Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор исследований, посвященных проблемам среднесрочного прогноза температуры 7
Глава 2. Климатические особенности температурного режима Казахстана 29
2.1. Общая характеристика циркуляционных особенностей теплого полугодия в Казахстане 29
2.2. Статистические характеристики декадных и пентодных аномалий температуры 32
2.3. Анормальность термического поля 42
2.4. Аппроксимация рядов средне декадных аномалий температуры кривыми Пирсона 47
Глава 3. Основные принципы построения схемы прогноза аномалии средней декадной температуры воздуха 54
3.1. Аналогичность и ее использование в разрабатываемой схеме прогноза 54
3.2. Выбор полей-предикторов 57
3.3. Общее описание схемы прогноза аномалии средней декадной температуры 69
Глава 4. Разработка вариантов прогностической схемы и их сравнительные оценки 73
4.1. Поиски оптимального пути формирования группового аналога 73
4.2. Канонические корреляции и их использование для прогноза аномалии температуры, средней за декаду и на вторую половину декады 79
4.3. Применение некоторых методов регрессионного анализа в прогностической схеме 95
4.4. Испытание некоторых вариантов схемы на независимой выборке 105
Заключение 115
Литература
- Обзор исследований, посвященных проблемам среднесрочного прогноза температуры
- Общая характеристика циркуляционных особенностей теплого полугодия в Казахстане
- Аналогичность и ее использование в разрабатываемой схеме прогноза
- Поиски оптимального пути формирования группового аналога
Введение к работе
В современных условиях научно-технический прогресс предъявляет все более высокие требования ко всем отраслям науки, в том числе и к метеорологии. Интенсивное развитие сельского хозяйства, транспорта, энергетики, совершенствование их структуры, технической вооруженности определяет возрастающую потребность в прогнозах погоды, особенно на длительные сроки. На ХХУІ съезде КПСС в принятом его постановлении "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" в качестве одной из задач предусматривается совершенствование методов прогнозирования погоды. Решение этой задачи осуществляется в Гидрометцентре СССР и других научных центрах нашей страны.
Казахская ССР - это вторая по величине республика СССР. В настоящее время идет интенсивное развитие всех отраслей ее народного хозяйства. Казахстан - это всесоюзная житница, ежегодно с его полей поступает до полутора миллиардов пудов хлеба. Вместе с тем, вследствие неблагоприятных агроклиматических условий, Казахстан находится в области рискованного земледелия. Поэтому здесь особенно необходимо всестороннее гидрометеорологическое обеспечение прогностической информацией.
Для территории Казахстана разработаны методики прогноза погоды на три, пять дней и месяц. Однако до сих пор нет метода прогноза погоды на десять дней. Выпускаемые в Гидромет- центре СССР прогнозы температуры воздуха на декаду для Европейской территории СССР, Западной Сибири и Казахстана носят слишком общий характер и не дают представления о деталях температурного поля в Казахстане, так как используют в качестве опорных только четыре станции. Поэтому целью данной работы является разработка методики прогноза средней аномалии температури на декаду для теплого полугодия (апрель-сентябрь), являющегося периодом основных сельскохозяйственных работ.
Рассмотрим вопрос о возможности постановки этой задачи с точки зрения предсказуемости атмосферных процессов и условий погоды. Предполагается, что все процессы в атмосфере детерминированы. Однако на больших интервалах времени их совокупность имеет кажущееся хаотическое развитие. Поэтому прогноз состояния атмосферы на длительный срок неизбежно связан с ошибками, растущими по мере увеличения заблаговременноети прогноза. На определенном отрезке времени ошибки становятся соизмеримыми с изменчивостью поля метеоэлемента, а прогноз близок в случайному. В работе / 73 / приводятся результаты расчетов предела предсказуемости для численных моделей, причем показано, что опираясь на данные о начальном состоянии атмосферы, можно давать прогнозы, отличные от случайных, на срок до двух недель. Вместе с тем в работе Г.В.Груза / 26 / показано, что прогнозы по аналогии начальных состояний имеют предел предсказуемости порядка месяца. Таким образом, постановка задачи прогноза на декаду является обоснованной.
Научная новизна работы состоит в разработке схемы прогноза аномалии средней декадной температуры воздуха для терри- тории Казахстана на период с апреля по сентябрь, основанную на формировании группового аналога, учитывающего сходство крупномасштабных особенностей атмосферной циркуляции и термического режима первой половины декады.
В работе впервые проведен подробный статистический анализ полей аномалии средней декадной температуры воздуха над территорией Казахстана. Использован не применявшийся ранее в прогнозах температуры на средние сроки метод канонической корреляции.
Предлагаемая работа состоит из четырех глав и заключения.
В первой главе дается обзор основных направлений исследований в области прогнозов погоды на срок 5-Ю суток.
Вторая глава посвящена статистическому анализу полей аномалий средней декадной температуры воздуха в Казахстане.
В третьей главе обосновывается выбор метода прогноза аномалии декадной температуры, полей-предикторов, дается описание расчетной схемы прогноза.
В четвертой главе анализируются результаты испытаний различных вариантов прогностической схемы на зависимом и независимом материале.
Все расчеты производились на ЭВМ EC-I040 и "Сайбер-172". Основные результаты опубликованы в трех статьях и доложены на конференции молодых ученых Гидрометцентра СССР.
Работа выполнена по аспирантскому плану и в соответствии с темой 1.08а.02.1 плана НИР и ОКР Госкомгидромета (в программе ГКНТ 0.74.09.01.02.HI, В гос.регистрации 0182.8017567).
Обзор исследований, посвященных проблемам среднесрочного прогноза температуры
Под среднесрочными прогнозами обычно понимаются прогнозы с заблаговременностью от трех до десяти суток; таким образом, они занимают промежуточное положение между краткосрочными прогнозами и прогнозами на месяц и более.
Разработке методов прогнозов на средние сроки за последние 20 лет уделяется большое внимание. Однако эта задача до настоящего времени не получила удовлетворительного решения; сложность ее заключается в том, что формирование режима погоды зависит от очень многих физических факторов, полный учет влияния которых остается пока невозможным.
В исследованиях, посвященных среднесрочным прогнозам, можно выделить / 20 /:
1. Синоптические методы, основанные на качественном анализе физических закономерностей общей циркуляции атмосферы. В применении к среднесрочным прогнозам они включают изучение процессов в естественных синоптических периодах (е.с.п.), использование типизации метеорологических полей и т.д.
2. Статистические методы, основанные на теории вероятности и математической статистике. Сюда же относятся и графоаналитические способы, представляющие собой компактное описание синоптического опыта в виде количественных критериев и эмпирических графо-номограмм.
3. Физические или гидродинамические методы, с помощью которых строятся теоретические модели общей циркуляции атмосферы.
4. Комплексные гидродияамико-статистические методы, позволяющие статистическими приемами прогнозировать элементы погоды, используя для этого результаты расчетов по гидродинамическим прогностическим схемам.
Первоначально методы прогнозов на средние сроки были синоптическими. Их теоретические основы разработаны Б.П.Муль-тановским в 20-е годы / 58 /. Долгое время эти методы оставались единственными, с помощью которых пытались решать проблему прогноза на средние сроки. Мультановский впервые ввел понятие естественного синоптического периода. Исследуя центры действия атмосферы и их влияние на погоду в определенном районе земного шара в качестве очагов формирования воздушных масс, он дал определение е.с.п. как промежутка времени, в течение которого развивался определенным образом ориентированный синоптический процесс при сохранении географического распределения знака барического поля на пространстве естественного синоптического района. Из определения е.с.п. вытекает метод прогноза погоды на несколько суток. Сборно-кинематическая карата за первые два дня периода (тенденцию е.с.п.) позволяет по- у лучить представление о положении основных барических полей и, следовательно, о погоде в различных районах.
Общая характеристика циркуляционных особенностей теплого полугодия в Казахстане
Казахстан расположен в центральной части Евразии и занимает площадь, равную 2756 тыс. км . Рельеф Казахстана чрезвычайно разнообразен. Большая часть территории представляет собой яизкогорные массивы и плато со средними высотами 500-600 м, в отдельных случаях до 1000 м. Эти районы чередуются с обширными плоскими низменностями и впадинами, лежащими местами ниже уровня моря (Прикаспийская низменность). Высокогорные районы Казахстана занимают юго-восточную и восточную окраины республики и представлены системами Алтая, Саур-Тарбагатая, Джунгарии и Тянь-Шаня. Хребты, принадлежащие к этим системам, имеют высоты от 2500 до 4000 м. Отдельные вершины достигают 5000-6000 м.
Казахстан отличается разнообразием термических условий в силу большой неоднородности подстилающей поверхности, радиационных и циркуляционных факторов в разных его районах. Однако общим для всей территории республики является континентальное ть климата, для которого характерны очень большие колебания температуры воздуха. Достаточно заметить, что разность между среднемесячными температурами воздуха самого холодного и самого теплого месяца достигает 38-40 и более / 47 /.
Б Казахстане в течение каждого из полугодий - теплого и холодного - наблюдается относительная термическая устойчивость. В теплом полугодии, которое длится с апреля по сентябрь, на всей территории средняя суточная температура положительна. В южных областях Казахстана теплый период наступает несколько раньше, в марте, и продолжительность его больше, чем в центральных и северных районах. Холодное полугодие наступает в октябре, при переходе к отрицательным среднесуточным температурам.
На Формирование погоды в Казахстане определяющее влияние оказывают арктические, полярные и тропические воздушные массы. Их появление над Казахстаном зависит от характера сезонных особенностей обще планетарной циркуляции. В холодном полугодии, когда планетарная высотная фронтальная зона располагается в районе 50 с.ш., на термический режим большей части территории основное влияние оказывает арктический воздух. В теплый период, при перемещении ПВФЗ к северу, вблизи 50-й широты располагается полярный фронт. При этом наибольшее влияние на температурное поле Казахстана оказывают полярные и тропические воздушные массы, причем последние иногда формируются над южными районами республики / 47 /.
Таким образом, каждое полугодие имеет свои климатические особенности, но по характеру синоптических процессов не является однородным. В теплом полугодии можно выделить переходные периоды, когда происходит смена зимней циркуляции на летнюю и наоборот. В работе / 47 / переходными считаются апрель и частично май, а также вторая половина сентября. Если для зимнего полугодия в Казахстане характерна большая повторяемость антициклональных полей (70$ случаев), то в апреле она резко уменьшается до 40-50$. Вместе с тем довольно высокой остается повторяемость холодных северо-западных вторжений (до 20$ даже на крайнем юго-востоке), и чаще происходит распространение на Казахстан теплых воздушных масс за района Ирана. Таким образом, в апреле и мае происходит постоянное чередование холодных и теплых воздействий с последующим развитием антипикло-нического поля.
Аналогичность и ее использование в разрабатываемой схеме прогноза
К прогнозу температуры на декаду существует ряд подходов, однако основным в настоящее время остается синоптико-статис-тический. Интенсивно развивающиеся в последние годы численные методы направлены на прогноз развития атмосферной циркуляции. Чисто синоптические способы дают лишь качественную оценку будущего состояния термического поля. Синоптико-статистические схемы , опирающиеся, с одной стороны, на физику атмосферных процессов и, с другой стороны, на достаточно хорошо развитый математический аппарат, позволяют рассчитывать удовлетворительные количественные прогнозы температуры в некоторых точках. Синоптичесісий подход в таких схемах обычно осуществляется через использование различного рода типизации атмосферных процессов, либо путем подбора аналогичных ситуаций. Первый способ обладает одним существенным недостатком. Далеко не каждую ситуацию можно отнести к определенному типу атмосферных процессов, особенно когда текущий процесс оказывается на границе двух типов. При применении аналогов этот недостаток устраняется.
Метод аналогов позволяет подобрать к исследуемой ситуации один или группу аналогов, наиболее похожих на нее. Таким образом, появляется возможность формировать выборку ситуаций, максимально схожих с исследуемой (т.е. динамическую выборку). При этом динамическая выборка будет точнее отражать характерные для данной ситуации атмосферные процессы, чем среднетиповая выборка.
Кроме того, в существующих методах среднесрочных прогнозов погоды, основанных на типизации атмосферных процессов, определение типа исследуемой ситуации, в основном, производится визуально синоптиком. Это вносит субъективизм в прогноз. Выбор же аналогов может осуществляться на ЭВМ по количественным критериям аналогичности. Поэтому этот способ является объективным.
В работе / 87 / описано применение составного аналога в синоптико-гидродинамико-статистическом методе прогноза температуры на 5 и 10 дней. Авторами показано преимущество такого подхода по сравнению с применением традиционных типовых выборок, так как он "... обеспечивает положение текущего процесса в центре группы родственных ему ситуаций, дальнейшее развитие которых должно подчиняться определенным закономерностям". Это отражено в полученных оценках опытных прогнозов, которые оказались выше оценок методических прогнозов.
Вышеизложенное послужило основанием к тому, что в разрабатываемой прогностической схеме был использован принцип аналогичности для формирования статистических выборок.
Важным моментом является выбор количества аналогичных ситуаций, подбираемых к исследуемой. Обычно в прогностических схемах применяется либо метод одного лучшего аналога, либо групповой аналог. В ряде работ / 25,49,87 / показано преимущество метода группового аналога перед методом одного лучшего аналога. Использование одного аналога предполагает сходство исходной ситуации с аналогом и, как следствие этого, сходное развитие атмосферных процессов в прогнозируемом периоде, непосредственно следующим за исходным.
Поиски оптимального пути формирования группового аналога
Определение метода выбора аналогов является одной из главных задач исследований, в которых используется принцип аналогичности. Большое внимание этому вопросу уделяется в работе / 25 /. В ней приводится один из возможных алгоритмов формирования группового аналога на основе определения сходства исследуемых ситуаций по ряду параметров. Более подробно эта работа рассматривается в главе I.
В данной работе проведено исследование с целью выбора наилучших предикторов для отыскания аналогов. Различные метеорологические поля в разной степени связаны со средним температурным полем декады. Поэтому и прогнозы, в которых эти поля используются в качестве предикторов, должны иметь различную оправдываемоеть.
Выше уже отмечалось, что в качестве предикторов в данной работе были приняты поля аномалий среднепентадной температуры воздуха, геопотенциала H QQ И относительной топографии OTJQQQ, представленные в виде коэффициентов разложения по естественным ортогональным функциям. Предиктантом являлись аномалии средне-декадной температуры. Архивная выборка предиктанта состоит из 735 случаев; в нее вошли данные по каждому теплому полугодию (апрель-сентябрь) для 1960-1980 гг. В каждом теплом полугодии насчитывалось 35 декад, имеющих между собой одну общую пента-ду. Соответствующий объем имели архивные выборки предикторов.
Проверка работы всех вариантов схемы осуществлялась на архивных данных (зависимые выборки). При этом в качестве прогнозируемой выступали поочередно все декады из архива. Средние оценки таких прогнозов представлены в табл.4.1. Мерой успешности прогнозов являлись общепринятые оценки: абсолютная ошибка прогноза о , оценка совпадения знаков аномалий р и относительная ошибка , рассчитываемая как отношение абсолютной ошибки к ошибке инерционного прогноза. Полученные значения и р сравнивались с оценками инерционного прогноза, приведенными также в табл.4.I. Под инерционным понимался прогноз, в котором в качестве будущего используется поле аномалий предыдущей декады.
