Введение к работе
Актуальность темы. Разнообразие и сложность формирования изменений климата на различных пространственно-временных масштабах и степень его предсказуемости определяет множество физико-географических факторов. Главным из них является скорость поступления солнечной радиации в климат ическую систему Земли, включающую атмосферу, океан и деятельный слой суши. Одним из доминирующих энергетических регуляторов климата и параметров системы является облачность. Изменяя радиационный баланс поверхности, облачность определяет тепловые условия ашосферы и влияет на циркуляционные механизмы, которые, в свою очередь, воздействуют на её эволюцию. В случае облачности, генерирующей осадки, существенно изменяются энерго- и массообмен между поверхностью и атмосферой, испарение и испаряемость, альбедо и другие компоненты радиационного баланса, а также температура, влажность и плотность грунта.
Известно, что из множества облако - и осадкообразующих факторов основными являются вертикальные движения: влажность, температура и влагосодержание воздуха; адвекция влаги; радиационные процессы; стратификация атмосферы; характер барических образований и связанных с ними систем ветров. Между этими факторами, облачностью и осадками существуют сложные прямые и обратные синхронные свя^и
Прямые связи между облачностью и осадками обнаруживаются и в среднегодовом смысле. Так, подобие годового хода облачности и осадков наблюдается в условиях мус-сонного климата. В низких широтах (с акцептацией применительно к Судано-Сахельской зоне - ССЗ) наибольшая облачность в течение года имеет место вблизи экватора, что связано с восходящими течениями и огромными запасами водяного пара. В зоне экваториальных муссонов годовой ход облачности и осадков совпадает. Осадки выпадают в основном в летний период и различаются в зависимости от местоположения и рельефа. Наименьшая облачность наблюдается в континентальных районах субтропиков и тропиков. В1 тропиках убывает и количество осадков. В районах пассатной циркуляции громадные площади заняты пустынями, а количество осадков < 250 мм. На севере Судана осадки составляют десятые доли миллиметра. Над пустынями в тропиках и субтропиках переносится небольшое количество водяного пара в связи с почти равной вероятностью потоков западного и восточного направлений, а ~38% влаги проходит транзитом, поэтому в ССЗ равноправна роль механизмов внутреннего и внешнего влагооборотов в формировании осадков.
Однако осадки сами по себе не определяют условий увлажнения почвы, так как оно зависит от всего комплекса климатических особенностей местности (в первую очередь, от термического режима). Если в зоне с недостаточным увлажнением создается неблагоприятное сочетание режима увлажнения и термического режима, і о ло приводит к засухам. Именно такие условия имеют место в ССЗ, где при высоких температурах испаряемость может на порядок превышать сумму осадков. При слабой муссонной циркуляции здесь разворачиваются суровые многолетние засухи, приобретающие характер экологических бедствий. Сказанное делает актуальными исследования динамики увлажнения, режима осадков в Субсуданском регионе. Следует учесть и то, что в результате длительных засух, деградации земель и опустынивания уже нарушилось устойчивое развитие ССЗ. что поставило под вопрос физическое выживание населения. С этих позиций особенно актуален долгосрочный прогноз муссонныч осадков. Решение этих проблем является одной из приоритетных задач африканских метеорологов и мировой метеорологической науки. Даже их чаегичное решение имеет большую научную и практическую ценность. Важность подобного рода исследований обусловлена также тем, что климатические изменения в аридных и семиаридных районах Африки существенно связаны с проблемами изменения глобального климага, а большинство климатических прогнозов для ССЗ ^^одж#Дщ^г|^у^благоприятны.
snuffn
Цель работы: синтез обобщенных носителей памяти об эволюции полей осадков в Судане на месячном и годовом интервалах времени методом выборочных главных компонентов (ВГК); исследование статистической предсказуемости рядов названных параметров полей месячных сумм осадков и «сигнала», выделенного из «климатическої о шума», и разработка их авторегрессионных моделей с помощью нелинейного метода Бокса и Дженкинса; разработка моделей спектральных мод осадков (естественных колебаний - ЕК) на основе метода линейной множественной регрессии и метода гребневой регрессии с оргогонализациеЙ виртуальных предикторов; районирование территории Судана на основе комплекса характеристик регионального метеорологического суперполя.
Задачи диссертации:
-
Разработать алгоритмы восстановления пропусков в эмпирических данных отдельных метеостанций (на основе вариационного подхода) и во временных рядах обобщенных параметров (с помощью процедуры оптимального сглаживания их спектра) с целью улучшения качества описания начального состояния регионального и локального климатов Судана;
-
Синтезировать трансформированные параметры случайных полей ежемесячных осадков с помощью аппроксимации их совокупности рядами но ВГК, являющимся собственными решениями пространственных корреляционных матриц (КМ);
-
Синтезировать трансформированные параметры полей месячных осадков, описывающие эволюцию их спектральных мод в течение года путем разложения полей в двойные ряды по ВГК - собственным решениям пространственных и временных КМ;
-
Разработать статистическую схему прогноза ВГК, описывающих эволюцию наиболее мощных по дисперсии ЕК в совокупности полей месячных осадков, с помощью линейной регрессии вектора тест - предикторов на ВГК. С этой целью составить перечень виртуальных предикторов, сформировать архивные выборки их полей и провести разложение по ВГК на соответствующем базисе в рамках концепции «статистической телескопизации»; выполнить ортогонализацию предикторов по В. И. Романовскому для исключения мультиколлениарных носителей информации и осуществить выбор наиболее информативных из них методом просеивания;
-
Разработать схему прогноза наиболее мощных ЕК полей осадков методом гребневой регрессии вектора ортогонализированных предикторов на предиктанты;
-
Оценить статистическую предсказуемость обобщенных характеристик полей осадков, описывающих эволюцию наиболее мощных месячных и годовых ЕК;
-
Разработать авторегрессионные схемы прогноза рядов обобщенных характеристик погодообразующих ЕК осадков нелинейным методом Бокса и Дженкинса;
-
Разработать авторегрессионные схемы прогноза временных рядов обобщенных параметров полей месячных сумм осадков с помощью модели «сигнал плюс шум», где в качестве сигнал и шума выступают марковская модель первого порядка и белый шум;
-
Исследовать наличие статистически значимых линейных трендов в рядах обобщенных параметров полей осадков на месячном и годовом интервалах;
10) Разработать алгоритм районирования территории Судана на основе сочета
ния метода ВГК, примененного к комплексу локальных характеристик метеорологи
ческого суперполя, и процедуры классификации многопараметрических объектов.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
-
Использован метод ВГК для компрессии исходной информации с целью компактного описания случайных полей месячных осадков и фильтрации метеорологических шумов для Судана.
-
Разработаны алгоритмы восполнения пропусков в полях метеовеличин на основе вариационного подхода и во временных рядах параметров путем оптимального сглаживания их спектров $ помощью весовой функции Хэмминга.
-
Оценена рол^ процессов глобального, синоптического и мезометеорологиче-
ского масштабов в формировании случайных полей месячных осадков;
-
Выполнен анализ статистически значимых линейных трендов в ходе месячных и годовых ЕК полей осадков.
-
Разработаны две прогностические схемы прогноза ЕК полей осадков. Первая схема базируется на использовании переменных Романовского, методов линейной множественной регрессии и просеивания, а вторая - на основе гребневой регрессии.
6) Исследована статистическая предсказуемость рядов ВГК полей месячных
осадков. Выполнена их аппроксимация на годовом интервале и изучена статистиче
ская предсказуемость новых носителей информации при переходе от года к году;
-
Разработаны авторегрессионные модели ВГК полей осадков на основе нелинейного подхода по Боксу и Дженкинсу, а также на основе модели «сигнал плюс шум»;
-
Проведено районирование территории Судана по комплексу точечных метеорологических параметров, описывающих начальное состояние климатической системы.
Основные результаты работы:
-
Разработан и реализован вариационный алгоритм восполнения пропусков в полях метеовеличин, а также во временных рядах параметров посредством применения процедуры сглаживания их спектра по Хэммингу;
-
Оценена роль процессов различных масштабов в формировании полей месячных осадков в тропиках; выявлено доминирование крупномасштабных процессов; показано, что осадкам свойственна высокая степень упорядоченности и имеет место бесконечное многообразие ЕК на подсиноптическом участке волновых мод, в результате чего климатический шум может нести в различные месяцы до 55% выборочной дисперсии, и поэтому требуются корректные параметризации осадкообразующих процессов подсеточного масштаба в гидродинамических моделях;
-
Показано, что при переходе от месяца к месяцу в зависимости от преобладающего переноса над Суданом крупные ЕК описывают разную часть выборочной дисперсии;
-
Выявлен отрицательный тренд в ходе ЕК месячных сумм осадков, что свидетельствует о систематическом иссушении регионального климата, и этот эффект усиливается в последние десятилетия;
-
Доказана возможность успешного прогнозирования ЕК месячных осадков для Судана методом «телескопизации» с применением комплекса процедур отбора информативных предикторов. Выявлено, что в состав ортогонализированных тест -предикторов выбираются параметры наиболее консервативной компоненты климатической системы; гребневая регрессия обеспечивает более качественные прогнозы, чем линейная множественная регрессия с методом просеивания предикторов;
-
Разработан и реализован новый метод районирования территории на основе комплекса локальных метеорологических параметров, представленных ВГК, который дает результаты, согласующиеся с выводами гидродинамической теории и особенностями регионального климатического режима.
Обоснованность и достоверность результатов диссертации
подтверждается широким применением современных математических методов и компьютерных технологий, а также непротиворечивостью фундаментальным положениями и выводам гидродинамической теории.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Итоговых сессиях Ученого Совета РГГМУ (1998-2000 гг.); сессиях СНО РГТМУ (1997, 1999, 2001 г.г.); Всероссийской конференции «Атмосфера и здоровье человека» (1998 г.); Международном конгрессе «Биометеорология человека» (2000 г.); научном семинаре кафедры метеорологических прогнозов РГГМУ (2004 г.).
По теме исследования опубликовано три работы и одна находится в печати.
Работа состоит из введения, девяти глав, заключения и списка литературы.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Целесообразность использования недетерминированных базисных функций -В1"К для аналитического представления совокупности месячных полей осадков.
-
Опенка сходимости разложений полей осадков при переходе от месяца к месяцу.
-
Результаты разложения полей осадков в двойные ряды по ВГК горизонтальных координат и по времени и анализа их сходимости при переходе от года к году.
-
^минирование крупномасштабных ЕК осадков, позволяющее выделить процессы планетарного и синоптического масштабов и оценить дисперсионную нагрузку «климатического шума», которая может превышать 50% выборочной дисперсии полей. Данный факт, а также монотонная сходимоегь рядов разложения и невозможность существенного разделения масштабов на подсиноптическом участке атмосферных мод свидетельствуют о высокой степени упорядоченности осадкообразующих процессов и бесконечном многообразии ЕК мезо- и микромасштабов.
-
Две схемы прогноза ВКГ полей осадков, реализующие концепцию «статистической телескопизации» посредством регрессии ортогонализированных виртуальных предикторов. В первой схеме отбор наиболее информативных из них осуществляется методом просеивания, а во второй применяется гребневая регрессия, обеспечивающая лучшее качество прогнозов наиболее крупных ЕК.
-
Результаты разработки авторегрессионных моделей наиболее мощных месячных и годовых ВГК осадков нелинейным методом Бокса и Дженкинса.
-
Предсказуемость на основе модели «сигнал плюс шум» ЕК. синтезированных при аппроксимации полей осадков однократными и двукратными рядами ВГК. В качестве сигнала и шума выступают марковская модель первого порядка и белошумовой процесс. Некоторые ежемесячные ЕК предсказуемы на сроки до полутора месяцев, а годовые ЕК - на несколько лет. Большая часть ЕК, несущих менее 5-7% выборочной дисперсии, представляет собой белый шум. '
-
Интегральная оценка линейного тренда в ходе наиболее крупных ЕК свидетельствует о наличии четкой тенденции к иссушению регионального климата в Судане
-
Оптимальное районирование территории Судана по комплексу локальных параметров климатической системы, представленного совокупностью ВГК, демонстрирует высокую чувствительность регионального климата к составу комплекса; возможность автоматического выделения климатических зон, имеющих сложную, азональную конфигурацию границ. Существование зон подтверждается особенностями регионально! о термического и циркуляционного режимов и режима осадков.
Теоретическая и практическая значимость работы. Реализация предложенных новых методов анализа и прогноза обобщенных характеристик полей месячных осадков для Судана позволяет давать успешные прогнозы ряда наиболее мощных волновых мод, заполняющих двумерное многообразие на месячном и годовом интервалах, с нулевой заблаговременностью.
Все результаты диссертации являются новыми, непротиворечивыми и согласуются с фундаментальными особенностями эволюции атмосферных процессЬв в низких широтах и с выводами гидродинамической теории. Результаты районирования территории Судана могут быть использованы для принятия обоснованных решений на уровне ООП, ЮНЕСКО, ВМО и ряда международных программ и проектов, а также для решения экономических, социальных и экологических проблем страны.
Разработанные прогностические схемы и методика оценки прогностического потенциала полей месячных осадков могут быть использованы в работе Метеорологической службы Судана, а также рекомендованы для внедрения в учебный процесс РТТМУ и других ВУЗов гидрометеорологического профиля при преподавании методов статистической обработки метеорологической информации, синоптической метеорологии, долгосрочных прогнозов погоды, климатологии и гидродинамических прогнозов.
Похожие диссертации на Статистический анализ и прогноз главных компонентов полей месячных сумм осадков для Судана
