СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НА ЗЕМЛЕ ИЛИ ЕЕ ЧАСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к способам прогнозирования экологического состояния на Земле или части Земли, позволяющим экстраполировать на будущее с практически неограниченной заблаговременностью детерминированные геокосмические связи и составлять прогнозные сценарии ожидаемых природообусловленных аномалий.

Известные расчетные способы и схемы методики содержат ряд ключевых положений, без учета которых достоверность прогнозов не удается устойчиво поднять выше "золотопропорционального" предела, около 62%, поскольку для практики необходима не столько "формальная" достоверность, сколько максимальная надежность прогнозов.

Однако они не имеют достаточной достоверности прогнозов, т.к. повышение надежности прогнозов состоит в комплексном применении разных способов моделирования геокосмических связей. Необходимо взаимодополнение прогностической информации, рассчитываемой по экстраполяции на будущее всевозможных связей аномалий экосферы с детерминированными космогеофизическими факторами. Геокосмические связи должны отражать пространственно-временной и точечно-временной аспекты, а прогнозные схемы - включать прогнозируемые параметры в их качественном и количественном выражении.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа, обеспечивающего максимальную надежность и достоверность долгосрочных и сверхдолгосрочных прогнозов различных аномалий в экосфере, включая и экосоциосферные. При этом в общем случае рассматриваются природообусловленные аномалии в атмосфере, гидросфере суши, земной коре, техносфере, экономической и социальной сферах.

При этом базовый способ состоит из комплекса частных способов и расчетных схем, построенных на единой методологической основе геокосмических аномалий. Надежность прогнозов достигается при этом за счет компиляции результатов разных способов, при этом нижний предел оправдываемости прогнозов природообусловленных аномалий определен значением 70%.

Указанная задача достигается за счет того, что способ прогнозирования экологического состояния на Земле или ее части на основании прогнозирования (анализа) аномалий увлажнений заключается в составлении прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов, прогнозов аномалий зимних температур и осадков, прогнозов ареалов экстремального увлажнения, прогнозов природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур, прогнозов аномалий речного стока и прогнозов колебаний уровня замкнутых озер, комплексировании расчетных схем указанных прогнозов и экстраполировании на будущее (заблаговременно) детерминированных геокосмических связей в их качественном и количественном выражении, пространственном и временном аспектах в усредненных характеристиках и на уровне отдельного события и составлении прогнозного сценария ожидаемых природообусловленных аномалий.

При этом составление прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов осуществляют на основании суточных значений температур воздуха и осадков за летнюю половину года, векового архива карт летних среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха, временных рядов астрономических характеристик и пространственных временных форм представления космогеофизических факторов и резонансов.

При составлении прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов дополнительно учитывают данные расчета прогнозных сюжетов по геокосмическим аналогам, прогнозного мониторинга аномалий событий и моделирования космогеофизических связей во временных рядах.

Составление прогнозов аномалий зимних температур и осадков осуществляют на основании векового архива карт зимних среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха и временных рядов метеорологических характеристик за зимний период.

При составлении прогнозов аномалий зимних осадков и тепловых ресурсов дополнительно учитывают данные по экстремальным зимам за исторический период и данные пространственно-временных графиков космогеофизических факторов и резонансов в ретроспективном и прогнозном вариантах.

Прогнозы ареалов экстремального увлажнения осуществляют на основании данных векового архива карт среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха, совмещенных с рассчитанными космогеофизическими факторами - предикторами, и ежегодно пополняемыми данными временных рядов астрономических и гидрометеорологических характеристик.

При прогнозировании ареалов экстремального увлажнения дополнительно учитывают данные вековых рядов стока рек, уровня озер и урожайности зерновых культур.

Прогноз природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур осуществляют на основании данных вековых рядов урожайности зерновых культур по регионам мира, авторского архива карт, аномалий урожайности основных культур в областях России и смежных регионах, совмещенных с космогеофизическими предикторами, и данных каталогов агрометеорологической информации по регионам России, включающих данные по экстремальным событиям за исторический период.

При прогнозировании природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур дополнительно учитывают данные из дендрохронологических каталогов и схем агроландшафтного районирования земледельческой территории.

Прогноз аномалий речного стока осуществляют на основании данных архива карт аномалий годового стока рек наиболее крупных бассейнов мира, совмещенных с космогеофизическими факторами, рядов годового стока крупных рек России, а также малых рек Юго-Западной Сибири и экстремальных событий за исторический период.

При прогнозировании аномалий речного стока дополнительно учитывают данные прогнозирования ареалов экстремального увлажнения и прогнозов, основанных на традиционных связях речного стока с предшествующим увлажнением бассейнов.

Прогноз колебаний уровня замкнутых озер осуществляют на основании данных наблюдений рядов уровня крупнейших замкнутых водоемов Земли, совмещенных с рядами компонентов увлажнения в их бассейнах и с космогеофизическими факторами - предикторами, и экстремальных природных событий в бассейнах озер по геологическим, историческим и дендрохронологическим данным.

При прогнозировании колебаний уровня замкнутых озер дополнительно учитывают данные моделирования рядов речного притока в озера и температурного режима, определяющего испарение с поверхности водоемов.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного технического результата.

На чертеже изображена схема параметров увлажнения.

Аномалии увлажнения проявляются в чередовании дождливых, прохладных сезонов и многоводных лет с засушливыми и маловодными. Многолетние тенденции увлажнения и климата в целом отражаются в колебаниях уровня замкнутых водоемов и глобально - в уровне океана. Из погодных аномальных событий наибольший интерес представляют эффективные осадки (для сельскохозяйственных культур), ливни и связанные с ними наводнения, волны холода и тепла, а также стационарные антициклоны и обусловленные ими засухи и маловодья.

Основными прогнозируемыми параметрами являются составляющие коэффициента увлажнения - отношения осадков к испаряемости, зависящей от температурного режима, и производные этих составляющих - биопродуктивность ландшафтов, факторы урожайности сельскохозяйственных культур, речной сток, уровень замкнутых водоемов. На чертеже указаны следующие параметры: Е₁ - испаряемость летом (i-1)-го (предшествующего) года, примерно пропорциональная соответствующей сумме суточных температур воздуха, R₁ и R₂ - осадки лета и осени предшествующего года соответственно, R_H-A и R_M - осадки с ноября предшествующего года по апрель i-го включительно и осадки мая соответственно, R_И-А - осадки июня, июля и августа i-го года, Е₂ - испаряемость в летние месяцы i-го года, примерно пропорциональная соответствующим суммам температур, К - коэффициенты увлажнения i-го сельскохозяйственного года, Y - урожайность сельскохозяйственных культур, Q - сток весны и лета в бассейнах рек, ΔU - межгодовые приращения уровня замкнутых водоемов.

Космогеофизические факторы и резонансы, используемые как предикторы для предвычисления погодных и осредненных климатических аномалий увлажнения, рассчитываются в прошлое и на будущее с помощью созданного информационно-программного комплекса. Наборы предикторов определяются путем идентификации их с наблюденными параметрами атмосферы и гидросферы, с учетом резонансных механизмов геокосмических связей ротационно-гравитационно-приливного и электромагнитного типа. Космогеофизическая идентификация проводится по данным созданных вековых (по ряду параметров многовековых) архивов, дополняемых данными глобального мониторинга атмосферы. Прогнозирование включает обработку исходной информации, составление и отраслевую ориентацию прогнозов.

Способ прогнозирования экологического состояния на Земле или ее части на основании прогнозирования (анализа) аномалий увлажнений заключается в том, что составляют прогнозы аномалий летних осадков и тепловых ресурсов, прогнозы аномалий зимних температур и осадков, прогнозы ареалов экстремального увлажнения, прогнозы природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур, прогнозы аномалий речного стока и прогнозы колебаний уровня замкнутых озер, комплексируют расчетные схемы указанных прогнозов и экстраполируют на будущее (заблаговременно) детерминированные геокосмические связи в их качественном и количественном выражении, пространственном и временном аспектах в усредненных характеристиках и на уровне отдельного события и составляют прогнозный сценарий ожидаемых природообусловленных аномалий.

Составление прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов осуществляют на основании:
- суточных значений температур воздуха и осадков за летнюю половину года по реперным станциям Западной и Восточной Сибири, России, Украины (С.-Петербург, Москва, Вятка, Екатеринбург, Омск, Новосибирск, Красноярск, Якутск, Львов, Киев, Воронеж, Саратов, Оренбург, Кустанай, Целиноград, Барнаул, Иркутск, Чита и др.),
- векового (1881-1998 гг.) архива карт летних среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха по данным около 1500 метеостанций Северного полушария, ежедневных (начиная с 1997 г.) карт глобального мониторинга атмосферы, совместимых с рассчитываемыми на картах Земного шара комплексами космогеофизических факторов-предикторов,
- временных рядов астрономических характеристик в виде таблиц и графиков с годовым, месячным и суточным шагом дискретизации данных и пространственных временных форм представления космогеофизических факторов и резонансов на графиках и картах, в ретроспективном и прогнозном вариантах.

Составление прогнозов на год и ряд лет проводится с помощью трех взаимодополняющих схем базового способа экопрогноза:
- расчета прогнозных сюжетов по геокосмическим аналогам,
- прогнозного мониторинга аномальных погодных событий,
- моделирования космогеофизических связей во временных рядах.

Прогнозы основаны на реализации в явном виде схем геокосмических аналогов. Дни-аналоги в определенных секторах пространства рассматриваются с помощью таблиц и схем на годовом круге Земли и Солнца, с учетом долготы и склонения Луны, по всем космогеофизическим факторам-предикторам.

С помощью таблиц и программ из вековых рядов по комплексу предикторов находятся дни-аналоги, а из вековых архивов карт месячных аномалий осадков и температур, суточных данных по реперным метеостанциям выделяется информация, соответствующая месяцам-аналогам.

На рядах с суточным разрешением данных строятся прогнозные модели, на основе которых выделяются волны тепла и холода, фазы осадков с их количественной характеристикой (в мм), и представляются в таблицах и на графиках. Прогнозные графики совмещаются с космогеофизическими факторами.

При составлении прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов дополнительно учитывают данные расчета прогнозных сюжетов по геокосмическим аналогам, прогнозного мониторинга аномалий событий и моделирования космогеофизических связей во временных рядах.

Составление прогнозов аномалий зимних температур и осадков осуществляют на основании:
- векового (1881-1998 гг.) архива карт зимних среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температур воздуха по данным около 1500 метеостанций Северного полушария, ежедневных карт глобального мониторинга атмосферы, совмещенных с космогеофизическими факторами-предикторами,
- временных рядов метеорологических характеристик за зимний период в виде таблиц и графиков с годовым, месячным и суточным шагом дискретизации данных (в обязательный набор входят данные по реперным станциям Западной и Восточной Сибири и России).

Эти данные дополняются данными по экстремальным зимам за исторический период и данными пространственно-временных графиков космогеофизических факторов и резонансов в ретроспективном и прогнозном вариантах.

Прогнозы ареалов экстремального увлажнения (засух, переувлажнений и наводнений) с детализацией сухих и влажных фаз осуществляют на основании данных:
- векового (1881-1998 гг.) архива карт среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха по данным около 1500 метеостанций Северного полушария, совмещенным с рассчитанными космогеофизическими факторами-предикторами,
- ежегодно пополняемыми данными временных рядов астрономических и гидрометеорологических характеристик в виде таблиц и графиков с годовым, месячным и суточным шагом дискретизации данных, которые дополняются сведениями из авторских каталогов экстремальных событий (засухи, наводнения и др.) за исторический период.

При этом при прогнозировании ареалов экстремального увлажнения возможно дополнительно учитывать данные вековых рядов стока рек, уровня озер и урожайности зерновых культур.

Аномалии увлажнения на пространстве обычно оцениваются по изолиниям месячных атмосферных осадков - ниже 80 и 40% от средне-, многолетних величин (нормы) и выше 120, 160 и 200% нормы, а также значениями гидрометеорологических рядов, большими s (s - оценка стандартного несмещенного отклонения). К экстремальным можно отнести значения менее 40% и более 160% нормы. Из погодных событий наибольший интерес представляют ливневые осадки, волны холода и тепла, крупные циклоны (ураганы, тайфуны), связанные с ними наводнения, стационарные антициклоны и засухи.

Прогнозы на год и ряд лет вперед составляются по схемам геокосмических аналогов - из серий карт аномалий компонентов увлажнения (обычно с месячным шагом), позволяющих выявить во времени ареалы потенциальной опасности переувлажнении и наводнений, засух и лесных пожаров, сильных похолоданий, как следствий проявления на Земной сфере крупных геокосмических резонансов.

При прогнозировании сезонных гидрометеорологических и экологических аномалий в регионах пространственно-временные аналоги отмечаются около 32 и 36-37 лет назад, т.е. согласно цикличности типа Брикнера-Шнитникова, а также около 47, 59-61, 64 лет назад. Учитываются и луннообусловленные аналоги, отстоящие около 6, 9, 18, 19, 84, 93 и 107 лет назад. Особое внимание уделяется 2-летним циклам.

На сформированные из аналогов серии карт с фактическими погодно-климатическими и рассчитанными астрономическими характеристиками накладываются контурные карты с аналогичными астрономическими ситуациями, рассчитанными в будущее. По комплексу космогеофизических предикторов выявленные аналоги переносятся на прогнозные карты. Прогнозные карты детализируются по дням и отдельным событиям с помощью комплекса схем мониторинга аномальных событий (МонАС).

Дополнительная информация в схеме прогноза ареалов экстремального увлажнения получается с помощью моделирования космогеофизических связей во временных рядах. По отдельным метеостанциям и бассейнам количественно рассчитываются прогнозные показатели гидрометеорологического режима, и тем самым уточняются прогнозные ареалы аномалий на картах. Снимаются возможные противоречия в прогнозных оценках и формируются сценарии.

Прогнозы природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур осуществляют на основании данных:
- вековых рядов урожайности зерновых культур (индикатора увлажнения) по регионам мира,
- авторского архива карт аномалий урожайности основных культур в областях России и смежных регионах, совмещенных с космогеофизическими предикторами,
- данных каталогов агрометеорологической информации по регионам России, включающих данные по экстремальным событиям (засухи, голодные годы) за исторический период.

При прогнозировании природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур можно дополнительно учитывать данные из дендрохронологических каталогов и схем агроландшафтного районирования земледельческой территории.

Прогноз аномалий речного стока осуществляют на основании данных:
- архива карт аномалий годового стока рек наиболее крупных бассейнов мира, совмещенных с космогеофизическими факторами,
- рядов годового (в ряде случаев квартального и месячного) стока крупных рек России, а также малых рек Юго- Западной Сибири,
- экстремальных событий (маловодья и наводнения) за исторический период.

При прогнозировании аномалий речного стока дополнительно возможно учитывать данные прогнозирования ареалов экстремального увлажнения и прогнозов, основанных на традиционных связях речного стока с предшествующим увлажнением бассейнов.

Прогноз колебаний уровня замкнутых озер осуществляют на основании данных:
- наблюдений рядов уровня крупнейших замкнутых водоемов земли, совмещенных с рядами компонентов увлажнения в их бассейнах и с космогеофизическими факторами-предикторами,
- экстремальных природных событий в бассейнах озер по геологическим, историческим и дендрохронологическим данным.

В обязательный набор входят гидрометеорологические ряды по бассейнам Каспийского моря, оз. Чаны и ряда других.

При прогнозировании колебаний уровня замкнутых озер возможно дополнительно учитывать данные моделирования рядов речного притока в озера и температурного режима, определяющего испарение с поверхности водоемов.

Практические примеры применения отдельных прогностических схем способа подтвердили его осуществимость. Так, в опытах активных воздействий на атмосферу в 1990-1991 гг. в Приазовье и Новосибирской области, проведенных ГГО им. Войкова с целью искусственного вызывания осадков, выполненное предвычисление пространственно-временных космогеофизических параметров по схемам МонАС позволило выбрать эффективные средства и моменты воздействия, что повысило результативность традиционных приемов.

Комплекс исследований показал, что предложенный способ прогноза аномалий увлажнения обеспечивает достоверность выше 70%-ного порога хозяйственной значимости прогнозов и возможность широко применять их на практике с целью адаптации отраслей природопользования к погодно-климатическим аномалиям.

Изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку его изготовление возможно при использовании существующих средств производства с применением известных технологий.

Использование: для составления прогнозных сценариев ожидаемых природообусловленных аномалий и экстраполяции на будущее с практически неограниченной заблаговременностью детерминированных геокосмических связей. Сущность: составляют прогнозы аномалий летних осадков и тепловых ресурсов, прогнозы аномалий зимних температур и осадков, прогнозы ареалов экстремального увлажнения, прогнозы природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур, прогнозы аномалий речного стока и прогнозы колебаний уровня замкнутых озер. Затем комплексируют расчетные схемы указанных прогнозов. Экстраполируют на будущее детерминированные геокосмические связи в их качественном и количественном выражении, пространственном и временном аспектах в усредненных характеристиках и на уровне отдельного события. После этого составляют прогнозный сценарий ожидаемых природообусловленных аномалий. Технический результат: повышение достоверности способа свыше 70%-ного порога хозяйственной значимости прогнозов и расширение возможности за счет применения на практике для адаптации отраслей природопользования к погодно-климатическим аномалиям. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ прогнозирования экологического состояния на Земле или ее части на основании прогнозирования аномалий увлажнений, заключающийся в измерении параметров экологического состояния на Земле или ее части, составлении прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов, прогнозов аномалий зимних температур и осадков, прогнозов ареалов экстремального увлажнения, прогнозов природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур, прогнозов аномалий речного стока и прогнозов колебаний уровня замкнутых озер, комплексировании расчетных схем указанных прогнозов и экстраполировании на будущее детерминированных геокосмических связей в их качественном и количественном выражении, пространственном и временном аспектах в усредненных характеристиках и на уровне отдельного события и составлении прогнозного сценария ожидаемых природообусловленных аномалий. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что составление прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов осуществляют на основании предварительно измеренных суточных значений температур воздуха и осадков за летнюю половину года, векового архива карт летних среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха, временных рядов астрономических характеристик и пространственных временных форм представления космогеофизических факторов и резонансов. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при составлении прогнозов аномалий летних осадков и тепловых ресурсов дополнительно учитывают данные расчета прогнозных сюжетов по геокосмическим аналогам, прогнозного мониторинга аномалий событий и моделирования космогеофизических связей во временных рядах. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что составление прогнозов аномалий зимних температур и осадков осуществляют на основании векового архива карт зимних среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха и временных рядов метеорологических характеристик за зимний период. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при составлении прогнозов аномалий зимних осадков и тепловых ресурсов дополнительно учитывают данные по экстремальным зимам за исторический период и данные пространственно-временных графиков космогеофизических факторов и резонансов в ретроспективном и прогнозном вариантах. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют прогнозы ареалов экстремального увлажнения на основании данных векового архива карт среднемесячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха, совмещенных с рассчитанными космогеофизическими факторами, и ежегодно пополняемыми данными временных рядов астрономических и гидрометеорологических характеристик. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при прогнозировании ареалов экстремального увлажнения дополнительно учитывают данные вековых рядов стока рек, уровня озер и урожайности зерновых культур. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют прогноз природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур на основании данных вековых рядов урожайности зерновых культур по регионам мира, авторского архива карт, аномалий урожайности основных культур в областях России и смежных регионах, совмещенных с космогеофизическими факторами, и данных каталогов агрометеорологической информации по регионам России, включающих данные по экстремальным событиям за исторический период. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что при прогнозировании природных факторов урожайности сельскохозяйственных культур дополнительно учитывают данные из дендрохронологических каталогов и схем агроландшафтного районирования земледельческой территории. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют прогноз аномалий речного стока на основании данных архива карт аномалий годового стока рек наиболее крупных бассейнов мира, совмещенных с космогеофизическими факторами, рядов годового стока крупных рек России, а также малых рек Юго-Западной Сибири и экстремальных событий за исторический период. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что при прогнозировании аномалий речного стока дополнительно учитывают данные прогнозирования ареалов экстремального увлажнения и прогнозов, основанных на традиционных связях речного стока с предшествующим увлажнением бассейнов. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют прогноз колебаний уровня замкнутых озер на основании данных наблюдений рядов уровня крупнейших замкнутых водоемов земли, совмещенных с рядами компонентов увлажнения в их бассейнах и с космогеофизическими факторами, и экстремальных природных событий в бассейнах озер по геологическим, историческим и дендрохронологическим данным. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что при прогнозировании колебаний уровня замкнутых озер дополнительно учитывают данные моделирования рядов речного притока в озера и температурного режима, определяющего испарение с поверхности водоемов.