Н. Н. Завалишин, Н. В. Пальчикова,  Г. П. Торубарова

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ  МЕТОД  ПРОГНОЗА АНОМАЛИИ  СРЕДНЕМЕСЯЧНЫХ  ТЕМПЕРАТУР  ВОЗДУХА
ДЛЯ  ХОЛОДНОГО  ПЕРИОДА  ПО ТЕРРИТОРИИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ  
И   РЕЗУЛЬТАТЫ  ЕГО  ИСПЫТАНИЙ

     Современное потепление климата привело к изменению функций распределения температуры воздуха в сторону класса «выше нормы» и, как следствие, к уменьшению оправдываемости прогнозов холодов, сделавшихся редкими явлениями, а качество этих прогнозов стало близко к качеству случайных прогнозов. Как правило, сильные и значительные похолодания на юго-востоке Западной Сибири связаны с ультраполярными процессами, т.е. перемещением антициклонов по траекториям с севера на юг, с северо-востока на юго-запад или с востока на запад. Ультраполярные воздействия  бывают выражены в атмосфере сильнее и ярче  других процессов. Есть и другие условия похолодания,  например, вторжение холода в тыл глубоких циклонов с образованием антициклонов, смещающихся с северо-запада. 
Основу усовершенствованного метода составляет локально-климатическая модель (ЛК-модель) [1], которая опирается на предположение о существовании детерминированных медленно меняющихся компонентов в указанных процессах. ЛК-модель аппроксимирует кусочно-линейными функциями математическое ожидание многомерных процессов или их естественные ортогональные функции (ЕОФ), экстраполирует их на шаг вперед и получает искомый прогноз. Подбор параметров модели был организован таким образом, чтобы оправдываемость прогнозов была максимальной по заданному критерию, но при этом сами параметры были жестко закреплены, рассчитывались один раз и затем не менялись. 
В усовершенствованном методе оптимальное решение, с целью повышения оправдываемости прогнозов, ищется путём анализа независимых материалов  за последние 5 лет. Поиск идет  по всем основным параметрам ЛК-модели: 
•	минимальной длине интервала стационарности; 
•	максимальному ряду архива данных;  
•	соотношению «сигнал/шум»; 
•	количеству ЕОФ, оставляемых для прогноза. 
Оптимум находится путем  полного перебора по всем параметрам для каждого месяца в отдельности и при каждом новом вычислении прогноза.      
Расчеты прогнозов проводились с помощью  созданной авторами технологии  «Кассандра-Сибирь» [2], которая предназначена для автоматизированного расчета долгосрочных гидрометеорологических прогнозов по Сибири с помощью различных моделей. Заблаговременность  прогнозов составляла от 1 до 6 мес: в сентябре 2005 г. были подготовлены прогнозы на период октябрь-март 2005-2006 гг., в сентябре 2006 г. – на холодный период 2006-2007 гг.  Прогнозы составлялись и оценивались по 15 метеорологическим станциям территории Западной Сибири: Салехард, Ханты-Мансийск, Тарко-Сале, Сытомино, Александровское, Тобольск, Омск, Колпашево, Томск, Барабинск, Новосибирск (Огурцово), Кемерово, Барнаул, Онгудай, Волчиха. 
Оперативные испытания проводились специалистами Гидрометцентра ГУ «Новосибирский ЦГМС-РСМЦ» в соответствии с утвержденными требованиями [3, 4]. Всего за период испытания было подготовлено и проверено 180 прогнозов. Оценка прогнозов аномалии среднемесячной температуры воздуха осуществлялась по 5 критериям:       
•	ρ - оценка прогноза по знаку аномалии; 
•	Q - оценка прогноза по величине аномалии; 
•	Р - оценка класса аномалии;, 
•	К - оценка количества станций, где прогноз оправдался;  
•	∆Т - оценка  отклонения прогнозируемой среднемесячной температуры воздуха  от фактической. 
Анализ результатов, приведенных в табл. 1, показывает, что по 4 показателям метод имеет неплохую оправдываемость: ρ составляет 0,5, критерии Р, К, ∆Т соответственно 70, 55, 60%. Исключением явился показатель Q, т. е. величина аномалии прогнозов температуры в зимний период предсказывается неудачно (Q больше 1). 
В оперативной практике Новосибирского Гидрометцентра применялся  ранее внедренный  метод на основе ЛК-модели (автор Завалишин Н. Н.), поэтому было проведено сравнение оправдываемости прогнозов обоих методов за зимний период. Как видно из табл. 1, по критериям ∆Т и Р  результаты оправдываемости по  усовершенствованному методу  выше на 1-4 %, а по остальным критериям результаты того и другого варианта расчета оказались на одном уровне.
В табл. 2 представлены оперативные месячные прогнозы, как предварительные, так и уточненные (с  нулевой заблаговременностью), которые были подготовлены в Гидрометцентре ГУ «Новосибирский ЦГМС-РСМЦ». Прогнозы по усовершенствованному  методу оказались более удачны, чем предварительный прогноз и даже уточненный: по критериям Р, К, ∆Т на 4-20%, по ρ - на 0,2-0,3. 
Таблица 1
Оправдываемость прогнозов аномалии температуры воздуха
в холодный период по территории Западной Сибири
за 2005-2007 гг.

Год	Используемый метод	Усовершенствованный метод	
	ρ	Q	P	K	ΔT	ρ	Q	P	K	ΔT	
       2005	0,6	1,3	66	60	49	0,6	1,2	66	62	54	
2006	0,4	2,3	67	61	59	0,4	2,2	66	56	59	
2007	0,7	2,3	74	44	60	0,7	2,1	79	47	68	
В среднем	0,5	1,9	69	55	56	0,5	1,8	70	55	60	

Таблица 2
Оправдываемость оперативных прогнозов
аномалии температуры воздуха в холодный период 2005-2007 гг.
по территории Западной Сибири
Год	Оперативный прогноз	
	предварительный	уточненный	
	ρ	Q	P	K	ΔT	ρ	Q	P	K	ΔT	
2005	0,3	1,8	56	49	47	-	-	-	-	-	
2005	0,1	2,6	45	52	55	-0.1	2,9	42	38	31	
2007	-	-	-	-	-	0,7	2,4	67	44	60	
В среднем	0,2	2,2	50	50	51	0,3	2,6	54	41	45	

 Было проведено сравнение фактической частоты различных классов аномалии температуры воздуха («норма», «ниже нормы», «выше нормы») и частоты прогнозируемых классов по усовершенствованному методу. Оказалось, что чаще всего прогнозировался класс «выше нормы» (150 случаев), и в 105 случаях это наблюдалось фактически. Класс «норма» представлен 30 прогнозами, и только в 2 случаях осуществилось такое распределение температуры, а в 23 случаях вновь наблюдался класс «выше нормы». Класс «ниже нормы» за период проверки не был предсказан ни на одной станции, хотя фактически в 28 случаях на отдельных станциях отмечалась отрицательная аномалия температуры воздуха. 
Анализируя  оправдываемость прогнозов аномалии температуры воздуха по 15 станциям (табл. 3), необходимо отметить, что более 50% станций (Омск, Томск, Новосибирск, Барабинск, Кемерово, Барнаул, Онгудай, Волчиха) имеют  оценку выше критерия успешности практически по всем показателям: ρ колеблется от 0,3 до 0,8, а оправдываемость по критериям Р, К, ∆Т составляет 50-87%. 
По всем северным станциям (Салехард, Ханты-Мансийск, Тарко-Сале, Сытомино) нет хороших результатов: значения критериев Р, К, ∆Т колеблются в пределах 25-54%,  ρ - в пределах 0,2-0,5. 
Таблица 3
Оправдываемость прогнозов аномалии температуры воздуха
по станциям Западной Сибири за холодный период 2005-2007 гг. 
по усовершенствованному методу
Станция	Критерии оправдываемости	
	ρ	Q	P	K	ΔT	
Салехард	0,2	1,9	54	42	50	
Ханты-Мансийск	0,5	2,8	42	50	43	
Тарко-Сале	0,2	1,9	52	42	37	
Сытомино	0,2	3,3	54	25	52	
Тобольск	0,5	2,2	71	50	60	
Омск	0,8	1,7	79	67	73	
Александрово	0,3	2,9	68	42	58	
Колпашево	0,2	2,4	71	50	60	
Томск	0,3	1,8	79	67	56	
Новосибирск	0,7	1,5	79	67	67	
Барабинск	0,8	1,4	81	67	67	
Кемерово	0,7	1,3	71	50	67	
Барнаул	0,3	1,2	87	75	64	
Онгудай 	0,8	0,5	67	75	75	
Волчиха	0,7	1,3	77	58	62	

График на рисунке иллюстрирует, что для северных метеостанций ЛК-модель перестает выявлять локальные тренды в динамике температуры воздуха. В работе [5] было показано, что вторая ЕОФ есть разность средних температур между метеостанциями Западной Сибири, которые расположены северней и южней 58° с.ш. Следовательно, ЛК-модель целесообразно применять для прогноза на метеостанциях, расположенных южнее 58° с.ш.
Был проведен анализ оправдываемости прогнозов аномалии температуры воздуха по месяцам       (табл. 4). Выше порога успешности (63-90% ) по 3 показателям (Р, К, ∆Т), а также по ρ (0,6-1,0) и Q (0,5-0,8) оказались прогнозы в марте и октябре, далее идут ноябрь и декабрь. Самыми неудачными были прогнозы в январе, где оправдываемость по критериям Р и ∆Т составила немногим более 50%, а показатель К составил всего 7%, оправдываемость по знаку - лишь 0,1.   В значительной степени это объясняется необычайными холодами в этом месяце.

В январе 2006 г. на всех 15 станциях аномалия температуры воздуха составляла от минус     5,5 ºС до минус 14,1 ºС. Очаг холода охватывал Тарко-Сале (минус 12,3 ºС),  Александровское (минус 14,1 ºС), Колпашево (минус 13,1 ºС). По усовершенствованному методу практически по всем станциям (кроме Салехарда и Тарко-Сале – «норма») прогнозировался класс «выше нормы», и аномалия составляла от 2 до 4 ºС. Аномальный холод был обусловлен вторжением воздушных масс арктического происхождения из северных районов Сибири. Блокирующий антициклон в тропосфере создавал непреодолимую преграду для проникновения в Сибирь теплого воздуха с Атлантики. С северными и северо-восточными потоками на юг Западной Сибири устремились «выстуженные» массы воздуха из районов Таймыра и Карского моря, и в третьей декаде января холод охватил большую часть Западной Сибири. Подкрепленная новыми порциями арктического воздуха аномально холодная погода удерживалась на юге Западной Сибири практически до конца января. Минимальные температуры воздуха в самые холодные дни достигали на территории Западно-Сибирского УГМС до 50 ºС мороза, по Томской области до минус 53 ºС .  Отметим, что и у синоптиков ни предварительный, ни уточненный прогнозы не оправдались. 
Таблица 4
Оправдываемость прогнозов аномалии температуры воздуха
по усовершенствованному методу по территории Западной Сибири 
за холодный период 2005-2007 гг.
Месяц	Критерии оправдываемости	
	ρ	Q	P	K	ΔT	
Январь	0,1	6,2	55	7	51	
Февраль	0,4	1,2	70	57	46	
Март	1,0	0,5	90	90	78	
Октябрь	0,6	0,8	75	63	73	
Ноябрь	0,5	1,4	61	60	54	
Декабрь	0,6	1,2	66	53	58	

Авторские испытания усовершенствованного метода по 15 станциям территории Западной Сибири были проведены на независимом материале холодного периода 2003-2005 гг. Оправдываемость прогнозов аномалии температуры по критерию   Р  составила 65,3%, оправдываемость знака аномалии 0,43. Результаты оперативной проверки усовершенствованного метода оказались по критерию Р выше на 5% , а оправдываемость знака аномалии температуры составила 0,5, что на уровне авторских испытаний.
Статистические показатели успешности методических прогнозов оценивались по таким критериям, как успешность метода (Р) и мера мастерства (S). Надежность метода, оцениваемая мерой мастерства (S=0,18), показывает, что прогнозы по данному методу близки к уровню стандартных прогнозов, а  критерий успешности (P=0,59) превышает эффективность случайных прогнозов.
Проведенная работа позволяет отметить некоторые положительные моменты. Усовершенствованный метод объективен, автоматизирован, имеет большую заблаговременность прогнозов, является самонастраивающимся, т. е. сам подбирает оптимальные параметры, требует минимум данных – только прогнозируемые ряды,  функционирует в действующей технологии.  
  В соответствии с решением Технического совета ГУ «Новосибирский ЦГМС-РСМЦ» от 15 мая 2007 г. действующий метод прогноза аномалии среднемесячной температуры воздуха заменен на усовершенствованный метод (автор Н. Н. Завалишин). Метод встроен в технологию подготовки долгосрочных прогнозов «Кассандра-Сибирь».
 Отметим, что прогнозирование с большой заблаговременностью экстремальных аномалий гидрометеоэлементов, в частности, значительных похолоданий, остается острой проблемой гидрометеорологии.

CПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Завалишин Н. Н. Об эффективности оценки кусочно-линейных трендов локально-климатической моделью // Информационный сборник Гидрометцентра РФ.- №21.-1993.-С. 37-44. 
2.	Завалишин Н. Н,  Пальчикова  Н. В. Алгоритмы выбора  годов-аналогов в АРМ "Кассандра-900"//Труды СибРНИГМИ.- 2000.- Вып. 103.- С. 18-23.
3.	Наставление по службе прогнозов. Разд. 2. Служба метеорологических прогнозов. Часть IV.-Л.:Гидрометеоиздат, 1981.-56 с. 
4.	Методические указания. Проведение производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов. РД 52.27.284-91.- Л.:Гидрометеоиздат, 1991.-150 с. 
5.	Виноградова  Г. М., Завалишин Н. Н.,  Кузин,  В. И.,  Пушистов  П. Ю.  О внутривековой  изменчивости  климата Западной Сибири //Оптика  атмосферы  и  океана.-1999.- Т.12.-  №6.-С. 475-480.