21:19 Долгосрочное прогнозирование фазы арктической осцилляции с помощью метода внутренних пересечений |
Арктическая осцилляция – это базовый индикатор атмосферной циркуляции в зимнее время, который определяет погодный режим на значительной территории Северного полушария. Повышение индекса AO приводит к зональному переносу, при отрицательной фазе, наоборот, усиливаются меридиональные процессы, наблюдаются холодные зимы.
При положительной фазе наблюдается пониженное атмосферное давление над Арктикой и усиление циркумполярного вихря. Холодный воздух удерживается высотными струйными течениями и не проникает в средние широты. При положительной фазе AO похолодания носят кратковременный характер. При повышенном давлении над Арктикой происходит прямо противоположная картина. По мнению В. П. Дымникова, «исследование природы низкочастотной изменчивости атмосферной циркуляции является в некотором смысле построением физического фундамента для долгосрочного метеорологического прогноза». Описанный ниже статистический метод внутренних пересечений позволяет прогнозировать индекс АО с точностью 86%.
Описание метода
Метод внутренних пересечений впервые был описан мной в январе 2020 года в статье «Долгосрочное прогнозирование метеорологических параметров методом внутренних пересечений». Его главное отличие от всех остальных статистических методов заключается в том, что мы анализирует распределение фактической погоды внутри декады, месяца или сезона. В основе метода лежит корреляционное сопоставление суточного значения с среднемесячным или среднесезонным. Полученный график значений позволяет нам выявить дни, которые сильнее всего коррелируют с среднемесячным значением. Таким образом, чтобы спрогнозировать среднемесячный знак индекса, надо лишь спрогнозировать знак в точке, которая сильнее всего пересекается с среднемесячным знаком. По этой причине точка максимальной корреляции называется – точкой пересечения. Чаще всего эта точка выпадает на первую декаду месяца, что позволяет использовать её в качестве предиктора, основываясь на гидродинамическом прогнозе компьютерных моделей ECMWF, GFS или ансамбля GEFS.
Метод внутренних пересечений универсален и подходит для любых недискретных параметров: температуры, приземного давления, скорости ветра, относительной влажности, индексов атмосферных колебаний и т.д. В данном исследовании я хотел бы сосредоточиться на его использовании для прогнозирования индекса арктической осцилляции. Для NAO и АО актуальные точки рассчитаны здесь.
Исходные данные и параметры верификации
В качестве базы были использованы среднесуточные значения индекса рассчитанные NOAA с 1950 по 2020 гг. Исследование проводилось на выборках 15, 30 и 59 лет. Для декабря, января, февраля и марта были построены корреляционные графики за 30 лет. Для точки пересечения рассчитывалась оправдываемость по знаку индекса. Для января был проведён отдельный ретроспективный анализ за 59 лет с использованием плавающей выборки за 15 лет. Например, прогноз индекса для января 2020 года выдавался на основе выборки с 2005-2019 гг. Рассчитывалась корреляция Пирсона, оправдываемость в процентах и средняя абсолютная ошибка прогноза. Для большей практической значимости использовалась точка максимальной корреляции в первой декаде. Географическое распределение приземного давления в точке пересечения выполнялось с помощью реанализа NCAR и ERA-interim, их данные представлены на сайте NOAA и ClimateReanalyzer.org
Декабрь и вся зима
Корреляция среднесуточного знака арктической осцилляции со среднемесячным значением в декабре. 1990-2019
За 30 лет в декабре точка пересечения в первой декаде выпадает на 8 декабря (0.81). Оправдываемость по знаку 97%. R-квадрат 0.66. Средняя абсолютная ошибка 0.66. В качестве предиктора можно использовать всю первую декада, которая коррелирует со среднемесячным значением с коэффициентом 0.82, но оправдываемость по знаку падает до 90%. Декабрь очень устойчивый месяц, ведь с 6 по 31 декабря фаза АО может сохраняться без длительных разрывов. Кроме того выяснилось, что декабрь задаёт тон всей зиме.
Корреляция среднесуточного знака арктической осцилляции со среднесезонным значением ДЯФ. 1990-2018
Если в декабре фаза отрицательная (положительная), то знак сезона (ДЯФ) будет отрицательным (положительным) с вероятностью 90%. Между знаком декабря и сезона корреляция 0.79. Это подтверждается полями давления на уровне моря (SLP) за последние 30 лет. Наиболее высокая корреляция с сезоном наблюдается с 8 декабря по 8 января. Корреляция 0.86, оправдываемость по знаку 90%.
Верхний ряд. Приземное давление в декабре (положительная фаза) и приземное давление в ДЯФ (положительная фаза). 12 последних случаев. Нижний ряд. Приземное давление в декабре (отрицательная фаза) и приземное давление в ДЯФ (отрицательная фаза). 12 последних случаев. Данные реанализа NCAR.
Корреляция индекса АО 8 декабря и давления на уровне моря в декабре с 1990 по 2018 гг. Реанализ ERA-Interim (https://ClimateReanalyzer.org)
Январь и ретроспективный анализ
За последние 15 лет (2006-2020) в январе точка пересечения приходилась на 7 января (0.95). В выборке с 1990 по 2019 гг. точка максимальной корреляции так же выпадает на 7 января (0.85). В большой выборке с 1950 по 2020 гг. в первой декаде точка корреляции сдвигается на 10 января (0.82). С 1950 по 2020 гг. первая декада коррелирует со среднемесячным значением с коэффициентом 0.82. Общая оправдываемость по знаку 89%.
Верификация ретроспективных прогнозов АО за 59 лет. Плавающая выборка за 15 лет со сдвигом.
Для большей уверенности было составлено 59 ретроспективных прогнозов с использованием плавающей выборки за 15 лет. Например, прогноз индекса для января 2020 года выдавался на основе точки пересечения из выборки 2005-2019 гг. Прогноз для января 2019 года выдавался на основе выборки 2004-2018 гг. Точка пересечения захватывалась только из первой декады, чаще всего она выпадала на вторую половину первой декады. Только с 1982 по 1989 гг. точка выпадала на 1 января (0.85), за этот промежуток точность составила 100%. В итоге оправдываемость метода за 59 лет составила 82%. Корреляция факта и прогноза 0.83, средняя абсолютная ошибка 1.15.
Корреляция среднесуточного знака арктической осцилляции со среднемесячным значением. Выборка 15, 30 и 59 лет
Для большей наглядности были получены карты давления на уровне моря для 7 января и месяца. Выборка 20 случаев.
Верхний ряд. Приземное давление 7 января (отрицательная фаза) и приземное давление в январе (отрицательная фаза). 20 последних случаев. Нижний ряд. Приземное давление 7 января (положительная фаза) и приземное давление в январе (положительная фаза). 20 последних случаев. Данные реанализа NCAR.
Корреляция индекса АО 7 января и давления на уровне моря в январе с 1990 по 2018 гг. Реанализ ERA-Interim (https://ClimateReanalyzer.org)
В феврале точка максимальной корреляции выпала на 8 февраля (0.83), оправдываемость по знаку 80%.
Корреляция среднесуточного знака арктической осцилляции со среднемесячным значением в феврале. 1990-2019
Корреляция индекса АО 8 февраля и давления на уровне моря в феврале с 1990 по 2018 гг. Реанализ ERA-Interim (https://ClimateReanalyzer.org)
В марте точка оказалась ещё ближе к началу месяца - 5 марта (0.84), оправдываемость 87%.
Корреляция среднесуточного знака арктической осцилляции со среднемесячным значением в марте. 1990-2019
Сводная таблица. Корреляция среднесуточного знака арктической осцилляции со среднемесячным значением. Общая оправдываемость за 30 лет (1990-2019) по знаку индекса составила 86%.
Заключение
Метод внутренних пересечений демонстрирует очень хорошую оправдываемость, которая подтверждается ретроспективными исследованиями на выборках за 59 лет. Общая оправдываемость за 30 лет (1990-2019) по знаку индекса составила 86%. Анализ показал, что точка пересечения является предиктором общей циркуляции для всего месяца или сезона. Все точки пересечения чаще всего выпадали на первую декаду, что делает этот метод очень удобным в эпоху развития гидродинамических моделей, которые хорошо справляются с прогнозом барического поля уже на 7-10 дней. Для более релевантного поиска точек пересечения рекомендую использовать выборки за 15 или 30 лет.
ИСТОЧНИКИ И СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
|
|
|
