Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследования по климатологии и прогнозу атмосферных осадков в западной грузии 14
1.1. Режим осадков 14
1.2. Синоптические и статистические схемы прогноза осадков 21
Глава 2. Статистическая стрятура поля осадков западной грузии и их связи с характеристиками термобарических полей 25
2.1. Естественные составляющие метеорологических полей и их использование при статистическом прогнозе погоды 25
2.2. Естественные составляющие полусуточных сумм осадков Западной Грузии в холодную половину года 39
2.3. Связь естественных составляющих полей осадков с характеристиками термобарических полей в холодную половину года для территории Западной Грузии 63
Глава 3. Метод краткосрочного прогноза полусуточных сумм осадков западной грузии в холодный период-года 68
3.1. Обзор существующих методов использования результатов гидродинамических прогнозов для предсказания осадков 68
3.2. Построение прогностических уравнений для расчета ожидаемых полусуточных сумм осадков .86
3.3. Исследование возможности предсказания значительных сумм осадков 109
Заключение 116
Список жтературы 118
Приложение 129
- Синоптические и статистические схемы прогноза осадков
- Естественные составляющие полусуточных сумм осадков Западной Грузии в холодную половину года
- Связь естественных составляющих полей осадков с характеристиками термобарических полей в холодную половину года для территории Западной Грузии
- Построение прогностических уравнений для расчета ожидаемых полусуточных сумм осадков
Введение к работе
Планомерное развитие многоотраслевого народного хозяйства Грузинской ССР во многом зависит от эффективного гидрометеорологического обеспечения, особенно от качественных прогнозов метеорологических условий. Правильный и своевременный прогноз неблагоприятных погодных условий и опасных метеорологических явлений позволяет народнохозяйственным органам разумно планировать свою деятельность.
Расположение территории Грузии в сфере влияния различных центров действия атмосферы, воздушных масс различного происхождения, а также ее физико-географические особенности обуславливают на редкость разнообразную и неустойчивую погоду. Это обстоятельство значительно осложняет задачу прогнозирования погоды и требует изыскания более совершенных методов прогноза. При этом для отдельных физико-географических районов приходится использовать различные методы. К числу таких характерных районов относится Западная Грузия. Используемые в настоящее время на территории Западной Грузии методы прогноза погоды в основном носят качественный и субъективный характер. Имеющиеся попытки разработки количественных объективных способов прогноза погоды по исследуемой территории пока не нашли своего применения.
Для Западной Грузии в любое время года особенно важен прогноз атмосферных осадков, играющих огромную роль в формировании урожая чая, винограда, цитрусовых и других ценных сельскохозяйственных культур. Интенсивные и избыточные осадки, характерные для данного региона, часто вызывают наводнения, наносят колоссальный ущерб народному хозяйству, особенно сельскому хозяйству; нарушают нормальную работу курортов, туристических баз и т.п.
В настоящее время прогноз осадков по Западной Грузии осуществляется в основном традиционным синоптическим методом и только в пунктах зондирования Сухуми и Батуми он дополняется расчетным способом с использованием аэрологических наблюдений и прогностических карт вертикальных токов.
В последнее время для разработки региональных локальных прогнозов погоды успешно применяются объективные методы прогноза, основанные на интерпретации гидродинамических прогнозов фоновых метеоэлементов. Этот метод был применен и для прогноза факта и количества осадков за сутки.
Однако, поле суточных осадков в Западной Грузии не является однородным в пространстве и времени, и задачу объективного прогноза для этого района, по-видимому,следует решать для полусуточных осадков. В связи с этим возникает необходимость проведения дополнительных исследований по статистической структуре полей полусуточных сумм осадков, по выявлению потенциальных предикторов и др., что в значительной степени осложняет решение поставленной задачи.
Таким образом, решение задачи объективного прогноза полусуточных сумм осадков в Западной Грузии представляет не только научный интерес, но имеет и чисто практическое значение.
Цель работы. Настоящая работа ставит своей целью применение методов математической статистики,включая анализ случайных полей методом главных компонент (естественных ортогональных составляющих)и корреляционно-регрессионный анализ для исследования пространственно-временной структуры полусуточных сумм осадков на территории Западной Грузии в холодный период года,а также разработку метода их предвычисления по данным гидродинамического краткосрочного прогноза геопотенциала, с учетом температуры и влажности воздуха.
Научная новизна Представляемые в данной работе сведения о статистической структуре полусуточных сумм осадков в холодный период года для территории Западной Грузии получены впервые. При этом разработана методика статистического анализа применительно к случайным полям, распределение которых резко отличается от нормального. Впервые также установлена форма естественных составляющих полей полусуточных сумм осадков в Западной Грузии, исследована их устойчивость и найдены корреляционные связи первых составляющих поля осадков с характеристиками термобарических полей как в среднем, так и с учетом типов синоптических процессов, характерных для Закавказья. Устойчивость статистических связей проверена путем их расчета на трех независимых выборках, каждая из которых охватывает по три зимних сезона. ;Впервые для 24- станций Западной Грузии(рис.В предложен способ объективного краткосрочного прогноза полусуточных сумм осадков в холодный период года.
Метод предусматривает использование полей прогностических значений геопотенциала по типам синоптических процессов, с учетом ожидаемой температуры и влажности воздуха в нижней и средней тропосфере.
Полученные данные о статистической структуре полей осадков Западной Грузии могут быть использованы при климатическом райо -нировании территории.
Положения, выносимые на защиту диссертации
1. Развита методика расчета естественных составляющих полусуточных сумм осадков, чьё распределение резко отлично от нор -мального.
2. Получены устойчивые оценки статистических характеристик пространственной структуры полусуточных сумм осадков Западной Грузии в холодный период года.
3. Показано, что первая естественная составляющая описывает около 80/ изменчивости поля полусуточных сумм осадков Западной Грузии, свидетельствуя об общности процесса осадкообразования для всей рассматриваемой территории и допуская простую парамет -ризацию поля осадков всего одним коэффициентом их разложения по естественным ортогональным функциям.
4. Найдены небольшие, но статистически значимые корреляци -онные связи первой естественной составляющей поля полусуточных сумм осадков с характеристиками термобарических полей (интен -сивностью западно-восточного переноса, температурой и влажностью в средней и нижней тропосфере).
5. Показано, что учет типа атмосферного процесса над Закавказьем увеличивает тесноту статистических связей первой естест -венной составляющей поля осадков с характеристиками термобарических полей.
6. На этой основе для краткосрочного прогноза поля полусу -точных сумм осадков на территории Западной Грузии рекомендуется корреляционно-регрессионная схема прогноза поля осадков на основе гидродинамического прогноза геопотенциала, используемого для оценки ожидаемой интенсивности западно-восточного переноса в тропосфере и определения типа атмосферного процесса. Прогноз поля осадков сопровождается указанием большей или меньшей вероятности выпадения значительных ( 30 мм/12 час) осадков на рассматриваемой территории в целом.
7. При появлении в будущем гидродинамических прогнозов температуры и влажности в тропосфере эффективность предлагаемой схемы прогноза осадков значительно возрастет за счет учета диагностических связей первой естественной составляющей поля осадков с температурой и дефицитом точки росы.
Апробация результатов Основные результаты работы обсуждались на Всесоюзном совещании по применению статистических методов в метеорологии (Алма-Ата, 1981 г.), на семинаре отдела статистических методов прогноза погоды Гидрометцентра СССР, на заседании Научно-технического Совета УГКС ГССР и на Республи -канской научно-технической конференции молодежи " Проблемы наук о Земле" (Тбилиси, 1983 г.).
Структура и объем работы Диссертация объемом 137 страниц состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 105 наименований и иллюстрируется 18 рисунками и 13 таблицами.
Работа по главам В первой главе "Исследования по климатологии и прогнозу атмосферных осадков Западной Грузии" на основе литературных данных приведены основные сведения по режиму осадков Западной Грузии и описаны применяемые способы их прогноза. Отмечена широко обсуждавшаяся в литературе и до настоящего времени непреодоленная трудность измерения и оценки сумм фактически выпавших осадков в высокогорных районах Западной Грузии. Приведены сведения о генезисе осадков, о климатическом районировании рассматриваемой территории по отношению к осадкам и связанным с ними явлениям погоды. При анализе существующих методов прогноза осадков особое внимание обращено на объективные методы. Отмечено, что в настоящее время нет надежных способов прогноза осадков, особенно значительных.
Во второй главе " Статистическая структура полей осадков Западной Грузии и их связи с характеристиками термобарических полей" на основе обширного материала наблюдений за 10 зимних сезоновна 24-х метеостанциях Западной Грузии, данные которых используются в бюллетене прогноза погоды Грузинского ІТКС (см. рис. B.I), впервые оценены основные характеристики пространственной статистической структуры полусуточных сумм осадков : построены поля средних сумм осадков, дисперсий, ковариационно-корреляционные матрицы и рассчитаны естественные ортогональные составляющие поля осадков. При этом, учитывая резкую асимметрию распределения вероятностей полусуточных сумм осадков, использовано нормализующее преобразование- извлечение корня четвертой степени из суммы осадков, измеренных на каждой станции. Это позволило с большим основанием использовать для исследования полей осадков корреляционный анализ.
Впервые были построены карты первых естественных составляющих поля осадков Западной Грузии, показавшие, что основным механизмом осадкообразования на всей рассматриваемой территории является упорядоченное восходящее скольжение влажного воздуха по наветренным склонам гор, что отражается в форме первой естественной составляющей, оказавшейся положительной на всех рассматривавшихся метеостанциях. При этом, соответствующее этой естественной составляющей собственное число (дисперсия первого коэффициента разложения поля осадков по естественным составляющим) на порядок превосходит каждое из остальных собственных чисел. Вторая и третья естественные составляющие имеют форму изолиний, позволяющую обнаружить различия между северной и южной и соответственно западной и восточной частями рассматриваемой территории в отношении режима осадков. Последующие естественные составляющие, соответствующие которым собственные числа совсем малы, описывают более мелкомасштабные особенности поля осадков.
Надежный расчет первых естественных составляющих был обеспечен разделением всего имеющегося архива данных наблюдений на три равные части, каждая из которых содержала примерно, три зимних сезона. Бее статистические характеристики, включая естественные составляющие и их собственные числа, были рассчитаны по каждой из трех выборок и затем сравнены между собой. Было показано, что различия в форме первых естественных составляющих и их собственных числах от выборки к выборке очень малы, что доказывает их статистическую устойчивость.
На основе факта превышения на порядок первого собственного числа над остальными сделан вывод, что хорошее представление о поле осадков Западной Грузии может быть получено уже при учете только одной первой естественной составляющей.
Расчеты показали, что существуют хотя и небольшие, но устойчивые корреляционные связи между коэффициентом разложения поля осадков по первой естественной составляющей и характеристиками термобарических полей - геопотенциала, температуры и дефицита точки росы на уровнях 850,700 и 500 гПа. Эти связи положены в основу метода статистического прогноза поля осадков, который излагается в следующей главе диссертации.
В третьей главе изложены основные положения гидродинамико-статистического метода предвычисления сумм осадков на основе использования гидродинамических краткосрочных прогнозов геопотенциала, температуры и влажности воздуха в сочетании с использованием статистических диагностических связей этих полей с полем осадков. При этом для увеличения тесноты статистических связей был использован их расчет отдельно для каждого типа синоптических процессов. Оказалось, что теснота статистических связей действительно заметно возрастает при использовании типизации синоптических процессов. Поэтому для окончательной схемы предвычисления поля осадков в диссертации рекомендуется регрессия с учетом типов процессов.
В конце данной главы исследуется возможность предсказывания значительных сумм осадков.
Рассмотрены статистические диагностические связи меридиального градиента геопотенциала в средней и нижней тропосфере с выпадением значительных осадков ( 30мм/12 час) на территории Западной Грузии. Показано, что при превышении разности между пунктами Самсун и Туапсе 5 гпт.Дкм на уровне 500 гПа и при условии западного западного типа синоптического процесса вероятность выпадения значительных осадков достигает 50 о. При всех других типах синоптических процессов разница значений геопотенциала в указанных пунктах менее 5 гпт.дкм. указывает практически достоверно на невозможность выпадения значительных осадков.
В заключении кратко излагаются основные результаты диссертации.
Данная диссертационная работа выполнялась в рамках темы 1.09.106 НИР Госкомгидромета СССР в 1979 - 1980 годы.
Автор выражает глубокую признательность своим науч - ІЗ ным руководителям-заведующему отделом климатологии института географии АН ГССР доктору географических наук К.С. Гогишвили и заведующему лабораторией динамико-стохастических методов прогнозов погоды Гидрометцентра СССР кандидату физико-математических наук Д.М. Сонечкину.
Синоптические и статистические схемы прогноза осадков
Применение общих синоптических методов для прогноза осадков на территории Западной Грузии относится ко второй половине 20-х годов текущего столетия, когда наука о прогнозе погоды в Закавказье находилась в своей начальной стадии. Со временем, по мере накопления материалов наблюдений за погодой и опыта по прогнозированию, стало возможным проведение специальных исследований с целью разработки обоснованных методов прогноза отдельных метеоэлементов и явлений погоды как для всего Закавказья, так и отдельных его частей С33, ЦІ.hZ ]
Первые фундаментальные исследования прогноза осадков по Западной Грузии, как и по всему Закавказью, появились лишь в послевоенные годы Ь,їй]. Установленные к тому времени основные типы синоптических процессов, определяющие режим выпадения атмосферных осадков в Закавказье, с успехом применяются в оперативной работе службы погоды и в настоящее время. В дальнейших исследованиях й&ДО В] в основном уточнялись типы синоптических процессов и способы прогноза осадков в Закавказье, в частности и для Западной Грузии. Результаты этих исследований вкратце сводятся к следующему.
Западный тип (I) синоптических процессов наблюдается преимущественно в переходные сезоны года. По Западной Грузии он вызывает выпадение обильных осадков, когда полусуточное количество их достигает 50 мм и более. Восточный тип (П) синоптических процессов, наблюдается во все сезоны года, кроме лета, и в Западной Грузии сопровож- дается ясной, сухой погодой. Антициклональное состояние (III тип) наблюдается преимущественно в холодный период года и в Западной Грузии вызывает малооблачную погоду с дефицитом осадков.
Волновые возмущения на юге Закавказья (ІУ тип) наиболее часто наблюдаются в течении летнего периода. Приближение волны вызывает в Западной Грузии резкое увеличение облачности и выпадение осадков как при приближении, так и при прохождении волны, но количество выпавших осадков здесь значительно меньше, чем по Восточной Грузии. Эти основные типы синоптических процессов имеют по нескольку подтипов, вызывающих незначительное отклонение от вышеназванных режимов выпадения осадков в Западной Грузии.
Одновременно, с 60-х годов, появились исследования по физико-статистическим способам прогноза осадков в Закавказье. В работах DU-ЛкІ предприняты попытки применения более объективных способов линейной регрессшдля целей прогноза месячных сумм осадков по Закавказью. В качестве предикторов наряду с фактическими осадками и аномалией температуры использовались индексы циркуляции атмосферы. По результатам авторских испытаний расчетный способ прогноза месячных сумм осадков по Закавказью и в частности в пунктах Сухуми, Батуми, Кутаиси имеет преимущество перед качественными методами.
В последующих работах[. Дэдля прогноза месячных сумм осадков по Закавказью привлекался метод дискриминантного анализа. В качестве вектора- предиктора брались коэффициенты разложения метеорологических полей (геопотенциала на уровне 500 гПа по Северному полушарию и месячных сумм осадков по Закавказью) по естественным ортогональным составляющим .
В работе [ 24-J этот же метод был применен для прогноза декадных сумм осадков по Закавказью. Следует отметить, что в этих работах прогноз осадков по Западной Грузии составлялся для трех пунктов, представляющих всю территорию Западной Грузии. К сожалению, ни один из вышеназванных расчетных методов не нашел применения в оперативной работе службы прогноза погоды, поскольку по качеству эти прогнозы несущественно отличаются от синоптических, но более трудоемки при их составлении.
В области(іколичественных краткосрочных прогнозов суточного количества осадков на территории Закавказья, в том числе по Западной Грузии, не имеется какого-либо специального исследования, если не считать способ прогноза количества осадков в пунктах зондирования с использованием расчетных вертикальных скоростей по методу Е.А. Орловой, приведенный в "Руководстве по краткосрочному прогнозу погоды"/ 54-J. Специфические физико-географические и синоптические условия Западной Грузии при этом никак не учитываются.
Сравнительно лучше изучен вопрос прогнозирования ливневых осадков на территории Кавказа и в том числе Западной Грузии. В исследованиях Г.К.Сулаквелидзе [59,бо].совместных исследованиях Г.К.Сулаквелидзе и Я.Г.Сулаквелидзе/бі], Н.Ш.Би-билашвили, В.Ф.Лапчевой и Г.К. Сулаквелидзе[іо], Н.С.Шишкина [74JH др. изложены физические основы образования конвективных облаков и способы прогноза ливневых осадков. Следует отметить, что метод прогноза гроз и града, разработанный под руководством Г.К. Сулаквелидзе, внедрен в оперативной работе не только на территории Грузии, но и других республик Советского Союза, а в настоящее время ведется испытание уточненного метода прогноза ливневых осадков на территории Грузии.
Малочисленность исследований по прогнозу осадков,особенно малой заблаговременноети, по территории Западной Грузии объясняется в основном сложностью решения этой задачи. Между тем, практика службы прогнозов погоды и анализ случаев особо опасных явлений, наблюдавшихся на территории Западной Грузии, указывает на крайнюю необходимость разработки объективных методов краткосрочного прогноза осадков для этой территории, что в свою очередь требует проведения определенных исследований по изучению статистической структуры полей осадков на короткий срок. На основании вышеизложенного настоящую работу p7,g,9 Щможно считать первой попыткой изучения статистической структуры полусуточных сумм осадков и разработки объективного краткосрочного прогноза неконвективных осадков на территории Западной Грузии.
Естественные составляющие полусуточных сумм осадков Западной Грузии в холодную половину года
В связи с разработкой объективных методов краткосрочного прогноза элементов погоды актуальным является исследование пространственно-временной статистической структуры полей метеорологических элементов у земной поверхности, таких как среднесуточная, максимальная и минимальная температура воздуха,облачность, осадки, ветер и т.п. Целью этого параграфа является расчет и анализ количественных характеристик пространственной структуры полусуточных сумм осадков (за день от б до 18 час. и за ночь от 18 до 6 час.) в зимний период года (с 1-го декабря до 1-го марта) для территории Западной Грузии. Исходными данными для исследования послужили данные наблюдений 24- метеорологических станций, расположенных на этой территории за 10 зимних сезонов (с 1966 г. по 1976 г. включительно) всего 903 ночных и 903 дневных срока наблюдений за осадками.
Отличительной особенностью рассматриваемых полусуточных сумм осадков, существенно затрудняющей их статистическое исследование, является резкая положительная ассиметрия их функции.-, распределения: модальное значение функций распределения смещено относительно среднего значения в сторону малых сумм осадков.
Встречаются и очень большие суммы осадков,хотя вероятности их появления очень малы. С этим фактом сталкивались уже ранее при исследовании сумм осадков за большие временные интервалы, однако при использовании полусуточного интервала это явление выражено особенно четко.
Чтобы в какой-то мере избавиться от этого недостатка, при обработке данных наблюдений, было использовано нелинейное преобразование наблюденных сумм осадков. Мы извлекали из них корень четвертой степени и использовали в последующих исследованиях положительную величину этого корня. Поскольку, данное преобразование является взаимно-однозначным, оно не меняет качественно характер поля осадков, т.е. положение областей максимумов и минимумов выпавших сумм осадков и соотношение величин этих экстремумов. В результате подобного преобразования гистограмма распределения стала существенно ближе к гистограмме нормального распределения, так что при исследовании статистической структуры поля преобразованных сумм осадков оказалось возможным ограничиться расчетом первых двух моментов распределения, т.е. поля средних и ковариационной матрицы поля отклонения осадков от среднего значения.
Одним из важнейших элементов статистического исследования является оценка надежности расчета статистических характеристик анализируемого поля и их устойчивости во времени. С этой целью все имеющиеся данные об осадках были разбиты на три отдельные выборки равного объема по 301 случаю в каждой выборке. Первая выборка охватывала период с декабря 1966г. по декабрь 1969 г. включительно, вторая выборка - с января 1970 г. по январь 1973 г., а третья- с февраля 1973 г. по февраль 1976 г.
Результаты расчетов средних полей по каждой из этих трех выборок в отдельности представлены в табл.2.1 соответственно для ночных и дневных сумм осадков (напомним, что здесь и далее во всех последующих таблицах и рисунках представлены положительные значения корня четвертой степени из наблюденной суммы осадков). Сравнение результатов, полученных для различных выборок, показывает, что в целом, они весьма сходны. Это свидетельствует о большой надежности и устойчивости во времени результатов расчета средних полей. Основной особенностью средних полей является наличие максимума сумм осадков как за ночь, так и за день для юго-западной части рассматриваемой территории (район г.Батуми).
Второй, меньший по величине максимум,отмечается на востоке, в районе Ципа и Мта-Сабуети, где начинается повышение местности от низменности к перевалам, разделяющим Западную и Восточную Грузию. В направлении к северу от обоих упомянутых максимумов среднее количество осадков заметно уменьшается, причем изолинии средних сумм осадков примерно следуют изогипсам южного склона Большого Кавказа.
Различия в средних полях, особенно заметны в области минимального количества осадков на станциях, расположенных на южном склоне Большого Кавказа. Так, для сумм осадков за ночь вторая из трех выборок характеризуется несколько меньшими суммами осадков (менее 0,4), по сравнению с первой и третьей выборкой (всюду более 0,4). Выше указанное относится и к дневным осадкам. У поля средних осадков за день северная часть рассматриваемой территории для зим 1970-72 г.г. оказалась более засушливой. Для большей наглядности приводятся карты поля средних осадков за ночь и день по первой выборке (см.рис.2.4 и 2.5).
В таблицах 2.2 и 2.3 диагональные элементы представляют дисперсию полусуточных сумм осадков за ночь и за день соответственно. Различия между выборками для поля дисперсий более заметны, чем для поля средних сумм осадков. Но общее соответствие выборок Друг другу довольно хорошее. Район г. Батуми отличается наибольшей изменчивостью полусуточных сумм осадков ночью и днем. В то же время вторая область максимума осадков в районе ст.
Связь естественных составляющих полей осадков с характеристиками термобарических полей в холодную половину года для территории Западной Грузии
В последние 10-15 лет получили широкое распространение статистические методы прогноза элементов погоды с использованием их диагностических связей с характеристиками термобарических полей, рассчитываемыми с помощью численных гидродинамических моделей. В отечественной метеорологии этот прием был использован для целей среднесрочного прогноза погоды А.Л. Ка-цемСЗЮ. Обзор соответствующих многочисленных зарубежных исследований приведен B5Q. Из указанных работ следует, что одним из наиболее сложно прогнозируемых элементов погоды при использовании диагностических соотношений являются осадки. Сложность их прогноза проистекает прежде всего из их большой изменчивости в пространстве и во времени, так как вклады в поле осадков мелкомасштабных флуктуации оказываются очень велики. В то же время при гидродинамическом прогнозе удается даже при малой заблаговременности надежно прогнозировать только сравнительно крупномасштабные возмущения термобарических полей (см., например работуП5#3), где дана спектральная оценка качества некоторых схем гидродинамического краткосрочного прогноза геопотенциала . В результате при использовании линейных диагностических связей полей давления и осадков значительная доля вариаций поля осадков оказывается неописанной.
В настоящей работе определяются диагностические связи некоторых характеристик термобарических полей в тропосфере с полем полусуточных сумм осадков (отдельно за ночь и за день) для зимнего сезона (с I декабря до I марта) на территории Западной Грузии. Для этой территории можно ожидать, что большая доля осадков, выпадающих в зимний период года, возникает в результате упорядоченного восхождения воздуха по западным (наветренным) склонам гор Большого и Малого Кавказа, причем процесс упорядоченного подъема воздуха может быть параметризован величиной перепада высот геопотенциальных поверхностей в нижней и средней тропосфере непосредственно к западу от рассматриваемой территории. Этот перепад может быть оценен на основании данных гидродинамического краткосрочного прогноза. Тем самым можно надеяться создать объективную схему краткосрочного прогноза осадков для Западной Грузии.
Выше было показано, что для поля осадков, преобразованных путем извлечения корня 4-ой степени, первое собственное число разложения по естественным ортогональным составляющим, на порядок превышает по величине второе и все последующие, что свидетельствует о весьма высоком качестве параметризации поля осадков всего одной первой естественной составляющей.
Для того, чтобы оценить возможности прогноза первой естественной составляющей с использованием гидродинамического прогноза крупномасштабных особенностей термобарических полей в исследуемом районе, были изучены диагностические корреляционные связи этой естественной составляющей с девятью характеристиками, полученными по данным аэрологических карт за утренний срок наблюдений. Исследовались данные за тот же самый десятилетний период, разделенный на три отдельные выборки. Рассматривались следующие характеристики для уровней 500,700 и 850 гПа; разность значений геопотенциала в городах Самсун (северное побережье Турции) и Туапсе , характеризующая скорость западно-восточного переноса; температура и дефицит точки росы в г. Сухуми, характеризующие абсолютное и относительное влагосодержание воздуха. Результаты расчетов корреляций этих величин с первой естественной составляющей поля осадков представлены в таблице 2.8 для каждой из трех выборок. Из анализа данных таблицы следует, что гипотеза о связи скорости западно-восточного переноса с количеством выпадающих осадков находит потверждение для нижней тропосферы, где максимальное значение коэффициента корреляции для разности значений геопотенциала в пунктах Самсун-Туапсе с первой естественной составляющей поля осадков для уровня 850 гПа в среднем более О Л. Б то же время корреляция с температурой воздуха и с дефицитом точки росы всегда отрицательна.
Следует отметить, что как для температуры воздуха, так и для дефицита точки росы (днем) абсолютные величины коэффициентов корреляции примерно одинаковы для всех рассмотренных уровней, причем дефицит точки росы для диагностического расчета поля дневных осадков столь же существенен, как и скорость западно-восточного переноса, для ночных же осадков дефицит даже более важен, особенно на уровне 850 гПа. Роль температуры воздуха днем гораздо менее значительная, хотя сравнение данных, относящихся к каждой из трех выборок, показывает, что значимо ненулевыми являются все представленные в таблице корреляционные связи.
Построение прогностических уравнений для расчета ожидаемых полусуточных сумм осадков
Как было показано ранее, на основе изучения десятилетнего ряда полусуточных сумм осадков ( за день и отдельно за ночь) для территории Западной Грузии, представленной наблюдениями 24-х метеорологических станций, включаемых в метеорологический ежедневный бюллетень Тбилисского бюро погоды, существует единственная естественная составляющая поля осадков, которая описывает более 0.80 дисперсии осадков. Эта естественная составляющая положительная на всей рассматриваемой территории и ее значение является наибольшим в районе г. Батуми и более или менее монотонно убывает в северном и восточном направлениях, достигая минимальных значений в высокогорных районах Кавказа. Нами была выдвинута гипотеза о том, что форма этой естественной составляющей и факт значительного преобладания соответствующего ей собственного числа ковариационной матрицы изменчивости осадков над другими ее собственными числами объясняется тем, что в холодный период года для Западной Грузии основным механизмом осадкообразования является упорядоченное восходящее скольжение влажных масс воздуха, поступающих с западно- восточным переносом по наветренным склонам гор Кавказа.
Для проверки данной гипотезы по десятилетнему ряду фактических наблюдений были рассчитаны коэффициенты корреляций коэффициента разложения полей осадков по этой естественной составляющей с величинами градиентов геопотенциала на уровнях 850,700 и 500 гПа над Восточной частью Черного моря ( бралась разница в высотах указанных поверхностей между ст. Самсун и Туапсе). Оказалось, что действительно имеют место заметные положительные корреляции этих величин, что подтверждает нашу гипотезу.
Вместе с тем было показано, что на поле выпадающих осадков существенное влияние оказывает также температура, абсолютная и относительная влажность воздуха, поступающего в Западную Грузию при западно-восточном переносе. Если градиент геопотенциала в тропосфере можно считать известным по данным гидродинамических прогнозов, то последние характеристики в настоящее время не рассчитываются в гидродинамических моделях на оперативной основе. Неучет же их, как показал проведенный анализ, приводит к заметному снижению предсказуемости осадков в наших условиях. Чтобы компенсировать этот недостаток при разработке гидродинамико-статистическои схемы прогноза поля осадков, было решено дополнить предикторы (геопотенциал) непосредственно обеспечиваемые сейчас гидродинамическими моделями, предикторами, которые можно получить из этих моделей косвенно. Речь идет об учете типа синоптического процесса ожидаемого на момент прогноза.
Для рассматриваемой территории известен ряд классификаций синоптических процессов, благоприятствующих или небла-гоприятствующих выпадению осадков. В данной работе используется классификация на четыре типа: западный процесс, восточный процесс, антициклональное состояние и волновая деятельность на фронте расположенном на юге Закавказья. Эта типизация была предложена в работе L HI и широко используется в практике синоптических исследований.
В соответствии с описанной классификацией каждый день используемого архива за зимние месяцы 1970-1976 гг. был отнесен к тому или иному типу. Всего таким образом было классифицировано 602 случая дневных и столько же случаев ночных сумм осадков. Эта выборка была разделена на 2 равные части, для каждой из которых были вычислены и сопоставлены между собой различные статистики поля осадков (точнее первого коэффициента разложения корня четвертой степени из полусуточной суммы осадков на станциях) и девяти потенциальных предикторов, уже описанных нами в главе 2, т.е. упомянутого градиента геопотенциала, а также температуры и дефицита точки росы на ст. Сухуми для уровней 500,700,850 гБа. Эти статистики для каждой из двух выборок представлены в таблицах 3.1-3.9.
В таблице 3.1 приведены оценки по каждой из выборок объемом в 301 случай каждая, средних значений (математических ожиданий) и дисперсий первого коэффициента разложения полусуточной суммы осадков, выпавших за день или ноаь при условии, что наблюдался тот или иной тип синоптического процесса.
Прежде всего отметим, что указание типа процесса и днем и ночью заметно детерминирует ожидаемые осадки. Так, при западном типе процесса следует ожидать существенного количества осадков на всей территории. Среднее значение первой естественной составляющей будет равно 3.II-3.9I в зависимости от выборки, для ночной и 2.47 - 2.52 для дневной суммы осадков, однако изменчивость осадков для этого типа процессов, судя по дисперсиям первой естественной составляющей, очень велика. Она составляет около 80$ величины первого собственного числа. При восточном процессе, указанные величины будут изменяться от г- I.4I до - 1.59 за ночь и от -I.I4 до -I.I6 за день, что указывает на вероятное отсутствие осадков или очень малую их интенсивность. Для этого типа минимальны . дисперсии ожидаемого значения первой естественной составляющей осадков.
