Синоптико-статистичний метод прогнозу різких змін температури повітря всередині місяця на території України в теплий період року

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 551.509.313

СИНОПТИКО-СТАТИСТИЧНИЙ МЕТОД ПРОГНОЗУ

РІЗКИХ ЗМІН ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ ВСЕРЕДИНІ МІСЯЦЯ

НА ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ У ТЕПЛИЙ ПЕРІОД РОКУ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія,

агрометеорологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

ОСТАПЧУК ВАЛЕНТИНА ВОЛОДИМИРІВНА

КИЇВ - 2002



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті Міністерства екології та природних ресурсів України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Мартазінова Вазіра Файзулівна, український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, зав. відділу кліматичних досліджень та довгострокового прогнозу погоди

Офіційні опоненти: Доктор географічних наук, професор Дмитренко Віталій Павлович, український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, зав. відділу агрометеорології.

Кандидат фізико-математичних наук Талерко Микола Миколайович, Науковий центр радіаційної медицини АМН України, зав. Лабораторії моделювання перенесення радіоактивності.

Провідна установа: Одеський державний екологічний університет Міністерства науки і освіти України

Захист відбудеться 22.01.2002 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03002 м. Київ - 22, вул. Васильківська, 90. Географічний ф-т.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка, м. Київ, вул. Васильківська, 90. Географічний ф-т.

Автореферат розісланий 12.12.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Гребень В.В.



АНОТАЦІЯ

Остапчук В.В. Синоптико-статистичний метод прогнозу різких змін температури повітря всередині місяця на території України в теплий період року. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2002. атмосферний прогноз потепління похолодання

Дисертацію присвячено вивченню циркуляційних умов формування різких змін температури повітря в Україні та розробці нового методу довгострокового прогнозу таких змін у теплий період року.

На основі дослідження характеру атмосферних процесів у тропосфері та стратосфері північної півкулі, що формують різкі зміни приземної температури в Україні, класифікації цих процесів з використанням нового підходу (полів-еталонів) та узагальнення традиційного поняття аналогічності і двомісячної квазіперіодичності атмосферних процесів у північній півкулі розроблено новий метод деталізованого довгострокового прогнозу різких потеплінь та похолодань в Україні у теплий період року з місячною та двомісячною завчасністю.

Ключові слова: різкі зміни температури, циркуляція атмосфери, еталонні баричні поля, аналогічні синоптичні процеси, довгостроковий деталізований прогноз.



АННОТАЦИЯ

Остапчук В.В. Синоптико-статистический метод прогноза резких изменений температуры воздуха внутри месяца на территории Украины в теплый период года. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандадата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2002.

Диссертация посвящена изучению циркуляционных условий формирования резких изменений температуры воздуха в Украине и разработке нового метода долгосрочного прогноза таких изменений в теплый период года.

В работе впервые получено отличие процессов в тропосфере и стратосфере, которые обусловливают резкое потепление и резкое похолодание в Украине в теплый период года. Оно состоит в формировании теплого процесса от поверхности земли, а холодного - с нижней стратосферы и обусловлено вертикальным распределением температуры воздуха в тропосфере и стратосфере и характером барического поля северного полушария. Обоснована информативность барических полей нижней стратосферы для распознавания похолодания в Украине.

В работе впервые получены и проанализированы вероятности положения барических гребней в северном полушарии и получено наиболее вероятное и экстремальное положение барического гребня, формирующее соответственно продолжительное и кратковременное изменение температуры в Украине, а также определены их сезонные особенности.

Впервые получена классификация атмосферных процессов в тропосфере и нижней стратосфере северного полушария относительно характера изменения приземной температуры воздуха в Украине и получены эталоны атмосферных процессов на уровнях стандартных изобарических поверхностей, которые формируют волны тепла и холода различной продолжительности на территории нашей страны в каждом месяце теплого периода.

Исследована случайность аналогичных процессов при потеплении и похолодании в Украине и усовершенствован подход к подбору аналогов путем введения обязательного тестирования их на аналогичность предыстории.

На основе обобщения традиционного понятия аналогичности и двухмесячной квазипериодичности атмосферных процессов в северном полушарии разработан новый метод и предложена технология детализированного долгосрочного прогноза резких изменений температуры воздуха в Украине в теплый период года на два последующих месяца. Схема прогноза усовершенствована за счет использования архива синоптических ситуаций, которые принимали участие в выявлении эталонов, и архива синоптических ситуаций двухмесячной квазипериодичности к ним.

Ключевые слова: резкие изменения температуры, циркуляция атмосферы, эталонные барические поля, аналогичные синоптические процессы, долгосрочный детализированный прогноз.



ANNOTATION

Ostapchuk V. Sinoptik-statistical a method of the forecast of sharp changes of temperature of air inside one month in territory of Ukraine in the warm period of year. - Manuscript.

The dissertation submitted for a Doctor of philosophy in Geographical Science, specialized field 11.00.09 - Meteorology, climatology, agrometeorology. - Kiev National University, Kiev, 2002.

The dissertation is devoted to studying of circulating conditions of formation of sharp changes of temperature of air in Ukraine and development of a new method of the long-term forecast of such changes in the warm period of year.

On the basis of research of character of atmospheric processes in troposphere and a stratosphere of northern hemisphere which form sharp changes of ground temperature in Ukraine, classifications of these processes with use of the new approach (fields - ethalon) and generalizations of traditional analog concept and two-monthly quasi-periodicity of atmospheric processes in northern hemisphere the new method of the detailed long-term forecast of sharp warming and cold snaps in Ukraine in the warm period of year with monthly and two-monthly period is developed.

Key words: sharp changes of temperature, atmosphere circulation, pressure patterns ethalon, analog synoptic processes, the long-term detailed forecast.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Дисертаційна робота присвячена вирішенню однієї з найскладніших задач не тільки метеорології, але і наукової думки взагалі -довгостроковому прогнозу погоди (ДПП). Не зважаючи на те, що над цією проблемою активно працюють вчені та спеціалісти багатьох країн, невисока справджуваність ДПП не дозволяє говорити про її вирішення.

Довгострокове прогнозування погоди та її різких змін ускладнюється обмеженістю передбачуваності атмосферних процесів порядка двох тижнів для чисельних методів, тому розробка надійного методу довгострокового прогнозу різких змін температури повітря в Україні із завчасністю поза межею передбачуваності є важливим і актуальним фундаментальним науковим завданням.

Аналіз особливостей циркуляції у тропосфері та стратосфері північної півкулі, що формують різкі потепління та похолодання в Україні, за допомогою фізико-статистичного методу дозволить зрозуміти природу цих процесів, їх відмінності, зумовлені взаємодією тропосфери і стратосфери, та використовувати отримані вказівки у прогностичній практиці.

Водночас, отримання надійного методу довгострокового прогнозу різких змін температури, на фоні яких формуються інші небезпечні та стихійні атмосферні явища, і повторюваність яких в останні десятиріччя зросла, дозволить покращити успішність прогнозу того або іншого небезпечного явища погоди, що, у свою чергу, розширює актуальність поставленої задачі. Надійний прогноз хвиль тепла і холоду з великою завчасністю дасть можливість оптимізувати роботу багатьох галузей економіки, перш за все сільського господарства, що дасть суттєвий практичний результат.

Таким чином, актуальність даної роботи зумовлена фундаментальністю та практичною значущістю розв'язуваних у ній задач.

Робота проводилася відповідно до галузевих планів науково-дослідних робіт Державного комітету України з гідрометеорології:

НДР (ДКР) з теми 1.1.1. "Удосконалити метод деталізованого прогнозу погоди (температури, опадів) на місяць з місячною завчасністю для території України" (1996 р.);

НДР (ДКР) з теми 1.1.2. "Складання оперативних довгострокових прогнозів температури та опадів на три наступні місяці з деталізацією погодних умов у першому прогностичному місяці" (1997 р.);

НДР (ДКР) з теми 1.1.2. "Складання експериментальних наукових довгострокових прогнозів температури та опадів на три наступні місяці з деталізацією погодних умов у першому прогностичному місяці" (1998 р.);

НДР (ДКР) з теми 1.2.3. "Адаптація і випробування робочого місця синоптика для оперативного складання деталізованого прогнозу погоди на місяць. Складання наукових щомісячних прогнозів температури та опадів для території України" (2000 р.);

040201 "Удосконалення та розробка коротко-, середньо- та довгострокового прогнозу погоди для території України на основі фізико-статистичних та чисельних методів" (2001-2002 рр.).

Мета і задачі дослідження. На основі дослідження характеру великомасштабної циркуляції повітря у тропосфері та стратосфері північної півкулі виявити особливості циркуляції за формування різких змін приземної температури в Україні та отримати фізико-статистичну класифікацію цих процесів. За допомогою використання та узагальнення традиційного поняття аналогічності і двомісячної квазіперіодичності атмосферних процесів у північній півкулі розробити метод деталізованого довгострокового прогнозу різких потеплінь та похолодань в Україні у теплий період року на два наступні місяці.

Для досягнення цієї мети були сформульовані такі основні наукові задачі:

Дослідити стійкість полів температури на території України.

На основі дослідження характеру великомасштабної циркуляції повітря у тропосфері та стратосфері північної півкулі виявити особливості формування хвиль тепла і холоду в Україні та характер взаємодії процесів у тропосфері та стратосфері за формування різких змін температури повітря у приземному шарі.

Отримати класифікацію великомасштабної циркуляції повітря у тропосфері та стратосфері залежно від характеру різкої зміни температури повітря в Україні.

Побудувати фізико-статистичні еталони атмосферних процесів у тропосфері і стратосфері, що формують хвилі тепла і холоду різної тривалості на території України, та виявити їх головні відмінності і сезонні особливості.

Розробити метод деталізованого довгострокового прогнозу різких потеплінь та похолодань в Україні у теплий період року на два наступні місяці.

Наукова новизна одержаних результатів.

У роботі вперше отримано відмінність процесів у тропосфері і стратосфері, що зумовлюють різке потепління та різке похолодання в Україні у теплий період року. Вона полягає у формуванні теплого процесу від поверхні землі, а холодного - з нижньої стратосфери і зумовлена вертикальним розподілом температури повітря у тропосфері і стратосфері та характером баричного поля північної півкулі. Обгрунтована інформативність баричних полів нижньої стратосфери для розпізнавання похолодання в Україні.

Вперше розраховано та проаналізовано ймовірності положення баричних гребенів у північній півкулі та отримано найімовірніше та екстремальне положення баричного гребеня, що формує відповідно тривалі та короткочасні зміни температури в Україні, а також виявлено їх сезонні особливості.

Вперше розкласифіковано атмосферні процеси у тропосфері і нижній стратосфері північної півкулі відповідно до характеру зміни приземної температури повітря в Україні та отримано еталони атмосферних процесів на рівнях стандартних ізобаричних поверхонь, що формують хвилі тепла і холоду різної тривалості на території нашої країни у кожному місяці теплого періоду.

Вперше досліджено випадковість аналогічних процесів за потепління і похолодання в Україні та удосконалено підхід до підбору аналогів шляхом введення обов'язкового тестування їх на аналогічність передісторії.

На основі узагальнення традиційного поняття аналогічності та двомісячної квазіперіодичності атмосферних процесів у північній півкулі розроблено новий метод та запропоновано технологію деталізованого довгострокового прогнозу різких змін температури повітря в Україні у теплий період року на два наступні місяці. Схему прогнозу удосконалено за рахунок використання архіву синоптичних ситуацій, що приймали участь у виявленні еталонів, та архіву синоптичних ситуацій двомісячної квазіперіодичності до них.

Обгрунтованість і достовірність одержаних результатів забезпечується використанням стандартних однорідних архівів метеорологічних полів на стандартних рівнях атмосфери, поданих у вузлах регулярної географічної сітки північної півкулі за 1965-2000 рр. Дослідження метеорологічних полів проводилося за допомогою методів математичної статистики, однорідних ланцюгів Маркова, теорії імовірності, розпізнавання образів. Перевірка ефективності розробленого методу довгострокового деталізованого прогнозу різких змін температури повітря для території України у теплий період року на два наступні місяці проводилася на незалежному матеріалі.

Практичне значення отриманих результатів

Вперше отримано, що формування теплого процесу відбувається від поверхні землі, а холодного - з нижньої стратосфери, що зумовлено вертикальним розподілом температури повітря у тропосфері і стратосфері та характером баричного поля північної півкулі.

Отримано класифікацію атмосферних процесів у тропосфері і нижній стратосфері північної півкулі відповідно до характеру зміни приземної температури повітря в Україні.

Отримано фізико-статистичні еталони атмосферних процесів на рівнях стандартних ізобаричних поверхонь тропосфери і стратосфери, що формують хвилі тепла і холоду різної тривалості на території України у кожному місяці теплого періоду.

Удосконалено підхід до підбору аналогів шляхом уведення обов'язкового тестування їх на аналогічність передісторії.

Розроблено новий метод деталізованого довгострокового прогнозу різких змін температури повітря в Україні у теплий період року на два наступні місяці.

Використання запропонованого методу деталізованого довгострокового прогнозу хвиль тепла і холоду в Україні у теплий період року на два наступні місяці покращить оперативне обслуговування Гідрометслужби України.

Особистий внесок здобувача. Постановка наукового завдання дослідження зроблена здобувачем спільно з науковим керівником. Самостійно здобувачем виконано такі наукові задачі і одержано результати:

Розраховано коефіцієнти автокореляції декадних полів температури повітря на території України та на їх основі досліджено стійкість цих полів у часі і просторі.

Досліджено залежність теплового стану діяльного шару Атлантичного океану і характеру зміни температури на території України.

Створено вибірки синоптичних ситуацій відповідно до двох (різкого потепління та похолодання) та чотирьох (короткочасного потепління та похолодання і тривалого потепління та похолодання) класів зміни температури в Україні.

Створено вибірки синоптичних ситуацій двомісячної квазіперіодичності на основі чотирьох класів зміни температури в Україні (короткочасного потепління та похолодання і тривалого потепління та похолодання).

Розраховано імовірності положення баричних гребенів та улоговин у тропосфері і стратосфері північної півкулі за різких змін температури повітря біля поверхні землі на території України для кожного місяця теплого періоду та досліджено їх сезонний характер, а також залежність тривалості хвиль тепла і холоду від характеру баричних утворень.

Проаналізовано особливості перетворення баричних полів, що зумовлюють різкі зміни приземної температури в Україні, на вищих рівнях стратосфери.

Виявлено та проаналізовано найімовірніші еталонні поля баричних утворень на рівнях поверхні землі, 500, 300 і 100 гПа, що формують на території України різкі зміни температури повітря у кожному місяці теплого періоду.

Виявлено додаткові еталонні поля баричних утворень на рівнях поверхні землі та 500 гПа у кожному місяці, що формують на території України різкі зміни температури повітря різної тривалості, та визначено їх відмінні риси.

Розраховано коефіцієнти аналогічності синоптичних ситуацій при потеплінні і похолоданні в Україні та досліджено природу випадкових аналогів та аналогів, в основі яких лежить періодичність атмосферних процесів.

За методичного сприяння наукового керівника розроблено синоптико-статистичний метод довгострокового прогнозу різких змін температури повітря в Україні у теплий період року на два наступні місяці.

Створено робочу схему і розроблено технологію деталізованого довгострокового прогнозу хвиль тепла і холоду на території України у теплий період року із завчасністю до двох місяців.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи представлені на: ХІV Міжнародній Конференції з метеорології Карпат (Софія, 1989р.), ХVІІІ Конференції молодих учених та спеціалістів ГМЦ СРСР (Москва, 1990р.), звітній сесії УкрНДПТІ “Агроресурси” (Київ, 1991р.), наукових конференціях НДПУ ім.М.Гоголя (Ніжин, 1999р.,2000р.,2001р.,2002р.), звітній сесії Секції метеорології УкрНДГМІ (Київ, 2001р.), у тезах Наукової Конференції з результатів досліджень в області гідрометеорології і моніторинга забруднення природного середовища у державах-учасниках СНД (Санкт-Петербург, 2002р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища-2002” (Одеса, 2002р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 4 наукових статтях (у рекомендованих ВАК України виданнях), збірнику доповідей 1 конференції і тезах 2 доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 192 сторінках машинописного тексту, містить 74 рисунки і 2 таблиці, складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (216 найменувань).

ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі поданo сучасний стан проблеми довгострокового прогнозу погоди (ДПП) і, насамперед, температури повітря, у світі. Аналіз наукових досліджень з даної проблеми проведено відповідно до трьох напрямків, що історично склалися: синоптичного, статистичного та гідродинамічного. Слід зазначити, що ці напрямки досліджень дедалі тісніше переплітаються, і нові методи ДПП все частіше виникають на їх межі.

З приведеного огляду видно, що історія наукових прогнозів відносно коротка. До перших спроб слід віднести складання місячних прогнозів температури у ГМЦ СРСР під керівництвом Б.П.Мультановського (1922 р.), у Німеччині (Бауер, 1932 р.), США (Немайес, 1942 р.). Пізніше, через недостатню успішність, такі прогнози довго не складалися. В останнє десятиріччя до ДПП звернулися вчені багатьох країн: Великобританії, США, Німеччини, Японії, Нідерландів, Росії - проте, і зараз ця проблема залишається однією з найскладніших у метеорології і насьогодні не вирішена. Саме тому кожен крок у напрямку підвищення успішності ДПП є актуальним і практично важливим.

У другому розділі зроблена спроба проаналізувати перетворення місячних і декадних полів температури повітря в Україні з метою виявлення статистичних прогностичних залежностей для розробки методу довгострокового прогнозу хвиль тепла і холоду.

Аналіз перетворення вихідних місячних полів температури в Україні найбільшої імовірності та наступних імовірностей проводився за допомогою простих ланцюгів Маркова, де перехідна імовірність стану x (i) у стан x (j) є

Pij = P { x (n+1) = x (j) / x (n) = x (i) } , i,j =1,2,... (1)

Крім перехідних імовірностей задавався початковий розподіл імовірностей:

Pi0 = P { x (0) = x (i) } , i =1,2,... (2)

де ?(0) - вихідний стан поля температури, що визначався градацією аномалії місячної температури в Україні (через 30 С від нуля) у кожній з 25 областей за період 1948-1998 рр. Проведений аналіз виявив стійкість цих полів для окремих місяців, таких як, наприклад, найбільш імовірне поле липня, яке є стійким протягом 6 місяців. Проте, ця закономірність не є загальною для всіх місяців.

Декадні поля температури в Україні досліджувалися за допомогою осередненої за 25 областями автокореляційної функції :

(t)=, i = 1,2, …,25 , (3)

де ri(t) - автокореляційна функція і-ї області кроком за часом ?t=1 декада, N- 25 областей України, а також просторової функції Q(t) (4), яка враховує n(t) - кількість областей з r(t)?0,5 і вказує на стійкість вихідного поля температури на території України:

Q(t)= (4)

Проте, у результаті цього дослідження також не вдалося виявити загальні прогностичні закономірності, хоча стійкість окремих декадних полів, насамперед літніх місяців, доцільно використовувати під час складання прогнозів температури повітря в Україні.

Також у даному розділі зроблено спробу використати тепловий стан діяльного шару Атлантичного океану для прогнозу змін температури повітря в Україні. Виявлено, що за різкого потепління в Україні діяльний шар води Північної Атлантики має від'ємну аномалію температури, а за похолодання - позитивну, однак, ця залежність пояснюється особливостями циркуляції атмосфери північної півкулі.

Отже, виявлені у даному розділі окремі статистичні залежності не дозволили побудувати на їх основі надійний метод прогнозу температури повітря в Україні, що спонукало звернутися у наступних розділах роботи до аналізу великомасштабної циркуляції повітря у тропосфері і стратосфері, що формує хвилі тепла і холоду в Україні.

У третьому розділі досліджено особливості великомасштабної циркуляції у тропосфері і стратосфері північної півкулі, що формують різкі потепління та похолодання в Україні. Різким у даній роботі вважається зниження або підвищення середньої добової приземної температури повітря на 6оС і більше впродовж 1-2 діб на не менше 80% території України.

З цією метою всі баричні поля в архіві Х (значення геопотенціалу на рівнях 500, 300 і 100 гПа північної півкулі за 1965-2000 рр.) були подані у вигляді вектора Хj :

X j = {xi}j = (x1,x2, … ,xN)j, де j = 1,2,…,K, i= 1,2,…,N , (5)

N - кількість вузлів географічної сітки північної півкулі з кроком по широті ?ц=50, по довготі ?л=100, К - кількість полів у архіві Х. Архів баричних полів Х був розділений на три класи:

Y1 = ( X11, X12, … , X1m1)

Y2 = ( X21, X22, … , X2m2) (6)

Y3 = ( X31, X32, … , X3m3) ,

де Y1 - баричні поля за потепління в Україні, Y2 - за похолодання, Y3 - інші поля.

У результаті відхилення полів від середнього значення кожного поля був отриманий архів аномалій баричних полів:

?Y1 = (?X11, …, ?X1p, … , ?X1m1)

?Y2 = (?X21, …, ?X2p, … , ?X2m2) (7)

?Y3 = (?X31, …, ?X3p, … , ?X3m3)



Архів аномалій дав змогу виявити просторовий розподіл баричних гребенів та улоговин у північній півкулі та їх імовірність залежно від класу зміни температури в Україні.

У результаті було отримано важливий висновок: за різкого потепління в Україні відмічається область високого тиску над південною частиною Європи, якій на середньому рівні тропосфери відповідає теплий висотний гребінь. Останній виражений і на нижньому рівні стратосфери, але є більш згладженим. За похолодання в Україні, на відміну від попереднього випадку, на середньому рівні тропосфери місце теплого гребеня займає холодна висотна улоговини, яка з висотою посилюється, тобто на нижньому рівні стратосфери виражена яскравіше.

Такий розподіл баричних гребенів та улоговин з висотою вказує на те, що потепління в Україні пов'язане з формуванням атмосферного процесу від поверхні землі, а похолодання пов'язане з формуванням атмосферного процесу з вищих рівнів атмосфери.

Пояснити зроблені висновки дозволяє аналіз вертикального розподілу температури повітря на земній кулі. Потепління в Україні відбувається за рахунок посилення у приземному шарі атмосфери області тепла від екватора і поширення її у вигляді гребенів у вищі широти і у вищі шари атмосфери. Похолодання визначається посиленням області холоду в нижній стратосфері і опусканням на нижчі рівні і у нижчі широти. При цьому посилюється циклонічна діяльність у тропосфері у полярних широтах, яка сприяє тиловим вторгненням холодного повітря, зокрема на територію України.

Отримані результати викликали необхідність дослідження особливостей атмосферної циркуляції на вищих рівнях атмосфери. Для цього було розглянуто

положення баричних утворень на рівнях 100, 50, 30 і 10 гПа залежно від потепління чи похолодання в Україні.

Складність аналізу пов'язана з тим, що у середній стратосфері кожної півкулі впродовж року існує самостійна, незалежна циркуляція, яка визначається влітку пануванням антициклонічного циркумполярного вихору (ЦПВ), взимку - циклонічного ЦПВ та їх перебудовою у перехідні сезони. Висотна улоговина, що визначала похолодання в Україні, відзначається на рівнях 100 і 50 гПа у всі місяці теплого періоду, а на рівні 30 гПа - лише у перехідні сезони. У літні місяці на рівні 30 гПа уже панує літній антициклонічний ЦПВ. На рівні 10 гПа існує самостійна, не залежна від характеру процесів у тропосфері, циркуляція повітря. За потепління в Україні теплий висотний гребінь проглядається на рівні 100 гПа, але вже на рівні 50 гПа йому відповідає область високого тиску циркумполярного вихору. Отже, за потепління висотний гребінь розвивається лише до рівня 100 гПа, у той час як за похолодання висотний циклон відзначається до рівня 30 гПа.

Отримані у даному розділі суттєві відмінності циркуляції у тропосфері і стратосфері за потепління і за похолодання в Україні дають можливість за характером баричних утворень у стратосфері за 2-3 дні прогнозувати похолодання у нашій країні.

Імовірності положення баричних гребенів та улоговин у тропосфері і нижній стратосфері є загальними, але не достатніми для використання у довгостроковому прогнозі змін температури повітря в Україні.

У четвертому розділі з метою розробки нового методу прогнозу у кожному класі баричних полів від поверхні землі до рівня 100 гПа для кожного місяця теплого періоду виявлені поля-еталони, тобто найінформативніші поля для певного класу, рівня і місяця.

Позначимо клас баричних полів Х?, де кожний рядок відповідає певному полю даної вибірки за характером температури повітря в Україні:

Х' = (8)

До кожного класу полів за кожен місяць додамо середнє поле к+1:

(9)

У результаті отримуємо вектор-стовпчик Х?ґ :

Х''= (10)

За допомогою мінімального осередненого квадрату відстані між баричними полями sі :

, (11)

де (12)

у кожному векторі Х?ґ ?иявлено найінформативніше поле вибірки для кожного місяця теплого періоду і кожної висоти (земної поверхні та рівнів 500, 300 і 100 гПа) за потепління і за похолодання в Україні.

Аналіз полів-еталонів показав, що похолодання в Україні найчастіше зумовлене вторгненням області високого тиску холодного повітря з півночі і північного заходу. На середньому рівні тропосфери їй відповідає висотна улоговина, яка розширюється і поглиблюється з висотою до рівня 100 гПа.

За потепління відзначається широка область високого тиску, що утворилася за рахунок об'єднання теплих виступів субтропічних антициклонів: з південного заходу і півдня. На висоті 500 гПа їй відповідає висотний гребінь, який з висотою до рівня 100 гПа послаблюється.

Проте, як показало дослідження, кожна вибірка полів за характером температури в Україні крім основного, найінформативнішого, еталона має другий еталон, який зустрічається рідше. Ці два еталони у кожному класі відповідають двом видам потепління і похолодання: короткочасному і тривалому.

Наприклад, найінформативніший еталон холодного процесу у літні місяці відповідає короткочасному похолоданню, на відміну від якого тривале похолодання зумовлене вторгненням холодної області високого тиску з північного сходу. Найінформативніший талон теплого процесу влітку відповідає тривалому потеплінню, на відміну від якого короткочасне потепління зумовлене розвитком лише південного субтропічного гребеня.

Виявлені еталони баричних полів для похолодання і потепління в Україні підтвердили на усіх висотах результати, отримані у попередньому розділі, і дозволили одержати детальніше положення баричних гребенів і улоговин над північною півкулею, а також визначити сезонні відмінні риси еталонних процесів у тропосфері і стратосфері.

Різке потепління на території України улітку визначається впливом південно-західного виступу азорського максимуму, навесні до нього додається південний виступ субтропічного антициклону, створюючи спільну смугу високого тиску над півднем Європи. Восени вплив азорського максимуму послаблюється, і Україна найімовірніше виявляється під впливом теплого баричного гребеня, спрямованого з південного сходу. На середньому рівні тропосфери цим виступам відповідають теплі висотні гребені. Положення висотних гребенів і улоговин на нижньому і середньому рівнях стратосфери збігається з положенням висотних баричних утворень на середньому рівні тропосфери, що вказує на стійкість процесів циркуляції.

У п'ятому розділі, заключному, наводиться отриманий метод деталізованого прогнозу хвиль тепла і холоду в Україні у теплий період року на два наступні місяці.

В основі методу лежить узагальнення традиційного поняття аналогічності і двомісячної квазіперіодичності атмосферних процесів у північній півкулі. Схема, наведена на рис.3, показує відмінність двомісячної квазіперіодичності атмосферних процесів (б) і випадкового аналога (а):

Використання випадкового аналога в оперативній практиці призводить до негативного результату. Щоб виключити випадковість аналога, було проведене дослідження, що висунуло нову вимогу: всі аналогічні процеси повинні проходити тестування на аналогічність їх передісторії.

У першому випадку протягом трьох днів існує аналогічність атмосферних процесів на більше 70% території Атлантико-Європейського сектору і висока аналогічність зберігається надалі. Ці аналоги не були випадковими і відповідали різкому потеплінню в Україні. У другому випадку передісторія двох процесів має низькі значення коефіцієнта аналогічності с, хоча на 4-6 день вони стають високими. Проте, надалі процеси розходяться як випадкові, оскільки відповідають потеплінню і похолоданню в Україні. Використання вищевказаної вимоги дозволяє покращити якість прогнозу за традиційним методом аналогів.

Запропонована схема прогнозу складається з двох етапів.

Перший етап складається з розпізнавання щоденних полів останніх двох місяців за синоптичними ситуаціями двомісячної квазіперіодичності виявлених у четвертому розділі еталонів. При високій аналогічності баричному полю через два місяці присвоюється поле-еталон. На виході цього етапу виявляються дні, коли всередині двох прогностичних місяців слід очікувати потепління та похолодання, і їх тривалість.

На другому етапі розпізнані щоденні поля двох останніх місяців пропускаються через фільтр з архівом синоптичних ситуацій двомісячної квазіперіодичності для відбору найкращої подібності з однією з ситуацій архіву. Відібраному полю присвоюється синоптичний процес ситуації з архіву в момент часу через два місяці. В результаті прогнозується регіон, у якому очікується потепління або похолодання.



ВИСНОВКИ

1. Аналіз статистичних досліджень місячних полів температури повітря, декадних температур повітря на території України, а також зв'язків теплового стану Атлантичного океану і характеру зміни температури на території України показав, що не удалося виявити загальних прогностичних закономірностей. Проте, для окремих місяців теплого періоду існують прогностичні зв'язки, що визначаються стійкістю окремих місячних і декадних полів температури повітря і можуть враховуватися при складанні довгострокового прогнозу температури.

2. Статистичний аналіз баричних утворень у тропосфері і стратосфері за різких змін температури повітря біля поверхні землі на території України показав, що найімовірніше положення висотного гребеня на середньому рівні тропосфери переважно визначає тривале підвищення або зниження температури повітря на території України, у той час як найменше ймовірне його положення призводить до різкої нестійкості температури. При цьому було виявлено:

У випадку різкого потепління в Україні теплий висотний гребінь на нижньому рівні стратосфери стає пологішим і менше вираженим, ніж на нижньому рівні тропосфери. Це вказує на формування даного процесу від поверхні землі. Активність теплого висотного гребеня до літнього сезону помітно посилюється на всіх рівнях тропосфери і поширюється у стратосфері до рівня 100 гПа.

За різкого похолодання атмосферні процеси мають добру узгодженість у тропосфері і нижньому шарі стратосфери. При цьому меридіональність циркуляції атмосфери починає формуватися і посилюватися раніше у стратосфері, ніж у тропосфері. Початкове формування холодного процесу в нижньому шарі стратосфери дозволяє завчасно розпізнавати похолодання біля поверхні землі і, зокрема, над територією України.

3. Різке потепління в Україні обумовлене поширенням на її територію субтропічного гребеня, що утворюється при посиленні області тепла в нижньому шарі атмосфери від екватора, і підняттям його у вищі шари атмосфери, що і пояснює пологіший і менше виражений теплий висотний гребінь на нижньому рівні стратосфери, ніж на середньому рівні тропосфери.

4. Різке похолодання в Україні формується у результаті послаблення екваторіально-тропічної області тепла й опускання у північних широтах із стратосфери в нижчі шари атмосфери холодного повітря, що проникає на територію України в тилу циклонів.

5. Синоптичні процеси, що формують хвилі тепла і холоду в Україні, зазнають подальшого перетворення з висотою на вищих рівнях стратосфери, де спостерігається самостійна сезонна циркуляція, яка позначається від місяця до місяця в такий спосіб:

· За різкого похолодання в Україні висотна улоговина над Східною Європою у всі місяці теплого періоду добре простежується на рівні поверхні 100 гПа; на рівні 50 гПа улітку вона практично вироджується, а в перехідні місяці їй відповідає висотний циклон, що є відгуком взаємодії зимового циклонічного стратосферного ЦПВ із тропосферним полярним циклоном.

· Теплий висотний гребінь, що формує потепління в Україні, улітку виражений до рівня 50 гПа, де йому відповідає гребінь стратосферного антициклонічного вихору. У перехідні місяці над теплим гребенем тропосфери відбувається сезонна перебудова циркумполярного вихору в стратосфері, яка є настільки істотною, що не дозволяє визначити зв'язок із тропосферою.

6. Для класифікації атмосферних процесів за похолодань і потеплінь в Україні використовувався новий підхід, в основі якого лежить використання полів-еталонів, тобто атмосферних процесів, що мають найбільшу подібність за критеріями аналогічності з ансамблем атмосферних процесів у даній множині. У результаті були виявлені найінформативніші поля баричних утворень на рівнях поверхні землі, 500 ,300 і 100 гПа, що формують різкі зміни температури повітря на території України біля поверхні землі.

7. Класифікація атмосферних процесів за похолодання і потепління в Україні за допомогою полів-еталонів дозволила виділити чотири класи різкої зміни температури повітря на території України - короткочасне і тривале потепління, короткочасне і тривале похолодання. Синоптичні процеси тривалої і короткочасної зміни температури повітря відрізняються переміщенням областей високого тиску на територію України:

· За тривалого похолодання для всіх місяців (із невеликими сезонними відхиленнями) відзначається вторгнення області високого тиску холодного повітря з північного сходу, при короткочасному похолоданні відзначається вторгнення області високого тиску холодного повітря з північного заходу в тилу циклона. Два види похолодань об'єднують супровідні процеси, що відносяться до небезпечних і стихійних атмосферних явищ.

· За тривалого потепління для всіх місяців (із невеликими сезонними відхиленнями) відзначається вторгнення області високого тиску теплого повітря з південного заходу, при короткочасному потеплінні відзначається вторгнення південної області високого тиску субтропічного походження.

· Отримані еталони синоптичних процесів за потепління і похолодання на території України мають самостійну прогностичну інформацію, важливу при складанні прогнозу температури на терміни від 1-3 днів до декількох тижнів.

8. Баричні поля до середини періоду похолодання і потепління практично не розпізнаються і мають високі значення коефіцієнтів аналогічності; тому використання їх при прогнозі може призвести до негативних результатів. Щоб уникнути помилки в прогнозі, всім аналогічним синоптичним процесам необхідно проходити тестування на аналогічність їхньої передісторії в межах 3-5 днів.

9. У результаті узагальнення традиційного поняття аналогічності і двомісячної квазіперіодичності атмосферних процесів у північній півкулі створено новий метод, розроблено робочу схему і технологію деталізованого довгострокового прогнозу хвиль тепла і холоду на території України в теплий період року з місячною і двомісячною завчасністю.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Мартазинова В.Ф., Иванова Е.К., Сологуб Т.А., Мацак В.В. Аномальные атмосферные процессы над Карпатами и их прогноз с месячной заблаговременностью. // Докл. 14 Международной конференции по метеорологии Карпат. - 1989. -София. -C. 204-209.

2. Мартазинова В.Ф., Сологуб Т.А., Иванова Е.К., Мацак В.В. Аномальные атмосферные процессы над Украиной и их прогноз с месячной заблаговременностью. // Тр. УкрНИГМИ.- 1991.- Вып. 239. - С.63-68.

3. Мацак В.В. Синоптико-статистический метод прогноза крупных аномалий температуры воздуха внутри месяца на территории Украины в теплый период года. // Тр. ГМЦ СССР. - 1992. - Вып. 317. -С.149-154.

4. Мартазинова В.Ф., Остапчук В.В., Иванова Е.К, Прохоренко В.М. Характер изменения среднесуточной температуры воздуха на территории Украины в последние десятилетия и физико-статистический метод его прогнозирования с длительной заблаговременностью.// Тр. УкрНИГМИ. - 1999. - Вып.247. - С.36-48.

5. Мартазинова В.Ф., Остапчук В.В. Особенности тропосферных и стратосферных атмосферных процессов при резких потеплениях и похолоданиях на территории Украины в теплый период года. // Тр. УкрНИГМИ. - 2001. - Вып.249. - С.24-34.

6. Мартазинова В.Ф., Остапчук В.В. Особенности тропосферных и стратосферных атмосферных процессов при резких потеплениях и похолоданиях на территории Украины в теплый период года. // Тезисы доклада Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах - участниках СНГ, посвященной 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии. - 2002. - Санкт-Петербург. - С.55-57.

7. Мартазинова В.Ф., Остапчук В.В. Особенности тропосферных и стратосферных атмосферных процессов при резких потеплениях и похолоданиях на территории Украины в теплый период года. // Тези доповіді Міжнародної конференції “Гідрометеорології і охорона навколишнього середовища - 2002”. -2002. - Одеса. - С.60-61.

Размещено на Allbest.ru

...