Долгосрочный прогноз сезонного хода морского уровня на основе адаптивной модели

В ХХ веке уровень Мирового океана (УМО) повышался в среднем со скоростью 1,7 мм/год, причем в начале этого столетия произошло ускорение его роста до 3,1-3,2 мм/год. По мнению Межправительственной группы экспертов по изменениям климата (МГЭИК) рост уровня будет продолжаться далее ускоренными темпами (до 5 мм/год) и к концу столетия он может повыситься на 30100 см. Естественно, это грозит катастрофическим ущербом для инфраструктуры прибрежных территорий, где проживают сотни миллионов жителей Земли. Возможно подтопление крупнейших городов мира: Лондона, Нью-Йорка, Токио, С-Петербурга и др. Поэтому, безусловно, проблема долговременного прогноза уровня океана относится к числу наиболее актуальных проблем современной гидрометеорологии. В данной работе рассматривается метод долгосрочного прогноза сезонного хода уровня океана.
Исходными данными послужили альтиметрические данные 3-х временных рядов об уровне: Мирового океана, Атлантического океана и Мексиканского залива за период 1993-2011 гг., мониторинг которых проводится в университете Колорадо, США. С целью удобства их использования в практических расчетах предварительно было осуществлено среднемесячное осреднение.
Для прогноза сезонного хода УМО была реализована адаптивная модель Тейла-Вейджа, которая ранее в океанологии не использовалась. Она относится к числу самокорректирующихся, и способна «подстраиваться» под изменения временного ряда, придавая больший вес тем наблюдениям, которые ближе к текущему моменту прогнозирования. Такая адаптация осуществляется итеративно с получением каждой новой фактической точки ряда. Модель постоянно «впитывает» новую информацию, приспосабливается к ней и поэтому отражает тенденцию развития, существующую в данный момент. Скорость реакции модели на изменения процесса характеризует параметр адаптации, который в результате тестирования был принят равным 0.189 для Мирового океана, 0.149 для Атлантического и 0.340 для Мексиканского залива.
Временные ряды морского уровня были разделены на зависимую (1993-2009 гг.) и независимую (2009-2011 гг.) выборки. По зависимой выборке осуществлялось построение модели и ее верификация. По независимой выборке проводилась дополнительная проверка точности модели и ее корректировка. Окончательный прогноз сезонного хода морского уровня составлялся на последующие 2 года (2012-2013 гг.).
В результате расчетов показано, что адаптивные модели морского уровня имеют коэффициент детерминации, равный R2 = 0,90 – 0,97 и стандартную ошибку 2,3 – 6,6 мм/год, что значительно меньше стандартного отклонения исходных временных рядов. Установлено, что все 3 модели хорошо держат тренд и описывают сезонные изменения уровня, свойственные зависимой выборке. Для Мирового океана тренд составляет 3,1 мм/год, для Атлантического океана – 2,7 мм/год, для Мексиканского залива – 2 мм/год. К концу 2013 г. уровень Мирового и Атлантического океанов может повыситься на 7–8 мм по сравнению с 2011 г., а в Мексиканском заливе – на 4 мм.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Правительства РФ (Договор №11.G34.31.0078) для поддержки исследований под руководством ведущих ученых.