Концепция вероятностно-географического прогнозирования опасных явлений погоды юга России (25.08.2008)

Автор: Андреева Елена Сергеевна

Для реализации цели и задач данного исследования при описании такого рода моделей применялись методы математической статистики и нейромоделирования.

Объектом исследований являются климатические, макросиноптические условия и гидрометеорологические процессы, протекающие на равнинах юга Европейской части России и обусловливающие такие явления погоды, которые по своей интенсивности, продолжительности или охватываемой ими территории превышают установленные критические пределы, определенные соответствующими Руководящими Документами Росгидромета и относятся к опасными. Среди рассматриваемых опасных явлений погоды:

-сильные ветры - приземный ветер более 15 м/с;

-метели – комплексное гидрометеорологическое явление, сопровождающееся ветром не менее 15 м/с, при суточной продолжительности и метеорологической дальности видимости менее 500 м;

-сильные дожди – обильные осадки с интенсивностью более 30 мм за сутки;

-град - атмосферные твердые осадки при диаметре отложений от 5 до 20 мм;

-шквалы - горизонтальные вихри при скорости ветра более 15 м/с;

-гололедно-изморозевые явления - отложения воды и льда на горизонтальной или вертикальной поверхностях при диаметре отложений не менее 20 мм (гололед), не менее 50 мм (изморозь).

Для реализации цели исследований были сформированы каталоги ОЯ, включающие сведения о количестве случаев, интенсивности, продолжительности, вызываемом ущербе и жертвах, районе распространения за 1950 – 2005 гг. для каждого из рассматриваемых явлений. В дальнейшем использовалась информация о повторяемостях ОЯ в отдельности и в общем (осредненная повторяемость).

Погодные явления, возникающие из-за возмущения атмосферной циркуляции, опасные по своей социально-экономической направленности, в числе которых особое место занимают подъемы уровня воды в природных водоемах и, как следствие, опасные гравитационные геофизические процессы (оползни и пр.), а также усиление приземного ветра. В этой связи выделены три группы опасных явлений погоды, отличающихся повышенной повторяемостью за последние десятилетия XX и в начале XXI вв:

а) явления конвективного происхождения (сильные дожди, град и шквалы);

б) бароградиентные явления (сильные ветры и метели);

в) гололедно-изморозевые явления (гололед и изморозь).

Анализ особенностей межгодового хода опасных явлений в России за период времени с 1986 по 2005гг. позволил выявить следующие тенденции:

-увеличение числа случаев ОЯ от 1986 к 1995 гг. почти в 4 раза (с 61 до 250 случаев, соответственно);

-незначительное уменьшение количества явлений от 1995 к 2000гг. (с 250 до 135 случаев);

-увеличение количества опасных явлений погоды от 2000 до 2005гг. (с 135 до 361 случая).

В пределах равнинных районов юга России наблюдается режим повышенной повторяемости сильных ветров, а также гололедно-изморозевых явлений, характерных для холодного периода года (по данным Северо-Кавкакзского УГМС). Для теплого периода, в свою очередь, характерен небольшой рост частоты ливневых и сильных дождей в июне-июле чаще внутримассового происхождения. Таким образом, опасные явления погоды отличаются квазиустойчивой повторяемостью в течение года и приводят к существенным суммам ущербов и жертвам, чем и обусловливают негативные социально-экономические последствия.

Значительный вклад в формирование природной составляющей повышения уровня водоемов и водотоков, а также эрозионных процессов вносят интенсивные и продолжительные осадки. В работе рассматривается конвективная составляющая этих явлений погоды, так как, кроме прочих факторов они определяются наличием вертикальных воздушных потоков в нижней части тропосферы. А конвекция способствует формированию облачности, чаще вертикального развития, поэтому данные явления связаны с облачностью, как внутримассового, так и фронтального происхождения, с мощным вертикальным развитием в нижней части тропосферы. При внутримассовом генезисе, когда имеет место малоградиентное барическое поле, повышается значение подстилающей поверхности. Последняя, в свою очередь, способствует увеличению термических контрастов, придавая дополнительный импульс термической неустойчивости.

Повышение уровня в морских устьях рек или на берегах крупных озер в результате воздействия ветра на водную поверхность называется нагоном воды. При этом нагонная волна распространяется вверх по реке на расстояние, зависящее от уклона водной поверхности и глубины реки. На юге России по многолетним данным такие явления наблюдались при повышении повторяемости сильных ветров западных направлений. Опасные скорости ветра (15 м/с и более) в нижней части тропосферы имеют прямую зависимость от величины горизонтального барического градиента и косвенную от особенностей подстилающей поверхности. Это позволяет относить изучаемые усиления приземного ветра к опасным бароградиентным явлениям. Взаимодействие циркуляционных систем атмосферы и местной орографии, влияющих совместно на вероятность возникновения сильных ветров, на исследуемой территории представлено на примере северо-восточных ветров Черноморского побережья Кавказа (на участке Анапа-Новороссийск-Туапсе) – так называемой «новороссийской боры».

Основы предлагаемой концепции вероятностно – географического прогноза опасных явлений погоды как дополнение к синоптическому методу сводятся к следующему:

- предположение о том, что опасные явления погоды имеют квазиустойчивые частоты, дает возможность осуществлять статистические расчеты; в свою очередь, для осуществления прогноза вероятностей на определенную перспективу необходимо выявление связности между несмежными элементами хронологического ряда частот случаев ОЯ;

- составление прогноза вероятностей ОЯ или метеорологических рисков предполагает использование современных методов нейромоделирования, так как с их помощью возможно решение нелинейных нестандартных задач;

- создание модели требует ряда физически обоснованных входных параметров, отбор которых для решения задачи прогноза ОЯ вызывает ряд объективных трудностей, поэтому важно произвести поиск и отбор тех географических условий, влияющих на частоты ОЯ на равнинах юга ЕЧР, которые могут быть измерены и определены;

- циркуляция атмосферы является основным фактором, обусловливающим ОЯ, анализ ее необходимо осуществлять в следующей последовательности: макро-, мезо- и микросиноптические условия. Также нужно учитывать возмущения циркуляции атмосферы, которые вызваны как процессами на Солнце, так и геофизическими (состояние магнитного поля Земли) причинами;

- адекватность выбора факторов или предикторов изучаемых явлений можно оценивать с помощью подхода Байеса, проверка адекватности результатов которого проведена на основе следствия метода минимакса;

- прогноз вероятностей опасных явлений погоды на равнинах юга ЕЧР производиться созданной нейросетью Кохонена для известных типов макросиноптических процессов с учетом индексов переноса и интенсивности циклонов и антициклонов с последующей оценкой его точности;

- при планировании социально – экономических мероприятий необходим учет результатов прогнозирования повторяемостей ОЯ и районирования изучаемой территории по частотам случаев указанных явлений, что позволит управлять рисками значительных ущербов и жертв.

В связи с чем предложена следующая схема методики оценки рисков ОЯ:

Первый этап. Изучение физико-географических особенностей равнинной территории юга России с точки зрения возникновения опасных явлений погоды: геология и рельеф; гидрография и растительность, климат и факторы его формирования, а также макро-, мезо- и микросиноптические условия. Затем, применяя известные методы интерполяции и районирования, осуществляется пространственно – временной анализ географических факторов, способствующих появлению ОЯ.

Второй этап. Для разработки вероятностно – географического прогноза ОЯ предлагается использовать методы математической статистики и нейромоделирования. Согласно описанным методам рассчитываются такие характеристики, как повторяемость или частота опасных явлений погоды, стандартное отклонение, дисперсия и другие. При этом считается, что частоты ОЯ относительно устойчивы и могут быть прогнозируемы в будущем. Далее, для расчета апостериорных вероятностей ОЯ применяется подход Байеса, который позволяет учитывать географические условия, выраженные в виде соответствующих исчисляемых параметров. Нейрометоды, отличающиеся известной гибкостью, могут решать нелинейные задачи и учитывать пространственные особенности прогнозируемых явлений (сети Кохонена), что и обусловливает возможность их использования для прогнозирования метеоситуации с опасными явлениями погоды или рисков их возникновения.

Во второй главе в соответствии с реализацией первого этапа исследований были проанализированы физико-географические условия юга России, способствующие возникновению ОЯ, в число которых включены геология и рельеф, гидрография и рельеф, климатообразующие факторы. Кроме того, для исследования вклада подстилающей поверхности в формирование местных особенностей климатических, макросиноптических условий и гидрометеорологических процессов, приводивших к тем или иным опасным явлениям погоды, автором было проведено климатическое районирование равнинной территории юга ЕЧР.

Изучение характера расположения основных форм рельефа равнинной территории юга ЕЧР (рисунок 1) позволило сделать следующие выводы, что в исследуемом регионе:

-преобладают субширотно ориентированные возвышенности, гряды, кряжи (Донская гряда, Донецкий кряж, Сало-Манычская гряда, Ставропольская возвышенность);

-на востоке по долине р. Волга расположены субмеридиональные возвышенности: Приволжская и Ергени;

-характерным является снижение высот в пределах описываемой территории (до 0 м и менее) к центру, юго-западу, юго-востоку, при значительном повышении к югу (до 831 м);

-специфичность ориентирования возвышенностей юга ЕЧР способствует формированию “коридора” по Кумо-Манычской впадине, удобного для субширотных восточно-западных переносов;

-равнинный характер рельефа на юго-западе и юго-востоке создает предпосылки для проникновения морского умеренного и морского тропического воздуха;

Рис.1. Физико–географическая карта равнин юга Европейской части России

-достаточно хорошая доступность для различного рода вторжений и вхождений характерна для запада, юго-запада, севера, юго-востока;


загрузка...