Сущность методов прогнозирования гидрометеорологической обстановки

ПРЕДМЕТ СИНОПТИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ

Термины и терминология синоптической метеорологии

Синоптической метеорологией называется наука, изучающая закономерности развития атмосферных процессов в заданном пространстве с целью разработки прогнозов гидрометеорологической обстановки (погоды).

Физические процессы, протекающие в атмосфере, изменчивы во временных и пространственных координатах. Сведения о состоянии этих процессов поступают в Органы планирования управления всегда с некоторой задержкой. Для практического применения эти сведения неприемлемы в силу возникающей неопределенности, связанной с их устареванием. Поэтому планирование применения средств водного транспорта осуществляется с использованием прогнозов погоды с упреждением во времени и в пространстве.

Прогнозом гидрометеорологической обстановки называется совокупность оценок будущего состояния атмосферы и водной среды, полученных аналитическим способом.

Прогноз гидрометеорологической обстановки следует отличать от более общего понятия – прогноза погоды.

Прогнозом погоды называется совокупность оценок будущего состояния характеристик атмосферы и водной среды в заданном пункте или в районе Земного шара, полученных аналитическим способом.

Физические процессы в атмосфере, как правило, имеют большие пространственные размеры. Для наглядного отображения этих процессов пространство атмосферы масштабируется и процессы представляются на визуализированных носителях информации в виде плоских горизонтальных срезов величин наиболее значимых характеристик на заданных уровнях.

Например: Отображается атмосферное давление на уровне моря в строго фиксированных точках земной поверхности.

Эти поверхности, с изображенными на них береговыми линиями континентов и островов и фиксированными точкам – пунктами наблюдения (метеорологическими станциями), носят синоптических карт.

Совокупность значений характеристик атмосферы и явлений, полученных в результате регулярных наблюдений на метеорологических станциях в заданный срок, и отображенных на бланке карты погоды определенного масштаба, называется картой погоды (синоптической картой).

Применение синоптических карт для анализа и получения прогнозов дали название синоптическому методу исследования атмосферы и прогнозирования ее состояния. Являясь географическим по форме, этот метод имеет глубокую физическую сущность. Он позволяет на основе законов физики исследовать атмосферные процессы крупного масштаба и выявлять причины локального изменения состояния характеристик атмосферы.

Основным приемом синоптического анализа является сопоставление значений характеристик и явлений атмосферы, отображенных на картах погоды:

- значения одной и той же метеорологической величины в разных пунктах, на разных высотах за один и тот же момент времени;

- значения различных метеорологических величин в одном и том же пункте, в разных пунктах и на разных высотах в одно и то же время;

- значения одной или нескольких метеорологических величин в последовательные моменты времени как в одном, так и в разных пунктах.

Основным принципами синоптического анализа являются: комплексность, трехмерность, временная последовательность.

Важнейшими достоинствами синоптического метода являются его наглядность и оперативность.

Синоптический метод позволяет восстанавливать (с потерей качества) метеорологические данные с помощью интерполяции и экстраполяции.¹⁾

Специфика синоптического метода в том, что он приспособлен к анализу крупномасштабных атмосферных процессов.

Для анализа мезомасштабных процессов, охватывающих по площади всего несколько десятков километров, необходима очень густая сеть с большой частотой наблюдений, что практически неосуществимо.

Наблюдения за этими процессами ведутся с помощью дополнительных средств метеорологических радиолокационных станций (РЛС), метеорологической космической системы наблюдений (космических метеоспутников).

_________________________________________________________

¹⁾ Примечание:

Под интерполяцией понимается определение промежуточного значения характеристик метеорологических данных по значениям этих данных на двух или нескольких метеорологических станциях.

Под экстраполяциейпонимается нахождение предполагаемого значения характеристики за пределами области известных ее значений.

В зависимости от особенностей решаемой задачи синоптический метод имеет различные формы для краткосрочных и долгосрочных прогнозов.

Основные объекты синоптического анализа

Изменения гидрометеорологической обстановки связаны с атмосферной циркуляцией (совокупностью воздушных течений планетарного масштаба). Структурными элементами этой циркуляции являются барические системы, воздушные массы и атмосферные фронты. Эти элементы являются основными объектами синоптического анализа, поэтому они называются синоптическими объектами.

Барическими системами называются области пониженного и повышенного атмосферного давления, образующиеся в связи с неоднородностью распределения давления.

Совокупность барических систем образует барический рельеф.

Барические системы выявляются на картах погоды с помощью изолиний, называемых изобарами – линиями равного давления.

К областям повышенного давления относятся антициклоныигребни (отроги),

к областям пониженного давления относятся циклоны и ложбины.

ü Синоптические объекты являются носителями определенных типов погоды, а синоптический анализ этих объектов является ключом к пониманию изменений погоды и ее прогнозированию.

Сущность методов прогнозирования гидрометеорологической обстановки

Прогнозирование гидрометеорологической обстановки основывается на известных закономерностях возникновения и развития физических процессов и явлений на границе двух сред морской и воздушной. Эти физические процессы и явления определяют состояние гидрометеорологической обстановки (ГМО).

Прогнозирование ГМО относится к категории наиболее сложных и наукоемких информационных процессов, основывающихся на учете изменения состояния большого числа характеристик природной среды.

К этим изменениям относят группы факторов связанных с:

- циркуляционными процессами,

- трансформационными процессами,

- местными особенностями подстилающей поверхности.

К первой группе (циркуляционным процессам) относятся наиболее существенные непериодические изменения обстановки, связанные с циркуляционными факторами, т е. с развитием и перемещением циклонов, антициклонов, воздушных масс и атмосферных фронтов. Эти факторы являются основными при формировании состояния ГМО.

Вторая группа (трансформационные процессы) связана с трансформационными процессами, протекающими под воздействием подстилающей поверхности и изменения притока лучистой энергии Солнца в перемещающихся воздушных массах. Разновидностью трансформационных изменений являются периодические изменения (суточный и годовой ход характеристик ГМО).

К третьей группе (местным особенностям подстилающей поверхности) относятся особенности подстилающей поверхности, оказывающие влияние на формирование ГМО: морские течения, формирующие температуру поверхности воды, небольшие острова, конфигурация бухт и заливов и т. п.

В настоящее время существуют следующие методы краткосрочного прогнозирования:

- синоптический,

- численный (гидродинамический),

- физико-статистический.

§ Сущность синоптического метода заключается в разработке прогноза синоптического положения, т. е., перемещения и эволюции циклонов, антициклонов, воздушных масс и атмосферных фронтов, и прогнозирования условий погоды в этих объектах. Реализация данного метода осуществляется в следующих операциях обработки карт:

• На картах погоды определяются: барическое поле, положение барических центров, воздушных масс и состояние атмосферных фронтов, полей температуры, облачности, осадков и изоллабарическое поле (изменение барического поля).

• При сопоставлении последовательных карт выявляются тенденции в развитии синоптических объектов. На основании выявленных изменений определяются: направление, скорость перемещения и эволяция синоптических объектов.

• После определения будущего (на заданное время) местоположения синоптических объектов, определяется состояние факторов гидрометеорологической обстановки с учетом их суточного хода и влияния местных условий.

§ Сущность численного (гидродинамического) метода прогноза заключается в использовании уравнений гидродинамики и термодинамики для вычисления изменений во времени метеорологических величин по их начальным значениямна.

Например: метод прогнозирования изменения геопотенциальных высот H изобарических поверхностей (см.п.2.6) состоит из следующих этапов:

• первым этапом является получение прогностического уравнения, т.е., установление функциональной связи типа трехмерной функции:

(1.1)

где в первой части выражения содержатся значения метеорологических величин в различных точках карты (в узлах расчетной сетки) и значения производных этих величин, в том числе, по переменным x, y, z (или p). На основе прогностического уравнения разрабатывается рабочая схема численного прогноза с использованием специальных программ обеспечения;

• на втором этапе осуществляется расчет левой части уравнения (1.1) для каждого узла расчетной сетки с заданным временным шагом dt. При этом вводится предположение, что в течение времени dt значение

Выражение для расчета левой части на первом шаге имеет вид:

(1.2)

Аналогичным образом рассчитывается правая часть, содержащая в себе характеристику погоды А:

(1.3)

Если срок, на который составляется прогноз содержит в себе п шагов dt, то для расчета левой и правой частей выражения (1.1) на последнем шаге выражения (1.2) и (1.3) преобразуются:

(1.4)

(1.5)

По окончании расчетов для всех узлов сетки получается карта прогноза состояния поля метеорологической характеристики А на момент времени t, определяемый по формуле:

t = n · dt. (1.6)

Численными методами наиболее успешно прогнозируется поле давления.

§ Сущность физико-статистических методов прогнозирования заключается в применении методов теории вероятностей и математической статистики для выявления закономерностей атмосферных процессов.

Статистические методы основываются на обработке материалов статистических выборок прошлых лет для установления статистических связей и составления уравнений регрессии типа:

(1.7)

где А_t – значение прогнозируемой метеорологической характеристики (предиктанта) на момент времени t;

В_n – значения метеорологических характеристик (предикторов) в исходный момент времени;

а_n – весовые коэффициенты, определяющие весовой вклад каждого предиктора.

Наиболее сложной задачей является подбор уравнения регрессии, особенно, когда недостаточно ясна физическая природа факторов, влияющих на изменения предиктанта.

Уравнение регрессии, полученное на материале одной статистической выборки, может оказаться неудовлетворительным для другой выборки. Поэтому проверка установленных прогностических связей должна проводиться только на независимом материале, не вошедшем в исходную выборку.

_________________________________________________________

Примечание:

Предиктант (предиктанд) – в статистических методах прогноза – та величина (например: метеорологический элемент), значение которой в некоторый будущий момент времени определяется с помощью предикторов.

Предиктор(от англ. predictor - предсказатель) – прогностический параметр, средство прогнозирования.