Введение к работе
Актуальность темы. Проблема долгосрочных прогнозов погоды
- одна из самых актуальных и вместе с тем сложных проблем ес
тествознания. Несмотря на значительное расширение представлений
о физических процессах, увеличение количества и улучшение ка
чества метеорологической информации, оправдываемость долгосроч
ных прогнозов погоды пока еще не удовлетворяет требованиям на
родного хозяйства. Причем в наибольшей мере это относится к
прогнозам экстремумов метеорологических величин, информативная
ценность которых наиболее высока. Актуальность месячных и се
зонных прогнозов погоды определяется тем, что при оправдывае-
мости их на 70 % и более они смогли бы существенно способство
вать повышению эффективности производства сельского хозяйства,
энергетики и других природоемких отраслей народного хозяйства
Именно поэтому совершенствование существующих и создание новых
методов прогнозов погоды на месяц и сезон остается и, видимо,
еще долго будет оставаться актуальным и необходимым.
Цель и основные задачи исследования. Основная цель работы
- исследование пространственно-временных закономерностей круп
номасштабных погодообразуюших процессов и разработка оператив
ной технологии долгосрочных прогнозов погоды большой заблагов-
ременности, все этапы составления предсказаний в которой
автоматизированы. Для достижения данной цели поставлены и реше
ны следующие основные научные и практические задачи:
проведено обобщение и систематизация результатов исследований, содержащихся в обширной литературе по проблеме долгосрочного прогнозирования;
исследованы распределения предикторов и предиктантов и оценена возможность использования аппроксимационных функций в долгосрочных прогнозах погоды;
изучена пространственная статистическая структура метеорологических полей на равнине и в горах, а также проведена оценка их точности;
осуществлен поиск новых предсказателей и проведена оценка целесообразности их учета в статистических моделях прогноза погоды большой заблаговременности;
проведены оценки длиннопериодных колебаний климата и предложены способы их учета при прогнозировании погоды.
Методика исследований. Работа имеет прикладную и теоретическую направленности. Для ее выполнения привлекались материалы наземной системы наблюдений Казгидромета, а также синоптические бюллетени Гидрометцентра СССР. Кроме того, использовались ежедневные поля объективного анализа приземной температуры, приземного давления, температуры на изобарических поверхностях 850 гПа, абсолютного геопотенциала на поверхностях 850, 700, 500, 300, 100 гПа по северному полушарию за 00 ч. среднего гринвичского времени, заданные в узлах регулярной сетки 5 х 5, поступающие по глобальной системе телесвязи из Национального метеорологического центра США. Для обработки и анализа данных использовались методы разложения их полей по эмпирическим ортогональным функциям (ЭОФ) и полиномам Чебышева, спектральный, корреляционный и регрессионный анализы, различные способы объективной классификации природных объектов, а также система вероятностных кривых Пирсона и аппроксимационные сплайны. Степень достоверности выборочных показателей подтверждалась расчетам! доверительных пределов. Для определения характеристик ПВФЗ и индексов межширотного обмена разрабатывались алгоритма и составлялись специальные программы. . Обработка, используемой в работе информации проводилась на ЕС ЭВМ и ПЭВМ.
Научная новизна. Дана классификация основных способов и принципов прогнозирования погоды на месяц и сезон статистическими методами. В зависимости от применяемого статистического аппарата выделено пять методов: регрессионный, аналогов, вероятностный, экстраполяционный и дискрпминанткого анализа.
Изучены законы распределения предикторов и предиктантов. Для приближения эмпирических распределений использовались сплайн-функции и система вероятностных кривых Пирсона. Исследования распределений предиктантов, сгруппированных в зависимости от значений предикторов, и аппроксимация их теоретическими функциями позволяют определять Еерояъноеть'любой градации прогнозируемой величины, что имеет важное значение для комплексиро-вания прогнозов, составляемых различными методами.
Исследована пространственная статистическая структура полей предикторов и предиктантов в условиях равнины и гор. Для горных районов построению корреляционных функций предшествовала
в каждой точке случайного поля операция приведения эмпирических распределения к нормальному виду. Излученные оценки позволили определить оптимальную сеть станций, необходимую для информационного обеспечения задач прогнозов погоды на месяц и сезон.
Впервые разработан алгоритм и подготовлена программа расчета объективных характеристик ПВНЗ и индексов межширотного обмена. Структура алгоритма организована так, что позволяет рассчитывать эти параметры на любом стандартном уровне. Показана целесообразность использования их в комплексе с другими предсказателями при составлении долгосрочных прогнозов погоды в Казахстане.
Подготовлены и реализованы методические основы объективной классификации температурно-влажностного режима и проанализированы условия формирования резко аномальных классов погоды в глубококонтинентальных районах.
Определены информативные для прогноза погоды в Казахстане зоны Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Исследована роль подстилающей поверхности в образовании различных типов погоды в республике. Обнаружена довольно тесная зависимость между повторяемостью много- и малоснежных зим с одной стороны и крупных аномалий термического режима верен - с другой. Совместное использование внеатмосферных носителей памяти с циркуляционными позволило существенно увеличить заблаговременность предсказания. Предложены способы учета долгопериодных колебаний климата в прогнозах погоды большой.заблаговременности.
Для информационного обеспечения методов прогноза погоды разработана база данных (БД) ПРОГНОЗ, функционирующая в системе ЕС - ЭВМ. Для пополнения ее метеорологической и геофизической информацией составлен пакет подпрограмм, который поддерживает базу в рабочем состоянии. Разработана оперативная технология прогнозов погоды на месяц и сезон с полной автоматизацией всех этапов их составления (от сбора, перемещения и контроля информации до ее обработки и получения соответствующих документов). Предсказание осуществляется с заблаговременностью от трех месяцев (температура воздуха и количество осадков на месяц) до нескольких лет (засухи). Технология имеет многоцелевое назначение и позволяет предсказывать все величины, ряды которых имеются в
Развита теория долгосрочных прогнозов погоды и осуществлено совершенствование приемов прогнозирования.
Практическая 'значимость работы. Результаты исследований пространственной статистической структуры метеорологических полей послужили основой для разработки проекта оптимальной сети наземных метеорологических наблюдений (в том числе за атмосферными явлениями и облачностью) в условиях комплексной автоматизации, обеспечивающих режимной инфорхіацией основных потребителей. Признано, что внедренная методика дает экономический эффект за счет оптимизации затрат на организацию и содержание метеорологической сети.
Технология долгосрочных прогнозов погоды внедрена в оперативную практику республиканского Гидрометцентра и Бюро погоды Госгидромета МНР.
Целый ряд положений диссертации используется профессорс
ко-преподавательскими составами кафедр метеорологии Пермского,,
Казахского, Кыргызского и Казанского Университетов в лекционных
курсах и лабораторных работах по климатологии, численным мето
дам анализа метеорологической информации и долгосрочным прогно
зам погоды. .
Основные материалы исследований вероятностных значений метеорологических величии, статистической структуры их полой . а также оценки тенденций длиннопериодных изменений климата использованы при составлении союзно-республиканской программы развития производительных сил и улучшения медико-санитарных условий проживания населения в экологически дестабилизированных регионах. .
Предмет защиты. На защиту выносятся результаты изучения и обобщения климатического режима, исследования пространственно-временных, закономерностей крупномасштабных погодообразующих процессов и разработка оперативной технологии прогнозов на месяц и сезон.по территории Казахстана.
Апробация работы. Основные научные положения диссертации представлялись на Международном симпозиуме по изучению баланса масс, колебаний ледников и ледникового стока (Алма-Ата, 1985),XV Международной конференции по метеорологии Карпат (Уж-
5 город, 1991), IX съезде Географического общества СССР (Казань, 1990), X пленуме по программе ЮНЕСКО "Человек и биосфера" (Алма -Ата, 190В), Всесоюзных симпозиумах по применению статистических методов в метеорологии (Ленинград, 1975; Обнинск, 1977; Алма-Ата, 1981; Казань, 1985; Светлогорск, 1990), Всесоюзных совещаниях по долгосрочному прогнозированию (Москва, 1974, 1987), Всесоюзных конференциях по статистической интерпретации гидродинамических прогнозов погоды (Алма-Ата, 1987; Нальчик, 1989; Одесса, 1991), Всесоюзном совещании по солнечно-земным связям в прогнозах погоды (Ленинград, 1980), Всесоюзном совещании по гидрометеорологическому обеспечению пастбищного животноводства и северного оленеводства (Алма-Ата, 1984), Всесоюзном совещании по гидрометеорологическому обеспечению агропромышленного комплекса страны (Целиноград, 1988), Всесоюзном совещании по проблемам гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири (Красноярск, 1989), Всесоюзном совещании по проблемам Аральского моря (Москва, 1985), Всесоюзном совещании по природным и социально-экономическим проблемам экологически дестабилизированных регионов (Алма-Ата, 1992), Всесоюзной школе-семинаре по анализу гидрометеорологической информации (Ташкент, 1981), Всесоюзных семинарах по диагнозу текущего климата (Ленинград, 1986-1991; Москва, 1988), Рабочих совещаниях по вероятностным методам прогноза погоды (Ленинград, 1978; Ташкент, 1979) и по долгосрочным прогнозам погоды (Улан-Батор, 1979, 1980; Москва, 1983, 1985), а также на республиканских совещаниях по экологии и экономике (Алма-Ата, 1989) и экологическим проблемам Казахстана (Алма-Ата, 1991). Отдельные результаты работы докладывались на заседаниях метеорологической комиссии Географического общества СССР (Ленинград 1972, 1973), заседаниях Ученого Совета КазНИГЫИ и Технического Совета Казгидромета.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 84-х печатных работах, включая две книги и два аналитических обзора. Список основных публикаций приведен ниже.
