выявить информационное содержание разложений полей облачности по ЭОФ;
оценить синхронные и асинхронные корреляционные связи в северополушар-ных полях облачности, заданной средними значениями общей облачности в центрах шигхлно-дрлготяых боксов размером 5х10;
получить формы ЭОФ полей облачности и изучить особенности сходимости рядов разложений в различных широтных зонах и сезонах года;
исследовать статистическую предсказуемость зональных и полушарныхЕК полей облачности на основе параметрических моделей;
исследовать эволюцию спектральных мод облачности для выявления корот-—копериодных колебаний регионапьныхтплобального^кшшагов;
выявить тренды в ходе зональных и псагушарных волновых мод облачности;
- оценить возможности прогнозирования зональных полей облачности наосно-
ве синтезированных моделей рядов главных компонент.
Научная новизна. Выявлены синхронные и асинхронные статистически значимые корреляционные связи полей общей облачности ряда центров действия атмосферы (ЦЦА) Северного полушария: азорского и гонолульского максимумов, исландского и алеутского минимумов, района восходящей ветви циркуляции Хедли (15 с.ш. -130 В.Д-Х установлен колебательный характер полей облачности; оценено влияние ЦЦА на поля облачности в районе Санкт-Петербурга; выявлены статистически значимые синхронные и асинхронные связи с указанными ЦЦА.
Впервые выполнено разложение по ЭОФ полей общей облачности по всему Северному полушарию и выделены сигналонесущие компоненты этого разложения.
Установлено доминирование (по дисперсионной нагрузке) наиболее крупномас-шгабкых спектральных мод полей облачности, позволяющих выделять процессы планетарного и синоптического масштабов.
На основе структурной статистической модели типа "сигнал плюс шум" по Пар-зену (Е. Parzen, 1966) для последовательностей коэффициентов разложения зональ-* ных естественных колебаний — EK3Et (Zi(/t #«))н E2(Z2(Xb ^,)) на восемнадцати параллелях полушария: установлено, что статистнчвекая предсказуемость (И.И. Поляк, 1989) ЕКЗ Ej не превышает трех - четырех месяцев, а ЕКЗ Е2 оказывается менее месяца
Показано с помощью моделирования последовательностей коэффициентов разложения полушарных естественных колебаний (ЕКП) Ei и Е2„ что коэффициенты разложения полушарных полей облачности в двойные ряды по ЭОФ (М^кде) могут быть предвьгчислены с упреждением от двух до двенадцати месяцев, коэффициенты М2, р2(і)4 предсказуемы на сроки от одного до восьми месяцев, а коэффициенты M2,i и Мг>5 непредсказуемы, что следует из слабой предсказуемости зональных ЕК Е2 на всех параллелях полушария.
Установлено, что в эволюции наиболее мощной по дисперсии зональной волновой моды облачности Еь а также в ходе мод Е2 и Е3 прослеживаются различные по знаку и величине углы наклона линейного тренда, т.е. климаты на отдельных параллелях, являясь региональными проявлениями глобального климата, эволюционируют по-разному.
Оценены возможности прогнозирования зональных полей облачности с учетом пространственно-временной устойчивости ЭОФ и погрешностей, шсюимыхвпрогноз различными компонентами разложения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Итоговых сессиях ученого совета ИТМУ (1997-2000 гг.); научно-технических конференциях в СПВВИУС (1997-1998 гг.); второй Санкт-Петербургской ассамблее молодых учены и
специалистов (1997 г.); первой международной научной конференции студентовиас-пирантов "Современные аспекты гадгюаэродннамикн-1998"; Всероссийской конференции "Атмосфера и здоровье человека" (1998 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ и одна работа принята к опубликованию.
Структурарабаты. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 164 наименования. Общий объем работы составляет 152 страницы, включая 15 рисунков и 14 таблиц. Основные результаты и положения, выносимые на защиту
-
Целесообразность использования системы ЭОФ для представления случайных геофизических полей, в том числе полей облачности.
-
Особенности синхронных и асинхронных корреляционных связей в северополу-шарных полях облачности.
-
Доминирование крупномасштабных спектральных мод полей облачности, позволяющих выделять процессы планетарного и синоптического масштабов.
-
Предскззуемосгь последовательностей коэффициентов разложения зональныхмод ЕКЗ Е[ не превышает трех-четырех месяцев, а ЕКЗ Ег - несколько недель.
-
Предсказуемость на основе модели «сигнал плюс шум» последовательностей коэффициентов разложения полушарньи мод Mi>ю)5 составляет от двух до 12 месяцев, а коэффициентов Ыг^х^ ~ от одного до восьми месяцев; коэффициенты М2,і и Мг,5 непредсказуемы.
-
Эволюция полушарного естественного колебания (ЕКП) Etjl в период с 1966 по 1988 гг. характеризуется систематическим увеличением облачности: угол наклона линейного тренда составил 0,067 балда/23года. В ходе ЕКПЕї.г, за период 1966-1980 гг. прослеживается отрицательный тренд (-0,038 балла/15лет). За период 1981-1988 гг. тренд в ходе ЕКП Е1-2 статистически пезначим.
-
Погрешность прогнозирования зональных полей облачности определяется погрешностью ігредвьгчисления сигналонесущих коэффициентов разложения, предсказуемость которых достаточна для выполнения прогноза, а также погрешностью, вносимой непредсказуемыми мелкомасштабными коэффициентами разложения. Процедура прогнозирования должна учитывать пространственно-временную устойчивость зональных ЭОФ.
-
На всех широтах, за исключением 15 и 35 первое ЕК прогнозируется существенно лучше, чем это дает климатический прогноз. Полушарпое ЕК, несущее климатический сигнал, прогнозируется с высокой точностью во всех широтных зонах.
Практическая значимость результатов работы. Результаты диссертации могут быть использованы:
при разработке методов прогнозирования полей общей облачности над Северным полушарием;
при определении существенных трендов и оценке предаказуемоспізональньк и полушарного климатов;
- в учебном процессе при преподавании синоптической метеорологии, долгосрочных методов прогноза погоды, методов статистической обработки гидрометеорологической информации и климатологии, а также темы Параметризация облачности в пщю динамических моделях».
