Введение
Глава 1. Режимы атмосферной циркуляции: моделирование и прогнозирование 16
1.1. Общая циркуляция атмосферы как основной объект долгосрочного метеорологического про ноза 17
1.2. Спектральные определения циркуляционных режимов 23
1.3. TТTLE1 Теории низкочастотной изменчивости атмосферы и дальние связи TТTLE1 26
1.4. Нелинейное взаимодействие масштабов и понятие погодного режима 32
1.5. Макросиноптическое положение и макросиноптический процесс 52
1.6. TТTLE2 Предсказуемость и прогнозирование режимов циркуляции на внутрисезонных интервалах TТTLE2 59
1.7. Предел предсказуемости и использование ансамблей иро нозов 74
Глава 2. Методы обработки наблюдений и результатов моделирования 78
2.1. Мно окомпонентные ряды наблюдений, метеоролої ические объекты и их статистические характеристики 78
2.2. Многокритериальные показатели аналогичное и мееообтектов 86
2.3. Чувствигельность показателей аналогичности к преобразованиям данных 93
2.4. Эквивалентность показателей аналогичности 99
2.5. Малые и неравномерные выборки 104
2.6. Непараметрические оценки сходетва выборок 114
2.7. Спектры коротких временных рядов 118
2.8. Фильтрация модельных трендов 128
Глава 3. Устойчивость, сопряженность и предсказуемость атмосферных процессов северного полушария 139
3.1. Данные наблюдений: архивы и реанализы 140
3.1.1. Усгойчивость групп аналої ов средних месячных полей приземной температуры 140
3.1.2. Объективная классификация форм Вангенгейма-Гирса 149
3.1.3. Ранговый анализ мод изменчивости и выделение предшественников циркуляционных режимов 154
3.1.4.. Сопряженность региональных циркуляционных режимов 166
3.2 Данные т идродинамического моделирования 174
3.2.1. Устойчивость и предсказуемость режимов, порождаемых малопараметрическими моделями 175
3.2.2. Отклик атмосферной циркуляции на аномалии температуры поверхности океана: предсказуемость второю рода 193
3.2.3. Предсказуемость и априорное оценивание качества идродинамического прогноза 202
Глава 4. Долгосрочный метеорологический прогноз: практика и перспективы 211
4.1. Потенциал МОЦА на ишервалах увеличенной заблаговременности 211
4.2. Ансамбли процедур и методик: адаптивное прогнозирование 229
4.3. Учет фактической температуры поверхности океана 233
4.4. Учет систематических ошибок на основных прогностических интервалах 253
4.5. Приближение вероятностного пространства с помощью ансамблей 268
4.6. Практика прогнозирования - принятие решений в условиях неопределенности 287
Заключение 296
Литература 298
LТNK1 Теории низкочастотной изменчивости атмосферы и дальние связи LТNK1
Пространственные масштабы атмосферных движений изучены наиболее основательно в двух крайних частях спектральної о диапазона волновых чисел: в самом низком (от зонального потока и, примерно, до 2000 км, т.е. в безразмерных волновых числах в диапазоне 0 ч- 20) и в самом высоком диапазоне (для масштабов менее 10 км) [Голицын, 1973]). Временные спектры ашосферных движений изучены еще хуже. Имеются указания на наличие примерно трех максимумов спектральной плотности на периодах 3-5 сут (бароклинные возмущения), 8-12 сут (длинные волны) и 15-30 сут (ультрадлинные волны) [Монин, 1969, Шакина 1990]. Исследовать роль процессов с характерными периодами можно с помощью фильтров пропускания. Гак, в работе [Blackmon, 1976] были использованы фильтры грех диапазонов колебаний, выделяющих барокчинные высокочастотные, промежуточные и низкочастотные области спектра: 1 - 2, 2.5 -6 и 10 - 90 су г соответственно. Географическая карта изменчивости (дисперсии) для фильтрованных колебаний 2-6 сут сильно отличается и от карт дисперсий исходных данных, и oi карт дисперсий фильтрованных низкочаскмных колебаний обеих категорий [Уоллес, Блэкмон, 1988]. Географические особенности ВЧ и НЧ-структур заключаются в том, что основные очаги бароклинных возмущений представляю т собой удлиненные максимумы над океанами вдоль по 45 широты, что приводит к гипотезе связи этих максимумов со шторм-треками, i.e. районами наиболее ин тенсивного проявления а тмосферной бароклинности. Низкочастотные шпы отличакмся менее удлиненными максимумами в районах частого повторения блокирующих ситуаций (блокингов), расположенными над Северной Атлантикой, Тихим океаном и аркгическим побережьем Сибири. В нефильтрованных полях дисперсии обнаруживается сходство с изменчивостью филырованных полей, что свидетельс твует о том, что спектр флуктуации т еопотенциала оказывается в большой степени красным, а география полной временной изменчивости определяется в основном низкочастотными флукгуациями, а не бароклинными возмущениями. Впоследствии стали применяться другие фильтры пропускания, однако основная идея разделения на диапазоны низких и высоких частої осталась, при чем в основном модифицировались поддиапазоны низкочастотного фильтра. Так в работе [Уоллес, Блэкмон, 1988] для высот поверхности 500 т Па использовались фильтры пропускания колебаний с периодами 2 - 6 сут и с периодами более 10 сут. В работе [Blackmon et al, 1984] диапазон низких частот был разделен на две категории: флуктуации с периодами от 10 сут до месяца и «флуктуации, разрешенные средними месячными величинами». В [Kusnir, Wallace, 1989] использованы фильтры пропускания периодов 10-60 («недели»), 60-180 («месяцы») и более 180 сут («сезоны»).
Пространственная сгруктура циркуляционных типов была прояснена на основе синхронных корреляций между значениями средних месячных высот поверхности 500 гПа в узлах регулярной сетки для зимнего периода Северного полушария в работе [Wallace, Gutzler, 1981], в коюрой были выделены 14 «центров дейс твия», объединенных в пять основных сие т ем дальних связей - по два на северных регионах Тихого и Атлашическот океанов и один на территории Евразии: тихоокеанско-североамериканская (PNA, Pacific-North American, цен трь т А, В, С, D), восточно-атлантическая (ЕА, East Atlantic, ценгры Е, F, G), западно-атлантическая (WA, west Atlantic, цешры II, I) западно-тихоокеанская (WA, west Pacific, центры J, К), евразийская (EU, Eurasian, центры L, М, N). Центры имеют следующие координаты: А (20 с.ш., 160 з.д.), В (45 ели., 165 з.д.), С (55 с.ш., 115 з.д.), D (30 с.ш., 85 з.д.), Е (25 с.ш, 25 з.д.), F (55 с.ш., 30 з.д.), G (50 с.ш, 40 в.д.), Н (55 с.ш, 55 з.д.), I (30 с.ш, 55 з.д.), J (60 с.ш, 145 в.д.), К (30 с.ш, 145 в.д.), L (55 с.ш, 20 в.д.), М (55 с.ш, 75 в.д), N (40 с.ш, 145 в.д.). В работе [Wallace, Gutzler, 1981], были введены количественные характеристики телеконпекционных конфшураций: Эти критерии имеют синоптическую интерпретацию через основные барические элементы и характеризую! большую часть временной изменчивости среднемесячной циркуляции. Наиболее развитые фазы телеконнекций прошвоположных знаков можно обозначить через символы PNA+, PNA , EU+ и т.д. Эш эксгремальные противоположные фазы могут быть содержательно сопоставлены с формами циркуляции Вашешейма-Гирса. Основные особенности этих фаз опишем кратко следующим образом. PNA+: В поле геопогенциала требень над западной Канадой и преобладание волновых структур; в поле давления глубокий Алеутский минимум. PNA": В поле приземного давления ослабленный Алеу тский минимум. ЕА+: В поле теоно тенциала положительная аномалия над северной Атлантикой, сильный требень над северной Европой и небольшая над суб тропиками и над югом Европы. В поле давления ослабленный Исландский минимум, расщепленный на два центра, субфонический Атлантический максимум сдвиїае тся к северу от климатического положения. ЕА : Противоположная картина в поле геопотеїщиала. В поле приземного давления интенсивный Исландский минимум, субтропический максимум смещается к югу. WP+: Слабое струйное течение над Японией и слабый Алеутский минимум. WP": Каршна, противоположная WP\ WA+: Слабое струйное течение над Западной Атлантикой, слабый Исландский минимум и слабый субтропический максимум в поле приземною давления. WA": Картина, противоположная WA+. EU : Сдви т к западу северо-азиатской ложбины в планетарной волне и увеличенная интенсивность Сибирского антициклона. EU": Северо-азиатская ложбина сдвинут к востоку от нормы, Сибирский аншциклон ослаблен. Сравнение средних сезонных и средних месячных значений геоио тенциала привело к предположению, что конфигурация PNA обусловлена межгодовой изменчивое тью, в то время как формирование западных струк тур WA и WP происходи т за счет внутрисезонных флуктуации. Морфологически выделенные конфигурации телеконнекций оказались сходными с наиболее быстро растущей нормальной модой барофопного потока, линеаризованною ошосительно среднего климашческого зимнего течения на уровне примерно 300 гПа [Simmom et al, 1983, Дымников, Скиба, 1985].
LТNK2 Предсказуемость и прогнозирование режимов циркуляции на внутрисезонных интервалах LТNK2
К середине 1980-х было накоплено дос таючно много материала в моделировании и прогнозировании на удлиненных сроках. Так, в рабоїе [Smagonnsky, 1983] обсуждаются проблемы климаїа и климашческих изменений, включая возможное т и прогноза на месяц и сезон с помощью МОЦА, при том в качестве кандидатов на долгосрочный прогноз в средних широтах автор, в частности, называет блокирующие си туации, гголожение внетропических шторм-греков, интенсивность муссонных циркуляции. Как считает Смагорински, некоторые харак т еристики атмосферной изменчивости могут бьпь предсказуемыми на интервале от месяца до нескольких лег. Что касается интервалов до 30 суток, ю вероятными кандидатами увеличенной предсказуемости (extended range) являются в основном зимние тропосферные блокирующие ситуации.
Работа Чарни и Девора (1979) как раз подтверждает такого рода возможность. Они показали, что нелинейная система, форсированная снизу (особенно орографически), может задержаться в длительном состоянии «блокирования». При практическом нроїнозировании для конкретного случая в работе [Miyakoda et al, 1983] было продемонстрировано, чго можно получить к концу месяца прогноз экстремально холодной и длительно существующей погоды над такой территорией, как США. Однако их прогноз удался лишь после довольно существенных модификаций в блоках физических параметризаций МОЦА. касается разрешения, то, несмогря на т о, что крупные масштабы предсказываются лучше, качество прогноза на долгие сроки выросло из-за уточнения разрешения. Еще один ис т очник оптимизма Смагорински усмаїривает в учете связи между ЭНЮК и долгосрочными собьииями в атмосфере, которые могут давать сигнал для изменений в атмосфере на протяжении нескольких лет. Исследование предсказуемости на таких интервалах времени стало одной из задач программы ТОГА.
К середине 1980-х были сформулированы основные принципы гидродинамическою долгосрочного прогноза погоды, сведенные в сериях публикаций ВМО, например [Long-range, 1984]. Признается, что существует предел предсказуемости отдельных погодных систем синоптического масштаба, оцениваемый приблизительно в 2-3 недели. За этим пределом синоптические колебания непредсказуемы из-за относительно бысгрых нелинейных гидродинамических взаимодействий внутри самого атмосферного потока.
Но существуют более медленные или менее частые флуктуации, коюрые связаны, как правило, с самыми большими масштабами атмосферных движений. Длительность существования некоторых «погодных типов» на этих масштабах оказывается большей, чем оцененная на основе нелинейных гидродинамических взаимодейс твий. Два основных предположения о механизмах такой удлиненной предсказуемости известны: 1) взаимодействие атмосферы и подстилающей поверхности, а также 2) квази-усюйчивые атмосферные режимы, существующие благодаря взаимодействиям внутри самой атмосферы.
Нижняя граница УДП - это предел предсказуемости отдельных погодных событий - 1-2 недели, 2-3 в перспективе. Верхней границей для УДП полагается гакой момент времени, когда прогноз перестает зависеть от существующих атмосферных условий. В некоторых случаях этот период влияния преимущественных атмосферных условий может достиг а ть нескольких сезонов.
При увеличении заблаювременгюсти разные физические процессы приобретают разный вес. Например, на месячных и сезонных интервалах нельзя исследовать атмосферу изолированно от подстилающей поверхности. Важно моделировать влияние нижней поверхности на а тмосферньїе бюджеты тепла, момента и воды. К счастью, временные масш табь т многих важных физических процессов на поверхности Земли ино тда превышают детерминированный предел в пару недель. Долгая память заключается в почвенной влаге, снежном покрове, морском льде, типах ТПО и мно тих аспектов климатической сис темь т, включающей медленные физические процессы.
О тносиїельно оценок предсказуемости можно заметить следующее: к данному времени убедительной теории не существовало. Да и в дальнейшем только соображения теории динамических сис тем позволили сформулироваїь некоторые принципы теории предсказуемое т и для ДНИ. Долгосрочная предсказуемость является функцией местоположения и сезона. Ясно, что мною надежд ДПП возлагается на сложные динамические феномены типа блокин та и Южного колебания. Были выделены основные факторы, влияющие на качество ГДПП: реї ион, сезон, режим, и явление, несущее предсказуемый си тнал в зашумленном ряду наблюдений. Одной из задача ГДПП представляется именно идентификация таких «информашвных» явлений.
Среди основных вопросов - как использовать обнаруженные явления, типа телеконнекции и ЭПЮК, а гакже взаимодействия океана и а тмосферь т для повышения качества долгосрочных прогнозов? Признается тот факт, что проблематика ДПП может быть удовлетворительно решена только при совместном использовании основных методологических подходов: синоптика, статис тика (эмпирика) и гидродинамика.
Основные выводы по поводу про тнозов на месяц, сформулированные к середине 1980-х таковь т. Во-первых, осредненные величины дают увеличение срока полезности прогноза, сглаживая мелкомасш табньїе короткоживущие компоненты атмосферною состояния и движения [Шукла, 1987). Во-вюрых, на интервале до месяца начальные условия остаются важными. При переходе к сезонному иро тнозу растет роль границ: темперагура поверхности океана (ТПО), влажность почвы, снег и морской лед. Так как основной объект ДПП - это некоторое осредненное состояние, то неизбежным станови тся вероятностный подход к самому прогнозу (ансамбли), так и к ин терпретации его результатов.
В работе [Miyakoda, 1985] был представлен обзор по эксперимешальным гидродинамическим про тнозам на месяц за предшествующие 10 лет. За ли т оды проводились исследования предсказуемости и практической важности ГДПП. Высказывания осторожны, так как многие ранее поставленные вопросы так и не нашли удовлетворительного и однозначного разрешения. Основные выводы таковы: значимое качество в средних 10-суючных и 15-суючных к концу месяца у трачивается; дрейф модели существенен; чем больше разрешение, тем лучше прогноз вплоть до 30 суток.
Миякода перечисляет основные факторы внешнего воздействия и внутренней динамики. Внутренняя динамика сосюи т из следующих элементов: 1) адвекция погодных типов, 2) распространение волн, 3) баро тропная и бароклинная неустойчивость, 4) орографические эффекты, 5) процессы в по транслое, 6) нелинейные взаимодействия между движениями разных масштабов. В месячном про тнозе объектами являются крупные масштабы и низкие частоты. Синоптические масштабы влияют на НЧ через нелинейное взаимодействие, однако, здесь ос таетея мною неясностей. Внешний форсинг приобретает кришческое значение с ростом заблаговременное т и. Среди внешних условий перечисляются 1) темпера тура поверхности океана (ТПО), 2) влажность почвы, 3) снег и лед.
Для эшх интервалов прогноза Миякода важнейшим условием считает ясное понимание внутренней атмосферной динамики. Потенциалом повышения качества МОЦА он ползает 1) учет модельного дрейфа и 2) усовершенствование физических параметризаций.
