Метод прогноза заморозков для административных районов Новосибирской области
заблаговременностью 1-5 суток


Общие сведения

Заморозки - одно из опасных явлений погоды, которое может нанести значительный ущерб экономике и, в частности, сельскому хозяйству. Основной причиной формирования заморозков является эффективное излучение, представляющее собой разность между излучением поверхности почвы и противоизлучением атмосферы, проявляющееся особенно сильно в ясные тихие ночи. В зависимости от условий возникновения заморозки разделяются на три типа:
- адвективные - обусловленные вторжением холодного воздуха, имеющего отрицательную температуру;
- радиационные - образовываются в результате радиационного охлаждения приземного слоя воздуха на вторую или третью ночь после вторжения холодной воздушной массы;
- адвективно-радиационные - возникают вследствие радиационного охлаждения почвы и приземного слоя воздуха в первую ночь после вторжения холодного воздуха.

Заморозки, как явление, отмечаются при вполне определенных синоптических процессах. Обычно, это антициклон или его гребень, сформировавшийся в арктическом воздухе, либо в тыловой части циклонического вихря. Заморозки наблюдаются и в седловине или в области размытого барического поля при тихой малооблачной погоде, способствующей сильному охлаждению воздуха и температуры поверхности почвы. Наиболее опасны майские заморозки, которые могут достигать большой интенсивности и охватывать значительные территории, создавая в период вегетации угрозу развитию сельскохозяйственных и овощных культур. Однако эти заморозки из-за коротких ночей не продолжительны. Более продолжительны осенние заморозки, в связи с возрастанием ночного промежутка времени, которые также могут нанести значительный ущерб в период уборочных работ.


Краткое описание метода прогноза

Специалистами ГУ «Си6НИГМИ» был разработан метод и технология расчета прогноза заморозков для административных районов Новосибирской области заблаговременностью 1-5 суток. Эта работа явилась продолжением исследований по созданию детализированных методов прогнозов метеорологических элементов и явлений погоды на средние сроки (до пяти суток).

Прогностическая схема расчета заморозков основана на сочетании логических правил распознавания образов и количественных решений по статистическим уравнениям. Ступенчатая детализация анализа условий образования заморозков по пространству (область-район-станция) повышает устойчивость полученных решений. Метод расчета прогноза заморозков состою из следующих блоков:
- построение решающих логических правил, основанных на учете условий образования заморозков при разных синоптических ситуациях;
- анализ величин прогностической минимальной температуры воздуха в каждом пункте области, полученной по физико-статистической схеме ГУ «СибНИГМИ», и прогностической температуры воздуха у поверхности земли в узлах сетки 2,5°х2,5° по модели метеорологического центра Великобритании – UKMO;
- расчет температуры почвы на базе полученных связей с температурой воздуха по выборке для аналоговых ситуаций.


Реализация метода

Метод среднесрочного прогноза заморозков по административным районам Новосибирской области функционирует в единой оперативной технологии, включающей применяемые в оперативной практике Гидрометцентра ГУ «Новосибирский ЦГМС-РСМЦ» методы среднесрочных прогнозов температуры воздуха и осадков.
Исходной информацией для расчетов прогнозов заморозков явилась прогностическая продукция (прогнозы давления у поверхности земли, геопотенциала на АТ-500 гПа и температуры воздуха на АТ-850 гПа) ЕЦСПП и РСМЦ Эксетер, поступающая в коде GRIB, а также исходные фактические значения экстремальной температуры воздуха и почвы по данным наблюдений гидрометеорологических станций Новосибирской области. Исходные данные для прогноза заморозков используются из базы данных ГИС-Метео.


Результаты оперативных испытаний

Оперативные испытания нового метода прогноза заморозков проводились в Гидрометцентре ГУ «Новосибирский ЦМС-РСМЦ» по материалам наблюдений в период с мая по сентябрь 2006-2007 гг.
Оценка прогнозов заморозков проводилась в соответствии с рекомендациями действующего «Наставления по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения» (РД 52.88.629-2002) и «Методическими указаниями по проведению производственных испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов» (РД 52.27.284-91). Для оценки использовались ежедневные метеорологические сведения об экстремальной температуре воздуха и температуре почвы по станциям Новосибирской области, привлеченным к оценке оперативных прогнозов. Эти данные поступают в Гидрометцентр по коду КН-01.

Методические и оперативные прогнозы рассчитывались по 29 станциям Новосибирской области. Оценка прогнозов заморозков на 1-5 суток проводилась в автоматическом режиме, сравнительная оценка прогнозов - вручную. За период испытания было рассчитано 262 прогнозов заморозков для станций территории Новосибирской области на 1-5 суток. Полученные результаты приведены в таблицах 1-8.

Из данных таблицы 1 видно, что общая оправдываемость прогнозов заморозков по области в среднем за 5 суток составила 84,3 %. Прогнозы отсутствия явления имели оправдываемость 91,3 %. А такие показатели успешности как оправдываемость наличия явления и предупрежденность случаев с явлением оказались в пределах 30 %. Из таблицы также видно, что с увеличением заблаговременности прогнозов все показатели успешности имеют тенденцию к понижению. Так, например на первые сутки общая оправдываемость прогнозов заморозков составляет 90,4 %, а на пятые - 81,3 %; оправдываемость прогнозов наличия явления от первых суток к пятым снижается на 39 %, а предупрежденность опасного явления с увеличением заблаговременности снижается с 62 % до 10 %.

Анализ оправдываемости методических и оперативных прогнозов на первые сутки показал, что за период оперативных испытаний более удачными по всем показателям успешности были прогнозы у синоптиков (таблица 2). Общая оправдываемость прогнозов и прогнозов отсутствия явления в оперативных прогнозах была выше на 1-2 %, а прогнозов наличия явления - на 30 %. Предупрежденность заморозков, а их за период испытания на первые сутки было отмечено 67 случаев, составила у синоптиков 84,6 %, а по новому методу несколько ниже - 62,1 %.

Проведенный анализ оправдываемости прогнозов заморозков по месяцам (таблица 2) позволил выявить некоторое преимущество оперативных прогнозов практически по всем месяцам. Некоторым исключением явился май, когда предупрежденность майских заморозков казалась более чем на 15 % выше по новому методу, чем у синоптиков. Еще можно отметить как наиболее удачный в прогнозировании заморозков сентябрь. Август оказался менее успешным: оправдываемость прогнозов наличия явления составила 17,7 %, а предупрежденность -38,2 %. Заметим, что август оказался хуже других месяцев и у синоптиков.

В процессе испытаний отдельно было выполнено сравнение оправдываемости методических и оперативных прогнозов заморозков на вторые и третьи сутки. Сравнение было проведено для мая и сентября 2006-2007 годов, т.е. для тех месяцев, когда отмечалось наибольшее количество случаев с заморозками (36 и 37 соответственно). Для этого было проанализировано 66 прогнозов. На вторые сутки, так же как и на первые, по большинству показателей успешности некоторое преимущество (на 4-10 %) имеют оперативные прогнозы. На третьи сутки методические прогнозы находятся на уровне, а по отдельным показателям (оправдываемость отсутствия явления и предупрежденность заморозков) несколько выше (на 2-8 %) оценок оперативных прогнозов (таблица 3).

В таблице 4 представлены показатели успешности прогнозов заморозков для каждой из 29 станций Новосибирской области. Как видно из этой таблицы, общая оправдываемость и оправдываемость прогнозов отсутствия опасного явления по всем станциям довольно высокая и колеблется в пределах 86,5 - 100 %. Оправдываемость прогнозов наличия заморозков несколько ниже. Самая высокая она для станций Убинского, Коченево и Сузуна и составляет соответственно 77,4 %, 61,9 %, 77,8 %. Для таких станций, как Купино, Татарск, Чаны, Чистоозерное прогнозы наличия явления имеют оправдываемость существенно ниже: соответственно - 39,1 %, 39,6 %, 33,6 %, 37,4 %. Предупрежденность случаев с заморозками колеблется по станциям от 56,9 % в Ордынском, где было отмечено 25 случаев заморозков, до 100 % в Мошково и Карасуке, где заморозков было за весь период испытания меньше всего (14 и 12 соответственно). Самая низкая предупрежденность за период оперативного испытания была в Маслянино - 33,3 %, а фактически на этой станции отмечалось достаточно большое количество заморозков (30 случаев). Фактически за два года оперативных испытаний количество случаев с заморозками колебалось по станциям от 12 до 37. Наибольшее их количество, кроме Маслянино, наблюдалось в Убинске (37), Болотном (32). Однако предупрежденность для этих станций различна: 59,9 % и 75,8 % соответственно. Высокую степень предупрежденности более 80 % имели следующие станции: Барабинск (для 24 случаев заморозков предупрежденность составила 91,6 %), Венгерово (22-94,8 %), Краснозерск (17-84,5 %), Купино (23-86,8 %), Татарск (18-90,6 %), Усть-Тарка (29-84,1 %), Чаны (18-80,0 %), Чистоозерное (15-95,8 %), Коченево (24-88,9 %), Тогучин (29-82,1 %). В целом же предупрежденность заморозков в 75 % случаев составляет более 60 %, что можно отнести к достоинствам разработанного метода.

Сравнительная оценка методических и оперативных прогнозов по г. Новосибирску (станция Огурцово). показала, что прогнозы заморозков по новому методу по всем критериям оценки немного выше (до 2 %) уровня оперативных прогнозов (таблица 5).

Для оперативной работы и научных разработок административные районы Новосибирской области ранее были сгруппированы таким образом, что можно выделить четыре крупных района: северо-западный, юго-западный, северо-восточный и юго-восточный.


Перечень станций, входящих в каждый из 4-х районов области

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ РАЙОН
Барабинск
Венгерово
Кыштовка
Северное
Татарск
Убинское
Усть-Тарка
Чаны
Чистоозерное
ЮГО-ЗАПАДНЫЙ РАЙОН
Баган
Довольное
Здвинск
Карасук
Купино
Кочки
Краснозерск
СЕВЕРО-ВОСТОЧНЫЙ РАЙОН
Болотное
Каргат
Колывань
Коченево
Мошково
Тогучин
Чулым
ЮГО-ВОСТОЧНЫЙ РАЙОН
Искитим
Маслянино
Ордынское
Сузун
Посевная
Новосибирск


Анализируя успешность прогнозов заморозков по районам (таблица 6), можно с некоторой долей уверенности сказать, что преимущество оперативных прогнозов по всем критериям оценки только по северо-восточному району. По остальным районам преимущество методических или оперативных прогнозов выявить не удалось. У методических прогнозов более высокая общая оправдываемость (на 1-3 %) и оправдываемость прогнозов наличия заморозков (на 2-6 %), у оперативных – выше оправдываемость прогнозов отсутствия явления (на 1-3 %) и предупрежденность (на 6-15 %).

Разработанный ранее и используемый до настоящего времени в оперативной практике Гидрометцентра ГУ «Новосибирский ЦГМС-РСМЦ» метод прогноза заморозков заблаговременностью 1-5 суток (автор И.Г. Храмцова) позволяет осуществлять расчеты для менее плотной сети из 6 станций (Кыштовка, Купино, Барабинск, Новосибирск, Болотное, Посевная), хотя и равномерно освещающих территорию области. По этим станциям и было проведено сравнение с новым методом. Сравнительная оценка показала (таблица 7), что общая оправдываемость и оправдываемость прогнозов наличия явления по новому методу ниже на 5-20 % метода, используемого в оперативной работе. А вот предупрежденность заморозков (а это наиболее важный показатель успешности), по новому методу более чем в 2 раза выше, чем у ранее внедренного метода. Так предупрежденность по новому методу составляет 75,6 % на первые сутки и 59,2 % - на пятые, а у внедренного ранее метода - 36,5 % на первые сутки и 22,1 % - на пятые.

Для более надежной оценки качества испытываемого метода были рассчитаны статистические характеристики успешности прогнозов по г. Новосибирску: критерий надежности Багрова Н.А. (Н), критериями качества прогнозов Пирси-Обухова (Т) и суммарный показатель оправдываемости прогнозов наличия и предупрежденности случаев с явлениями (UЯ + ПЯ). Приведенные в таблице 8 количественные величины статистических характеристик качества прогнозов свидетельствуют о практической значимости нового метода прогноза заморозков по станциям Новосибирской области.


Достоинства метода

Метод позволяет составлять детализированный прогноз такого опасного явления, как заморозки, по станциям Новосибирской области.
Метод имеет большую заблаговременность прогнозов (до пяти суток), что создает для потребителей возможность использовать данный прогноз в планировании и решении ряда задач, в частности в агропромышленном комплексе.
Метод не требует дополнительного решения ряда организационных вопросов по технологии расчета, так как функционирует в едином комплексе уже действующих моделей и технологий среднесрочного прогноза погоды, зарекомендовавших себя как надежную систему.
Метод объективен и использует для расчетов современную прогностическую продукцию, поступающую в Западно-Сибирское УГМС.

Технология прогноза заморозков может быть использована для других ЦГМС территории ответственности Западно-Сибирского УГМС.


Рекомендации о внедрении

Решением секции Технического совета ГУ «Новосибирский ЦГМС-РСМЦ» от от 26 ноября 2007г. метод прогноза заморозков для административных районов Новосибирской области на 1-5 сут (автор М.Я. Здерева, СибНИГМИ) рекомендован с 1.05.08 к внедрению в оперативную практику Гидрометцентра ГУ «Новосибирский ЦГМС-РСМЦ» в качестве основного расчетного метода в период с мая по сентябрь.
Применяемый в настоящее время в оперативной работе метод прогноза заморозков на 1-5 суток по территории Новосибирской области для 6 станций (автор И.Г. Храмцова) использовать как консультативный.


Автор метода

М.Я. Здерева, ГУ «Си6НИГМИ»
630099, г. Новосибирск, ул. Советская, 30
Тел. 8 (383) 222-25-30
E-mail: sant@pogoda.nsk.su


© Методический кабинет Гидрометцентра России