книги из ГПНТБ / Дружинин, И. П. Космос - Земля. Прогнозы

Все это указывает на целесообразность использова­ ния условных вероятностей в прогнозной практике. Од­ нако надо иметь в виду, что они могут быть использова­ ны только в годы солнечных реперов. Общее количество таких лет около 7з. но они определяют, по современной оценке, около половины всех переломов хода земных процессов. На самом деле, как отмечалось выше, могут быть еще косвенно солнечнообусловленные переломы хода земных процессов, которые пока не учитываются.

120

Представляет интерес общая оценка количества лет, когда могут быть даны надежные прогнозы по предла­ гаемой схеме. Е сли отнести к числу надежных заверше­ ния трех- и двухлетней серий, а также завершения одно­ годичных серий в годы солнечных реперов, то окажется, что при прогнозах направления хода стока реки Унжи

было бы считать обязательным перелом хода процесса каждый год (допущение только одногодичных серий). В этом случае обеспеченность метода была бы несколь­ ко выше безусловной вероятности появления таких серий. Для рек Унжи и Нила и миграций широты цент­ ра Исландской депрессии она была бы соответственно равной 76, 75 и 79%, что показывает целесообразность даже столь упрощенного прогноза. Включение же в схему прогноза связей резких изменений солнечной ак­ тивности и переломов многолетнего хода природных про­ цессов на Земле увеличивает эту обеспеченность в рас­ сматриваемых примерах соответственно на 11—15%, что весьма заметно повышает надежность прогноза.

Экономическая эффективность практического исполь­ зования предлагаемого приема качественного прогнози­ рования показана выше, на примере установления срока пуска Красноярской ГЭС на Енисее.

Во многих других случаях этот прием также может оказаться весьма эффективным, что делает целесообраз­ ным его дальнейшую разработку как для различных районов, так и для различных процессов.

Однако этот прием прогнозирования обеспечивает лишь качественный прогноз'. И не во все годы. Поэтому не вызывает сомнения необходимость разработки других методов долгосрочных прогнозов.1

1 Возможность количественных оценок прогнозируемых величин показана выше (гл. 1).

4

Цикличность многолетних колебаний атмосферной циркуляции, осадков и стока рек

Исследование цикличности колебаний гидрометеорологи­ ческих элементов и других природных процессов про­ водится многими авторами с давних пор. Выполнено огромное количество работ. Накоплен очень интересный и важный, но зачастую противоречивый материал. В по­ следние годы этому вопросу также уделяется много внимания, что объясняется не только его актуальностью, но и появившимися новыми возможностями. Широкое распространение в последние годы электронных вычис­ лительных машин позволяет, во-первых, применить более строгие современные методы для выявления скрытых периодичностей (авто- и взаимнокорреляционные функ­ ции, спектральные плотности, методы периодограмманализа и др.), требующих огромного объема вычисле­ ний, и, во-вторых, провести широкий территориальный анализ со взаимной увязкой результатов по многим про­

процессы живой природы и др.). Успехи геофизики и космических исследований также дают основание для более углубленного изучения целого ряда явлений, а в ряде случаев для их нового освещения.

Мы не будем вдаваться в детали и особенности раз­ личных процессов, а коротко рассмотрим методические основы современных исследований цикличности и обоб­ щенные результаты некоторых из них. Затем коснемся также главного вопроса всей проблемы цикличности — природы отдельных циклических составляющих.

Современные методы выявления цикличности

Для изучения цикличности (неправильной периодич­ ности) колебаний природных процессов используются различные методы. К первой группе могут быть отнесе-

122

ны так называемые методы визуальных оценок: графики исходных реализаций, скользящие средние, разностные интегральные кривые и др. Ко второй группе относятся относительно объективные методы анализа временных рядов: автокорреляционная и взаимнокорреляционная функции, спектральные плотности, показатели когерент­ ности, различные методы периодограмманализа.

Методы первой группы используются весьма широко и не утратили своего значения до настоящего времени. Ыо более объективные результаты получаются с помо­ щью методов второй группы.

К числу наиболее наглядных относятся автокорре­ ляционные функции, характеризующие связь (в виде коэффициента корреляции) между членами одной и той же последовательности (ряда, реализации) при каждом временном сдвиге (промежутке времени) между ними. В тех случаях, когда в исходной реализации имеется выраженная периодическая составляющая, автокорреля­ ционная функция также периодична и имеет тот же период. Это делает ее удобным аппаратом для разыс­ кания скрытых периодичностей [43, 77, 79].

На рис. 26 в качестве примера приведены несколько автокорреляционных функций с доверительными уров­ нями, свидетельствующими в данном случае о неслучай­ ности соответствующих циклических составляющих. Эти примеры относятся к объектам с относительно неслож­ ным набором циклических составляющих и оказывают­ ся весьма четкими.

В более сложных условиях такая четкость достигается редко. Это происходит главным образом потому, что автокорреляционная функция чувствительна к искажаю­ щему влиянию короткопериодических (случайных и не­ случайных) составляющих. Поэтому иногда оказывается необходимой предварительная обработка исходных дан­ ных (скользящее и нескользящее осреднение, фильтра­ ция и др.), чтобы избавиться от искажений.

Последнее следует иметь в виду как при использо­ вании автокорреляционных функций непосредственно для исследования многолетних колебаний природных процес­ сов, так и при построении спектральных плотностей, базой которых являются те же автокорреляционные функции.

Спектральные плотности имеют большую разреша­ ющую способность, особенно в сложных случаях.

123

Как известно, спектром колебательного процесса называется функция, описывающая распределение амп­ литуд по различным частотам. Спектр показывает, ка­ кого рода колебания преобладают в данном процессе, какова его внутренняя структура.

Анализ временных рядов природных процессов обыч­ но проводится с использованием приемов спектрального

г.г>

Рис. 26. Автокорреляционные функции годового стока рек: Невы у

описывает распределение дисперсии (рассеяния) исход­ ной реализации по различным частотам. Иными слова­ ми, спектральные плотности временного ряда показыва­ ют, на какие частоты приходится основная часть измен­ чивости (мерой изменчивости и является дисперсия) значений исходной реализации.

Для чисто случайного процесса характерно постоян­ ство спектральных плотностей при всех частотах («белый

124

шум»). Если во временном ряде содержится синусоида, то спектр будет иметь четко выраженную вершину на соответствующей длине волны. Если имеет место цик­ личность (неправильная периодичность), то спектр по­ кажет это относительно широким бугром, и т. д.

Рис. 27. Характеристики структуры многолетних колебаний

Руководство по применению спектральных плотнос­ тей для анализа временных рядов опубликовано Всемир­ ной метеорологической организацией («Climatic change».

125

работанным еще в 1898 г. [34]. Этот метод нашел до­ вольно широкое применение для выделения скрытых периодичностей.

Спектральные плотности имеют преимущество в том, что они позволяют провести оценку достоверности по­ лучаемого с их помощью результата с различными уров­ нями доверительных вероятностей. Но спектр не дает никакой информации о фазе колебаний. Зато и фаза и амплитуда колебаний хорошо устанавливаются методом А. Шустера. Именно поэтому появилось предложение использовать эти методы совместно, что обеспечивает, во-первых, хороший взаимный контроль, а во-вторых, позволяет получить все необходимые величины. Такая комбинация использовалась и в настоящей работе.

Практическое использование этих методов возможно только при условии применения электронно-вычисли­ тельных машин. Кроме того, в связи с относительно ма­ лой длительностью рядов натурных наблюдений они пригодны лишь для выявления коротко- и среднепери­ одических составляющих. Для изучения вековых и сверх­ вековых циклов необходимы, как правило, другие ме­ тоды.

Недостаточны эти методы и для выявления природы отдельных циклических составляющих.

Их главным назначением является предварительный анализ «теоремы существования» цикличностей, так как они позволяют относительно быстро и довольно уве­ ренно выявить наличие наиболее четких циклических составляющих, если таковые содержатся в анализируе­ мом временном ряду. Они не требуют никаких допол­ нительных сведений, кроме наблюденных показателей самого процесса. Это очень важно, так как позволяет начать исследование без какой-либо предварительно разработанной гипотезы и наперед сформированного представления исследователя, что, безусловно, способст­ вует его объективности.

Но эти методы далеко не всегда достаточны для окончательного доказательства «теоремы существования» цикличностей. Они, например, часто оказываются бес­ сильными, когда имеет место существенное изменение фазы колебаний определенной составляющей где-нибудь в середине рассматриваемого отрезка времени или когда эта составляющая появляется на некоторое время, а затем исчезает и т. д. Как уже отмечалось (гл. 2) и

126

будет показано далее, такие случаи наблюдаются в реальных условиях довольно часто. В этих ситуациях целесообразны дополнительный анализ и специфичес­ кие приемы применения тех же методов. Но окончатель­ ное доказательство существования циклических состав­ ляющих, их значимости, условий появления и исчезно­ вения (в результате взаимодействия многих факторов) в конкретных физико-географических районах и т. д. могут обеспечить только генетические методы, раскры­ вающие механизмы передачи влияний различных фак­ торов на рассматриваемый процесс, их наложение, взаимодействие и т. д.

Изученность этой проблемы в настоящее время та­ кова, что можно говорить пока главным образом о пред­ варительном доказательстве существования отдельных составляющих циклических колебаний, хотя имеются уже отдельные попытки дать их генетическое обоснова­ ние.

Ниже дается краткая характеристика современной изученности проблемы цикличности колебаний некото­ рых земных процессов и показана одна из попыток выявления природы отдельных составляющих.

Как отмечалось, имеется целый ряд внешних по отно­ шению к земным процессам факторов, которые могут оказать влияние на их многолетний ход. Предстоит выяс­ нить циклические составляющие, которые могут возник­ нуть под влиянием солнечной активности, приливообра­ зующих сил, миграций оси вращения Земли и т. д. [127, 128, 167]. Другие составляющие могут возникнуть и каким-то другим, еще не известным нам путем. Имен­ но поэтому прежде всего необходим объективный пред­ варительный анализ многолетних колебаний природных процессов на Земле и объективная характеристика сос­ тавляющих этих колебаний в различных районах земной поверхности.

Цикличность атмосферной циркуляции и колебаний речного стока

Под атмосферной циркуляцией понимается система движений атмосферного воздуха в масштабе всего зем­ ного шара (общая циркуляция атмосферы), или боль-

127

шей его части (часть общей циркуляции атмосферы), или над небольшой площадью земной поверхности (местная циркуляция). Это понятие относится как к мгновенному состоянию, так и к условиям, осредненным за какой-либо отрезок времени.

Наиболее разработанными в настоящее время явля­

барнко-циркуляцпониые характеристики Л. А. Вительса и А. Л. Каца.

К числу основных факторов, которые должны учи­ тываться при типизации атмосферных процессов, отно­ сятся [57]:

1)неравномерность распределения тепловой энергии на земном шаре;

2)вращение Земли;

3)неравномерность распределения и нагревания суши и моря и орографические особенности подстилаю­ щей поверхности;

4)циклоническая деятельность на тропосферных фронтах как один из механизмов общей циркуляции атмосферы, обусловливающий междуширотный обмен массой и энергией, а также как механизм, способствую­ щий преобразованию потенциальной энергии в кине­ тическую;

5)солнечная активность и другие космосо-геофизи­ ческие факторы.

По типизации, названной именами ее создателей — Г. Я. Вангенгейма и А. А. Гирса, северное полушарие разделяется на два сектора — атлантико-европейский и тихоокеано-американский. В каждом из них выделены по три основных формы циркуляции атмосферы, харак­ теризующие условия именно данного сектора. В первом

системы алеутского минимума смещаются на северовосток и, огибая с севера американский антициклон, уходят на юго-восток.

Для характеристики циркуляционных условий сразу на всем северном полушарии служат девять типов мак­

128

ропроцессов, которые могут также рассматриваться как разновидности основных форм первого сектора: W3— зональные переносы в обоих секторах; Wmi— зональные переносы в первом секторе и меридиональные первого типа во втором; Wm3— зональные в первом и меридио­ нальные второго типа во втором; аналогично Е3, ЕМь Емг, С3, Смл, Смъ учитывающие одновременность про­ цессов в первом и втором секторах. Соответствующие количественные показатели по всем формам циркуляции первого сектора за 1891—1968 гг., второго сектора и по полушарию в целом за 1900—1968 гг. имеются в книге А. А. Гирса [57].

Здесь мы обратим внимание лишь на результаты анализа структуры многолетних колебаний повторяемос­

две группы (табл. 13). К первой группе (верхняя часть табл. 13) условно отнесены такие, спектры которых отчетливо выделяют основные (преобладающие) циклы:

14-15-летние; Смх — 3- и 8-летние. Все они имеют высо­

циклы не обнаруживаются, хотя многие из них статис­ тически достоверны.

Самыми распространенными и достоверными явля­ ются циклы 2—2,8 года, а также 3—3,3 и 3,5—4,8 года.

Типизация Б. Л. Дзердзеевского [66] основана на классификации атмосферных процессов по всему север­ ному полушарию с одновременным отображением их протекания в шести секторах; Атлантическом, Европей­ ском, Сибирском, Дальневосточном, Тихоокеанском и Американском. Основными формами циркуляции явля­ ются зональная (широтная) западная, меридиональная (долготная) северная и меридиональная южная. Но для более детальной Характеристики атмосферных про­ цессов установлено еще несколько обобщенных групп — от пяти до девяти в разных секторах. (Материалы мете­ орологических исследований. Циркуляция атмосферы.

М. 1970).

Особенности выявившейся цикличности представлены