4.2. Теоретические основы разделения прогнозов по времени действия

Теоретический подход к определению прогнозов по продолжи­тельности действия позволяет установить, к какому виду продол­жительности относятся разрабатываемые прогнозы, если известна эмпирическая корреляционная функция R_x (t_lf t₂) данной метеоро­логической величины. Следуя Г. В. Грузе, запишем ее в виде

К (*!, Ч) = №) - )] • [X(t₂) ■- X(t_a)],

где X(tj) и X(t₂) — случайные значения выбранной метеорологиче­ской величины X в два последовательных момента времени t_x и t₂; X(t_x) и X(t₂) —математические ожидания случайной величины в соответствующие фиксированные моменты времени.

Наряду с этим используется формула (5.1).

(4.1)

Анализ корреляционной функции (рис. 4.1) позволяет устано­вить связь одной и той же метеорологической величины через опре­деленные интервалы времени. На этом основании выделяются про­гнозы по периоду действия.

Рис. 4.1. Классификация прогнозов по продолжительности дейст­вия. По Г. В. Грузе.

Период времени, в течение которого корреляционная функция убывает в два раза, называется радиусом инерции т„„. Инерционный прогноз, выдаваемый на этот период, будет более успешным, чем климатологический, предусматривающий прогноз нормы (среднего).

Период времени, в течение которого корреляционная функция убывает до нуля (R_x (*„ t₂) = 0), называется радиусом корреляции

(^кор)"

Разность временных периодов (г_кор- r_m) показывает тот отрезок времени, в течение которого корреляционные связи отражают наи­более успешные прогнозы по сравнению с инерционными. Согласно исследованиям Г. В. Грузы и Э. Я. Раньковой, установлена сле­дующая естественная классификация прогнозов по продолжитель­ности действия: краткосрочные прогнозы К_пр — на сроки меньше радиуса инерции (г_кр < ?;,„), среднесрочные С_пр — на сроки больше радиуса инерции и меньше радиуса корреляции (г_ин < г_ср < г_кор) и долгосрочные Д_пр — на сроки больше радиуса корреляции (г_дол >г_кор).

4.2.1. Сверхкраткосрочные прогнозы

Это прогнозы малой заблаговременности и малой продолжи­тельности локальных условий погоды. Сверхкраткосрочный про­гноз, включая наукастинг (описание текущей погоды и ее прогноз на 0—2 ч), как правило, используется на ограниченной территории при выполнении работ, которые требуют строго избирательной по­годы. Прогнозы такого вида разрабатываются по аэродрому, по космодрому (на момент пуска ракет), по территории специального строительства, по сельскохозяйственному опытному полю (на время особых агротехнических работ), по территории проведения спор­тивных мероприятий и т. п.

Локальная погода формируется под влиянием мезомасштабных особенностей метеорологических полей на фоне процессов синопти­ческого масштаба. Возникающие при этом микровозмущения про­являются в виде многих кратковременных опасных явлений пого­ды: ливней, гроз, шквалов, вертикальных сдвигов ветра, резких понижений температуры, снежных зарядов и др. Пространственно- временной масштаб этих возмущений исчисляется несколькими километрами (а то и сотнями метров) и минутами.

Для успешного их обнаружения и прогноза требуется большой объем метеорологической информации высокого пространственно- временного разрешения. Сбор, усвоение и переработка ее могут вы­полняться высокоэффективным комплексом ЭВМ.

Явления погоды мезомасштабного происхождения представля­ют большую опасность для потребителей. Многочисленные хозяй­ственные и другие мероприятия имеют широкий спектр ограниче­ний при их выполнении в малых отрезках времени. Такие ограни­чения хорошо известны для авиации.

Интенсивные мезометеорологические процессы и опасные явле­ния погоды отмечаются в горных районах, на границе суша—море, в орографически сложной береговой зоне. Прогнозы такого класса требуют обстоятельной научной базы.¹

4.2.2. Краткосрочные прогнозы

Краткосрочные прогнозы (от 12 до 48 ч) имеют очень широкое применение в хозяйственной и социальной практике. Под прогнозом погоды понимается количественное и качественное описание погод­ных условий. Ожидаемые синоптические процессы, которые вызы­вают эту погоду, фиксируются синоптиком отдельно и могут быть предметом дополнительного анализа в случае ошибочного прогноза.

Период действия прогноза, как и его заблаговременность (пери­од времени от момента передачи его потребителю до начала осуще­ствления), устанавливается потребителем. Выбор этого периода диктуется подготовкой производственных операций, требующих заданного отрезка времени. Производственная операция затем мо­жет выполняться в стационарных условиях или при смене местопо­ложения объекта обеспечения.

Прогнозы погоды по пункту, территории и трассе имеют свою специфику реализации, которая связана с различными стационар­ными видами работ и транспортными задачами потребителей. Тер­риториальное разделение краткосрочных прогнозов обусловлено как разобщенностью по площади, так и концентрацией производст­ва, а также другими особенностями повседневной производственной деятельности.

Краткосрочные прогнозы специализированного назначения обычно разрабатываются на сутки. Стандартными приняты соот­ветственно интервалы времени от 18 до 06 ч и от 06 до 18 ч. Однако потребитель может предложить иные часы начала и окончания по­лусуточных прогнозов.

Полусуточные прогнозы содержат количественные указания об экстремальных температурах на ночь и день, преобладающих на­правлении и скорости ветра.

' Теоретическая проработка этого вида прогнозов дана в учебном пособии И. Н. Ру­сина и Г. Г. Тараканова „Сверхкраткосрочные прогнозы погоды" (СПб.: РГГМУ, 1996).

Краткосрочные прогнозы по согласованию с потребителями мо­гут содержать:

1. более частые указания прогностических значений метеороло­гических величин или описаний погоды внутри полусуточного или суточного интервала времени;

2. особенность погоды в региональных условиях (для промыш­ленных объектов в горных, прибрежных и других особых геогра­фических районах);

3. графическое или картографическое описание хода предстоя­щей погоды в целях более полного использования этой информации в планируемых краткосрочных хозяйственных действиях.

4.2.3. Среднесрочные прогнозы

В хозяйственной практике наряду с краткосрочными прогноза­ми широко применяются прогнозы на средние сроки 3—10 дней. В основном это прогнозы температуры воздуха и осадков. Средне­срочные прогнозы основаны на известных закономерностях разви­тия крупномасштабных синоптических процессов, охватывающих целые полушария. Ожидаемое развитие синоптических процессов на прогнозируемый период интерпретируется в терминах элементов погоды.

До периода разработки и внедрения гидродинамических мето­дов применялся синоптико-статистический способ прогноза погоды на 3 сут, аномалий температуры воздуха на 10 сут и количества осадков на 5 сут.

В дальнейшем при разработке прогноза на 3 сут использовался комплексный подход учета гидродинамического и синоптического прогнозов атмосферной циркуляции. Прогноз погоды разрабаты­вался на основе хода погоды в аналогах и выдавался в виде карт- схем с указанием направлений перемещения барических образова­ний, зон повышения и понижения приземной температуры воздуха, районов развития гроз, туманов и других явлений погоды.

Декадные аномалии приземной температуры воздуха определя­лись на основании индексов зональной и меридиональной цирку­ляции в атлантико-евразийском секторе. Успешность таких про­гнозов была удовлетворительной (В. И. Воробьев, 1977):

Величина	Прогнозы
	методические	инерционные
Оценка по знаку	0,46		0,23
Абсолютная ошибка	2,5		3,3
Относительная ошибка	0,88		1,16

В настоящее время развиваются как физико-статистические мо­дели среднесрочного прогнозирования, так и гидродинамические. В численные модели включаются уравнения, описывающие условия образования и развития приземных циклонов, антициклонов и ат­мосферных фронтов. Интерпретация погоды выдается по конечно­му результату — характеристике барического поля у земли и на высотах — на основе статистических уравнений, отражающих син­хронные связи барического поля и условий погоды.

Использование, в частности, регрессионного и дискриминантно- го анализа позволяет установить не только вид, но и количествен­ную меру тесноты связи предиктанта (ожидаемых значений метео­рологических величин) и предиктора (численных характеристик макромасштабных синоптических полей). Для этого используется архив фактических значений метеорологических величин в пунк­тах прогнозирования и прогностических полей макроциркуляции за длительный период (3—7 лет).

К настоящему времени внедрены в практику гидродинамические модели среднесрочных прогнозов погоды. Продукцией таких прогно­зов являются прогностические синоптические поля с удовлетвори­тельной оправдываемостью на 6—7 сут (П. П. Васильев, Е. Л. Ва­сильева).

В лаборатории среднесрочных прогнозов погоды Гидрометцен­тра России разрабатываются прогнозы минимальной и максималь­ной температуры воздуха по дням до 7 сут по всей территории Рос­сии. Для этой цели используется ряд потенциальных предикторов, на основании которых составляется регрессионное уравнение. Та­ким образом, среднестатистическая модель строится для каждой точки и даты прогноза.

Детализированный прогноз приземной температуры воздуха по дням до 5 сут уже широко применяется в народном хозяйстве.

Метод прогноза средней за декаду температуры воздуха исполь­зуется по всей территории России. Прогноз осредненных значений температуры воздуха дается в аномалиях. Разрабатывается метод прогноза суточных сумм осадков по дням также по всей территории России.

Оперативные прогнозы передаются из Гидрометцентра России во все УГМС страны, в том числе и на территории СНГ.

4.2.4. Долгосрочные прогнозы

В последние десятилетия XX в. проводилось усиленное изуче­ние процессов общей циркуляции атмосферы и были разработаны новые методы долгосрочного прогнозирования погоды. Объектом долгосрочных метеорологических прогнозов, как правило, являют­ся не все характеристики и явления погоды, а лишь осредненные во времени и пространстве значения температуры воздуха и количест­ва осадков.

К долгосрочным прогнозам относятся прогнозы на месяц, сезон. В основу оперативной разработки таких прогнозов положены си­ноптические методы прогноза атмосферных макропроцессов. Ис­пользование ЭВМ позволило привлекать большие объемы архивно­го синоптического материала.

При разработке долгосрочных метеорологических прогнозов привлекаются такие характеристики атмосферы, как центры дей­ствия атмосферы, естественный синоптический район и другие.

Месячные прогнозы разрабатываются на основании установле­ния ритмичности макропроцессов. В качестве основного признака выявления ритмов принимается реперный ультраполярный процесс (перемещение на юг или юго-запад усиливающегося хорошо выра­женного антициклона, сформировавшегося в арктическом воздухе).

Были установлены правила повторяемости реперных ультрапо­лярных процессов и прогностические указания. Прогноз разраба­тывается на основании подбора аналогичных процессов в прошлом. Применяемый в долгосрочных прогнозах метод аналогов пока не дает хороших результатов. Как показывают ориентировочные оценки (Н. А. Багров), требуется ряд наблюдений около 400 лет, чтобы подобрать группу более или менее хороших аналогов для средних месячных величин.

В 1963 г. в Гидрометцентре СССР начали выпускать официаль­ные сезонные прогнозы.

При разработке сезонных прогнозов использовался метод Муль- тановского—Пагавы (1960—1970-е годы) с уточнением его в после­дующие годы. Методические приемы при этом содержат выявлен­ную последовательность развития синоптических процессов на ос­нове полей Н₅₀₀. Используется экстраполяция особенностей нети­пичных синоптических процессов как предвестников, формирую­щихся в текущем естественном синоптическом сезоне.

Прогноз выдается в виде аномалий температуры и количества осадков. Кроме того, в прогнозе указываются периоды резких по­холоданий и потеплений, а также дефицита и избытка осадков. Тем самым разрабатываются важные для народного хозяйства прогнозы таких сезонных явлений, как атмосферная засуха, избыточное ув­лажнение, оттепели, сильные морозы и устойчивые переходы сред­несуточной температуры воздуха через 0 и ± 5 °С весной и осенью.

При разработке прогноза на 3—5 месяцев на основе макроциркуля- ционного метода Вангенгейма—Гирса (сейчас метод ААНИИ) ис­пользуются закономерности преемственности форм атмосферной циркуляции W (западной), Е (восточной) и С (меридиональной). Дополнительно используются аналоги циркуляции прошлых лет как по внешним, так и по генетическим признакам.

Прогноз представляется в виде серии карт аномалий средней месячной температуры воздуха, среднего месячного давления и преобладающих направлений ветра.

Метод используется для составления долгосрочных метеороло­гических прогнозов по полярным районам.

Однако ни один из существующих методов не обеспечивает ус­тойчивой высокой оправдываемости характеристик погоды в сезон­ном прогнозе.

Экономическая ценность среднесрочных и особенно долгосроч­ных прогнозов исключительно велика в хозяйственном планирова­нии. В сельскохозяйственном производстве они используются для планирования и выбора технологий ухода за сельскохозяйственны­ми культурами; в энергетике — в целях регулирования энергетиче­ских нагрузок и возможных перераспределений энергетических ресурсов; в транспортной системе — для разработки и заблаговре­менного осуществления комплекса мероприятий и т. п. Их эконо­мическая полезность значительна и в планировании сбыта сельско­хозяйственной продукции сезонного назначения.