Статистические методы получили большое развитие в метеорологии и используются при прогнозировании опасных метеорологических явлений. Они применяются для анализа метеоданных за прошедший период и предсказания режима погоды в будущем, а также для оценки эффективности методики прогнозирования [74]. Вместе с тем статистические методы при использовании их для прогнозирования катастроф и ЧС имеют определённые недостатки. Применение наиболее эффективных приёмов математической статистики требует знания функционалов распределения вероятности катастрофических явлений или, более общим образом, знания статистической модели изучаемого потока событий. Теория вероятностей ставит исключительно жёсткие рамки, в которых должны находиться формально-математические свойства распределений вероятностей в конкретных задачах. Нет ясности, как определять вероятности внутри этих рамок [75, с. 106]. Одним из решений этой задачи является определение цикличности и повторяемости в проявлении опасных природных явлений и ЧС.
Метод оценки повторяемости и определение цикличности проявления опасных природных явлений и ЧС является основой практически всех методов долгосрочного прогнозирования. На повторяемости опасных природных явлений основано большинство вероятностно-статистических методов прогнозирования и оценки рисков. Первое место в ряду этих исследований занимают работы А.Л. Чижевского по изучению взаимодействия циклов на примере исторических событий и солнечной активности. Он впервые показал возможность прогнозирования на основе цикличности [49, с. 492]. Им было доказано наличие всемирного исторического цикла, равного примерно 11,5 годам и совпадающего с циклом солнечной активности. Он считал наиболее важной задачей изучение взаимосвязей различных по природе явлений, которые до сих пор считались независимыми друг от друга. По его мнению, это может пролить свет на самые разнообразные случаи общественной жизни человека [49; 76, с. 12].
Изучение и учёт ритмичности природных процессов и явлений, а также взаимодействия циклов позволит предвидеть динамику природы и общества и адекватно реагировать на неизбежные циклические колебания и имеет важное значение для повышения точности долго- и среднесрочных прогнозов стихийных бедствий [76, с. 212].
Современная теория циклов определяет закономерности динамики и особенности взаимодействия циклов:
- циклы всеобщи, в любом процессе развития можно обнаружить волнообразно-спиралевидные, периодически повторяющиеся фазы подъёма и упадка, ускорения и замедления движения или процесса;
- циклы взаимодействуют, траектория динамики каждого цикла в любой сфере складывается под сильным или слабым взаимодействием, некоторые виды циклов порождаются этим взаимодействием циклов в смежных или отдалённых сферах;
- последствия взаимодействия циклов бывают: резонирующее-усиливающее амплитуду колебаний по фазам цикла, демпфирующее-ослабляющее амплитуду колебаний, смягчающее их последствия, деформирующее-нарушающее нормальный ход цикла под внешним воздействием [77, с. 3; 78].
Современные исследователи установили наличие цикличности проявления опасных явлений и ЧС в сейсмологии, вулканологии, метеорологии, медицине и социологии. Первым исследователем циклических закономерностей в сейсмологии был Б.Б. Голицин. Он детально изучал пространственно-временные особенности за различные интервалы времени (годы, месяцы, дни, часы). Важным вопросом он считал изучение того, как результирующий вектор действительного движения Земли изменяется по своей интенсивности и направлению в зависимости от времени, и связывал пульсирующие движения с периодическими движениями всей или части оболочки Земли [79, 80]. Его предположения подтверждены в работах [81, 82]. Цель учёных заключалась в исследовании динамики сейсмической среды и выявлении периодичности короткопериодных микросейсм. В результате исследования установлена периодичность микросейсм, равная 1, 2, 3, 7,5, 10, 28-30 суткам и обусловлена воздействиями глобального характера. При исследовании спектрально-временной структуры сейсмичности Кавказского региона и мира при распределении годовых и месячных рядов количества землетрясений по всему земному шару с 1968 по 1999 гг. выявлено наличие стабильных ритмов: 7 лет, 2,5 и 1 год [83]. Аналогичные исследования сейсмического режима Курило-Камчатской зоны с 1954 по 1999 гг. также выявили устойчивый ритм с периодом 6-7,17, 9 лет и 2-3 года [84]. В вулканологии установлено наличие устойчивого ритма в периодичности извержений вулканов, равного 20, 22 и 44 годам [85].
Проявление цикличности опасных явлений и ЧС большинство исследователей связывают с изменением солнечной активности [83 - 85]. Ими были выявлены:
- ритмичность геомагнитного поля, равная 28, 14, 7 и 3,5 суткам;
- ритм в изменении среднесуточных чисел Вольфа, равный 180, 120, 29,4, 26, 15 суткам;
- приливные ритмы среднесуточных индексов геомагнитной активности, равные 27, 13,5, 9 суткам.
Указанные циклы или ритмы возникают в результате возмущения природных электромагнитных полей и обусловлены определённой взаимной ориентацией межпланетного и геомагнитного полей, а также интенсивностью солнечного ветра, т. е. с гелиогеофизическими факторами. В свою очередь гелиогеофизические факторы характеризуются ритмами, имеющими периоды, обусловленные собственным вращением Солнца и его гармониками. Магнитосфера Земли заполнена заряженными частицами околоземного происхождения, и на них оказывают влияние приливные силы (лунные приливы), создавая электрические токи в ионосфере Земли. В ритмах электромагнитных полей имеются периоды, связанные с обращением Луны вокруг Земли.
Период вращения Солнца вокруг своей оси и период обращения Луны вокруг Земли составляют около 27-28 суток. Как следствие, ритмы вариаций геомагнитного поля имеют период около 28 дней и дополнительные периоды, соответствующие гармоникам и субгармоникам основного периода: около 14, 7, 3,5 дней. Геомагнитные бури вызывают сбой этих ритмов. Они возникают при возрастании солнечной активности, после внезапных вспышек на Солнце или при повторном прохождении через солнечный меридиан при вращении Солнца активной долгоживущей области, посылающей к Земле ударные волны, высокоскоростные потоки солнечного ветра и облака плазмы [82, с. 518].
С ритмами солнечной активности связаны биологические ритмы. Установлена корреляция ритмов биоэлектрической активности головного мозга и вариациями геомагнитного поля, которые в свою очередь связаны с солнечной активностью [82]. В спектре мощности электроэнцефалограмм (ЭЭГ) наблюдаются участки с амплитудными максимумами, поэтому весь спектр условно разбит на отдельные ритмы: дельта-ритм (0,5-3,5 Гц), альфа-ритм (8-13 Гц) и бета-ритм (14--22 Гц) и выше 22 Гц. Особой активностью выделяются частоты около 1 Гц и 11-12 Гц. Спектры мощности отдельных лиц могут значительно отличаться. Есть люди с ярко выраженной синхронизацией, и есть со слабой синхронизацией. В современных представлениях формирование доминирующего ритма электроэнцефалограмм отводится таламусу-формации срединного отдела головного мозга и пейсмекеров (осцилляторов) таламуса. Одним из факторов, влияющих на центральную нервную систему и на работу головного мозга, могут быть окружающие нас электрические и магнитные поля и особенно резонансные взаимодействия гелиогеофизического характера. Исследователи выявили корреляцию альфа-ритма с вариациями геомагнитного поля в течение суток, а также повышение активности альфа-ритма близкой к периодичности 13 и 27 суток.
Существенный вклад в ритмичность биологических объектов вносят инфрадианные (долгопериодические) ритмы, в том числе, с периодами около 3,5, 7, 14 и 28 дней [86, с. 518]. Из проведённых исследований также следует, что осложнение заболеваний наблюдается на 7-й день в 25% случаев, на 14-й день - 10% случаев, на 21-й день - 10 % случаев, 28-й день - до 16 %, 32-й - 5%, 42-й - 5% случаев. Риск отторжения трансплантатов при пересадках органов и тканей также возрастает именно на 7, 14, 21-й дни после операции. Авторы объясняют полученные результаты исследования тем, что человек является сложной открытой нелинейной системой, находящейся в состоянии устойчивого динамического равновесия. Переход такой системы в критическое состояние (болезнь, смерть) может осуществляться при весьма слабом внешнем воздействии, имеющем уровень шума, что соответствует уровню естественных электромагнитных полей [86, с. 520].
Те же закономерности выявлены при исследовании цикличности в протекании различных социальных процессов на примере анализа динамики вызовов скорой медицинской помощи и криминальной статистики в России. Они показывают устойчивый ритм, равный 7 и 3,5 суткам [87].
Отметим недостатки, возникающие при использовании установленных ритмов и циклов для прогнозирования ЧС. Цикл или ритм не всегда имеет чёткую привязку к конкретному фактору или их сочетанию, которые вызывают это опасное явление или ЧС. Поэтому при продолжительных циклах повторения ЧС от года до десятилетий разброс ожидаемого времени катастрофического события может составлять месяцы и годы [87].
За последние годы изучения цикличности опасных явлений и ЧС отмечается нарушение их повторяемости. Например, повторяемость тайфунов на территории нашей страны - Приморья, Сахалина и Камчатки - увеличилась по сравнению с 1950 гг. в 4-5 раз [88, с. 157]. Из этого следует, что оценка повторяемости катастроф и ЧС по известным статистическим данным не может служить объективным показателем для прогнозирования опасных явлений. Поэтому так важно установить первопричину, фактор или механизм, который запускает тот или иной цикл, и который можно контролировать с помощью инструментальных средств.
Метод аналогии и сопоставление аналогий в характере развития различных процессов и проявления катастроф и ЧС заключается в сопоставлении характеристик изменения параметров, измеренных в различные периоды времени или относящихся к совершенно разным физическим процессам. Это позволяет выявить подобие механизмов развития процесса или даже неявные связи, когда невозможно или затруднено описать их в виде аналитической зависимости. Например, подобие гидродинамических и электрических полей, описываемых одинаковыми уравнениями.
Метод аналогии применяется в исследовании длительных периодов изменения различных геофизических характеристик природных факторов. Он базируется на периодичности их изменения и используется при среднесрочном и долгосрочном прогнозах. В качестве примера использования такого метода можно привести способ составления прогноза погоды, который осуществляется с помощью сопоставления текущих аэрометеорологических данных трёх осреднённых декад и пентад подобных данных аналога-прогноза, и который берётся из заранее сформированного рабочего климатического архива многолетних наблюдений погоды по наилучшей схожести данных. Составляется прогноз погоды по выбранному аналогу на 15 дней [88].
Аналогию совершенно различных по характеру катастрофических процессов можно объяснить тем, что существуют универсальные сценарии возникновения катастроф, т. е. самые разные катастрофические события развиваются по одним и тем же законам. В детерминированных системах, каковой является экосистема Земли, будущее всегда определяется прошлым, существует непериодическое движение или динамический хаос. Описать математическими методами такие явления и взаимосвязи бывает невозможно. Сопоставление в подобии характера изменения тех или иных параметров существенно упрощает аналитические исследования, упрощает математическое описание процесса и позволяет использовать метод аналогии для долгосрочного, среднесрочного и краткосрочного прогнозирования опасных природных явлений, катастроф и ЧС.
Вместе с достоинствами этого метода следует отметить и его недостатки, к которым следует отнести накопление и перебор большой базы данных для выявления аналогии в характере изменения параметра и то, что не всегда ясен механизм проявления аналогии. Совершенствование метода аналогии возможно, если при его использовании будут выявлены факторы, вызывающие проявление циклических аналогий и будет определён механизм их проявления.
Метод сопоставления скорости изменения анализируемого фактора и процесса развития катастроф и ЧС обычно совмещается с инструментальными методами прогнозирования опасных природных явлений.
Сейсмо-синоптический метод прогнозирования землетрясений А. Д. Сытинского базируется на учёте скорости приращения давления и температуры атмосферы. Многолетние метеонаблюдения показали, что землетрясения происходят во время быстрых и сильных изменений физического состояния атмосферы, которые проявляются как в глобальном масштабе, так и в локальных его характеристиках [89, с. 42-47]. Позже этот метод получил развитие совместно с В. Н. Боковым и В. Н. Воробьевым [90]. В своей работе «Мониторинг и краткосрочный прогноз землетрясений» авторы предполагают, что резкие изменения атмосферного давления и атмосферные фронты являются индикаторами сильного землетрясения. Продолжая исследования А. Д. Сытинского, авторами было выявлено, что атмосферная циркуляция определяет повторяемость сильных землетрясений в диапазонах межгодовой, сезонной и синоптической изменчивости.
Результаты выполненных исследований показали существенное влияние атмосферных процессов на увеличение интенсивности предвестников. Атмосферные процессы влияют на сейсмоакустическую эмиссию, гидродинамические процессы, деформационные колебания земной коры, эксгаляцию радона. Краткосрочный прогноз землетрясений основан на расчётах деформаций земной коры под влиянием пространственно-временного изменения атмосферной циркуляции. За период с мая 2001 по апрель 2010 гг. авторами было спрогнозировано более 13 тыс. землетрясений с оправдываемостью 75 %. Авторы отмечают, что при составлении краткосрочного прогноза землетрясений необходимо иметь данные о солнечной активности и текущей сейсмической обстановке, метеорологические прогнозы, исторические данные. На примере краткосрочных прогнозов землетрясений на Гаити 12 января 2012 г. и в Китае 13 апреля 2010 г. авторы показали 100 % оправдываемость сейсмо-синоптического метода (нулевая изолиния в поле деформаций земной коры указывает возможное местоположение эпицентров землетрясений). Но отсутствие доступной исторической сейсмологической информации привело к ошибке определения места эпицентра землетрясения, хотя по метеорологическим данным он определялся достаточно точно. Авторы пришли к выводу, что успешный прогноз землетрясений возможен только при совместном участии различных направлений в геофизике [90].