Применение фазового анализа для прогнозирования многолетней динамики температуры атмосферного воздуха

Abstract

Многолетние осредненные значения температуры атмосферного воздуха (годовые, осенние, зимние, весенние и летние) являются одной из ключевых позиций, использующихся для принятия научно обоснованных решений по адаптации сельскохозяйственных культур к изменяющимся природно-климатическим условиям. Несмотря на их широкое применение для анализа и прогнозирования различных метеорологических параметров атмосферы, еще недостаточно изучена природа таких рядов. Этим определяется актуальность детального анализа и прогнозирования временных рядов температуры атмосферного воздуха. При этом считается, что они формируются под влиянием линейного и циклического факторов. Для выявления циклических составляющих применяется один из сильных и адекватных инструментов анализа временных рядов — фазовый анализ. В данном исследовании для предпрогнозного анализа строится фазовый портрет временного ряда значений средних температур воздуха за осенний период по метеостанции г. Нальчика с 1961 по 2022 г. Для отбора наиболее значимых периодов квази-циклов применяется теория нечеткой логики, на базе которой реализован алгоритм формирования нечеткого множества длин квази-циклов. Дальнейшее прогнозирование значений временного ряда на ретроспективном участке проводится методом наименьших квадратов. По итогам проведенного исследования обнаружено, что предлагаемая модель позволяет прогнозировать значения средних осенних температур воздуха с высокой точностью (≈5%). Во временном ряду средних осенних температур воздуха прослеживается цикл, характерный 11-летнему циклу солнечной активности и его фазам. Все критерии качества предлагаемой модели удовлетворяют требованиям, предъявляемым к качеству и адекватности моделей прогноза. Эту модель возможно применить к анализу и прогнозированию значений средних температур воздуха за весенний, летний и зимний сезоны, а также в целом среднегодовые температуры. Исследование показало, что временной ряд, характеризующий температурный режим атмосферного воздуха, являющийся очень сложным по своей природе, возможно прогнозировать с применением фазового анализа.