Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-географическая характеристика Саратовской области 10
2. Структура и динамика атмосферных волн тепла и холода 16
2.1. Критерии выделения волн тепла и холода и возможности их прогноза 16
2.2. Структура и динамика атмосферных волн тепла и холода в Саратовской области 25
3. Исследование эталонных полей давления интенсивных волн тепла и холода 40
3.1. Методика определения эталонных гидрометеорологических полей 40
3.2. Эталонные барические поля интенсивных волн тепла и холода в атмосфере над Саратовской областью и их сезонные особенности 44
4. Определение аналоговых полей на основе двухмесячной квазипериодичности атмосферных процессов для прогноза резких колебаний температуры воздуха в течение месяца 95
4.1. Сущность и принципы метода аналогов 95
4.2. Методика определения аналоговых полей давления на основе двухмесячной квазипериодичности атмосферных процессов 103
4.3. Расчетная схема составления детализированного прогноза резких изменений средней суточной температуры воздуха с месячной заблаговременностью 112
4.4. Анализ результатов оправдываемое прогнозов 125
Заключение 132
Список использованных источников
- Структура и динамика атмосферных волн тепла и холода в Саратовской области
- Эталонные барические поля интенсивных волн тепла и холода в атмосфере над Саратовской областью и их сезонные особенности
- Методика определения аналоговых полей давления на основе двухмесячной квазипериодичности атмосферных процессов
- Расчетная схема составления детализированного прогноза резких изменений средней суточной температуры воздуха с месячной заблаговременностью
Структура и динамика атмосферных волн тепла и холода в Саратовской области
Проблемой исследования атмосферных процессов при резких изменениях температуры воздуха в различных регионах с целью создания методов их прогноза занимались многие ученые. Это можно будет увидеть из краткого обзора работ, приведенного ниже, но сначала необходимо остановиться на критериях выделения волн тепла и холода.
Термин "волна холода" впервые был введен в России Б.И.Срезневским / 18 / в 80-х годах XIX века. За волну холода принималось понижение температуры воздуха на 10 С за сутки. Срезневским были рассмотрены отдельные случаи холодных вторжений и проведена статистическая обработка материала, в результате которой были выделены типы волн холода /19/.
Позднее некоторые авторы /20-22/ за критерий волны холода принимали понижение средней суточной температуры воздуха на 5 .. 7 С в сутки в холодном полугодии и на 3 .. 4 С в теплом.
Наряду с волнами холода изучались и волны тепла. Сотрудниками ЦИПа /23-27 / при исследовании резких потеплений и похолоданий внутри месяца за критерий потепления (похолодания) принималось повышение (понижение) средней суточной температуры воздуха в приземном слое на 5 С и более продолжительностью не менее двух дней. Этот критерий в дальнейшем с некоторыми изменениями использовался многими авторами для прогноза резких колебаний температуры воздуха внутри месяца. Так, Е.А.Напетваридзе и К.И.Папинашвили / 28 / за волну тепла (холода) принимали повышение (понижение) средней суточной температуры от одного дня к другому на 4 Си более при условии, если температура в течение двух дней остается выше или соответственно ниже нормы не менее чем на 3 С.
Д.А.Педем /29/ за волну тепла или холода принималась аномалия средней суточной температуры воздуха по сравнению с ежедневной нормой на 5 С и более. Ю.Б.Храбров /30/ под значительным похолоданием понимал отклонение средней суточной температуры воздуха от нормы, которое составляет не менее 3 С продолжительностью два и более дней.
Несколько позднее Ю.Б.Храбров /31/ предложил считать волной тепла (холода) изменение температуры воздуха на величину, равную 26, где б - среднеквадратичное отклонение средней суточной температуры воздуха продолжительностью не менее двух дней. В дальнейшем этот критерий использовался многими исследователями /32-43/.
Все вышеперечисленные критерии определения волн тепла и холода учитывали только изменение температуры воздуха у земной поверхности. Д.X.Салиховой /44/ в качестве критерия потепления принято повышение температуры на 5 С и более, которое наблюдалось бы во всей толще тропосферы или в каком-нибудь 4-х км слое.
Таким образом, большинство авторов в качестве критерия выделения волн тепла и холода принимали изменение средней суточной температуры воздуха на определенное значение ото дня ко дню, или по отношению к норме. Это, по нашему мнению, наиболее удобная, наглядная и простая форма представления резких изменений температуры воздуха внутри месяца.
Используя указанные критерии, многие авторы исследовали волны тепла и холода. Для Европейской территории России (ЕТР) Л.И.Блюминой /23/, Е.И.Борисовой /24/, М.Я.Кист /25/, Е.П.Цепкановой /26/, В.Г.Шишковым /27 /определялось число волн тепла и холода, их интенсивность и скорость распространения. По преобладанию в каждом конкретном сезоне тёплых или холодных волн определялись экстремально-тёплые и экстремально-холодные сезоны, а также описывались синоптические условия, их обусловливающие.
Продолжением исследований волн тепла и холода над ЕТР стали работы В.Б.Згурко и Э.А.Исаева /20-22/.Авторами установлена преемственность синоптических процессов, создающих ту или иную аномалию средней суточной температуры воздуха.
Позже под руководством Ю.Б.Храброва в ЦИПе был выполнен ряд работ по изучению календарных особенностей волн тепла и холода отдельно для каждого месяца /31-43/.
Ряд работ по изучению волн тепла и холода выполнен для конкретных регионов. Для территории Казахстана исследования по волнам холода проведены М.X.Байдалом и А.А.Серебряковой /45/. Авторами приведены многолетние характеристики волн холода в Казахстане и установлены отрезки времени, в течение которых волны холода встречаются относительно часто и с большой интенсивностью. Показана связь выявленных волн холода с многолетней повторяемостью макросиноптичесих процессов. Д. X. Салихова / 44 / изучала волны тепла в толще тропосферы над территорией Узбекистана и Туркмении. Ею установлено, что, если волны тепла интенсивны, то они наблюдаются как у поверхности земли, так и в свободной атмосфере. Потепления в большинстве случаев распространяются одновременно во всех слоях тропосферы.
В особую группу следует отнести работы, где наряду с климатическим и синоптическим описанием волн тепла и холода даются способы их прогноза , а также хода средней суточной температуры воздуха в течение месяца для различных регионов. А. В.Дунаева /46,47/ изучала связи суточных аномалий температуры воздуха с типами процессов при западной и восточной формах циркуляции по классификации Г.Я.Вангенгейма. Для каждого типа процесса получены карты повторяемости положительной аномалии температуры на ETC в зимние месяцы, которые предполагалось использовать при прогнозе средней суточной температуры воздуха, если известен тип процесса.
Л. Г.Борисова /48/ изучала ультраполярные процессы в естественных синоптических периодах над ETC, при которых происходит значительное понижение температуры воздуха. Установлено несколько типов ультраполярных процессов, при которых наблюдается определённое распределение аномалии средней суточной температуры воздуха. Предложен способ прогноза этих процессов с заблаговремен-ностью 3-5 дней.
Если предыдущими авторами выявлены зависимости между осуществлением потеплений и похолоданий и особенностями тропосферной циркуляции, то X.X.Рафаиловой / 49 / исследовалось распределение волн тепла и холода в течение месяца, обусловленное характером барического рельефа в стратосфере. Получены некоторые указания для прогноза резких изменений средней суточной температуры воздуха в зависимости от района выхода стратосферного Тихоокеанского антициклона.
Эталонные барические поля интенсивных волн тепла и холода в атмосфере над Саратовской областью и их сезонные особенности
Кривая средней суточной температуры за двадцатилетний период показывает, что наибольшая повторяемость числа дней с волнами тепла приходится на 1 - 12 и 26 - 30 января, наибольшая повторяемость числа дней с волнами холода - на 12 - 15 января. Таким образом, на периоды понижений температуры в начале и конце месяца по многолетней кривой (1938 - 1990 г.г.) приходятся периоды повышений температуры по осредненным данным за 20-летний период.
Это позволяет сказать,что климатические периоды повышений и понижений температуры не совпадают с периодами преобладания теплых и холодных волн, выделенных по последнему 20-летнему периоду. Кроме того, для периода с ноября по апрель в 1971 - 1990 г. г. характерны более высокие средние суточные температуры по отношению к климатической норме. Это является отражением факта потепления зим в последние годы, что подтверждается работами /75,76/, а также исследованиями, выполненными автором /77,78/. Значительное повышение в последние годы средних суточных температур в апреле способствует более частому формированию засушливых условий в этом месяце.
Для месяцев теплого полугодия с мая по сентябрь и октября, относящегося к холодному полугодию, кривые хода многолетней средней суточной температуры, вычисленные по 20-летнему периоду, лежат в пределах климатической нормы; но периоды повышений и понижений температуры на кривых хода многолетних средних суточных температур, построенных по данным 20-летнего (1971 - 1990 г.г.) и многолетнего (1938 - 1990 г.г.) периодов, существенно различны. В качестве такого примера можно привести май (рис.2.6). На рисунке отчетливо видно, что периодам понижений средней суточной температуры по кривой, осредненной по многолетнему ряду, соответс - 39 твуют периоды повышений средней суточной температуры, вычисленной по 20-летнему ряду; лишь в конце месяца выделяется период 25-28 мая понижения температуры по обеим кривым. На период понижения температуры с 1 по 13 мая по кривой хода средней суточной температуры, построенной по данным многолетнего ряда приходятся периоды повышений температуры с 2 по 4, с 6 по 9 и с 11 по 13 мая, а периоду повышения температуры с 14 по 23 мая по осредненным многолетним данным соответствует период понижения температуры 19 -24 мая, выделяющийся по кривой хода средней суточной температуры, осредненной за период с 1971 по 1990 г. г.
Проведенное исследование показало, что использование климатических данных при составлении прогноза колебаний температуры воздуха внутри месяца представляется нецелесообразным. Каждый год сугубо индивидуален, и подходить к составлению прогноза, основываясь только на климатических данных, следует с большой осторожностью.
Обычно при математическом описании какой-либо совокупности гидрометеорологических полей используется среднее поле.Однако,при осреднении сглаживается и теряется значительная часть информации и получается искусственно созданное поле, никогда не наблюдаемое в природе и не подлежащее глубокому синоптическому анализу, который бывает необходим. Поэтому некоторые авторы /79,80/ вместо среднего поля выделяют "эталонное" поле - конкретное гидрометеорологическое поле, обладающее наибольшей схожестью с остальными полями в данном множестве.
Эталонное поле подбирается по формуле эвклидова расстояния (3.1),характеризующей степень сходства между объектами /81-83/, которое в n-мерном пространстве определяется формулой: чайшее расстояние между гидрометеорологическими полями. За эталон принимается то поле, расстояние от которого до всех остальных полей наименьшее. Таким образом, эталоном является одно из фактических полей выборки, которое ближе по расстоянию ко всем остальным полям, и, следовательно, наилучшим образом описывает все поля, входящие в нее.
Применяя такой способ, В.Ф.Мартазинова / 79,80 / выявила эталоны полей давления у поверхности земли и полей геопотенциала на уровнях 500, 300 и 100 гПа, формирующие экстремальные погодные условия на территории Украины.
В некоторых работах /84 - 86/ понятие эталон отождествляется с понятием среднее поле. Следует подчеркнуть, что автор настоящей работы считает более корректным и удобным для практического применения в долгосрочных прогнозах не средние, а эталонные поля, определенные по формуле эвклидова расстояния.
В настоящем исследовании для определения эталонных полей использовались ежедневные данные о давлении воздуха на уровне моря с 1986 по 1991 г.г. на территории, ограниченной параллелями 70 и 40 с.ш. и меридианами 30 з.д. и 70й в.д., снятые в узлах регулярной сетки с шагом по широте и долготе 5.
Из архива полей давления выделялись дни с интенсивными волнами тепла (холода) отдельно для каждого месяца. Для лучшего представления процесса потепления или похолодания при описании волны выбиралось по два поля для каждой - за день до наступления экстремума волны и день экстремума волны. Выборка полей давления соответственно для волн тепла и волн холода отдельно для каждого месяца представлялась в следующем виде
Методика определения аналоговых полей давления на основе двухмесячной квазипериодичности атмосферных процессов
Оценка информативности эталонных полей давления интенсивных волн тепла и холода весенних месяцев также проведена на зависимом и независимом материале. С помощью параметра близости (удаленности) эталонные поля сравнивались с ежедневными барическими полями с 1986 по 1995 г.г. месяцев весеннего сезона. Экстремумам волн тепла (холода) соответствовали дни с наименьшими значениями параметра СЦ.р), отражающими наилучшее сходство полей.
Для апреля - центрального месяца сезона - из зависимого материала в качестве примера выбран 1988 год, из независимого -1995 год. Результаты сравнения ежедневных полей давления апрелей 1988 и 1995 г. г. с эталонными полями давления показали, что волны тепла в 1988 году ожидались 2, 7- 8, 13 и 23-24 апреля, волны холода - 14 и 26-27 апреля (табл.3.2). По фактическим данным в 1988 году с 2 апреля наблюдалось повышение температуры с максимумом 10 апреля. Второй экстремум потепления осуществился 20 -23 апреля. Экстремумы похолоданий были 12-16 и 29 апреля (рис.3.17). Таким образом, из всех рассчитанных волн не оправдалась волна тепла, рассчитанная на 13 апреля. Барическое поле в этот день соответствовало эталонному полю интенсивных волн тепла, но полярнофронто-вая система проходила южнее, так что Саратов оказался за холодным участком этой фронтальной системы.
На апрель 1995 года рассчитано три волны тепла - 9-10, 16-21 и 28 апреля и одна волна холода - 11 апреля. По фактическим данным экстремумы потеплений наблюдались 11, 20 и 28 апреля, пик похолодания - 13 апреля, что совпало с ожидаемыми (рис.3.18).
Анализ неоправдавшихся случаев показал, что интенсивные потепления в Саратовской области вызываются не только теплыми секторами полярнофронтовых циклонов, но и поступлением теплых воз - 67 Таблица 3.2
Неоправдавшиеся волны холода связаны чаще всего с несоответствием барического поля эталонному. Так, в марте интенсивные похолодания определяются не только западной периферией зимнего азиатского антициклона, но и поступлением холодных воздушных масс в тылу циклонов; а в апреле и в мае антициклонами арктического происхождения.
Для летних месяцев значения С Сі,р) и S(i) для интенсивных волн тепла приведены в табл. 13 - 15 (Прил. 2). Согласно ранее изложенным критериям (наименьшие значения C(i,p) и S(i)) за эталонные поля давления интенсивных волн тепла в июне приняты приземные барические поля 12,13 июня 1990 года, в июле - 19,20 июля 1990 года, в августе 7,8 августа 1991 года.
Матрицы параметра близости (удаленности) интенсивных волн холода для каждого месяца летнего периода представлены в табл.16 - 18 (Прил. 2).Эталонными полями давления интенсивных волн холода июня являются барические поля 16,17 июня 1986 года, июля - 19,20 июля 1987 года, августа -5,6 августа 1991 года.
Эталонные поля давления интенсивных волн тепла в июне и июле схожи и представляют собой широкий теплый сектор полярнофронтово-го циклона (рис.3.19,3.20).
В августе интенсивная волна тепла определяется областью повышенного давления субтропического происхождения (рис.3.21). Эталонные поля давления интенсивных волн холода летних месяцев получились менее однотипными.
Для интенсивных волн холода июня характерна следующая синоптическая ситуация (рис.3.22). Погоду юго-востока ЕТР, Предуралья и Западной Сибири определяет обширный, глубокий полярнофронтовый циклон. В его систему втягивается арктический фронт, за которым осуществляется адвекция холодного воздуха с Баренцева моря. Волна холода в Саратове определяется тылом циклона и максимальное похолодание отмечается после прохождения холодного участка арктической фронтальной системы.
Интенсивные волны холода в июле определяются следующим синоптическим положением(рис.3.23). Активная циклоническая деятельность на полярном фронте отмечается по югу Европы, а на Нижнее Поволжье и Казахстан со Скандинавии распространяется область высокого давления. В результате мощного затока холода на юг происходит регенерация поляронтовых циклонов, и Саратовская область оказывается в тылу регенерировавшего циклона за холодным фронтом, что и определяет интенсивное похолодание.
Интенсивная волна холода в августе связана с распространением с севера на юго-восток ЕТР ядра арктического происхождения. Пик волны холода в Саратове отмечается после прохождения через него холодного участка арктической фронтальной системы (рис. 3.24).
Таким образом, эталонные поля давления интенсивных волн холода летних месяцев имеют некоторые различия. В июне и июле волны холода осуществляются, как правило, в результате вхождения арктической фронтальной системы в циклоны, развитые на полярном фронте при последующей регенерации полярнофронтовых циклонов, в августе - при распространении области высокого давления с северных районов на Нижнее Поволжье.
Расчетная схема составления детализированного прогноза резких изменений средней суточной температуры воздуха с месячной заблаговременностью
Исследования, выполнение В. Ф.Мартазиновой по выявлению двухмесячной квазипериодичности, позволяет автору настоящей работы считать установленным факт её существования. Поэтому методической основой определения аналоговых полей давления является двухмесячная квазипериодичность атмосферных процессов в сочетании с новым принципом аналогичности. При отыскании аналогов эталонным полям давления интенсивных волн тепла и холода использовались ежедневные призмные поля давления месяцев, отстоящих на один назад от исходных. Исходным считался месяц с эталонным полем. При этом допускалось их географическое несовпадение при наилучшем сходстве в распределении знака барического поля. Аналоги подбирались при смещении полей ±15 по меридиану (Дер) и ±60 по кругу широты (Ах). При таком смещении наиболее полно охватывается территория I естественного синоптического района, а также основные центры действия атмосферы - исландский минимум, азорский и полярный максимумы, зимний азиатский антициклон.
Расчеты проводились по программе "ANALOG", в которой заложена логическая операция по выбору аналога полям давления за два месяца от них. Программа подбирает наилучшее сходство в распределении знака барического поля возможных аналоговых и эталонных полей и при этом отмечает географическое положение наилучшего аналога. Степень аналогичности оценивалась с помощью показателя Р - 104 n+ - n _ где n+ - число узлов, в которых знак отклонения давления сравниваемых полей совпадает; п_ - число узлов, в которых знак отклонения давления сравниваемых полей противоположный; N - общее число узлов регулярной сетки. Приземные барические поля представлялись в виде отклонений значений давления в узлах регулярной сетки от значения давления в точке с координатами 50 с.ш., 45 в.д., что приблизительно соответствует координатам Саратова. Учитывался только знак отклонения в узле регулярной сетки. Здесь использовался наименее строгий показатель аналогичности р по сравнению с критериями выделения эталонов (C(i,p),S(i)), так как при подборе аналогичных ситуаций аналог не зажат в жесткие географические рамки. Предполагается отыскание подобных барических полей за два месяца от исходных, то есть, для апреля - в феврале, для мая - в марте и так далее. Месяцы, отстоящие на один друг от друга, относятся к разным естественным синоптическим сезонам, в которых различна географическая локализация ПВФЗ и циклоническая деятельность. В связи с этим представляется целесообразным в данном случае использовать менее строгий показатель аналогичности р, чем показатели C(i,p) и S(i), с помощью которых сравнивались поля в одноименных месяцах.
Следует отметить, что случаев полного совпадения или строгой идентичности двух метеорологических полей, так же, как и атмосферных процессов, быть не может. Кроме того, необязательно требование аналогичности по всей области, на краях области аналогичность может быть слабее /106/.
Таким образом, для каждого эталонного поля давления подбирается аналог, отстоящий приблизительно на два месяца назад от эталона, и имеющий в каждом конкретном случае свое пространственно-временное смещение.
Чтобы определить наилучший аналог и его пространственно-временное смещение, рассчитывались матрицы наилучшей аналогичности с координатами смещения аналога относительно исходных полей. В качестве исходных полей брались четыре поля, два из которых - эталонные поля давления, а два других - барические поля, отстоящие на один день вперед и назад от эталонных. В качестве возможных аналогов исследовалось шесть полей, отстоящих на два месяца назад от исходных. На основе матриц наилучшей аналогичности составлялись таблицы, в которых исходным полям ставились в соответствие четыре наилучших аналоговых поля, имеющих наибольший коэффициэнт связи р с исходными полями и совпадающих по направлению смещения по широте и долготе от одного дня к другому. В качестве примера табл.4.1 представлена матрица наилучшей аналогичности для интенсивных волн тепла марта.
Первая строка табл.4.1. указывает лучшую степень связи между барическими полями 23 марта и 21 - 26 января, вторая строка -степень связи между полями 24 марта 21 - 26 января и так далее. При определении координат сдвига аналога относительно исходных полей приняты следующие обозначения:
