Применение метода временных рядов для прогнозирования изменений метеопараметров

О.В. Чёрненькая, М.Е.Тынор, У.В. Сергиенко, И.В. Беляева
Донецкий национальный технический университет

В последние годы все более отчетливо проявляются изменения в климате на всем земном шаре. Усиление парникового эффекта приводит к росту среднегодовых температур воздуха, что в свою очередь, приводит к увеличению количества испарившейся влаги, увеличению количества осадков, к изменению циркуляции атмосферного воздуха.

Проблема изучения закономерностей изменения климата была и остается одной из важнейших и трудноразрешимых. Важность и интерес к изучению закономерностей изменения погоды и климата связывают с той огромной ролью, которую они играют в функционировании не только человеческого общества, но и всего живого и неживого мира.

Нами был проанализирован годовой ход таких метеорологических параметров, как температура воздуха, скорость и направление ветра, количество осадков в г. Донецке за 2001-2003 г. Данные розы ветров показали, что по сравнению с 1980 годом в настоящее время изменилось преобладающее направление ветра с юго-восточного на восточное. Анализ данных по скорости ветра показал, что на протяжении 2001-2003 года среднегодовая скорость ветра оставалась постоянной и равной 4,2 м/с. Годовой ход скорости ветра в 2003 году отличается от предыдущих лет тем, что в осенне-летний период скорость ветра уменьшилась, а в весенний период - увеличилась.

Как показывает анализ годового хода температуры, наиболее высокая июльская температура наблюдалась в 2002 год (32,6 0С), наиболее низкая июльская температура – в 2003 г. Наиболее холодным месяцем года в 2000-2002 г. был январь. Однако, в 2003 и 2004 г. пик холода переместился на февраль месяц. Временные ряды изменения максимальной и минимальной температуры воздуха имеют некоторую цикличность, что требует дополнительного изучения.

Полученные нами графики годового хода метеорологических параметров показали их сложность и наличие цикличности в изменении этих величин. Однако по графикам судить о периодичности изменения скорости ветра, температуры воздуха, количества осадков сложно. Поэтому нами была проведена обработка данных по метеорологическим элементам за период 2001-2003 г. по теории временных рядов. Для анализа временного ряда была использована программа Statgraphics (блок «Анализ временных рядов»).

При прогнозировании временного ряда в его изменчивости выделяют закономерную и случайную составляющие. Закономерные изменения членов временного ряда следуют какому-то определенному правилу и поэтому предсказуемы. Эта составляющая X(t) может быть вычислена при лю-бом значении t. Она называется закономерной или детерминированной составляющей временного ряда (dt). Детерминированная компонента представляет сумму тренда и сезонной компоненты.

При анализе временного ряда среднемесячных скоростей ветра было установлено, что в нем присутствует сезонная компонента с периодом се-зонности 14 месяцев, что было подтверждено анализом периодограммы. Линия тренда описывается квадратичным уравнением:
X(t1) = 3,97+0,038*t1 – 0,0011*t12 ,
где t1 – номер элемента временного ряда,
X(t1) – среднемесячная скорость ветра. Данные прогноза по выбранной модели позволяют сделать вывод о том, что до середины будущего года скорость ветра будет незначительно уменьшаться, затем будет наблюдаться небольшой рост.

Во временном ряду температур наблюдается сезонность с периодом в 12 месяцев. Линия тренда, характеризующая общую тенденцию поведения ряда, описывается экспоненциальной кривой вида:
X(t2) = exp (2,34– 0,014*t2),
где X(t2) – значение температуры по месяцам года, оС;
t2 – порядковый номер элемента во временном ряду температур.

Во временном ряду количества осадков, построенном по данным за период времени 1949-2004 год, было установлено, что периодичность в изменении количества осадков составляет 10 лет. На основании аддитивной модели, состоящей из случайной компоненты с сезонностью 10 лет и тренда, описываемого моделью скользящего среднего, был составлен прогноз на будущий период 2005-2015 г. Как показывает анализ данных про-гноза до 2015 года, максимальное количество осадков в г. Донецке будет наблюдаться в 2010 г. (532 мм), наименьшее количество ожидается в 2015 г. (478 мм). Заметна тенденция уменьшения количества осадков с 2010 года.

Полученные нами данные прогноза согласуются с литературными данными, которые утверждают, что в степной зоне Украины может произойти уменьшение количества осадков. Это явление связывают с глобальным повышением температуры воздуха, которое вызовет перераспределение воздушных масс и как следствие уменьшение количества осадков в одних районах и увеличение количества осадков в других районах.

Таким образом, нами был опробован метод статистической обработки данных на примере анализа изменений среднемесячных температур воздуха, среднемесячных скоростей ветра, среднегодовых количеств осадков, который показал, что в отдельные периоды года прогноз температуры воздуха и скорости ветра был недостаточно высоким. Увеличение количества членов в рассматриваемых временных рядах позволит повысить точность прогноза.

IV Международная научная конференция студентов и аспирантов "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" (ДонНТУ, 2005 г.).

на главную страницу