авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Концепция вероятностно-географического прогнозирования опасных явлений погоды юга россии

-- [ Страница 3 ] --

Циркуляция атмосферы как определяющий фактор возникновения опасных явлений погоды рассмотрена в третьей главе. Произведен анализ макро-, мезо- и микросиноптических условий, во взаимосвязи влияющих на возникновение ОЯ. Кроме того, представлены результаты расчетов индексов переноса А.Л. Каца и выполнен анализ среднемноголетних карт приземного барического поля юга России, а также карт приземного давления при наблюдающихся ОЯ. В числе возмущающих атмосферную циркуляцию факторов изучены процессы на Солнце и геофизические факторы. Для исследования вклада макросиноптических процессов в формирование ОЯ с некоторым допущением из-за расположения исследуемой территории практически на границе атлантико – европейского типа была применена соответствующая классификация Г.Я. Вангенгейма – А.А. Гирса. По среднемноголетним данным в пределах данной территории (атлантико – европейский сектор) в течение года преобладает (восточная) Е-форма, менее выражены формы W (западная) и С (меридиональная). Для холодного периода года (ноябрь – март) наблюдается доминирование меридиональных форм Е и С. Теплый период характеризуется сочетанием форм Е и W, а форма С, в свою очередь, выражена слабее. Согласно этой классификации случаям опасных явлений в наибольшей мере способствуют Е и С - формы атмосферной циркуляции, усиливающие, в частности, термический и влажностный контрасты между поступающими и местными воздушными массами. В последние десятилетия ХХ века была заметна тенденция к увеличению повторяемости форм меридиональной циркуляции (С). Однако в начале XXI века наметилось увеличение доли формы W. При меридиональной (С) и восточной (Е) формах наблюдались конвективные и бароградиентные ОЯ. Гололед и изморозь, в основном, возникали при форме циркуляции (W) и (E). Кроме того, небольшое число таких явлений, как шквалы, сильные дожди и сильные ветры наблюдалось при форме W.

Дифференцированный учет особенностей макрометеорологических процессов удобно произвести на основе индексов А.Л. Каца как количественного показателя степени интенсивности циркуляции. Указанные индексы были рассчитаны для равнинной территории юга России и отражены в параметрах зонального и меридионального переноса (условные единицы измерения гПа/100 км). Согласно расчетам, в среднемноголетнем выражении данной территории свойственно преобладание широтной циркуляции с интенсивностью 0.9 гПа/100 км. Меридиональная циркуляция, в свою очередь, не имеет определяющего значения, ее интенсивность не превышает 0.2 гПа/100 км. Возникновению таких ОЯ, как сильные ветры и дожди, град, шквалы, гололед, изморозь и метели способствуют отклонения от нормальной формы циркуляции, проявляющиеся в виде смены ее знака и увеличения интенсивности. Кроме того, ОЯ наблюдались при увеличении значения общего индекса циркуляции (отношение меридионального к широтному индексу), особенно в случаях приземных вихрей (шквалы, смерчи). Так, на юге ЕЧР максимальные значения указанного индекса за исследуемое 55-летие составили 19.4 гПа/100 км для случая смерча (1985г.) и 9.8 гПа/100 км в случае шквала (1963г.).

Таким образом, наибольшие возмущения зонального поля и значительные амплитуды волн Планетарной Высотной Фронтальной зоны (ПВФЗ) вызывают усиление интенсивности аномальных форм циркуляции, что способствует появлению различных ОЯ, связанных как с горизонтальными, так и с вертикальными потоками воздушных масс.

В результате анализа среднемесячных карт приземного давления, полученным по многолетним данным (1873 – 1997 гг.), представляется возможность сделать следующие выводы:

-от января к апрелю включительно наиболее активными являются Исландский минимум, отрог Азиатского максимума и собственно Азорский максимум;

-от мая к сентябрю возрастает активность Азорского максимума, усиливаясь в июле, кроме того, между ним и Средиземноморским минимумом в этот период возникает взаимодействие;

-в октябре – декабре незначительно активизируется отрог Арктического максимума, влияние которого на климатические, макросиноптические условия и гидрометеорологические процессы равнин юга ЕЧР по многолетним данным не столь велико;

-в ноябре-декабре наиболее усилены градиенты приземного барического поля Европейской территории России.

Анализ карт приземного давления для отдельных дат ОЯ показал, что:

-метели возникали при взаимодействии отрогов Арктического или Азиатского антициклонов с Черноморской депрессией, либо в результате смещения западных, северо-западных или юго-западных циклонов;

-в случаях ливневых и сильных дождей, града, смерчей, шквалов (конвективных явлений) преобладало малоградиентное барическое поле;

-сильные ветры обусловливались либо взаимодействием отрогов Азиатского антициклона и Черноморской депрессией, либо циклонической деятельностью западного переноса;

-гололедно-изморозевые явления были связаны с циклонической деятельностью – формированием обширных теплых секторов циклонов.

Для исследования вклада мезосиноптических условий в возникновение ОЯ с помощью многолетних данных атмосферного давления (1873-1988г.) были рассчитаны такие параметры, как повторяемость (%) и интенсивность (гПа/100 км2) циклонов и антициклонов (по значениям лапласиана поверхностного давления). Согласно полученным результатам расчетов, в среднем на юге России преобладают антициклоны (по повторяемости и по интенсивности). Только в мае по тем же параметрам незначительно превалируют циклоны. В июне и июле по повторяемости преобладали циклоны. По данным исследований К.В.Кондратовича существует корреляционная зависимость между интенсивностью и знаком индексов меридиональной и зональной циркуляции на разных широтах. Так, установлено, что при усилении отрицательной меридиональной циркуляции (северо-южный перенос) ослабевает зональная положительная (западно-восточный). Отсюда, адвекция холода, которая отмечена при северных вторжениях способствует проникновению холодных масс воздуха на юг и образованию последующей неустойчивости атмосферы и сопутствующих при этом опасных явлений погоды. На исследуемой территории данную тенденцию удалось установить только для отдельных месяцев теплого периода (июнь, июль) (рис.3).

 Соотношение индексов циркуляции на широтах 55–500 и 50–450 с.ш. Для изучения-2

Рис. 3. Соотношение индексов циркуляции на широтах 55–500 и 50–450 с.ш.

Для изучения микросиноптических условий формирования опасных явлений погоды дан обзор наиболее выдающихся случаев ОЯ на юге России за исследуемый промежуток времени.

Впервые теория устойчивости была изложена в работах Ляпунова и Пуанкаре в конце XIX века. При этом, устойчивость (или неустойчивость) понималась как свойство отклика системы на внешнее возмущение. Поэтому в теории устойчивости критерием считается знак числа Ляпунова с наибольшей вещественной частью. Атмосфера, в свою очередь, как сложная динамическая система, не являющаяся изолированной, может характеризоваться двумя состояниями: устойчивым и неустойчивым. При этом проблема предсказуемости указанных состояний и протекающих при их реализации процессов решается вероятностными подходами, в частности методом рандомизации неопределенности (подход Байеса). Неустойчивость в совокупности с другими факторами является одной из главных причин сложного поведения фазовых траекторий динамических систем, которое принято называть детерминированным хаосом, который может возникнуть как в диссипативных, так и в консервативных системах. В диссипативных системах элемент фазового объема сжимается в процессе эволюции, тогда как в консервативных системах он сохраняется, испытывая лишь различные деформации в процессе эволюции. Хаотические движения в консервативных системах, обнаруженные Пуанкаре в 1892г., притягивающими не являются. Хаотические движения в диссипативных системах, возникающие на странных аттракторах, были обнаружены Лоренцом в 1963г. Для обнаружения детерминированного хаоса в динамических системах можно использовать различные методы. Например, можно рассматривать поведение автокорреляционной функции с течением времени. Если данная функция быстро убывает при условии, что время развития конкретного природного процесса стремится к бесконечности, то данное движение системы можно отнести к хаотическому. Если же функция постоянна или осциллирует, то движение, очевидно, имеет характер регулярного. Далее, будем исходить из того, что атмосфера – динамическая диссипативная система с присущим ей детерминированным хаосом. Именно хаотическое движение данной системы – атмосферы порождается ее локальной неустойчивостью и общим сжатием фазового пространства.

Из всего многообразия влияния объектов окружающего космического пространства существенным образом на состояние атмосферы и ее циркуляцию оказывает Солнце, в частности, степень возмущенности его фотосферы. В этом смысле солнечная активность определяется непосредственно числами Вольфа (числа солнечных пятен), так и опосредованно, в виде коэффициентов возмущенности магнитного поля Земли.

Кроме того, на устойчивость циркуляции атмосферы оказывают влияние теллурические или земные факторы. А, именно, магнитное поле Земли является, тем фундаментом, структура и свойства которого во многом определяют поведение атмосферы. Анализ соответствующих каталогов повторяемости форм циркуляции Г.Я. Вангенгейма с 1891 по 2001 г., а также каталогов чисел Вольфа с 1700 по 2006 г. позволил сделать вывод о том, что высокая солнечная активность способствует увеличению интенсивности атмосферной циркуляции, при этом повышается повторяемость меридиональной формы в сочетании с зональной. Между числами Вольфа и возмущенностью магнитосферы Земли выявлена обратная связь. Также имеется тесная обратная связь между числом магнитных бурь и интенсивностью зональной (-0.7) и меридиональной циркуляции (-0.5). В годы с низкой активностью процессов на Солнце установлена небольшая прямая связь между числами Вольфа и состоянием магнитного поля Земли. В этот же период времени выявлено незначительное влияние упомянутого состояния магнитосферы на интенсивность циркуляции атмосферы.

Все изложенное выше показывает, что изменение солнечной активности существенным образом влияет на процессы общей циркуляции атмосферы, связанный с ними режим погоды и, по-видимому, на повторяемость опасных ее явлений. Поэтому учет данного фактора – солнечной активности – необходим как для более глубокого понимания закономерностей атмосферной циркуляции и возникающих в нижней части тропосферы опасных явлений погоды, так и для успешного их прогнозирования. Однако следует заметить, что рассмотренный фактор не является единственным, его значение может существенно изменяться во времени. Кроме того, установленным является неоднозначный характер связи между активностью процессов на Солнце, обусловливающих возмущенность магнитосферы и повышающих, в свою очередь, интенсивность циркуляции атмосферы. Обратная связь между упомянутыми выше процессами, по-видимому, указывает на асинхронность между наступлением максимумов значений чисел Вольфа и величин индексов составляющих циркуляции. В качестве одного из предикторов для прогноза ОЯ, на основании проведенных исследований, будем использовать индексы магнитной активности, так как последние позволяют учесть суммарный эффект воздействия процессов, протекающих на Солнце (в частности, излучение корональных дыр и вспышек).

В четвертой главе на втором этапе реализации идеи работы были изучены особенности хронологических рядов опасных явлений погоды. Последние представляют собой среднегодовые повторяемости ОЯ с 1950 по 2005 гг. (генеральная совокупность) по отдельности и в общем (осредненная частота) по материалам журналов ТМ – 1, метеорологических ежемесячников и ежегодников рассматриваемых в работе метеостанций на территории Северо – Кавказского УГМС. Также внимание уделено среднемесячным частотам ОЯ, для отдельных лет (1974, 1979, 1987, 1994, 2000, 2002 гг.) были созданы ряды ежедневного фактического числа случаев ОЯ. На основе методов математической статистики, применяемой в гидрометеорологии, выявлены характерные тенденции хронологических рядов ОЯ для юга России. Кроме того, установлены географические закономерности распределения их повторяемостей.

Период времени с 1965 по 2005 гг. (из генеральной совокупности с 1950 по 2005 гг.) для статистической обработки был выбран в связи с объективной однородностью исходных данных Согласно статистическому анализу количества ОЯ на равнинах юга ЕЧР за указанный период времени выявлены две тенденция к увеличению значений: первая, наиболее выраженная, от 6.5 (1965 г.) до 10.8 случаев (1969 г.), вторая, менее значительная, от 6.9 (2003 г.) до 8.1 случая (2005 г.) Наибольшие значения частот случаев явлений были зарегистрированы в январе – 0.8, феврале – 0.7, ноябре и декабре – по 0.6 для каждого из них; наименьшие – в сентябре (0.1 случай ОЯ). Наиболее неблагоприятными с позиции возможности возникновения опасных явлений погоды в пределах равнин юга ЕЧР являются зимние месяцы, что, по-видимому, связано с развитием меридиональных форм циркуляции (Е и С) в этот период. Наибольшая среднемесячная частота случаев ОЯ наблюдалась на ст. Новоаннинский (0.9), Малые Дербеты (0.9), Нижний Чир (0.6), Морозовск (0.6), Заветное (0.6), при этом средняя величина составила 0.4 случая в месяц. С точки зрения доли (%) конкретного ОЯ в общем количестве явлений наиболее существенными оказались метели, изморозь и гололед, сильные ветры (январь, февраль, декабрь). Из общего количества рассмотренных ОЯ, наибольшие среднемесячные частоты случаев зафиксированы для сильных ветров (0.6), изморози (0.5) и метелей (0.5). Для годовых величин ОЯ необходимо отметить подобную ситуацию: преобладание повторяемостей сильных ветров (7.2), метелей (6.0), изморози (6.0) случаев в среднем за год. На уровне значимости оказались коэффициенты корреляции между общей частотой ОЯ и географической широтой (0.5), расстоянием до Черного моря, годовой амплитудой температур, средней температурой января (-0.5), индексом магнитной возмущенности (-0.6), интенсивностью антициклонов (0.7).

В качестве дополнительной характеристики климата равнин юга России было проведено районирование по повторяемости опасных явлений погоды (рис.4).

Рис. 4. Районирование равнин юга Европейской части России по среднемноголетней повторяемости опасных явлений погоды

Изначально по частотам опасных явлений погоды юга России определялось среднегодовое количество данных явлений, разделенных на генетические группы: сильные ветры, метели (общие и низовые), конвективные (сильные дожди и ливни, шквалы, град), гололедно-изморозевые явления. Таким способом были выделены три области: I – с пониженным числом ОЯ; II – со средним; III – с повышенным, соответственно. Затем в пределах каждой области определялся процентный вклад групп ОЯ, по величине которого изучаемая территория разделена на десять районов (названия районов выбраны по названиям метеостанций).

Анализ пространственного распределения общего числа случаев ОЯ, согласно построенной по методу интерполяционной схемы, позволил выявить следующие закономерности:

-на востоке исследуемой территории наблюдается тенденция к повышению числа явлений;

-в центре возникают взаимодействия различных по физическим свойствам воздушных потоков, проникновению которых способствуют особенности рельефа, что также обусловливает значительные частоты ОЯ.

Отсюда, весьма значимой для генезиса ОЯ на юге России является макроциркуляция воздушных масс, эволюция барических систем и атмосферных фронтов. Однако, необходимо отметить благоприятствующее значение рельефа территории, создающего характерные условия проникновения воздушных масс (Кумо-Манычский коридор).

Теория случайных процессов и возможности ее применения для исследования хронологических рядов опасных явлений погоды составляют основу пятой главы. При этом исследуется неслучайность колебаний в рядах с использованием определенных критериев. Изучены также автокорреляционные функции частот ОЯ и произведен анализ квазипериодических их рядов. Проверка гипотезы марковости цепи, представляющей собой хронологические данные ОЯ за 55 лет, показала достаточную близость теоретических или критических значений к рассчитанным, то есть была подтверждена. Статистика t3 (то есть, наличие подобия марковости ряда) была проверена при помощи критерия сходимости – коэффициента Пирсона (критерий 2). Так, при уровне значимости 0.05 и, исходя из того, что (m-1)2 = 1 при m = 2 (два состояния, неустойчивое (i), при котором имеются ОЯ, и устойчивое (j), при котором ОЯ отсутствуют), т.е. степень свободы равна 1, вероятность сходимости значений t3 по 2 изменяется от 0.08 до 0.43. Выявление подобия марковости рядов ОЯ позволяет сделать вывод о возможности прогнозирования будущих значений их вероятностей. Однако, большое значение в данном случае имеет не только продолжительность выборки, но и ее состав, и однородное распределение неустойчивого (i) и устойчивого (j) состояний нижней части атмосферы.

Рассмотрение графиков автокорреляционных функций позволило утверждать, что ярко выраженной экспоненциальности не наблюдается, однако на отдельных участках ее можно обнаружить. При длине реализации 56 лет (1950 – 2005 гг.) временной промежуток (аргумент автокорреляционной функции), на котором удалось зафиксировать квазиэкспоненциальность, составляет 15 лет. То есть, возможно осуществлять долговременный прогноз ОЯ по последним значениям частот на каждые 15 лет, при этом во внимание принимают годовые значения повторяемостей. Очевидно, что этот прогноз a priori будет иметь значительную погрешность и может быть использован как вспомогательный. При наличии ежедневных данных, длина реализации l = 365 дней (случайным образом был выбран один год за исследуемое 55-летие), временной промежуток с подобием цепи Маркова удалось выявить при = 7 дней. Исходя из этого, краткосрочное прогнозирование опасных явлений погоды можно осуществлять на срок не менее 7 дней. Что, очевидно, является подтверждением определяющей роли циркуляции атмосферы в генезисе опасных явлений погоды. Проверка гипотезы о неслучайности колебаний внутри рядов ОЯ показала, что по первому и второму критериям случайности (Аббе) все рассмотренные опасные явления не относятся к случайным, значит, некоторая взаимосвязь между последовательностью частот изучаемых явлений существует. Определенную зависимость в случае повторов серий положительных отклонений от среднего удалось обнаружить для большинства опасных явлений: града, шквалов, гололеда, изморози и сильных ветров. На основании представленных результатов можно констатировать, что данные ОЯ могут иметь связность между элементами по типу “красного шума” (простая цепь Маркова).



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.