Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общая характеристика изменчивости температуры и осадков на Европейской территории России 7
1.1 Краткий обзор отечественных исследований по изменчивости тем пературы воздуха и атмосферных осадков 7
1.2 Характеристика исходных данных по температуре воздуха и атмо сферным осадкам 13
1.3 Сопряженность колебаний температуры воздуха Европейской территории России и Северного полушария 22
1.4 Сопряженность колебаний осадков, выпавших над континентами и над Европейской территории России 28
Глава 2 Временной анализ температуры воздуха и осадков в природных зонах Европейской территории России 33
2.1 Климат природных зон 33
2.2 Статистический анализ изменчивости температуры воздуха и осадков для природных зон Европейской территории России 38
2.3 Оценка тренда в колебаниях температуры воздуха 59
2.4 Оценка тренда в колебаниях осадков 67
2.5 Оценка циклических составляющих в колебаниях температуры воздуха и осадков 72
Глава 3 Использование кластерного анализа в задачах- классификации полей температуры и осадков 84
3.1 Краткий обзор отечественных исследований по климатическому районированию 84
3.2 Основы кластерного анализа 86
3.3 Классификация межгодового хода температуры воздуха на Европейской территории России 90
3.3.1 Районирование Европейской территории России по характеру межгодовых колебаний температуры 90
3.3.2 Выделение квазиоднородных сезонов в годовом ходе температуры воздуха 95
3.3.3 Разбиение межгодового хода температуры воздуха на однородные градации 98
3.4 Классификация межгодового хода атмосферных осадков на Европейской территории России 102
3.4.1 Районирование Европейской территории России по характеру межгодовых колебаний осадков 102
3.4.2 Выделение квазиоднородных сезонов в годовом ходе осадков на Европейской территории России 107
3.4.3 Разбиение межгодового хода атмосферных осадков на однородные градации 112
3.5 Оценка временной устойчивости климатических границ природных зон 114
Заключение 132
Список литературы 136
- Характеристика исходных данных по температуре воздуха и атмо сферным осадкам
- Сопряженность колебаний осадков, выпавших над континентами и над Европейской территории России
- Статистический анализ изменчивости температуры воздуха и осадков для природных зон Европейской территории России
- Классификация межгодового хода температуры воздуха на Европейской территории России
Введение к работе
Актуальность исследования. Исследование изменчивости температуры воздуха и атмосферных осадков является одной из актуальных задач современной географической науки. Влияние их на деятельность человека и на окружающую среду могут проявляться как в позитивном, так и в негативном качестве, поскольку температура воздуха и осадки как компоненты географической оболочки определяют условия существования и развития ландшафтов, а также условия жизни и хозяйственной деятельности людей.
Изучение региональных климатических изменений на фоне глобального потепления климата в современный период имеет большое научное и практическое значение. Эта задача особенно актуальна в отношении температуры воздуха и осадков, отличающихся изменчивостью во времени и пространстве. Сопоставление данных многолетних наблюдений за климатическими параметрами на Европейской территории России с другими источниками позволяет выявить общие закономерности и индивидуальные специфические черты. Исследование периодических изменений представляет большой интерес с точки зрения прогнозирования будущих природных условий, так как флуктуации температурного режима и увлажнения сказываются и на изменении других компонентов природной среды. Известно, что положение природных зон очень чувствительно к колебаниям температуры и увлажнения, а длительные однонаправленные изменения этих компонентов могут приводить к сдвигам ландшафтных границ.
Изучение пространственных и временных особенностей изменчивости температуры воздуха и осадков на Европейской территории России (ЕТР) имеет большое значение не только для разработки региональных сценариев будущих изменений климата, но также для решения ряда практических задач, связанных с рациональным использованием агроклиматических ресурсов.
Цель работы: анализ пространственно-временной изменчивости температуры воздуха и осадков природных зон Европейской территории России.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Выявление сопряженности колебаний температуры воздуха ЕТР с температурой воздуха Северного полушария и осадков ЕТР с глобальными осадками.
Выявление интервалов времени с одинаковой тенденцией в межгодовых колебаниях температуры воздуха и осадков.
Анализ трендов в температуре воздуха и осадках на ЕТР для различных промежутков времени и сопоставление их с глобальными трендами.
Районирование ЕТР по характеру межгодовых колебаний температуры и осадков на основе кластерного анализа.
Статистический анализ колебаний температуры воздуха и осадков для различных природных зон.
Определение временной устойчивости границ природных зон в современных климатических условиях.
Материалы и методы. Основой работы послужили данные о температуре воздуха и осадках из архива ВНИИГМИ-МЦД, находящиеся в свободном доступе в сети Интернет.
Для выполнения поставленных задач использовался комплекс методов статистического анализа: кластерный анализ, корреляционный и спектральный анализ, а также теория проверки статистических гипотез.
Научная новизна:
Установлена степень сопряженности колебаний температуры воздуха ЕТР с температурой Северного полушария и осадков ЕТР с глобальными осадками.
Выявлены особенности в межгодовых колебаниях температуры воздуха и осадков для различных природных зон.
Установлены периоды времени с однородной тенденцией в межгодовых колебаниях температуры воздуха и осадков.
Выявлены особенности формирования трендов в температуре воздуха и осадках ЕТР для различных промежутков времени.
Впервые методом кластерного анализа на ЕТР выделены квазиоднородные районы по характеру межгодовых колебаний температуры воздуха и осадков.
Выявлена временная устойчивость границ природных зон в современных климатических условиях.
На защиту выносятся следующие положения:
Синхронная значимая корреляция в колебаниях температуры воздуха ЕТР и Северного полушария отмечается в период 1976-2005 гг., а в колебаниях осадков в 1946-1975 гг.
Статистические закономерности межгодовых колебаний температуры воздуха и осадков для различных природных зон ЕТР в современных климатических условиях.
По характеру межгодовых колебаний температуры воздуха и осадков на ЕТР методом кластерного анализа выделено по 4 квазиоднородных района.
Границы природных зон ЕТР при переходе от периода относительного похолодания (1946-1975 гг.) к периоду интенсивного потепления(1976-2005 гг.) сохраняют стабильность.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты могут быть использованы при решении задач мониторинга и моделирования климата, а также при составлении и усовершенствовании долгосрочных прогнозов регионального климата различных природных зон ЕТР. Кроме того, полученные результаты можно использовать при решении ряда экономических, прежде всего, сельскохозяйственных задач (оценка условий для выращивания основных сельскохозяйственных культур и возможностей разведения новых культур). Полученные карты районирования ЕТР могут быть применены для решения задач климатического и физико-географического районирования.
Личный вклад автора. В ходе исследования автором подготовлен архив гидрометеорологической информации, на основе которой проведен анализ про-
странственно-временной изменчивости температуры воздуха и осадков на исследуемой территории, выполнены статистические расчеты на ЭВМ, осуществлены обобщение и анализ полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты обсуждались: на международной научно-практической конференции «География: наука и образование в системе «общество-школа-университет» РГПУ им. А.И. Герцена 2007, международной научно-практической конференции «Географическое образование и наука в России: история и современное состояние», СПбГУ, 2008; ежегодных Всероссийских Герценовских чтениях РГПУ им. А.И. Герцена, 2008 и 2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 153 страницы, включая 45 рисунков и 52 таблицы. Список литературы составляет 188 наименований, в том числе 7 на иностранных языках.
Характеристика исходных данных по температуре воздуха и атмо сферным осадкам
В общем случае информационной основой для исследования могут служить два архива данных, а именно архив данных ВНИИГМИ-МІДД и глобальный архив CD AS (Climate Data Assimilation System). Архив ВНИИГМИ-МЦД содержит суточные метеорологические данные по станциям и находится в свободном доступе в сети Интернет [64]. Из него было выбрано «реперных» 38 станций (рис. 1.1), относительно равномерно расположенных на территории Европейской территории России и имеющих большую продолжительность наблюдений за температурой воздуха и осадками. Особенностью этого архива является то, что каждая станция имеет свой период наблюдений. Затем к указанному архиву были добавлены данные еще 18 станций, в результате чего общее их число составило 56, сведения о которых приведены в таблице 1.1. Глобальный гидрометеорологический архив CDAS (Climate Data Assimilation System) [183], является частью системы так называемого «ретроспективного» анализа» (реанализ) NOAA NCEP/NCAR Reanalysis и находится в свободном доступе в сети Интернет. В нем приводятся среднемесячные данные по приповерхностной температуре воздуха и осадкам в узлах первичной широтно-долготной сетки 1,875x1,875 с 1949 г. и оперативно пополняемые с очень небольшим запаздыванием во времени. Всего на ЕТР было выделено 183 узла (рис. 1.3).
Оказалось, что среднегодовые значения, рассчитанные на основе этих архивов, имеют между собой значительные расхождения.
Обнаруженные расхождения были проанализированы с привлечением Научно-прикладного справочника по климату СССР (НпСК) [134], в котором приводятся климатические показатели для ограниченного числа станций. Для сравнения были использованы средние многолетние значения температуры воздуха и годовых сумм осадков, рассчитанные по данным наблюдений за приповерхностной температурой воздуха и осадками за период 1951-1980 гг. для 33 станций архива ВНИИГМИ-МЦД и близко к ним расположенных узлов сетки архива CDAS. Результаты сравнения представлены на рисунках 1.3 и 1.4. Из рисунков 1.3 и 1.4 видно, что средние многолетние значения температуры и осадков, рассчитанные на основе архива ВНИИГМИ-МЦД, очень хорошо согласуются с аналогичными значениями Научно-прикладного справочника по климату СССР. К сожалению, о средних многолетних значениях, полученных на основе архива CDAS, этого сказать нельзя. Если значения температуры еще относительно согласуются со значениями справочника, то несогласование осадков слишком велико. Температура воздуха (по НпСК), С Также проводилось сравнение архивов ВНИИГМИ-МЦЦ и CDAS между собой по стандартному отклонению среднегодовых значений за период 1951-1980 гг. Результаты сравнения представлены на рисунке 1.5, который хорошо отражает различия в сравниваемых архивах. Так, в большинстве случаев, изменчивость температуры воздуха по архиву CDAS занижена, а по величине осадков, наоборот, сильно завышена, причем это завышение может быть даже более чем в 2 раза. Проведенный сравнительный анализ показал, что хотя CDAS является внешне привлекательной информационной основой, поскольку значения даны в узлах сетки, но полученные по его данным результаты резко разнятся с данными гидрометеорологических станций и климатическими картами. Поэтому в дальнейшем нами используются данные гидрометеорологических станций архива ВНИИГМИ-МЦД.
Сопряженность колебаний осадков, выпавших над континентами и над Европейской территории России
В отличие от температуры воздуха межгодовая изменчивость количества осадков за период инструментальных наблюдений исследована не так подробно. Особенно это касается Мирового океана, определение осадков для которого весьма затруднено и осуществляется со значительными погрешностями [119]. Вероятно, только в работе [124] на основе данных глобального архива CDAS (Climate Data Assimilation System) [183] рассчитаны линейные тренды для отдельных океанов и Мирового океана за период 1980-2005 гг., когда стали доступны спутниковые измерения. Самый высокий тренд в осадках отмечается над Индийским океаном {Тг =5,3 мм/год), самый низкий - над Тихим океаном {Тг =3,7 мм/год). Что касается Мирового океана в целом, то тренд в количестве выпавших осадков составляет Тг = 4,2 мм/год.
Естественно, для суши измерение количества выпавших осадков уже не представляет принципиальных затруднений. Основная трудность их обработки состоит в приведении к однородному иду вследствие того, что в разных странах приняты различные системы поправок. На рисунке 1.9 приводится межгодовой ход аномалий глобального количества осадков, выпавших над континентами за 1901-2005 гг. по данным разных авторов [181, 182, 184, 186, 187, 189].
Как видно из рисунка 1.9, временной ход осадков носит сложный и более случайный характер по сравнению с распределением ПТВ. Тем не менее, прослеживается тенденция к увеличению осадков в первой половине XX столетия, последующее уменьшение до конца 80-х годов и их резкий рост в конце столетия. Естественно, это полностью не совпадает с характером трендов в ПТВ.
Оценки линейных трендов для осадков над континентами, полученные разными авторами, приведены в таблице 1.5. Все результаты, за исключением работы [181], основаны на анализе данных стационарной сети осадкомер-ных станций. Значения трендов в работе [181] определены по данным спутникового зондирования атмосферы. Как видно из таблицы 1.5, наиболее полно изучены изменения осадков лишь за вторую половину XX столетия, в том числе и за период интенсивного потепления. В то же время следует отметить, что оценки трендов разных авторов весьма сильно различаются между собой. Так, за 1979-2005 гг. они меняются от -15,6 до 12,8 мм/10 лет. Однако, учитывая, что ошибки трендов превышают их величину, то вряд ли их можно считать значимыми. Фактически это означает, что до настоящего времени у нас отсутствуют адекватные представления об основных тенденциях глобальных изменений осадков даже за последние десятилетия.
Принято считать, что потепление климата сопровождается повышением количества осадков. Например, согласно [141], во времена климатического оптимума голоцена количество осадков Северной Евразии было на 10-20 % выше современного. В работах [61, 63] отмечается увеличение количества атмосферных осадков в XX веке в большинстве районов высоких и средних широт Северного полушария на 0,5-1 % за десятилетие. Над Мировым океаном тренд в осадках, как уже отмечалось выше, также является положительным, причем между межгодовыми колебаниями осадков и температуры воздуха наблюдается высокая корреляция [124].
Оценка сопряженности колебаний осадков для ЕТР и земного шара представляет не меньший интерес, чем аналогичная оценка в колебаниях температуры воздуха. С этой целью предварительно был рассчитан ряд годовых сумм осадков, усредненных для 16 станций ЕТР за период 1901-2005 гг. Снова возникает вопрос, насколько точно новый ряд отражает колебания осадков для ЕТР в целом. Для этого рассчитывались коэффициенты корреляции для осредненных рядов по различному числу станций (табл. 1.6). Как видно из таблицы 1.6, связь между временными рядами осадков во всех случаях является почти функциональной. Исходя из этого, можно утверждать, что временной ряд осадков по 16 станциям очень хорошо отражает колебания осадков для ЕТР в целом.
Затем рассчитывались коэффициенты корреляции между осадками ЕТР и осадками над континентами для различных периодов времени. Результаты представлены в таблице 1.7, в которой полужирным шрифтом выделены значимые оценки на 5%-ном уровне значимости по критерию Стьюдента. Из таблицы 1.7 видно, что значимая статистическая связь в колебаниях осадков на ЕТР и над поверхностью суши проявляется лишь в 1946-1975 гг., когда наблюдалось относительное похолодание глобального климата. В остальные периоды времени значимая корреляция отсутствует. При этом значимые коэффициенты корреляции в период 1946-1975 гг. отмечаются в Махачкале (г = 0,39), Пятигорске (г = 0,41) и Сочи ( г = 0,47).
Статистический анализ изменчивости температуры воздуха и осадков для природных зон Европейской территории России
Для исследования изменений климата природных зон был выбран период с 1946 года, когда после окончания Великой Отечественной войны плотность сети метеорологических станций на ЕТР заметно возросла. Используемые временные ряды температуры воздуха и осадков продолжительностью 60 лет представлялись в виде двух локальных периодов, характеризующие период относительного глобального похолодания (1946-1975 гг.) и интенсивного потепления (1976-2005 гг.) соответственно. Распределение метеостанций по природным зонам представлено на рисунке 2.2. Как и следовало ожидать, это распределение крайне неравномерно. Больше всего их приходится на зону тайги (25 станций), в то время как на зону тундры и лесотундры - всего лишь 6 станций. Естественно, данное обстоятельство учитывалось при анализе получаемых результатов. Для каждой природной зоны были получены осредненные временные ряды температуры воздуха и осадков, которые приводятся на рисунках 2.3 и 2.4. Прежде всего, для каждого из указанных выше периодов вычислялись первичные статистические характеристики (среднее значение, среднеквадра-тическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса, максимальное и минимальное значения и размах колебаний). Самое общее представление об изменчивости ряда, как известно, дает размах колебаний, определяемый как соответственно максимальный и минимальный члены ряда. Размах колебаний является простейшей мерой рассеяния статистического ряда, так как показывает, насколько отличаются друг от друга крайние значения, но не указывает, насколько велики отклонения отдельных значений внутри ряда.
Дисперсия (D) и связанное с ней среднеквадратическое откло- нение (а) характеризуют среднее рассеяние значений ряда от среднего арифметического значения и рассчитываются по формулам Коэффициент асимметрии является характеристикой скошенности распределения случайной величины X: При полной симметрии относительно среднего значения As = 0. При положительной асимметрии (As 0) ряд будет включать немногочисленные, но большие по величине положительные отклонения от среднего, и более многочисленные, но менее значительные по величине отрицательные отклонения. При отрицательной асимметрии (As 0) ряд будет включать немногочисленные, но большие по величине отрицательные отклонения от среднего, и более многочисленные, но малые по величине положительные отклонения. Эксцесс характеризует крутость (островершинность или плосковер-шинность) кривой распределения случайной величины X относительно нормальной кривой и рассчитывается по формуле: Величина коэффициента эксцесса характеризует отклонение крутости эмпирической кривой от нормальной кривой распределения, так как в последнем случае принимается Ех = 0. При Ех 0 эмпирическая кривая распределения является более островершинной по сравнению с нормальной кривой. Если эмпирическая кривая распределения является более плосковершинной по сравнению с нормальной кривой, то Ех 0. Результаты расчетов статистических характеристик для двух локальных периодов временной изменчивости среднегодовой температуры воздуха в различных природных зонах Европейской России представлены в таблице 2.1.
Классификация межгодового хода температуры воздуха на Европейской территории России
Районирование - одно из фундаментальных понятий географической науки. Самое общее традиционное представление о районировании сводит его сущность к мысленному делению территории на части по каким-либо признакам. Однако районирование - не всякое территориальное членение, а деление определенного, а именно регионального уровня, объектом которого являются достаточно крупные территориальные образования с более или менее сложной внутренней структурой [95]. С точки зрения КА районирование - территориальная классификация, т.е. перенесение результатов классификации на карту.
Процедуре классификации была подвергнута матрица размером 38x30 среднегодовых значений температуры воздуха за 1976-2005 гг. для 38 станций. На рисунке 3.1 приводится дендрограмма классификации, выполненной методом У op да с применением аналога евклидовой метрики d = \-г, где г — коэффициент корреляции между станциями.
Согласно рисунку 3.1, оптимальным вариантом является разбиение всей совокупности на четыре класса. Перенесение результатов классификации на карту также позволило выделить 4 квазиоднородных района: Приполярный, Северный, Центральный и Южный, который являются статистически независимыми (рис. 3.2). Нетрудно видеть, что распределение районов носит хорошо выраженный зональный характер, обусловленный радиационным притоком тепла.
Приполярный район охватывает Кольский полуостров, Карельский перешеек и территорию к северу от Северных Увалов. Южнее полосой между Северными Увалами и Приволжской и Белебеевской возвышенностями протянулся Северный район. Центральный район простирается от Валдайской возвышенности на западе до Южного Урала на востоке и на юг до низовий Волги и Дона. Южный район расположен в пределах низовий Волги и Дона, а на юге ограничен Кавказом.
Для выделенных районов осуществлялось осреднение температуры воздуха, а затем по их осредненным значениям вычислялись основные статистические характеристики, которые представлены в таблице 3.1. В ней приведен также диапазон коэффициентов корреляции для станций внутри района с его статистическим центром. Квазиоднородные районы хорошо различимы по среднему значению и отличаются высокой внутренней корреляцией станций. Размах колебаний составляет от 2 до 4,8С.
Межгодовой ход температуры воздуха в квазиоднородных районах представлен на рисунке 3.3. Из графиков видно, что в период с 1976 по 2005 гг. для температуры воздуха во всех районах характерен сильный тренд, характеристики которого приведены в таблице 3.2. К этим характеристикам относятся коэффициент детерминации R2, показывающий вклад тренда в дисперсию исходного процесса, и величина тренда ТУ, отражающая скорость изменения температуры воздуха.
Как видно из таблицы 3.1, наибольший темп роста температуры воздуха отмечается в Центральном районе, а наименьший — в Южном районе. В равной мере увеличилась температура в Северном и Приполярном районах. Решение данной задачи также может быть осуществлено с помощью кластерного анализа путем построения дендрограмм для среднемноголетних месячных значений температуры воздуха для каждого квазиоднородного района ЕТР. На рисунке 3.4 представлена дендрограмма классификации среднемноголетних месячных значений температуры воздуха для всей ЕТР за период 1976-2005 гг. методом Уорда на основе евклидовой метрики. Нетрудно заметить, что исходная совокупность значений отчетливо делится на два класса, которые можно интерпретировать как холодный (ноябрь-март) и теплый (апрель-октябрь) периоды года. Но если холодный период однороден и дальнейшее разбиение его представляется нецелесообразным, то теплый период можно разделить на летний сезон (с мая по сентябрь) и переходные сезоны: весну (апрель) и осень (октябрь).
