ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ЗАМЕРЗАНИЯ РЕК 7
1.1 Методы, применяемые для прогноза замерзания рек 7
1.2 Использование морозодней в прогнозах ледовых явлений 10
1.3 Система ансамблевого прогнозирования 14
1.4 Основные виды прогностической продукции 28
2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 38
2.1 Характеристика бассейна реки Северная Двина 38
2.2 Особенности гидрологического режима реки Северная Двина 40
3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АНСАМБЛЕВОГО ПОДХОДА ДЛЯ СИНОПТИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ 42
3.1 Принцип подбора аналогов циркуляции к текущим макросиноптическим процессам .. 42
3.2 Представление прогнозов по групповому аналогу в терминах ансамблевого прогноза 44
4. МАТЕРИАЛЫ И БАЗЫ ДАННЫХ 46
4.1 Район исследования 46
4.2 Программное обеспечение 46
4.3 База данных 47
4.4 Статистические методы обработки данных 49
АНАЛИЗ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 54
5.1 Проверка корреляционной связи между фактическими данными и данными
реанализа. 54
5.2 Средние суммы морозодней 60
5.3 Прогноз замерзания с использованием сумм морозодней по синоптическому методу. 63
5.4. Прогноз замерзания с использованием сумм морозодней по ансамблевому методу .... 79
5.4.1 Прогноз на 2020 80
5.4.2 Прогноз на 2021 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
Список литературы 101
Речной лед играет фундаментальную роль в биологических, химических и физических процессах, определяющих пресноводный режим холодных регионов. От эффективности прогнозирования ледового режима крупных рек зависит экономическое благосостояние ближайших районов, а зачастую и безопасность населения. В Российской Федерации, где на большей части крупных рек ежегодно формируется ледостав, прогнозирование состояния льда особенно важно.
Для определения эффективной гидрологической стратегии в осенне - зимний период необходимо своевременное получение информации не только о текущем состоянии водных объектов, поступающей с гидрологических постов, но и информации о будущем состоянии речных бассейнов. Чем выше заблаговременность такой информации, тем эффективнее могут быть принятые меры. Таким образом, для прогнозирования развития гидрологических процессов наиболее перспективны долгосрочные прогнозы.
К числу наиболее важных характеристик осенних ледовых явлений относятся сроки появления постоянного ледостава. В последние годы увеличилась повторяемость теплых сезонов осени и предзимья, а процесс ледообразования часто носит затяжной характер. В таких условиях большое значение имеет прогноз сроков устойчивого появления льда и дат установления ледостава.
Еще совсем недавно задача долгосрочного прогноза решалась только на основе эмпирических методов, которые опираются на анализ данных наблюдений за прошедший период и в той или иной степени являются прогнозом по аналогу [1]. В них так же используются статистические связи между прогнозируемыми переменными и предикторами, дальние связи, цикличность временных рядов. Быстрый прогресс вычислительной техники и развитие гидродинамического моделирования позволили перейти к решению задач долгосрочного прогноза на основе использования глобальных моделей атмосферы и океана.
Но на современном уровне качество эмпирического и гидродинамического методов пока оказывается близким. Успешность прогнозов по обоим методам во внетропических широтах остается недостаточно высокой [1]. Однако в будущем, преимущество остается на стороне гидродинамического подхода. Эмпирические методы, базирующиеся на ограниченных выборках данных наблюдений, учитывают лишь небольшую часть влияющих факторов. Обнаруженные ими связи оказываются неустойчивыми во времени и непригодны для прогнозирования нестационарных процессов.
Современные гидродинамические модели учитывают значительно большее количество факторов и опираются на физические законы. Они также имеют ограничения, связанные с недостаточным пространственным разрешением модели и неполнотой исходных данных, что приводит к ошибкам моделей и сказывается на качестве прогнозов.
За последние два десятилетия в прогнозировании погоды произошел сдвиг парадигмы в сторону вероятностных прогнозов, которые принимают форму распределения вероятностей относительно будущих погодных величин и событий. Вероятностные прогнозы позволяют принимать оптимальные решения для многих целей, включая управление воздушным движением, маршрутизацию судов, сельское хозяйство, производство электроэнергии и финансирование погодных рисков.
...
В данной работе была рассмотрена возможность разработки долгосрочного прогноза появления устойчивого ледостава для реки Северная Двина
Было установлено следующее:
• Данные реанализа температуры на 2 метрах, разрабатываемых по модели GFS с шагом сетки 1х1 градус хорошо коррелируют с данными наблюдений. Статистический анализ установил, что существует сильная корреляционная связь между температурой на гидрологических постах Архангельск и Великий Устюг и данными реанализа. Для устья реки она составила +0,9, для истока - +0,7.
• Данные реанализа подходят для расчета средних сумм морозодней для устья реки Северная Двина - разница между средними накопленными температурами к моменту установления ледостава по фактическим данным и данным реанализа составила 8,9 градусов. Однако, использование данных реанализа для расчета средних сумм морозодней для истока является некорректным - при сравнении средних накопленных отрицательных температур, была выявлена значительная разница между морозоднями по фактическим данным и данным реанализа. Она составила 161 градус.
Прогноз по синоптическому методу с использованием лет гомологов как членов ансамбля показал следующие результаты:
1) Средняя ошибка прогноза по ансамблю лет-гомологов составляет для устья 14 дней и 29 дней для истока после уточнения прогноза по картам географического распределения сумм морозодней
1) Ошибка прогноза для устья меньше, чем для истока. Минимальная ошибка составила 0 дней для поста Архангельск и 12 дней - для Великого Устюга.
1) В годы с наибольшей ошибкой прогноза (2008, 2015, 2018 для устья и 2008, 2009, 2011, 2012 и 2017 для истока), максимально составившей 44 дня для обоих участков реки, по данным о ледовых явлениях, полученных с гидрологических постов, наблюдалось неустойчивое, аномально раннее/позднее замерзание, обусловленное сложными синоптическими и гидрологическими условиями, когда установление и сход льда происходил неоднократно.
2) Важно отметить, что при исключении лет с экстремальными условиями замерзания, приводившими к неустойчивому замерзанию, средняя ошибка прогноза сокращается, и составляет 10 дней для устья и 13 дней для истока
2) Прогноз может быть использован для построения карт среднесуточных сумм морозодней для прогноза географического распределения областей устойчивого ледостава. В данной работе построенная прогностическая карта географического распределения сумм морозодней показала результат близкий к фактическому при сравнении карт льда с данными о фактическом замерзании
6) Для того, чтобы предложенный подход был статистически значим, необходимо проводить дальнейшую серию экспериментов с проверкой прогнозов на историческом материале.
...
