Класифікація баричних полів і синоптико-статистичний метод деталізованого прогнозу погоди з місячною завчасністю для території України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

КЛАСИФІКАЦІЯ БАРИЧНИХ ПОЛІВ І СИНОПТИКО-СТАТИСТИЧНИЙ МЕТОД ДЕТАЛІЗОВАНОГО ПРОГНОЗУ ПОГОДИ З МІСЯЧНОЮ ЗАВЧАСНІСТЮ ДЛЯ ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Ванова Олена Костянтинівна

КИЇВ - 2008

Анотація

Іванова О.К. Класифікація баричних полів і синоптико-статистичний метод деталізованого прогнозу погоди з місячною завчасністю для території України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню зміни великомасштабної і регіональної циркуляції атмосфери в останнє десятиріччя і розробці синоптико-статистичного методу прогнозу щоденних полів приземного тиску повітря на термін від одного до двох місяців.

На основі об'єднання інформації, отриманої за допомогою традиційного методу аналогів і методу плаваючого аналога синоптичних процесів, розроблено нову синоптико-статистичну схему довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на послідовні 60 днів, що дозволило поліпшити метод довгострокового деталізованого прогнозу погоди УкрНДГМІ з двохмісячною завчасністю для території України.

Ключові слова: циркуляція атмосфери, класифікація синоптичних процесів, еталон синоптичних процесів, аналітичне представлення полів, розкладання у ряд за поліномами Чебишева, довгостроковий прогноз погоди.

Аннотация

Иванова Е.К. Классификация барических полей и синоптико-статистический метод детализированного прогноза погоды с месячной заблаговременностью для территории Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена исследованию изменения крупномасштабной и региональной циркуляции атмосферы в последнее десятилетие и разработке синоптико-статистического метода прогноза ежедневных полей приземного давления воздуха на срок от одного до двух месяцев.

В работе выявлены наиболее вероятные атмосферные процессы, которые формируют современные погодные условия в целом для Европы и непосредственно в Украине в последние десятилетия. Получена классификация синоптических процессов и определен эталон синоптической ситуации внутри каждого класса и месяца последнего десятилетия на территории Атлантико-Европейского сектора. Создан каталог эталонов синоптических процессов каждого месяца последнего десятилетия на территории Атлантико-Европейского сектора.

Предложен новый перспективный подход к подбору года-аналога, который не меняет физическую сущность самого традиционного метода аналога.

В работе впервые показана возможность совместного использования синоптической информации с помощью методов плавающего и традиционного аналогов в аналитическом представлении ежедневных полей давления у земли с помощью разложения в ряд по ортогональным полиномам Чебышева на ограниченной территории.

Развитые в работе новые подходы, такие как классификация ежемесячных синоптических процессов в последнее десятилетие, аналитическое представление полей приземного давления с помощью синоптической информации традиционного и плавающего методов аналогов, а также выявленные современные метеорологические условия могут быть применены для повышения качества долгосрочных прогнозов погоды.

На основе объединения информации, полученной с помощью традиционного метода аналогов и метода плавающего аналога синоптических процессов разработана новая синоптико-статистическая схема долгосрочного прогноза ежедневных полей приземного давления на последовательные 60 дней, которая позволила улучшить метод долгосрочного детализированного прогноза погоды УкрНИГМИ с двухмесячной заблаговременностью для территории Украины.

Ключевые слова: циркуляция атмосферы, классификация синоптических процессов, эталон синоптических процессов, аналитическое представление полей, разложение в ряд по полиномам Чебышева, долгосрочный детализированный прогноз.

атмосфера прогноз повітря повітря

Annotation

Ivanova E.K. The classification of the baric fields and synoptic-statistical method of the detailed weather forecasting with the month earliness for the territory of Ukraine. - Manuscript.

The dissertation submitted for a Doctor of philosophy in Geographical Science, specialized field 11.00.09 - Meteorology, climatology, agrometeorology. - Kiev National University, Kiev, 2008.

Dissertation work is devoted to research of change of large-scale and regional atmospheric circulation of the last decade and to development of synoptic-statistical method of forecast of the daily fields of the sea-level pressure of air on a term from one to two months.

On the basis of uniting of information got by the traditional method of analogues and by method of floating analogue of weather processes the new synoptic-statistical scheme of long-range forecast of the daily fields of the sea-level pressure on sequential 60 days is developed which has allowed to improve the prognostic method of long-range weather forecast of UHMI for making detailed weather forecast with monthly earliness for the territory of Ukraine.

Key words: atmosphere circulation, classification and еtalon of the synoptic process, analytical performance of the field, expansion in series by Chebyshev polynoms, the long-range detailed forecast.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації. Однією з найважливіших сучасних проблем науки є довгостроковий прогноз погоди, як зважаючи на виняткову важливість для життя людства, так і внаслідок складності цієї проблеми. Дисертаційна робота присвячена дослідженню зміни великомасштабної і регіональної циркуляції атмосфери в останнє десятиріччя та розробці синоптико-статистичного методу прогнозу щоденних полів приземного тиску повітря на термін від одного до двох місяців.

Успішний довгостроковий деталізований прогноз погоди для території України сприяє не тільки ефективному розвитку різних галузей економіки, особливо сільськогосподарського виробництва і енергетики, а також дозволяє передбачати соціально-економічні наслідки аномальних погодних умов. Розуміння фізичних механізмів сучасної циркуляції атмосфери на тлі глобального потепління може послужити розвитку основ методу довгострокового прогнозу погоди.

За даними Всесвітньої Метеорологічної Організації (ВМО) близько 90% лих в усьому світі за останні роки викликано аномальними погодними явищами. Підтвердженням актуальності досліджень даної роботи у зв'язку з великомасштабністю дії погоди і все більш серйозними наслідками її впливу на безпеку і добробут людей в усьому світі є основоположна мета стратегічного плану ВМО - розробляти і удосконалювати методи прогнозу погоди для своєчасного випуску точніших і надійніших прогнозів погоди.

Проблема довгострокового прогнозу погоди у даний час все ще не вирішена і тому проведення досліджень з розвитку та удосконалення методів довгострокового прогнозу погоди є виключно актуальною задачею.

Робота проводилася відповідно до галузевих планів науково-дослідних робіт Державного комітету України з гідрометеорології, серед яких найважливішими є:

НДР з теми 1.1.1 “Удосконалити метод деталізованого прогнозу погоди (температури, опадів) на місяць з місячною завчасністю для території України” (1996р.) № д/р 0195U016962;

НДР з теми 1.1.2 “Складання оперативних довгострокових прогнозів температури і опадів на три подальші місяці з деталізацією погодних умов у першому прогностичному місяці” (1997р.) № д/р 0197U013811;

НДР з теми 1.1.2 “Складання експериментальних наукових довгострокових прогнозів температури і опадів на три подальші місяці з деталізацією погодних умов у першому прогностичному місяці” (1998р.) № д/р0198U003933;

НДР з теми 1.2.3 “Адаптація і випробування робочого місця синоптика для оперативного складання деталізованого прогнозу погоди на місяць. Складання наукових щомісячних прогнозів температури і опадів для території України” (2000р.) № д/р 0100U003512;

040201 “Удосконалення і розробка коротко-, середньо- і довгострокового прогнозу погоди для території України на основі фізико-статистичних і чисельних методів” (2001-2002рр.) № д/р 0101V003779;

НДР з теми 2/03 “Розвиток методів довгострокового прогнозу погоди” (2003-2005рр.) № д/р 0103V006557;

НДР з теми 3/06 “Аналіз сучасного і побудова сценаріїв майбутнього клімату України”, розділ1 “Розробка наукових довгострокових прогнозів погоди для території України” (2006-2008рр.) № д/р 0106V007307;

планами НДР № КП-3/98 розділу 3 Кліматичної програми України “Дослідити режим клімату України, виявити основні кліматоутворюючі фактори глобального і регіонального масштабів, які обумовлюють його особливості по території республіки в цілому і окремих фізико-географічних зонах, розробити сценарії і прогноз змін регіонального клімату до 2050р.” (1998-2001рр.), № д/р 0198U004868 ;

договір № ДП/42-2003 “Виявлення особливостей аномальності кліматичного режиму України у найближче десятиріччя, які впливають на збереження біорізноманіття, земельні ресурси і на розвиток економіки держави”(2.2.7.Б) з Міністерством освіти і науки України (2003-2006рр.) № д/р 01030006558.

Мета і завдання дослідження. На основі дослідження сучасної регіональної циркуляції атмосфери над Східною Європою за допомогою об'єктивної класифікації синоптичних процесів виявити найбільш імовірну циркуляцію атмосфери, яка формує сучасні кліматичні умови Східної Європи і України, та розробити синоптико-статистичну розрахункову схему довгострокового прогнозу поля приземного тиску на один - два місяці для удосконалення методу довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ.

Основними науковими завданнями дослідження є:

Отримання об'єктивної класифікації синоптичних процесів, визначення еталонів синоптичних ситуацій усередині кожного класу.

Створення каталогу еталонів синоптичних процесів кожного місяця останнього десятиріччя (для 150 послідовних останніх місяців з вересня 1995р. по лютий 2008р.) для розширення вхідної інформації розрахункової схеми довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ.

Виявлення імовірних атмосферних процесів, які формують сучасні погодні умови в цілому для Європи і безпосередньо в Україні в останні десятиріччя.

Розроблення нового перспективного підходу для підбору року-аналогу, замість використовуваного до теперішнього часу традиційного підходу при складанні довгострокового прогнозу погоди гідрометслужбами різних країн.

Представлення поля приземного тиску за допомогою синтезу полів тиску плаваючого і традиційного методів аналогів.

Створення синоптико-статистичної розрахункової схеми довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на послідовні 60 днів, у якій пропонується сумісне використання інформації, отриманої традиційним і плаваючим методами аналогів синоптичних процесів.

Методи досліджень. У дисертації використовуються методи математичної статистики, теорії імовірності, теорії розпізнавання образів і сцен, теорії аналітичного представлення полів тиску за допомогою поліномів Чебишева. Алгоритми прогнозу реалізовано на ПК у вигляді комплексу програм.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Виявлено найбільш імовірні атмосферні процеси, які формують сучасні погодні умови в цілому для Європи і безпосередньо в Україні в останні десятиріччя. Такі процеси відповідальні за сучасні кліматичні умови Європи, для яких характерні аномально теплі і сухі процеси літом і зимою.

2. Отримано об'єктивну класифікацію синоптичних процесів і визначено еталон синоптичних ситуацій усередині кожного класу місяця останнього десятиріччя на території Атлантико-Європейського сектора.

3. Створено каталог еталонів синоптичних процесів кожного місяця останнього десятиріччя на території Атлантико-Європейського сектора.

4. Показано, що чим більша кількість класів синоптичних процесів існує усередині місяця, тим менш стійкі синоптичні процеси і погодні умови у ньому.

5. Запропоновано новий перспективний підхід до підбору року-аналогу, який не змінює фізичну суть самого традиційного методу аналогів.

6. Відмічено, що синоптичні процеси найменш імовірних класів у кожному місяці призводять до різних стихійних і небезпечних метеорологічних явищ, таких як, різкі короткочасні похолодання, випадання сильних опадів значної інтенсивності, сильного вітру і т.ін. на території України. Не дивлячись на короткочасність і рідкість цих процесів, вони завдають великого економічного і соціального збитку.

7. Вперше показано можливість сумісного використання синоптичної інформації, отриманої за допомогою методів плаваючого і традиційного аналогів, в аналітичному представленні щоденних полів тиску біля землі за допомогою розкладання у ряд за поліномами Чебишева на обмеженій території.

8. Вперше розроблено нову синоптико-статистичну розрахункову схему довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на подальші 60 днів на основі об'єднання інформації, отриманої за допомогою традиційного і плаваючого методів аналогів синоптичних процесів.

9. Запропонована у даній роботі нова синоптико-статистична розрахункова схема дозволяє поліпшити метод довгострокового деталізованого прогнозу погоди УкрНДГМІ з двомісячною завчасністю для території України.

10. Проведений аналіз оцінок прогнозів на незалежному періоді 2007-2008рр. показав успішність запропонованого синоптико-статистичного методу довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на послідовні 60 днів для території України.

Обгрунтованість і достовірність отриманих результатів забезпечується використанням стандартних однорідних архівів метеорологічних полів на стандартних рівнях атмосфери, представлених у вузлах регулярної географічної сітки Північної півкулі за 1964-2008рр. Дослідження метеорологічних полів проводилося за допомогою методів математичної статистики, теорії імовірності, розпізнавання образів, методів розкладання полів за ортогональними поліномами. Перевірка ефективності розробленого синоптико-статистичного методу прогнозу поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора на 60 подальших днів проводилася на незалежному матеріалі. Алгоритми прогнозу реалізовано на ПК.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений у дисертації метод довгострокового прогнозу поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора було впроваджено у розрахункову схему довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ у 2007р. і використано в оперативній практиці Українського Гідрометцентру. Прогнози погоди, що складаються в оперативному порядку, для України використовуються Головним ГМЦ ЗС України, МНС України, Держводгоспом України. Розвинені у роботі нові підходи, такі як класифікація щомісячних синоптичних процесів в останнє десятиріччя, аналітичне представлення полів тиску за допомогою синоптичної інформації традиційного і плаваючого методів аналогів, а також виявлені сучасні метеорологічні умови можуть застосовуватись для підвищення якості довгострокових прогнозів погоди.

Особистий внесок здобувача. Постановку наукових завдань дослідження зроблено здобувачем спільно з науковим керівником. У спільних зі співавторами публікаціях здобувачеві належить виконання поставлених науковим керівником завдань, отримання результатів досліджень і їх спільний аналіз, формулювання висновків у межах дисертаційного дослідження.

Самостійно здобувачем виконано такі наукові задачі і отримано наступні результати:

Отримано класифікацію баричних полів на території Атлантико-Європейського сектора і їх імовірність у кожному місяці останнього десятиріччя. Визначено еталон синоптичних процесів у кожному класі.

Проаналізовано найбільш імовірне еталонне поле тиску біля землі, яке формує на території України сучасні сезонні погодні умови.

Створено необхідний каталог еталонів синоптичних процесів кожного місяця останнього десятиріччя для досліджень у галузі синоптичної кліматології і довгострокового прогнозу погоди.

Вперше отримано аналітичне представлення щоденних полів тиску біля землі на основі сумісної інформації синоптичних процесів за методом плаваючого і методом традиційного аналогів.

За методичним сприянням наукового керівника розроблено синоптико-статистичний метод прогнозу поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора на 60 подальших днів.

Отриманий синоптико-статистичний метод прогнозу поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора на 60 подальших днів розроблено для використання у прогностичній схемі довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ при складанні деталізованого прогнозу погоди з місячною завчасністю для території України.

Апробація роботи. Основні результати роботи представлені на: ХІV Міжнародній Конференції з метеорології Карпат (Софія, 1989р.), 23rd European meeting on atmospheric studies by optical methods (Kiyv, 1996), Міжнародній конференції «Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища» (Одеса, 2002р.), The AGU Fall Meeting (San-Francisco, USA, 2004), IV Українській конференції з космічних досліджень (Крим, 2004р.), звітній сесії Секції метеорології УкрНДГМІ (Київ, 2005р.), Республіканському семінарі з гідромеханіки при ІГМ НАНУ (Київ, 2006р.), семінарі відділу Прикладної кліматології Головної геофізичної обсерваторії ім. А.І.Воєйкова (Санкт-Петербург, 2006р.), II Міжнародній науково-технічній конференції «Навколишнє середовище - 2007: актуальні проблеми екології і гідрометеорології - інтеграція освіти і науки» (Одеса, 2007р.).

Дисертація в цілому обговорювалася на спільному засіданні відділів кліматичних досліджень і довгострокового прогнозу погоди, агрометеорологічних досліджень, фізики атмосфери, чисельних і синоптичних досліджень Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту.

2. Зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність, наукова і практична значущість роботи, формулюються мета і задачі дослідження, викладаються основні положення і результати, що виносяться на захист.

У першому розділі подано сучасний стан проблеми довгострокового прогнозу погоди (ДПП) і, зокрема, методів прогнозу приземного тиску повітря. Дослідження, пов'язані з розробкою методів ДПП, були започатковані у кінці ХIX - початку ХХ ст. роботами Б.П.Мультановського, Уокера, Баура, Немайєса. З середини ХХ ст. методи довгострокового прогнозу погоди на місяць і сезон розвивалися у трьох напрямах - гідродинамічні, синоптичні і фізико-статистичні прогнози.

Синоптичні методи прогнозу погоди є найстаршими у метеорології. Історія гідродинамічних методів довгострокового прогнозу погоди почалася з робіт К.М.Блінової. Фізико-статистичні методи прогнозу на місяць і сезон розроблялися задовго до появи гідродинамічних методів. У даний час методи довгострокового прогнозу погоди розвиваються у напрямах, що все більше переплітаються. За останні декілька десятиріч, завдяки розвитку нових технологій в обчислювальній техніці, певних успіхів у прогнозі на строк до двох тижнів досягло гідродинамічне моделювання загальної циркуляції атмосфери. Проте, слід зазначити переважаюче значення фізико-статистичних методів в оперативних довгострокових прогностичних системах на місяць, сезон провідних гідрометслужб світу.

На сучасному етапі ведуться наукові розробки по об'єднанню синоптичних, фізико-статистичних і гідродинамічних методів довгострокового прогнозу погоди. У зв'язку з успіхами чисельних методів прогнозу погоди статистичні методи все частіше застосовуються для оптимізації практичного прогнозування. Не дивлячись на те, що останнім часом з'являється все більша кількість робіт, проблема довгострокового прогнозу погоди до теперішнього часу не вирішена і тому проведення досліджень з розвитку і удосконалення методів довгострокового прогнозу погоди залишається виключно актуальною задачею, якій присвячується дана дисертаційна робота.

Другий розділ присвячено дослідженням у галузі синоптичної кліматології. Одним із складних завдань синоптичної кліматології є класифікація синоптичних процесів. Класифікація різноманіття синоптичних процесів для задач довгострокового прогнозу погоди також представляє особливий інтерес.

У підрозділі 2.1 наведено вхідну інформацію і метод досліджень. Вхідною інформацією для дослідження є щоденні поля приземного тиску повітря Атлантико-Європейського сектора, розташованого між 40-70⁰ пв.ш. і 30⁰ зх.д. - 70⁰ сх.д., геопотенціалу на рівні 500 гПа на території між 40-70⁰ пв.ш. і 50⁰ зх.д. - 150⁰ сх.д., щоденні поля максимальної і мінімальної температури повітря і опадів у вузлах регулярної сітки з бази даних відділу кліматичних досліджень і довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ з 1986р. і ВНДІГМІ-СЦД (м. Обнінськ, Росія) з 1964р., а також дані університету м. Кьольна.

Метеорологічні поля для досліджень представлено у вигляді матриці:

j =1,2,...,K , i =1,2,...,N

де елементи x_ij матриці Х відповідають значенню метеорологічної величини в j вузлі регулярної географічної сітки кроком 5⁰ по широті і довготі i - го поля,

K - кількість вузлів географічної сітки (дорівнює 147),

N - кількість полів в архіві.

В основі дослідження використовується метод “еталонів”, розроблений проф. В.Ф.Мартазіновою (1998, 2005), що є універсальним методом об'єктивної типізації синоптичних процесів.

Еталон класу синоптичного процесу - це одне найбільш інформативне поле синоптичного процесу класу, яке має найбільшу подібність (за критеріями аналогічності) з рештою полів у даному класі. Для виявлення еталону класу використовуються два наступні критерії аналогічності.

Критерій приймає значення 1?? -1.

У кожному виділеному класі синоптичних процесів визначалося одне найбільш інформативне баричне поле - еталон, яке вибирається з умов і вибірок і _i відповідно.

Еталони найбільш імовірних класів синоптичних процесів за кожний місяць кожного року було зведено у каталог, який відіграє важливу роль для використання у методі довгострокового прогнозу погоди.

У підрозділі 2.2 розглянуто синоптичні процеси над територією Атлантико-Європейського сектора, що формують поточний регіональний клімат в Україні. Найбільш імовірні синоптичні процеси січня і липня в останні десятиріччя (1973-1984рр., 1986-1995рр., 1996-2005рр.) дозволяють зрозуміти характер зміни і сучасний стан температурного режиму у зимовий і літній сезони в Україні. Від десятиріччя до десятиріччя область високого тиску над Європою посилюється і просувається далі на схід. У 1996-2005рр. область високого тиску займає практично всю територію Європи, створюючи влітку спекотну і суху погоду, а взимку аномально теплу і суху.

У підрозділі 2.3 визначено кількість синоптичних процесів на території Атлантико-Європейського сектора і їх імовірність у різні сезони. Аналіз досліджень класифікації процесів у кожному місяці показав, що середня кількість класів за 1996-2005рр. від місяця до місяця різна, але у більшості місяців року середня кількість класів синоптичних процесів близько трьох. Найменша кількість класів відмічається протягом усього зимового сезону і складає близько 2 класів, що свідчить про стійкі погодні умови усередині зимового місяця. Найбільша кількість класів синоптичних ситуацій відмічається у травні - 4 класи, що указує на нестійкість погодних умов і сприяє прояву в Україні протягом травня одного року заморозків і сухих спекотних днів.

Однак, кількість класів синоптичних процесів в цілому для кожного місяця більше, ніж середнє значення класів в останнє десятиріччя (рис.1). Результати аналізу усього різноманіття синоптичних процесів за 1996-2005рр. представлено на рис.2.

У кожному місяці відмічається своя різноманітність синоптичних процесів, кожен клас яких описується найбільш інформативним синоптичним процесом класу. Чим більше різноманітність процесів усередині місяця, тим менш стійкі синоптичні процеси і погодні умови у ньому.

Класи з синоптичними процесами кожного місяця були ранжирувані відповідно до убування їх імовірності. Такий підхід дозволив виявити синоптичні процеси, що формують основні кліматичні риси місяця останнього десятиріччя, які детально представлені у наступному підрозділі.

Характер синоптичних процесів і їх імовірності у теперішньому десятиріччі показують мінливість кліматичних умов за сезонами на вибраній території. Отримані у даному підрозділі результати досліджень можуть широко використовуватись в оперативній роботі гідрометслужби.

У підрозділі 2.4 наведено найбільш імовірні синоптичні процеси в Атлантико-Європейському секторі і погодні умови на території України. Отримано, що у зимовий сезон останнього десятиріччя погодні умови в Атлантико-Європейському секторі формуються під впливом області високого тиску теплого повітря, температура повітря відмічається вище за норму і переважно без опадів. У березні область високого тиску з теплим повітрям зберігається, синоптичні процеси квітня щодо березневих набувають більш вираженої меридіональності, у травні поле тиску знову має широтне положення. В цілому, весняний сезон характеризується частою зміною погодних умов упродовж сезону, які супроводжуються сильним вітром, грозою і градом. Літом найбільш імовірні синоптичні процеси формують майже на всій території Атлантико-Європейського сектора розмите баричне поле високого тиску, що призводить до відносно нестійких погодних умов з сильними опадами, грозами і вітром у першій половині літа на території України. В осінній сезон найбільш імовірний синоптичний процес характеризується наявністю області високого тиску, яка займає велику частину Атлантико-Європейського сектора і протягом осінніх місяців зміщується на схід. В Україні відмічається підвищений температурний режим, переважно без опадів, у листопаді нестійкий температурний режим, однак, синоптичні процеси найбільш імовірного класу осіннього сезону менш стійкі порівняно із зимовим сезоном.

Наведені у розділі найбільш імовірні синоптичні процеси для кожного місяця року останнього десятиріччя дозволяють виявити і зрозуміти основні риси сучасної регіональної циркуляції і пов'язані з нею погодні умови в Україні.

У третьому розділі описується решта імовірних класів синоптичних процесів кожного місяця останнього десятиріччя на території Атлантико-Європейського сектора, знання яких також, як і найбільш імовірного класу, необхідне для розвитку задач довгострокового прогнозу погоди.

У підрозділі 3.1 описано еталони синоптичних процесів і погодні умови зимового сезону. Еталони синоптичних процесів класу малої імовірності взимку є екстремальними, вони пов'язані з областю низького тиску, спостерігаються різкі похолодання різної тривалості і випадання сильних опадів.

У підрозділі 3.2 описано еталони синоптичних процесів і погодні умови весняного сезону. Навесні в полі-еталоні класу малої імовірності відмічається меридіональний характер розподілу баричних утворень над Атлантико-Європейським сектором, при цьому Україна перебуває під впливом області низького тиску, але цей процес нестійкий і можливе випадання сильних опадів. Навесні відмічається найбільше різноманіття синоптичних процесів, які призводять до нестійких погодних умов.

У підрозділі 3.3 описано еталони синоптичних процесів і погодні умови літнього сезону. Літом еталон класу малої імовірності представляє на більшій частині Атлантико-Європейського сектора область низького тиску з декількома центрами, такі синоптичні процеси призводять до нестійких погодних умов із сильними опадами і грозами на території України.

У підрозділі 3.4 описано еталони синоптичних процесів і погодні умови осіннього сезону. Восени, так як і в інші місяці, синоптичні процеси найменшого класу характеризуються областю зниженого тиску, яка переважає в Атлантико-Європейському секторі. Вони створюють екстремальні погодні умови в Україні, викликають похолодання і опади різної інтенсивності.

Таким чином, із різноманіття синоптичних процесів виділено атмосферні процеси з різною частотою формування і визначено їх найбільш імовірний стан в останнє десятиріччя. Виявлені еталонні процеси характеризують кліматичні умови України на початку ХХI ст., що дозволяє використовувати їх у схемі довгострокового прогнозу погоди.

У четвертому розділі розглянуто аналітичне представлення баричних полів за допомогою розкладання у ряд за поліномами Чебишева. Використання природних ортогональних функцій для аналітичного представлення баричних полів широко застосовувалося у роботах М.О. Багрова, М.І. Юдіна, А.В. Мещерської, Р.М. Вільфанда, поліномів Чебишева для аналітичного представлення баричних полів починаючи з робіт М.О. Багрова, М.І. Зверєва, П.Н. Бєлова.

У підрозділі 4.1. наведено розкладання полів приземного тиску у ряд за поліномами Чебишева. Представлення поля тиску біля поверхні землі за допомогою розкладання у ряд за ортогональними поліномами Чебишева на обмеженій території (у нашому випадку на території Атлантико-Європейського сектора) має вигляд:

Р_l= A₀₀ + A₁₀₁(x)₀(y) + A₀₁₀(x)₁(y) + … + A_ksk(x)_s(y),

де A_ks коефіцієнти розкладання за ортогональними поліномами Чебишева _k(x), _s(y):

де k,s порядок поліномів, поля приземного тиску Р_l .

Кожне поле приземного тиску Р_l в електронному архіві було представлено у вигляді матриці:

де n, m - кількість вузлів географічної сітки за довготою і широтою відповідно,

р_ij - значення тиску у вузлі ij географічної сітки.

В цілому вибір числа членів розкладання залежить від характеру поля і щільності точок сітки. Чим складніше баричне поле, тим більше треба брати поліномів і відповідно коефіцієнтів розкладання. Граничне значення кількості поліномів і коефіцієнтів розкладання повинне відповідати кількості вузлів сітки. Однак, для поставленої задачі достатньо використовувати представлення щоденного поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора за допомогою поліномів Чебишева порядку к,s=0,1...,6. Кожний коефіцієнт розкладання може мати свою фізичну інтерпретацію, перші чотири члени розкладання визначають великомасштабну характеристику поля, решта членів розкладання - утворення менш синоптичного масштабу. У зв'язку з цим всі коефіцієнти A_ks мають фізичне розуміння і характеризують окремий внесок кожного полінома у розкладанні полів тиску.

У підрозділі 4.2 наведено оцінку точності аналітичного представлення баричних полів за допомогою розкладання у ряд за поліномами Чебишева при . Для оцінки точності аналітичного представлення полів було побудовано емпіричні функції розподілу похибок аналітичного представлення середніх місячних полів приземного тиску за останні десять років. Узята кількість поліномів Чебишева при дозволяє достатньо точно з малою похибкою відновлювати баричні поля у вузлах географічної сітки з кроком по широті Дц=5⁰ , і по довготі Дл=5⁰, при загальній кількості вузлів 147. Для підтвердження точності отриманих результатів додатково використовувався критерій геометричної подібності (2), який визначає геометричний збіг баричних утворень фактичного і відновленого полів. Середня оцінка по склала 0,65, що відповідає збігу знаку баричних утворень на більш ніж 80% території.

Представлені у підрозділі 4.3 результати дослідження стійкості за часом коефіцієнтів розкладання поля тиску у ряд за поліномами Чебишева при протягом року показали сезонні зміни кожного коефіцієнта, а також їх роль при відновленні поля незалежно від того, значення якого порядку він має.

У підрозділі 4.4 представлено автокореляційні зв'язки перших коефіцієнтів розкладання A₀₀, A₁₀, A₀₁ полів тиску у ряд за поліномами Чебишева. Дослідження автокореляційної функції коефіцієнтів дозволило зробити висновок, що початковий стан коефіцієнта A₀₀ не можна використовувати у довгостроковому прогнозі погоди із завчасністю 1-2 місяці, початковий стан коефіцієнта A₁₀ можна використовувати у зимовий сезон, початковий стан коефіцієнта A₀₁ можна використовувати для задач довгострокового прогнозу.

У п'ятому розділі наводиться отриманий синоптико-статистичний метод довгострокового прогнозу поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора з двомісячною завчасністю.

У підрозділі 5.1 викладено основні положення методу довгострокового деталізованого прогнозу погоди УкрНДГМІ з двомісячною завчасністю, основою якого є двомісячна квазіперіодичність атмосферних процесів, яка отримана за допомогою методу “плаваючий аналог” (В.Ф. Мартазінова, 1986).

У підрозділі 5.2 представлено основні положення для створення розрахункової схеми синоптико-статистичного методу прогнозу поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора для удосконалення оперативної схеми довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ:

традиційний метод-аналогів синоптичних процесів, отримання якого у роботі пропонується за новим підходом. Новий підхід в отриманні року-аналога синоптичним процесам поточних двох місяців полягає у підборі аналогічних процесів за критеріями аналогічності з отриманого у роботі каталогу еталонів синоптичних процесів кожного місяця останнього десятиріччя;

двомісячна квазіперіодичність атмосферних процесів, яка виявлена за допомогою методу плаваючого аналога (В.Ф.Мартазінова, 1986). Інформація методу плаваючого аналога істотно відрізняється від інформації методу традиційного аналога за часом і простором. Двомісячна квазіперіодичність атмосферних процесів має сезонне географічне положення щодо поточних полів, яке визначається сезонним характером градієнта температури суша-океан і полюс-екватор, тоді як традиційний аналог прив'язаний до часу і простору без зміни.

сумісне використання синоптичної інформації за допомогою методів плаваючого і традиційного аналогів в аналітичному представленні щоденних полів тиску біля землі у вигляді розкладання у ряд за поліномами Чебишева на обмеженій території.

Кожне щоденне поле тиску Р_t можна представити за допомогою його аналога - поля тиску двохмісячної квазіперіодичності P_р у вигляді розкладання у ряд за поліномами Чебишева

Р_t = A₀₀ (Дц,Дл,t-60) + A₁₀ (Дц,Дл,t-60)₁(x)₀(y) +

+ A₀₁ (Дц,Дл,t-60)₀(x)₁(y) + … + A_ks (Дц,Дл,t-60)_k(x)_s(y),

де Д и Д показує сезонне зміщення аналога за довготою і широтою щодо поточного поля Р_t.

Кожне щоденне поле тиску Р_t можна представити за допомогою традиційного методу його аналога - поля тиску Р_а у вигляді розкладання у ряд за поліномами Чебишева:

Р_а = A₀₀ + A_{10 1}(x)₀(y) + A₀₁₀(x)₁(y) + … + A_{ks k}(x)_s(y).

Однак, відновлені за допомогою розкладань (8) і (9) поля Р_р і Р_а

Р_р ? Р_t і Р_а ? Р_t

мають невеликі відмінності щодо їх аналога - поточного поля Р_t. Різниця між Р_р і Р_t з'являється за рахунок перших членів розкладання (8), які зберігають сезонність великомасштабної циркуляції поля Р_р. Різниця між Р_а і Р_t з'являється за рахунок останніх членів розкладання (9), які характерні полю традиційного аналога. Тоді перетворене аналітичне представлення (8) за допомогою традиційного аналога для поля тиску Р_t матиме точніший вигляд:

Рt = A₀₀ (t) + A₁₀(t) ₁(x)₀(y) + A₀₁ (t)₀(x)₁(y) + A₁₁ (t)₀(x)₁(y)+

+A₂₁ (Дц,Дл,t-60)_k(x)_s(y)+…+A_ks (Дц,Дл,t-60)_k(x)_s(y) = P'+P",

де P' - перші члени розкладання (9),

P"- члени розкладання при к,s>1 з (8).

Для прикладу використання інформації традиційного і плаваючого аналогів у вигляді розкладання (10) наведено розрахунок поля приземного тиску на 6 січня 2008р. з урахуванням поля 7 листопада 2007р. (двохмісячної квазіперіодичності Р_р) і поля 5 січня 2001р. (традиційного аналога Р_а). Порівняння розрахункового поля з фактичним показує успішну аналогічність при =0.74 і =0.99.

У підрозділі 5.3. представлено розроблену розрахункову схему синоптико-статистичного методу прогнозу поля приземного тиску на території Атлантико-Європейського сектора на 60 подальших днів. Вона отримана в даній роботі для використання у прогностичній схемі довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ при складанні деталізованого прогнозу погоди з місячною завчасністю для території України.

Розрахунок прогнозу полів приземного тиску повітря на території Атлантико-Європейського сектора на 60 послідовних днів проводиться за формулою

Р_t (x_i,y_j)= P' (x_i,y_j,t)+P" (x_i+Дц,y_j+Дл,t-60) =

=A₀₀ (t) + A₁₀(t)₁(x)₀(y) + A₀₁ (t)₀(x)₁(y) + A₁₁ (t)₀(x)₁(y)+

+A₂₁ (Дц,Дл,t-60)_k(x)_s(y)+…+ A_ks (Дц,Дл,t-60)_k(x)_s(y).

де i=1,.,7 відповідає широті, j=1,2.,21 відповідає довготі,

t=1,2.,60 відповідає дню прогнозу,

A_ks при - коефіцієнти розкладання у ряд за поліномами Чебишева поля приземного тиску з року-аналогу для t-го прогнозованого дня,

A_ks при k,s>1 - коефіцієнти розкладання у ряд за поліномами Чебишева поля приземного тиску двохмісячної квазіперіодичності для t-го прогнозованого дня, _k(x),_s(y) - поліноми Чебишева,

Дц і Дл визначають сезонне зміщення двохмісячної квазіперіодичності атмосферних процесів.

Блок-схема (рис.4) показує алгоритм послідовності дій при розрахунку прогностичних полів приземного тиску.

У підрозділі 5.4 представлено оперативне використання нового методу прогнозу поля приземного тиску. Проведений аналіз оцінок прогнозів на незалежному періоді 2007-2008рр. показав успішність запропонованого синоптико-статистичного методу довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на послідовні 60 днів для території України.

Таким чином, у даному розділі отримано нову розрахункову схему довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на послідовні 60 днів. Розроблена розрахункова схема дозволила поліпшити успішність оперативного методу довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ. В отриманій новій розрахунковій схемі прогнозу вперше пропонується сумісне використання інформації традиційного і плаваючого методів аналогів синоптичних процесів.

Висновки

Отримано нову об'єктивну класифікацію синоптичних процесів на території Атлантико-Європейського сектора.

Визначено еталон синоптичних ситуацій на території Атлантико-Європейського сектора усередині кожного класу від місяця до місяця, від сезону до сезону протягом останнього десятиріччя.

Створено каталог еталонів синоптичних процесів кожного місяця останнього десятиріччя на території Атлантико-Європейського сектора.

Виявлено найбільш імовірні синоптичні процеси, які переважно формують сучасні погодні умови в цілому для Європи і безпосередньо в Україні в останні десятиріччя. Для цих процесів характерні аномально теплі і сухі умови літом і зимою.

Виявлено найменш імовірні синоптичні процеси, які формують різні стихійні і небезпечні метеорологічні явища, такі як, різкі короткочасні похолодання, сильні снігопади, зливові опади великої інтенсивності, сильний вітер і т.ін. в цілому для Європи і безпосередньо в Україні в останнє десятиріччя. Не дивлячись на короткочасність і рідкість цих процесів, вони завдають великого економічного і соціального збитку.

Показано, що чим більша кількість класів синоптичних процесів існує для окремого місяця, тим менш стійкі синоптичні процеси і погодні умови для нього.

Кількість класів синоптичних ситуацій окремих місяців налічується переважно близько трьох класів. Найменша кількість класів відмічається протягом усього зимового сезону, що вказує на відносно стійкі зимові погодні умови. Найбільша кількість класів синоптичних ситуацій відмічається у травні, коли протягом місяця на території України можуть виникати заморозки і високі температури повітря до 25⁰С із засухою.

Запропонований новий перспективний підхід до підбору року-аналогу, який не міняє фізичну суть традиційного методу аналогів.

Виявлено, що найбільш імовірний синоптичний процес

у зимовий сезон останнього десятиріччя формує стійкі погодні умови з температурою повітря вище за норму і переважно без опадів;

у весняний сезон призводить до нестійких погодних умов на території України;

у літній сезон створює розмите баричне поле з грозами і вітром на території України;

у осінній сезон створює в Україні підвищений температурний режим переважно без опадів.

Визначено кількість поліномів Чебишева, що дозволяють з малою похибкою відновлювати баричні поля у вузлах географічної сітки з кроком за широтою Дц=5⁰ і довготою Дл=5⁰ території Атлантико-Європейського сектора.

Отримано, що краще відновлене поле тиску описують поліноми Чебишева при (критерій геометричної подібності 0.65) у порівнянні з відновленим полем за непарними при k-s=2М-1 (критерій геометричної подібності 0.41) і за парними при k-s=2М (критерій геометричної подібності -0.57) поліномами.

Вперше показано можливість представлення поля приземного тиску за допомогою синтезу полів тиску плаваючого і традиційного методів аналогів. У роботі це поле тиску застосовується у вигляді розкладання у ряд за поліномами Чебишева на території Атлантико-Європейського сектора.

Вперше розроблено синоптико-статистичну розрахункову схему довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на послідовні 60 днів на основі об'єднання інформації отриманої за допомогою традиційного методу аналогів і методу плаваючого аналога синоптичних процесів.

Запропонована в даній роботі синоптико-статистична розрахункова схема прогнозу поля приземного тиску дозволила поліпшити метод довгострокового деталізованого прогнозу погоди УкрНДГМІ з двохмісячною завчасністю для території України.

Проведений аналіз оцінок прогнозів на незалежному періоді 2007-2008рр. показав успішність запропонованого синоптико-статистичного методу довгострокового прогнозу щоденних полів приземного тиску на послідовні 60 днів для території України.

Список опублікованих робіт

1. Мартазинова В.Ф. Аномальные атмосферные процессы над Украиной и их прогноз с месячной заблаговременностью / В.Ф. Мартазинова, Т.А. Сологуб, Е.К. Иванова, В.В. Мацак // Труды УкрНИГМИ. -1991. -Вып.239. -С.63-68 (здобувачу належить виконання поставлених завдань і спільний аналіз отриманих результатів).

2. Мартазинова В.Ф. Характерные черты циркуляции атмосферы в тропосфере при избытке и дефиците озона над территорией Украины / В.Ф. Мартазинова, Е.К. Иванова // Наук. праці УкрНДГМІ. -1998. -Вип.246. -С.28-34 (здобувачу належить виявлення еталонів синоптичних процесів у тропосфері при надлишку і дефіциті озону над територією України і спільний аналіз отриманих результатів).

3. Мартазинова В.Ф. Характер изменения среднесуточной температуры воздуха на территории Украины в последние десятилетия и физико-статистический метод его прогноза с длительной заблаговременностью / В.Ф. Мартазинова, Е.К. Иванова, В.В. Остапчук, В.М. Прохоренко // Наук. праці УкрНДГМІ. - 1999. - Вип.247. - С.36-48 (здобувачу належить виконання поставлених завдань і спільний аналіз отриманих результатів).

4. Буйков М.В. Синоптические процессы оттепелей последнего десятилетия (1988-1999) на территории Украины / М.В. Буйков, В.Ф.Мартазинова, Е.К. Иванова // Наук. праці УкрНДГМІ. -2000. -Вип.248. -С.48-56 (здобувачу належить виявлення синоптичних процесів відлиг 1988-1999рр. і спільний аналіз отриманих результатів).

5. Martazinova V.F. Long-range weather forecasting in the Ukraine January 2001 to December 2001 / V.F. Martazinova, E.K. Ivanova, T.A. Sologub // Long-range forecasting progress report for 2001. WMO/TD - 2002. -No.1150. -P.77-79 (здобувачу належить виконання поставлених завдань і спільний аналіз отриманих результатів).

6. Мартазінова В.Ф. Сучасний стан вітроенергетичних зон на території України у 1990-х роках / В.Ф. Мартазінова, О.К. Іванова, Т.А. Сологуб, // Наук. праці УкрНДГМІ. -2002. -Вип. 250. -С.19-33 (здобувачу належить виконання поставлених завдань і спільний аналіз отриманих результатів).

7. Мартазинова В.Ф. Изменение крупномасштабной циркуляции атмосферы на протяжении ХХ века и ее влияние на погодные условия и региональную циркуляцию воздуха в Украине / В.Ф. Мартазинова, Е.К. Иванова, Д.Ю. Чайка // Геофізичний журнал. -2006. -№1. -Т.28. -С.51-60 (здобувачу належить виявлення найбільш імовірних атмосферних процесів останнього десятиріччя і спільний аналіз отриманих результатів).

8. Мартазинова В.Ф. Изменение циркуляции атмосферы в Северном полушарии в течение периода глобального потепления в ХХ веке / В.Ф. Мартазинова, Е.К. Иванова, Д.Ю. Чайка // Укр. географічний журнал. -2007. -№3. -Т.28. -С.10-20 (здобувачу належить виявлення найбільш імовірних атмосферних процесів останнього десятиріччя і спільний аналіз отриманих результатів).

9. Іванова О.К. Еталони синоптичних процесів зимового сезону за 2000-2005 рр. на території Атлантико-Європейського сектора / О.К. Іванова // Наук. записки Вінницького держ. пед. у-ту ім. М. Коцюбинського. -Вінниця. -2008. -Серія Географія. -№ 15. - С. 32 - 38.

10. Мартазинова В.Ф. Синоптические процессы при оттепелях последнего десятилетия (1988-1999 рр.) на территории Украины / В.Ф.Мартазинова, Е.К. Иванова // Гідрометеорологія та охорона навколишнього середовища-2002: міжнар. наук.-техн. конф. 25-27 вер. 2002р.: тези допов. -Одеса, 2002.-С.52 (здобувачу належить виявлення синоптичних процесів відлиг 1988-1999рр. і спільний аналіз отриманих результатів).

11. Martazinova V. Outlook or the wind zones of the Ukraine territory / V. Martazinova, T. Sverdlik, T. Sologub, E.Ivanova, S. Kudrya, B. Tuchynsky //Th. 3^rd East European conference on wind engineering, 21-25 may 2002: proc. conf. -Kyiv. -2002. -Р.50-51 (здобувачу належить виконання поставлених завдань і спільний аналіз отриманих результатів).

12. Мартазинова В.Ф. Оценка изменения климатического режима в Украине к концу ХХ столетия / В.Ф. Мартазинова, Е.К. Иванова // Україна: географічні проблеми сталого розвитку: IX з'їзд Укр. географ. тов-ва 22-26 вер. 2004р.: тези допов. - Київ: вид-во географ. літ-ри “Обрії”, 2004. -Т.3. -С.142-144 (здобувачу належить виконання поставлених завдань і спільний аналіз отриманих результатів).

13. Мартазинова В.Ф. Оценка метода долгосрочного прогноза погоды УкрНИГМИ / В.Ф. Мартазинова, Е.К. Иванова // Україна: географічні проблеми сталого розвитку IX з'їзд Укр. географ. тов-ва 22-26 вер. 2004р.: тези допов. - Київ: вид-во географ. літ-ри “Обрії”, 2004. -Т.3. -С.304 (здобувачу належить розрахунки оцінок довгострокових прогнозів погоди і спільний аналіз отриманих результатів).

14. Іванова О.К. Використання аналогів великомасштабної атмосферної циркуляції в довгостроковому прогнозі погоди / О.К. Іванова // Оточуюче середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки: II міжнар. наук.-техн. конф. 26-28 вер. 2007р.: тези допов. -Одеса, 2007. -С.155.

Размещено на Allbest.ru