CC BY
35
Научно-методические аспекты
сверхкраткосрочного прогнозирования возможности развития чрезвычайной ситуации, связанной с конвективными процессами в атмосфере
Кузнецов И. Е., Рыжов А. В., Жерегеля И. С., ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж
В последнее время наметилась тенденция увеличения особо опасных и катастрофических явлений, связанных с развитием конвективной облачности в атмосфере и сопровождающиеся грозовой деятельностью и сильными ливневыми осадками. Последствия таких явлений стали разрушения в Крымске Краснодарского края и ряд других случаев.
Наиболее эффективными в вопросах оперативного обнаружения и дальнейшего мониторинга опасных явлений погоды конвективного происхождения (ОЯП) являются радиолокационные методы. Как показывают исследования, эффективность алгоритмов правильного распознавания достигла своего насыщения на уровне 80.. .85 % и обусловлена увеличением количества признаков распознавания и усложнением распознающих правил [1]. Поэтому возникает необходимость искать новые пути увеличения эффективности алгоритмов радиолокационного распознавания и сверхкраткосрочного прогнозирования опасных явлений погоды на основе учета априорной информации о термодинамическом состоянии атмосферы. С одной стороны это позволяет учесть физические причины образования ОЯП. С другой - использовать новый информационный резерв, получаемый за счет привлечения нерадиолокационной информации.
Целью работы является повышение качества прогностической информации об опасных явлениях погоды путем учета влияния термодинамического состояния атмосферы на радиолокационные характеристики облачности с ОЯП.
Как было показано выше информацию о микрофизических процессах в облаках и осадках можно получить, измеряя их радиолокационную отражаемость. Поскольку радиолокационная отражаемость функционально связана с микрофизическими характеристиками облачности, зависящими в свою очередь от термодинамического состояния атмосферы, то учет этой связи может явиться дополнительным информационным резервом при сверхкраткосрочном прогнозировании ОЯП по данным радиолокационных наблюдений.
В силу естественной изменчивости метеорологических параметров и радиолокационных характеристик метеообъектов данная связь носит сложный вероятностный характер. Для получения полной информации о зависимости признаков радиолокационной идентификации ОЯП от энергетических (термодинамических) характеристик атмосферной конвекции необходимо восстановить законы Р(Х а) в каждом классе распознавания А .■. При этом, как вектор
радиолокационных характеристик Х, так параметров а, несущих информацию о генезисе опасных явлений погоды может быть многомерным. Известно, что задача восстановления многомерных законов распределения является чрезвычайно сложной. Более того, эффективно решать данную задачу удается только лишь в ряде частных случаев при условии, что вид соответствующей плотности распределения известен с точностью до параметров.
Поэтому для решения задачи установления связи между радиолокационными характеристиками ОЯП и энергетическим состоянием атмосферы примем ряд допущений, правомерность которых будет показана ниже. Во-первых, будем считать, что составляющие вектора радиолокационных характеристик
X = (х1 ,х2,...,хп) статистически независимы между собой. Во-вторых, вектор
а одномерен, т.е. информацию о влиянии энергетического состояния атмосферы на радиолокационные характеристики ОЯП можно извлечь из какого-либо одного информационного показателя. В-третьих, будем считать, что нас интересует не совместная, а условная плотность распределения р(Х/а) . Принятые допущения позволяют свести рассматриваемую задачу к восстановлению ряда одномерных плотностей р(х1/а), р(х2/а),..., р(хп/а). Однако восстановление указанных условных плотностей связано с принципиальной трудностью, обусловленной ограниченностью рядов экспериментальных наблюдений. В связи с этим, возникает необходимость в решении ряда частных задач. А, именно, в определении оптимального энергетического параметра и разработки методики оптимального учета энергетического состояния атмосферы при получении радиолокационной метеорологической информации. Под оптимальностью в обоих случаях понимается получение максимально возможного качества процедуры идентификации и сверхкраткосрочного прогноза ОЯП на основе радиолокационных данных по соответствующему критерию эффективности.
Перед рассмотрением путей решения указанных задач опишем используемый в работе экспериментальный материал. Для исследования зависимости между радиолокационными характеристиками ОЯП и параметрами, характеризующими энергетическое состояние атмосферы, были использованы результаты радиолокационных измерений на АМРК «Метеоячейка» и данные темпера-турно-ветрового зондирования, полученные для Северного Кавказа. Выбор этого района был вызван двумя причинами. С одной стороны преследовалась цель определить степень влияния на искомые зависимости физико-географических условий образования и развития ОЯП. Это позволило оценить степень влияния неучтенных факторов на микрофизические характеристики облачности с ОЯП. С другой стороны - оценить влияние энергетических запасов атмосферы на развитие ОЯП. Кроме того, малое количество наземных метеорологических станций делает эти районы слабоосвещенным в метеорологическом отношении. Вместе с тем, в этих районах в последнее время наметился значительный рост ОЯП, вызывающих катастрофические последствия.
В качестве радиолокационных характеристик ОЯП были взяты результаты измерений величины радиолокационной отражаемости X на стандартных
уровнях зондирования. Результаты измерений величин 1 анализировались за следующий май-сентябрь 2001-2011 гг.
Для решения задачи сверхкраткосрочного прогнозирования ОЯП конвективное облако, в котором были произведены замеры 1, было отнесено к одному из 2-х классов - грозовое СЬ (класс А1) и негрозовое (класс А2). Классификация проводилась по факту подтверждения состояния конвективного облака (грозовое и не грозовое) ближайшей к нему наземной станцией или грозоотметчиком с запаздыванием по времени. Это позволило определить критерии перехода облачности в стадию грозы. В случае отсутствия информации с наземной станции или грозоотметчика результаты измерений 1 в рассмотрение не принимались. Таким образом за один день наблюдений в архив экспериментальных данных могли войти измерения, проведенные в нескольких (или одной, но находящемся в различных стадиях развития) кучево-дождевых облаках и относящихся к различным классам - А1 и А2. Общее количество экспериментальных данных составило 11852 случаев.
Результаты измерений соответствующих радиолокационных характеристик (РЛХ) кучево-дождевых облаков ставились в соответствие данным темпе-ратурно-ветрового зондирования атмосферы в дни, когда в пунктах наблюдения развивались СЬ. Результаты радиозондирования атмосферы брались из архива на сайте http://weather.uwyo.edu. Данные радиозондирования атмосферы использовались для расчета энергетических характеристик влажной атмосферной конвекции. В качестве энергетических характеристик использовали величину потенциальной энергии неустойчивости при развитии СЬ - Е, величину вертикальных потоков, высоту верхней границы облачности и другие характеристики состояния атмосферы, а в качестве радиолокационной характеристики ОЯП - радиолокационную отражаемость на стандартных уровнях. Для получения энергетических характеристик атмосферы использовалась модель атмосферной конвекции.
Таким образом, архив экспериментальных данных представлял собой откорректированные и согласованные между собой результаты измерений 1 для классов А1 и А2 и величин энергетических характеристик, обусловившие наблюдаемые значения 1.
Для построения процедуры сверхкраткосрочного прогнозирования ОЯП по данным радиолокационного зондирования воспользуемся явной записью величины среднего риска для альтернативной задачи [2].
А7 =
) Р(А2 ) А , если -;- > -
А2, если
/(^а2 ) р(А1;
1(2/А1) Р(А2)' V '
1(ЦА2 ) < Р(А1)
Тогда граница разбиения Iд может быть определена путем разрешения
Г(2Ах) Р(А2)
тождества —= ——. Данная процедура реализует стратегию идеального
/(21А 2) р( А1)
наблюдателя, предусматривающего одинаковые цены за ошибки пропуска и ложной тревоги.
Для решения поставленной задачи необходимо восстановить законы распределения радиолокационного признака в соответствующих классах, а также оценить параметры найденного закона, определить априорные вероятности возникновения ОЯП в интересующем районе. В качестве признака радиолокационного распознавания воспользуемся величиной радиолокационной отражаемости на одном из стандартных уровнях зондирования z.. Из физики образования ОЯП, сопровождающих кучево-дождевую облачность, известно, что радиолокационная отражаемость как функция распределения облачных частиц по размерам существенным образом зависят от энергетических запасов атмосферы [3]. Учитывая это, а также тот факт, что вероятность появления ОЯП также связана с энергией неустойчивости атмосферы Е для отыскания порогового значения Zoi, необходимо разрешить относительно Zoi, тождество
1хд0 /е) р(е). (2)
/2 (10 / Е) Р1 (Е)
Существенную роль при определении ^ из (2) играет вид законов (Z/W)
. Статистический анализ данных радиолокационных наблюдений за ОЯП показывает, что с достаточной степенью точности распределение z подчиняется гауссовскому закону
• (3)
Здесь
условное по ■■ математическое ожидание случайной величи-
ны
в классе л.; а . - условная по Е дисперсия случайной величины z ■ в
классе л ■.
Подставляя (3) в (2), получим уравнение второй степени относительно критериального значения ^ •
(4)
а( Е 0 ]* + Ь( Е )[z 0 ]+ с( Е) = 0:
2
2
где
а = ■
а1 — аi 2 , 2 2 2аП^ 2
Ь =
— 2 - 2
Z ла.л — Z.~а., il il i2 i2
2 2 аа и i 2
2 2 2 2
Zi2а/1 — Zilаi2 , а1Р2 с =-~—~- + 1п-
22 2аЯа/' 2
а-, Р 12 1
(5)
Апробирование предлагаемого похода осуществлено по данным радиолокационных наблюдений на территории Краснодарского края. В процессе выполнения работы были получены критериальные значения для трех стандартных уровней по высоте (таблица 1), свыше которых в конвективной облачности развиваются опасные явления погоды.
Испытание разработанного алгоритма проводилось на экспериментальном материале радиолокационных и наземных наблюдений в районе Северного Кавказа. Учитывая длины статистических рядов, оценивание алгоритма проводилось на зависимом и независимом материале.
Таблица 1
Таблица зависимости критериальных значений Z от энергии неустойчивости атмосферы
Е, кДж / кг ^ кр2 ^ кр3
Северный Кавказ (район А)
0,3-0,8 - - 23
0,8-1,3 - 25 15
1,3-1,8 26 21 16
1,8-2,3 22 18 16
2,3-2,8 14 13 -
Северный Кавказ (район В)
0,1-0,8 - 38 -
0,8-1,5 - 32 25
1,5-2,2 - 33 26
2,2-2,9 38 31 24
2,9-3,6 - 20 11
3,6-4,3 - 7,5 0
Критериями качества были выбраны следующие характеристики: общая вероятность правильного распознавания, вероятность ошибок пропуска грозового облака, вероятность ложной тревоги о грозовом облаке.
Таблица 2
Статистические характеристики эффективности радиолокационных методов распознавания, полученные на независимом материале
Способ прогноза Критерии
Ро Рпр Р лт
Северный Кавказ (район А) 1 0,78 0,11 0,16
2 0,69 0,17 0,22
3 0,65 0,16 0,15
4 0,76 0,11 0,16
5 0,82 0,09 0,14
Северный Кавказ (район В) 1 0,75 0,13 0,17
2 0,68 0,22 0,24
3 0,79 0,14 0,12
4 0,77 0,13 0,14
5 0,85 0,11 0,12
Испытанию были подвержены следующие алгоритмы: алгоритм, использующий в качестве признака радиолокационную отражаемость на третьем уровне по высоте, с учетом энергии неустойчивости атмосферы; алгоритм, ис-
пользующий в качестве признака радиолокационную отражаемость на третьем уровне по высоте, без учета энергии неустойчивости атмосферы; алгоритм, использующий в качестве признака комплексный критерий грозоопасности; алгоритм радиолокационного распознавания по вертикальному профилю, без учета энергии неустойчивости атмосферы; алгоритм радиолокационного распознавания по вертикальному профилю с учетом энергии неустойчивости атмосферы. Результаты статистического испытания представлены в таблице 2.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Предлагаемый научно-методический подход к идентификации и сверх-краткоскрочному прогнозированию ОЯП основан на теории распознавания образов и использует априорную информацию об энергетическом состоянии атмосферы, что позволяет уменьшить неопределенность статистического описания радиолокационных характеристик метеообъекта и повысить точность получаемого результата. Это является следствием реализации информационного резерва, заключенного в учете термодинамических особенностей формирования грозового облака.
2. Существуют интервалы значений параметров Е , являющиеся зонами однозначного принятия решения о распознаваемой метеоцели. В этих условиях с равной эффективностью может быть использована информация, получаемая от неметеорологических радиолокационных станций.
3. Алгоритмы радиолокационного распознавания и прогноза, реализующие принцип адаптации к энергетическому состоянию атмосферы, являются более эффективными по сравнению с используемыми в оперативной практике штормового предупреждения.
4. Оценка эффективности применения данного подхода позволяет заключить, что учет энергетического состояния атмосферы позволяет повысить общую оправдываемость прогноза на 7 -13 % по сравнению с традиционными методами.
Таким образом, использование предлагаемых подходов для решения задачи идентификации и сверхкраткосрочного прогноза опасных явлений погоды позволяет исследовать влияние априорной информации об условиях зарождения и эволюции опасных явлений погоды на результаты их идентификации по радиолокационным данным.
Библиографический список
1. Современные исследования ГГО им. Воейкова. Том 2./Под ред. Берлян-да М. Е., Мелешко В. П. — СПб: Гидрометеоиздат. 2001. — 345 с.
2. Фомин Я. А., Тарловский Г. Р. Статистическая теория распознавания образов. — М.: Радио и связь.1986. — 264 с.
3. Кузнецов И. Е., Билетов М. В. Адаптивные к состоянию атмосферы, радиолокационные методы получения метеоинформации // Тез. докл. Международной научной конференции по авиационной и спутниковой метеорологии памяти профессора С. В. Солонина. СПб., 7-10 окт. 2008 г. — СПб: изд. РГГ-МУ. 2008. — С. 142-145.
