Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ исследований и основы методики определения теплового состояния океанов 8
1.1. Способы современного учёта термического состояния океанов в целях прогноза погоды 8
1.2. Основы метода расчёта теплосодержания деятельного слоя Северной Атлантики и его применение для целей прогноза . 24
Глава 2. Основные характеристики полей изменения теплосодержания деятельного слоя Северной Атлантики 33
2.1. Вычисление величин изменения теплосодержания и способы их обработки 33
2.2. Некоторые статистические параметры, характеризующие теплосодержание Северной Атлантики 47
2.3. Пространственно-временной анализ полей изменения теплосодержания 79
2.4. Энергоактивные зоны океана 97
Глава 3. Исследование влияния различных факторов на формирование полей температуры воздуха на континенте 108
3.1. Связь между тепловым состоянием Северной Атлантики и температурой воздуха на континенте 108
3.2. Влияние циркуляционных особенностей атмосферы на формирование температурного поля на континенте 135
3.3. Влияние температуры воздуха в Арктическом бассейне и циркуляции атмосферы на температурное поле 143
Глава 4. Регрессионный способ прогноза аномалии температуры воздуха на континенте 159
4.1. Схемы регрессионных прогнозов температуры воздуха 159
4.2. Построение комплексных прогнозов и их анализ на зависимом материале 177
4.3. Результаты испытания комплексных прогнозов температуры воздуха на независимом материале 185
Заключение 1,92
Литература 198
Приложение 220
- Способы современного учёта термического состояния океанов в целях прогноза погоды
- Вычисление величин изменения теплосодержания и способы их обработки
- Связь между тепловым состоянием Северной Атлантики и температурой воздуха на континенте
- Схемы регрессионных прогнозов температуры воздуха
Введение к работе
Обеспечение народного хозяйства нашей страны надежными прогнозами погоды большой заблаговременности является важной задачей гидрометеорологов, В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятых на ХШ съезде КПСС, подчеркивается, что в области естественных наук необходимо сосредоточить усилия на "изучении строения, состава и эволюции Земли, биосферы, климата, Мирового океана ... с целью рационального использования их ресурсов, совершенствования методов прогнозирования погоды". Между тем качество долгосрочных прогнозов погоды повышается весьма медленно. Поэтому любое исследование, направленное на улучшение их эффективности, представляется актуальным.
Причина невысокой оправдываемоети прогнозов состоит в неполном раскрытии физического механизма взаимодействия трех основополагающих сред на Земле: атмосферы, Мирового океана и суши, и в недостаточном учете в расчетных схемах термических свойств подстилающей поверхности. Как известно, атмосфера в основном получает энергию от подстилающей поверхности, поскольку собственное поглощение ею солнечной радиации очень мало. Океан, обладая в два раза большей теплоемкостью и деятельным слоем в десятки раз глубже, чем суша, является громад ным аккумулятором и перераспределителем тепловых запасов. Роль запасов водных масс в формировании погодных условий на континенте является неоспоримой /33, 51, 58, 59, 63, 68, 75 80, 84, 160, 181/. В умеренных широтах северного полушария при слабом прогреве суши в теплое время и сильном ее выхолаживании осенью и зимой атмосфера получает тепло в основном от океана. Для формирования температурного поля зимой в западной половине СССР решающее тепловое влияние имеет Атлантический океан. Исследования по разработке способов прогноза различных характеристик атмосферы на территории СССР с учетом теплового состояния Северной Атлантики ведутся достаточно давно. Долгое время за показатели теплового состояния океанов принимали значения температуры поверхности воды и разность температур вода-воздух. Однако известно, что наиболее активно проявляет себя во взаимодействии с атмосферой весь верхний, так называемый деятельный слой океана, а не только его поверхность. Выражением содержания запасов тепла в деятельном слое является его теплосодержание. Изменение этой величины за месяц - важный и более точный показатель энергетического баланса во взаимодействии с атмосферой /78, НО, 139, 134, 148/, Научная новизна проделанной работы состоит, во-первых, в анализе статистической структуры и эволюции средних месячных полей пока мало изученного параметра - изменения теплосодержания деятельного слоя Северной Атлантики (1). Расчеты величин Ц-г производились по методу Г.Н, Милейко для холодного полугодия в центрах.пятиградусных квадратов на акватории от 30 с.ш. до 70 с.ш. с учетом меняющейся глубины деятельного слоя. Во-вторых, впервые предложены схемы прогноза полей средней месячной аномалии температуры воздуха ( д 1 ) на континенте - на Европейской территории СССР (ЕТ СССР), в Западной Сибири и Северном Казахстане с заблаговременно-стью один и два месяца для периода с ноября по май, учитыва- ющие тепловое состояние Северной Атлантики в виде различных показателей полей изменения теплосодержания деятельного слоя. Оценки оправдываемости прогнозов полей лТ улучшены по сравнению с результатами расчетов, не учитывающих величину Цт , и получились выше, чем у официального метода прогнозов погоды на месяц. Наибольшей надежностью обладают схемы, составленные для зимних месяцев. Показано, что и с физической, и с методической точки зрения неверно применение в прогнозах тепловых характеристик подстилающей поверхности без привлечения свойств циркуляции атмосферы. Все расчеты статистических характеристик и схем прогнозов производились на ЭВМ "СУ&ЕИ.-- 172".
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава посвящена анализу работ по долгосрочному прогнозу гидрометеорологических величин на континенте, основанного на использовании тепловых параметров поверхности воды Северной Атлантики. Обращено внимание на усилившийся интерес исследователей к более показательной величине энергетического состояния океана - теплосодержанию его деятельного слоя. Во второй главе дается статистический анализ средних месячных величин Цт в Северной Атлантике, выявлены районы с наибольшими значениями QT , рассмотрена пространственная и временная устойчивость полей Цт и некоторые другие вопросы. Результаты анализа материала, приведенного в третьей главе, дают представление о степени влияния теплового состояния Северной Атлантики на формирование полей лТ в западной половине СССР. Показано, что влияние теплового состояния Северной Атлантики имеет такой же порядок, как и совместное воздейст- виє атмосферной циркуляции и потоков воздуха из Арктического бассейна. Указано на необходимость совместного изучения всех этих факторов. В четвертой главе предлагаются схемы прогнозов полей дТ на континенте (40 станций) на период с ноября по май с заблаговременностью один и два месяца, построенные с помощью метода пошаговой множественной регрессии. Приведены оценки прогнозов на зависимом и независимом ряду. В заключении сформулированы основные выводы проделанной работы, подчеркивающие необходимость включения в схемы долгосрочного прогноза характеристик теплового состояния деятельного слоя Северной Атлантики.
Таким образом, проведено исследование малоизученной характеристики теплового состояния деятельного слоя Северной Атлантики, а также его влияния на формирование полей температуры воздуха в зимний период на континенте. Данная работа выполнялась по плану Государственного Комитета по гидрометеорологии и контролю природной среды 1.03.03 и по программе ГКНТ 0.74.09.03.Н2. Полученные схемы прогноза полей &Т , после прохождения испытаний метода, будут применяться в Гидрометцентре СССР при составлении долгосрочных прогнозов погоды на естественный синоптический сезон.
Автор благодарит профессора Д.А. Педя, взявшего на себя труд по руководству исследованием, а также сотрудников лаборатории сезонных прогнозов погоды и отдела морских прогнозов Гидрометцентра СССР за помощь в работе и ценные замечания. ~ 8 -
Способы современного учёта термического состояния океанов в целях прогноза погоды
Проблема учета теплового состояния океанов при составлении долгосрочных прогнозов погоды не раз поднималась исследователями. Интерес к ней обусловлен физическими представлениями о взаимодействии океана и атмосферы и подтверждается количественными характеристиками. В работе / 148 /, например, приводятся результаты подсчета средних годовых потоков тепла, поступающих в атмосферу от подстилающей поверхности. Оказалось, что в годовом балансе поверхность суши дает лишь 25$ суммарного потока тепла, а остальное поступает от океанической поверхности. Кроме того, океан является системой более энергоемкой, поскольку теплоемкость воды, как известно, больше, чем почвы, а деятельный слой океана в несколько десятков раз толще, чем на суше.
Благодаря большой тепловой инерции океана охлаждение его 100-метрового слоя вод на 0,1 приводит, как указывает А.С.Мо-нин / 45 /, к нагреванию всей массы атмосферы в среднем на 6 при сохранении ее объема. Существование временного сдвига между получением тепла океанической поверхностью с максимумом летом и его отдачей преимущественно в зимнее полугодие дает основание надеяться на успешность применения показателей теплового состояния океанов в схемах долгосрочных прогнозов погоды.
Для специалистов, занимающихся прогнозом метеоэлементов по западной части Евразии, почти не существует сомнений в необходимости учета теплового воздействия Атлантики на погоду и климат этого района. Все работы, посвященные рассматриваемой проблеме, можно разделить на три группы, в зависимости от тех параметров, которые исследователи принимают за показатель теплового влияния Атлантики.
В начале XIX века англичанин Л.Себайн обратил внимание на связь теплых зим в Англии с повышенной температурой вод Северо-Атлантического течения. В дальнейшем многими исследователями были предприняты попытки использовать эти связи в прогностических целях. Так, исследования В.Г. Семенова /106/, А.Н. Крындина /59, 60/, Д.А. Педя /86/, А.И. Угрюмова /147, 149/, А.Г. Апасовой / 2 /, Н.А. Багрова и В.В. Оганесян /15/ и др. показали, что длительно (свыше месяца) существующие аномалии температуры океанических вод ( д 1 ) большого масштаба (свыше 1000 км в диаметре) являются важным фактором формирования долгопериодных аномалий погоды. СТ. Пагава /82/, рассматривая связь теплового состояния Северной Атлантики (за характеристику которого была взята д tw ) с температурой воздуха в Европе, делает, однако, вывод, что при одинаковом тепловом состоянии Северной Атлантики синоптические процессы над Европейской территорией (ЕТ) СССР могут быть практически обратными между собой. Это происходит потому, что на развитие процессов влияет не непосредственно величина д X-W или ее горизонтальный градиент, а количество тепла, отдаваемое океаном атмосфере. Поток тепла пропорционален разности температур вода-воздух ( t-w_ ) и поэтому в качестве основной характеристики теплового состояния океана следует принимать аномалию этой разности ( aW-a.).
Вычисление величин изменения теплосодержания и способы их обработки
Первоначальный расчет средних месячных величин изменения теплосодержания Северной Атлантики в 149-ти центрах пятиградусных квадратов от экватора до 70 с.ш, был сделан в Гидрометцентре СССР Н.Н. Кольчицким под руководством Г.Н. Мнлеико и Ш.А. Мусаеляна. Период исследования - сентябрь-декабрь и январь-февраль (холодное полугодие) I957-I97I гг. Вычисления производились по методу Милейко с учетом меняющейся глубины деятельного слоя. Интеграл (I.I5) реализовался численно при шаге интегрирования 0,1С. Температура поверхности океана получена из работы /123/. Полученные величины UT критически не анализировались, поэтому во многих полях встречались квадраты с отсутствующими или ошибочными значениями щ, . В связи с этим возник вопрос о способах обработки этих данных. Необходимо отметить, что в нашем исследовании для удобства обозначения, учитывая, что рассматривается только зимний период, все величины Цт будут иметь знак "плюс", хотя надо при этом иметь в.виду, что океан теряет тепло, запасенное в деятельном слое. В уравнении баланса тепла за год таким величинам присваивается знак "минус".
Работа по приведению архива значений Цт в состояние, пригодное для исследования, производилась в несколько этапов.
В первую очередь была исключена из рассмотрения зона от экватора до 30 с.ш., поскольку встречалось очень много пропущенных данных (до Q0% квадратов в этой зоне). Неудовлетворительные результаты расчетов величин Ц для экваториальных и субтропических широт Северной Атлантики связаны,с тем, что, во-первых, в этой зоне в зимний период в отдельных квадратах происходит не отдача тепла океаном, а его накопление. В среднем за год расход тепла поверхностью океана здесь меньше прихода /10, 127/. Кроме того, преобладание процесса накопления или отдачи тепла в этой зоне подвержено значительным колебаниям из года в год. Метод же Милейко опирается на предположение, что температура поверхности воды от начала к концу зимнего полугодия понижается, то есть преобладает только отдача тепла деятельным слоем. Во-вторых, расчет величин UT происходит с учетом глубины конвективного перемешивания, получаемой послойным методом Н.Н. Зубова /46/, в котором считается, что зимнее вертикальное перемешивание происходит в основном за счет понижения температуры поверхности воды. Но в субтропических и экваториальных широтах начинает проявляться и соленостная стадия конвекции. Акватория, которая рассматривалась в дальнейшем, приведена на рис. 2.1. Цифрами обозначены номера пятиградусных квадратов, к центрам которых относятся расчеты величин QT .
Связь между тепловым состоянием Северной Атлантики и температурой воздуха на континенте
Поля средней месячной температуры воздуха (д 1 ) на континенте были представлены сетью из 40 станций, расположенных в важнейших сельскохозяйственных районах СССР - Европейской территории, Западной Сибири и Северном Казахстане (рис. 3.1). Названия пунктов приведены в приложении. В качестве характеристики теплового состояния Северной Атлантики использовались интегральные показатели средних месячных полей изменения теплосодержания деятельного слоя - среднее значение От для всего поля ( Цт ) и индекс анормальности Багрова ( К ) за сентябрь-февраль. Эти две величины, с одной стороны, дают возможность судить о количестве тепла, отданного Северной Атлантикой во всей исследуемой области за месяцы холодного полугодия, а с другой стороны - о степени анормальности отдачи. Правда, конкретное место расположения очагов интенсивной теплоотдачи не учитывается.
Для определения возможности составления прогнозов полей А I на континенте с большой заблаговременностью произведён анализ полей парных коэффициентов корреляции (% ) между величинами A. , UT и значениями дТ на каждой из 40 станций по пятнадцатилетнему ряду. Сдвиг по времени от прогнозируемого поля д I ( и ) составлял от -II до 0 месяцев. Величины парного коэффициента корреляции оказались небольшими. У пара - по метра К они несколько выше, чем у UT . Для месяцев с июня . по сентябрь прогноз полей д J можно давать лишь с заблаговре-менностыо от 3 до II месяцев, но при этом число значимых коэффициентов корреляции в поле мало. При Ъ% уровне значимости величина парного коэффициента корреляции, которую можно считать не случайной при данной длине ряда, составляет по модулю 0,52 /26/. Это значение является более жёсткой оценкой, чем проверка по критерию % 2 %5% . Лучшие результаты получились для периодов октябрь-декабрь и январь-май. Синхронные поля (JLj. и д 1 не обнаружили связи между собой (ни одного значимого коэффициента корреляции). При сдвиге по времени от одного до трёх месяцев число таких коэффициентов составляет от 16 (40$) станций в марте (при Т = -З мес) до 4 (10$). При сдвиге по времени в четыре и пять месяцев хорошие связи получены для полей д 1 в апреле и мае - 37-40% значимых коэффициентов корреляции. Обычно области высоких % располагаются в Западной Сибири и в Северном Казахстане. Для ETC связи с А. и Цр слабее.
На основании такого предварительного анализа было решено в дальнейшем продолжить исследования по выявлению факторов, влияющих на формирование полей д I при сдвиге по времени до трёх месяцев. Такой же интервал получен и при статистическом анализе полей QT , поскольку параметры, характеризующие устойчивость полей абсолютных значений Ит и её аномалий (временная корреляционная функция, временные радиусы корреляции, средняя межмесячная изменчивость) отмечают сохранение направленности процессов отдачи тепла океаном на протяжении двух-трёх месяцев.
Схемы регрессионных прогнозов температуры воздуха
Выявление существования связей между показателями теплового состояния Северной Атлантики, циркуляции атмосферы и полей температуры воздуха в Арктическом бассейне показало, что все они влияют на формирование полей д 1 на континенте. Наличие различных областей наибольшего воздействия каждого из этих показателей позволяет надеяться, что совместное их использование в схемах пошаговой множественной регрессии даст возможность получить более высокие оценки прогнозов.
Построению таких уравнений регрессии посвящен третий этап исследования. Наряду со всеми упоминавшимися предикторами, в прогноз были включены по два значения от первых пяти временных коэффициентов разложения средних месячных полей Q_T , А I в Арктике и положения осевой линии ПК&З (двойное разложение). В этом случае в ряд по е.о.с. разлагались п-тАт П-ТАР -ГТП вначале все первые коэффициенты li , u , li , и были получены три значения собственных векторов. Использование только двух из них даёт удовлетворительное восстановление полей.
Поэтому были взяты только два: 1 и 1аі - первый и второй временные коэффициенты двойного разложения полей по е.о.с. уАт Т АР "уп от первых временных коэффициентов ц , 1{ , -Ц . Такая про цедура осуществлялась для всех пяти временных коэффициентов, в результате чего были получены величины. Здесь первый нижний индекс означает номер временного коэффициента двойного разложения (I или 2), второй - от каких временных коэффициентов первоначального разложения полей по е.о.с. он получен.
Все вычисления производились по корреляционной матрице, поскольку исходные величины имеют разные размерности. Применение такого метода привело к "сжатию" информации: из 15 предикторов получилось только 10, комплексно учитывающих влияние Северной Атлантики, Арктики и циркуляции атмосферы. Но, как показали дополнительные исследования, использование одних только временных коэффициентов двойного разложения повышает оправдываемоеть прогнозов опять в отдельных районах, хотя средние величины парных коэффициентов корреляции между ними и значениями д. 1 по всему полю несколько выше, чем у раздельных показателей (табл. 4.1). Среди всех предикторов начала и середины холодного периода (массивы данных I, 3 и 4) самые большие величины наблюдаются у интегральных показателей совместного влияния трёх сред - І44 (начало холодного сезона) , 125 и 1ц (середина холодного сезона). Области значимых связей временных коэффициентов двойного разложения с полями А I на континенте приведены на рис. 4.1 - 4.4. Оказалось, что при т = -2 двойное разложение для предикторов января и февраля не дало никаких преимуществ. Во втором массиве данных (декабрь-чфевраль) лишь в четырёх, а в пятом (январь, февраль) - в девяти пунктах существуют значимые коэффициенты %. . Когда прогноз составлен по данным начальных месяцев холодного периода, то применение двойного разложения привело к хорошим результатам (рис. 4.1, 4.3 и 4.4).
