Циклический климатический аналог в прогнозировании¶

Циклический климатический аналог — метод долгосрочного прогнозирования погоды и климата, основанный на поиске в историческом архиве наблюдений прошлых лет периода (года, сезона, месяца), статистические характеристики которого наиболее близки к текущему состоянию атмосферы и океана. Найденный период называется аналогом, а сам подход относится к классу синоптико-статистических методов и используется как вспомогательный инструмент при составлении прогнозов на сроки от месяца до нескольких лет.

¶Суть метода

Метод опирается на предположение о повторяемости атмосферных процессов: если совокупность внешних и внутренних факторов (температура поверхности океана, состояние стратосферного вихря, солнечная активность, фаза Эль-Ниньо, распределение снежного и ледового покрова) в некоторый момент прошлого совпадала с текущей, то и дальнейшее развитие циркуляции будет в значительной степени схожим. Прогноз строится не по физической модели, а по фактической траектории «похожего» года: аналитик переносит его аномалии температуры и осадков на текущий сезон.

Ключевое слово «циклический» отражает учёт квазипериодических колебаний климатической системы — 11-летнего солнечного цикла, 2–7-летнего цикла Эль-Ниньо — Южного колебания, квазидвухлетней цикличности стратосферных ветров, а также многодекадных колебаний в Северной Атлантике и Тихом океане. Аналог ищут не среди произвольных лет, а среди лет, находящихся в сопоставимой фазе этих циклов.

¶История

Приёмы поиска аналогов известны с начала XX века, когда долгосрочные прогнозы составлялись исключительно по синоптическим картам. В 1920–1930-е годы советские и европейские метеорологи (в частности, представители московской синоптической школы) начали систематически сопоставлять текущие карты давления с архивными. Развитие вычислительной техники во второй половине XX века позволило формализовать процедуру: вместо визуального сравнения карт стали применяться количественные меры близости — корреляции, евклидовы расстояния, аналоговые индексы.

В 1970–1980-е годы метод пережил кризис: выяснилось, что в атмосфере редко встречаются действительно близкие аналоги, а «похожее» начальное состояние быстро теряет сходство из-за внутренней неустойчивости атмосферы. С развитием ансамблевых гидродинамических моделей аналоговый подход утратил роль основного, но сохранился как способ интерпретации и как источник дополнительной информации, особенно там, где модели дают большой разброс.

¶Процедура построения

Типовая схема включает несколько этапов:

1. Выбор предикторов. Формируется набор характеристик: поля температуры поверхности океана, индексы атмосферной циркуляции, приземное давление, геопотенциал, влагосодержание, состояние полярных льдов.
2. Определение метрики. Задаётся функция расстояния между состояниями климатической системы, часто с весами, отражающими физическую значимость разных регионов и уровней.
3. Поиск кандидатов. Текущее состояние сравнивается с архивом (обычно 50–100 лет регулярных наблюдений, для некоторых задач — с данными реанализов с середины XIX века).
4. Отбор аналогов. Выбираются несколько наиболее близких лет; единственный аналог считается ненадёжным, поэтому применяют ансамбль из 3–10 кандидатов.
5. Перенос аномалий. Прогноз формируется как осреднение аномалий, наблюдавшихся в выбранных годах после момента, соответствующего дате составления прогноза.
6. Оценка оправдываемости. Результат верифицируется на независимом периоде; для климатических прогнозов используются вероятностные оценки.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам метода относят простоту, отсутствие потребности в дорогих вычислениях, прозрачность и воспроизводимость результата, а также возможность работать с длинными рядами наблюдений. Аналоговый прогноз нередко лучше воспроизводит региональные особенности, которые гидродинамические модели сглаживают.

Ограничения существенны. Атмосфера — нелинейная система, в которой близкие начальные состояния расходятся со временем; строгих аналогов для сложных полей почти не существует. Результат сильно зависит от выбора предикторов и метрики, что вносит субъективность. Метод плохо работает в условиях меняющегося климата: состояние, наблюдавшееся 40–50 лет назад, формировалось при другом радиационном фоне, поэтому прямой перенос аномалий может давать систематическую ошибку.

¶Применение

Циклические аналоги используются в следующих областях:

В современной практике метод применяется преимущественно в сочетании с модельными расчётами: аналоговый прогноз служит дополнительным членом ансамбля или используется для коррекции систематических ошибок численных моделей. В России и ряде стран СНГ аналоговые схемы традиционно входят в методический арсенал гидрометеослужб.

¶Связь с другими методами

Циклический аналог близок к методам распознавания образов и кластерного анализа, применяемым к полям метеорологических величин. Он также пересекается с подходами машинного обучения: поиск ближайших соседей в многомерном пространстве признаков представляет собой, по сути, формализованный аналоговый метод. От физико-статистических схем, основанных на регрессиях, его отличает ориентация на целостное состояние системы, а не на отдельные предикторы.