Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние климата на человека 9
1.1. Биоклиматические показатели климата 9
1.2. Показатели релевантные для оценки климата Ленинградской области 28
Глава 2. Биоклиматический режим Ленинградской области 36
2.1. Физико-географический обзор и краткая характеристика климата Ленинградской области 36
2.2. Характеристика используемого материала 51
2.3. Годовой ход биоклиматических условий Ленинградской области 53
2.4. Статистические распределения значений биоклиматических индексов 55
2.5. Возможные биоклиматические условия в 21 веке 57
Глава 3. Применение ГИС-технологий при изучении биоклимата 60
3.1. Построение трехмерной карты рельефа Ленинградской области 60
3.2. Построение трехмерных карт значений биоклиматических индексов 66
Глава 4. Ресурсно-климатическое районирование территории Ленинградской области 72
4.1. Принятое в настоящее время районирование территории для рекреационных целей 72
4.2. Ресурсно-климатическая комфортность различных районов Ленинградской 82
Заключение 86
Список использованной литературы 88
Приложения 92
- Показатели релевантные для оценки климата Ленинградской области
- Годовой ход биоклиматических условий Ленинградской области
- Построение трехмерных карт значений биоклиматических индексов
- Ресурсно-климатическая комфортность различных районов Ленинградской
Введение к работе
Актуальность.
Влияние климата на человека относится к наиболее важным и
трудноразрешимым проблемам, над решением которой уже давно бьются
ученые, как со стороны климата, так и со стороны здоровья человека.
Однако до сих пор до конца не ясен механизм влияния погоды на человека.
Сама возможность такого влияния часто вызывает дискуссии.
Биоклиматические описания различных территорий опираются на разные
специализированные показатели (индексы), иногда малоинформативные и
не сравнимые между собой. В результате биоклиматическую информацию не
используют при решении ряда важнейших государственных задач:
расселенческой, адаптационной, планирования рекреационных зон,
нормирования оплаты работ на открытом воздухе и т.п., где важность ее
использования трудно переоценить.
Одной из главных причин этого является отсутствие
задокументированной надежной и достаточно, полной информации о состоянии человека за длительный период наблюдений, т.к. физиологические анализы больных и здоровых людей не подлежат длительному хранению и не подвергаются серьезной статистической обработке. Прорыв в данной области наступит только при тесной кооперации климатологов и врачей с использованием большого количества объективных анализов состояния человека и разнообразных метеорологических и геофизических данных. Решение этой проблемы требует больших организационных усилий и частных инициатив врачей и климатологов.
В рамках одной диссертационной работы это выполнить невозможно.-Однако; важным шагом на пути к ее решению является разработка стандартного современного подхода к составлению биоклиматйческих. описаний различных регионов, а впоследствии — территории всей страны.
5 Решению данной проблемы посвящена выполненная диссертационная работа.
Объект исследования: территориальная организация
биоклиматического описания района.
Предмет исследования: составление образцового биоклиматического описания региона - Ленинградской области с использованием статистических характеристик релевантных биоклиматических индексов, ГИС-техноологий, картирования биоклиматических ресурсов и представление возможных параметров климата 21 века.
Цель работы: стандартизация биоклиматического описания района (на примере Ленинградской области) с использованием набора наиболее информативных биоклиматических показателей, и построение рельефной биоклиматической карты методом ГИС-технологии.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
Проанализировать известные биоклиматические показатели с целью выявления наиболее информативных и релевантных из них;
Базируясь на рассчитанных по суточным и срочным метеорологическим данным статистических параметрах биоклиматических индексов исследовать закономерности биоклимата Ленинградской области;
Оценить возможные изменения основных биоклиматических индексов в XXI в.;
Построить на основе ГИС-технологий рельефные карты биоклиматических индексов;
Разработать рекреационно-ресурсное районирование территории Ленинградской области;
Составить рекомендации по стандартизации биоклиматического описания отдельного района.
Научная новизна работы:
Впервые рассчитаны биоклиматические индексы для территории Ленинградской области и Санкт-Петербурга по суточным и срочным значениям метеорологических параметров;
Получены оценки основных биоклиматических индексов для конца XXI в по Санкт-Петербургу;
Впервые построена на основе использования ГИС-технологии рельефная биоклиматическая карта Ленинградской области;
Составлено новое рекреационно-ресурсное районирование Ленинградской области
Впервые представлены рекомендации по составлению стандартного биоклиматического описания отдельного района.
Практическая значимость диссертационной работы:
Биоклиматическая характеристика Ленинградской области может быть использована в качестве стандарта для составления региональных биоклиматических описаний;
Показаны возможности применения ГИС-технологии в биоклимате;
Реализация представленных в работе рекомендаций может быть основой для решения многих практических задач.
На защиту выносятся следующие положения:
Обоснование выбора системы индексов для описания биоклиматических условий отдельного района;
комплексная оценка особенностей биоклимата Ленинградской области, полученная по метеорологическим данным оптимального временного разрешения;
Структурирование рекреационных биоклиматических ресурсов на территории Ленинградской области;
Использование ГИС-технологии для построения рельефной карты биоклимата района.
Методы исследования
При выполнении работы применялись статистические и картографические методы исследования биоклимата Ленинградской области. Ввиду коррелированности метеорологических параметров, входящих в комплексные биоклиматические индексы для расчетов использовались метеорологические характеристики наиболее подробного «срочного разрешения, которые подвергались статистическому контролю.
Для оценки точности полученных результатов рассчитывались средние статистические ошибки всех климатических характеристик, представленных в работе.
Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов обусловлена большим объемом и подробным (срочным, суточным) разрешением исходных данных, применением современных статистических методов их обработки, включая ГИС-технологии.
Личный вклад автора:
Рассчитаны биоклиматические индексы для территории Ленинградской области и Санкт-Петербурга по суточным и срочным значениям метеорологических параметров;
Получены оценки основных биоклиматических индексов для конца XXI в по Санкт-Петербургу;
Построена на основе использования ГИС-технологии рельефная биоклиматическая карта Ленинградской области;
Составлено новое рекреационно-ресурсное районирование Ленинградской области
Разработаны рекомендации по составлению стандартного биоклиматического описания отдельного района.
Апробация работы.
Доклады на Всероссийских научно-практических конференцях «Зыряновские чтения г. Курган в 2006-2008 гг.. Доклад на кафедре климатологии и мониторинга окружающей среды факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета. Доклад в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова.
Публикации.
Результаты исследования отражены в 3 публикациях в научных сборниках и в «Руководстве по специализированному климатологическому обслуживанию экономики .
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 44 наименования. Общий объем работы составляет 191 стр. и содержит кроме основного текста 207 рисунков и 51 таблицу.
Показатели релевантные для оценки климата Ленинградской области
В предыдущей главе работы продемонстрировано разнообразие подходов к исследованию влияния климата на человека. Это объясняется, как уже указывалось, важностью проблемы, ее сложностью, а кроме того свидетельствует о том, что исчерпывающего решения до сих пор не существует. Поэтому автор поставил перед собой задачу ограничиться решением, части данной проблемы: разработать методику описания биоклимата (применительно к человеку) отдельного района и продемонстрировать ее на примере Ленинградской области. Предлагаемое описание может быть использовано для решений как хозяйственных, так и управленческих, по конкретному административному району. Анализ биоклиматических условий для каждого региона основывается на определенном наборе биоклиматических индексов.
Отбор комплекса биоклиматических индексов выполнялся по следующей схеме: - составляется таблица (см. табл. 3) биоклиматических индексов, предложенных разными авторами, начиная со второй декады прошлого века (т.е. почти за 90 лет); - в таблице перечисляются известные из литературы свойства каждого индекса (простота, широкое применение, оригинальность и др.) и, кроме того, указывается применимость к описанию биоклимата выбранного района; - рассчитываются климатические характеристики всех индексов, которые не исключились в процессе анализа таблицы 3; из общей совокупности исключаются те из них, характеристики которых выпадают из общей картины поведения основных индексов (например, при искаженном, негладком годовом ходе, многовершинном распределении индексов и т.п.) - исключаются показатели с очень малой временной изменчивостью; - принимается во внимание также обеспеченность исходными материалами наблюдений. Для характеристики биоклимата Ленинградской области (и для северо-запада России в целом) в работе рассматривались следующие индексы: Арнольди, Хилла (сухое и влажное охлаждение), ЕТ (Миссенард), ЭЭТ, НЭЭТ, Бодмана. Акцент был сделан на Холодовых индексах, которые в северных районах наиболее часто приводят к распространению эпидемий инфекционных и Холодовых заболеваний. Индексы Арнольди и Бодмана являются наиболее простыми для расчетов и поэтому получили широкое распространение. Несмотря на сравнительно слабую связь с физиологической реакцией человека на погоду, так как для физической оценки суммарного воздействия микроклимата использовались мало похожие на человека «приборы , например бочка с водой (для Бодмана), в сочетании с другими методами они дают полезные результаты. Кроме того, расчеты по этим методам обеспечены большим исходным материалом наблюдений (длинными рядами метеорологических данных) и возможностью сравнения, с расчетами других авторов, выполненных в разное время и в разных районах.
Последняя причина была учтена и при включении в рассматриваемый набор биоклиматических показателей индекса Хилла. Первоначально данный индекс был установлен на основе наблюдений по кататермометру Хилла для оценки состояния человека в помещении; Однако в последнее время этот индекс, в несколько усовершенствованном виде, широко применяется в районах Антарктики и Арктики. Значение индекса Хилла положено в основу определения границы «Крайнего Севера [Виноградов ВЛЗ., Золотокрылин А.Н., Кренке А.Н. 2006 г.]. На ряду с этими Холодовыми индексами в расчетах, выполненных в данной работе, участвовал еще один активно используемый во всех странах с суровым климатом (Канада, Аляска) индекс Wind Chilly. Недостаток этого индекса, заключается в том, что он преувеличивает роль ветра как охлаждающего фактора. В результате при его использовании происходит переоценка холодового воздействия условий внешней среды и, как следствие, выполняются излишние действия по защите от этого воздействия. Тем не менее, этот индекс получен более физиологически обоснованным способом по сравнению с предшествующими ему аналитическими индексами Сайпла и Пассела, которые являлись наиболее популярными при оценке ветрового охлаждения при низкой температуре воздуха. В последние годы известные автору работы в Канаде и США по данной проблеме опираются на индекс Wind Chilly. Из комплексов функциональных температур выбраны последний вариант индекса ЕТ, ЭЭТ и НЭЭТ. Этот набор может наиболее полно охарактеризовать теплоощущения одетого и раздетого человека при различных физических нагрузках. ЕТ удовлетворяет прогнозированию реакций людей в состоянии покоя или при сидячей работе. Показатель ЕТ нашел широкое применение в строительстве. Имеется возможность его сравнения с расчетами других авторов. Недостатком является то, что шкала ЕТ завышает роль влажности в умеренных и прохладных условиях и недооценивает ее воздействие в теплых, а также полностью исключает влияние ветра на теплоощущение в жарких и влажных условиях. Поскольку тепловое ощущение нормально одетого человека и человека обнаженного в одинаковых метеоусловиях различны, были использованы две шкалы эффективных температур: основная - для человека обнаженного до пояса, принимающего воздушные ванны (ЭЭТ), и нормальная — для человека одетого (НЭЭТ).
Годовой ход биоклиматических условий Ленинградской области
Особенности режима биоклиматических условий и периодических изменений биоклиматических характеристик демонстрируют графики их годового хода представленные на рис. 2, а так же на рисунках приложения 1. Прежде всего следует отметить симметричность и плавность всех рассматриваемых индексов, за исключением индекса ЕТ. Для последнего характерным является замедленное уменьшение значений в осенний период и в начале зимы до февраля, на который приходится минимум индекса. Значения всех остальных индексов характеризуются максимумом и минимумом, приходящимися на январь и июль. Погодичные значения индексов за период с 1984 по 2007 гг. представлены на рис. 3. Для сравнения изменений во времени разных индексов их значения приведены к интервалу 0-1. Рис. 3 Изменчивость значений индексов для центральных месяцев сезонов. На построенных графиках хорошо видны противоположность Холодовых индексов и функциональных температур. Максимальным значениям Холодовых индексов соответствуют минимальные значения функциональных температур. Для всех индексов за весь период наблюдений характерны две приблизительно равные волны изменения индексов. В настоящее время наметилось некоторое уменьшение суровости климата. Наиболее суровыми был конец 1980-х годов. Статистические распределения являются исчерпывающей характеристикой статистической структуры биоклиматических характеристик. Их построение требуют климатической информации наиболее подробного временного разрешения.
В процессе исследования биоклиматического режима Ленинградской области составлены и проанализированы распределения как срочного, так и суточного разрешения. Графики распределений представлены только для основной метеостанции с Санкт-Петербург, в виду громоздкости исходного материала. В работах других исследователей подобные характеристики либо не вычислялись, либо определялись по осредненным параметрам метеорологических величин. В последнем случае распределения содержали ошибки, так как параметры, составляющие индексы, как правило, коррелировали друг с другом. Характер суточных распределений индексов в общих чертах для каждого из выбранных месяцев является схожим. Так в апреле распределение индексов близко к нормальному, кроме распределения ЕТ, имеющего левостороннюю скошенность, (см. рис. 4.) В июле все распределения симметричны, кроме распределения Бодмана. Эта особенность распределения Бодмана объяснима, так как распределение ветра летом имеет 1-образное, то есть резко скошенное распределение. В октябре картина распределения индексов аналогична таковой для апреля. Единственным скошенным является распределение ЕТ. Январские распределения-характеризуются заметными различиями для систем индексов.
Холодовые индексы (Арнольди, Бодман), кроме Хилла, имеют значительно скошенные распределения, скошенность имеет разные знаки, что объясняется существом этих индексов. Если большие значения индекса Бодмана означают суровые условия, то аналогичные показатели индекса Арнольди - наоборот. Индексы эффективных температур (отнесенные к индексам тепловых нагрузок) распределены примерно по нормальному закону, за исключением ЕТ.
Построение трехмерных карт значений биоклиматических индексов
Расчет ведется при условии, что ветер 2 м/с. В таблицу добавляется колонка «Значение Бодмана . Выбирается «Обновить колонку и задается формула индекса Бодмана (см рис. 16). Машиной рассчитываются значения индекса для каждой высоты. В таблицу копируются объекты из слоя станции с заполненными значениями индекса, которые были рассчитаны нами в ходе исследования. Теперь имеется слой, состоящий из протяженных объектов (полилинии) и дискретных (символы). В Maplnfo встроены два механизма интерполяции TIN (Triangulated Irregular Network) и IDW (Inverse Distance Weights). Алгоритм IDW-интерполяции (взвешенной усредненной оценки) применяется к весьма неравномерно меняющимся исходным данным. Для таких типов данных мы можем вычислить локальное значение, которое не выводится статистически из исходных величин, но отражает закономерность размещения находящихся вблизи исходных значений. При IDW-интерполяции учитываются значения во всех исходных точках, лежащих в пределах заданного радиуса поиска вокруг узла сети (или указанном подмножестве). Значение признака в узле сети представляет собой сумму значений в исходных точках, взятых с различными весами (коэффициентами). Чем дальше базовая точка лежит от узла сети, тем меньше ее влияние на значение в этом узле. Строится поверхность и накладывается на полученную ранее рельефную карту (рис. 17.1. и 17.2.). Важным на этом этапе является выбор разрешения и масштаба карт. Зачастую это делается методом подбора, до получения приемлемого результата. В данной работе достигнуто разрешение, при котором величина стороны одного пикселя равна 500 м, что стало возможно с применением пакета «3D View». Наложение поверхности значений индекса Бодмана на трехмерную карту рельефа Ленинградской области. Слои: граница, гидрография, рельеф и станции - открываются поверх карты. Задается оформление для каждого слоя. Выводятся подписи станций, в которые помимо названия включены координаты.
Создается легенда для значений индекса, которая помещается в отдельном окне. На рис. 18 представлены итоговые варианты карт значений индексов Бодмана, Wind Chilly и ЕТ. Готовые трехмерные карты значений индексов. Проверка точности интерполяции производилась с помощью метода вычисления среднеквадратичной ошибки (Root Mean Square Error) - это суммарная статистическая величина, количественно определяющая ошибку интерполируемой поверхности за счет последовательного исключения одной из опорных точек. Использовался модуль «Анализа регулярных сетей (см. рис. 19). Было снято значение для ряда точек с заданными координатами. Затем после исключения станций повторно снимались данные. Минимальная ошибка получилась при расчетах для центра и юго-запада, максимальная ошибка на юго-востоке области. Это связано с количеством метеорологических станций. Так же для проверки результатов были построены карты с помощью более точного метода TiN-интерполяции. Однако для получения хорошего разрешения 20 станций оказалось недостаточно. В известных нам работах по применению ГИС-технологий для расчета биологических и биогеографических индексов для территории России применялось программное обеспечение EDRISI. Следует отметить, что EDRISI программа для моделирования, a Maplnfo - надежный чертежный инструмент, что позволяет вручную вносить необходимые изменения в конечные карты. Спектр применения Maplnfo гораздо шире, формат .mif связывает программу с другими оболочками. Карты, полученные в Maplnfo, могут служить наполнением более сложных геоинформационных систем. В изученных работах в качестве основы для моделирования использовались карты масштаба 1:1000000 и мельче, получено разрешение, при котором сторона пикселя равна 10 км, вертикальное разрешение 100 м. Как отмечалось выше, в подобных работах используются осредненные метеорологические данные, что не совсем правильно.
Таким образом, полученная в ходе нашей работы карта отличается своей подробностью и наполнением баз данных (метеоданные суточного и срочного разрешения). Плюсами являются дешевизна программного обеспечения, простота построения, универсальность. Ленинградская область по своему географическому положению, природно-климатическим, культурно-историческим и социально-этнографическим предпосылкам является идеальным регионом для развития практически всех видов рекреации и туризма. На ее территории расположены уникальные природные объекты, организованы заповедники и парки, заказники, пещеры, составляющие ресурсную базу экологического туризма. Однако неограниченные рекреационные возможности региона в настоящее время используются недостаточно. Рекреационный спрос (в первую очередь иностранных туристов) связан в основном с культурными памятниками Санкт-Петербурга и его ближайших пригородов. Что касается районов области, то здесь развитие туризма тормозит отсутствие необходимой рекреационной инфраструктуры. Важнейшей составной частью рекреационного потенциала являются рекреационные ресурсы, под которыми понимаются компоненты природной среды, объекты хозяйственной деятельности, обладающие уникальностью, оригинальностью, эстетической привлекательностью, целебно оздоровительнойізначимостью, могущие быть использованы для организации различных видов и форм рекреационных занятий [A.G. Кусков, В.Л. Голубева, Т.Н. Одинцова, 2005]. В. качестве природных предпосылок рекреации выступают, прежде всего, природно-территориальные комплексы различных рангов, их компоненты и отдельные свойства, в том числе и климат. В данной статье речь пойдет только о климатической составляющей рекреационных природных ресурсов области.
Ресурсно-климатическая комфортность различных районов Ленинградской
В целях профилактики необходимо выделить районы, где наиболее часты метеотропные ситуации для людей, способные спровоцировать те или иные заболевания во время отдыха. Кроме того, в выделенных районах следует ориентировать медицинскую помощь населению на наиболее вероятные в данной местности виды заболеваний. На сердечно-сосудистые и гипертонические заболевания (см. рис. 22) влияют резкие межсуточные колебания температуры воздуха и атмосферного давления, низкие температуры и сильный ветер. Низкая температура моет спровоцировать развитие гипертонической болезни. Резкое снижение давления способствует затруднению дыхания, повышению свертываемости крови. В Северном и Пригородском округах наибольшее число дней скоростью ветра больше 8 м/с. В Восточном - наибольшее число дней с температурой ниже -25С. На заболевания органов дыхания (см. рис. 23) более всего влияют сильный ветер и высокая влажность, а также ее сочетание с низкой температурой. Неблагоприятны и резкие колебания температуры. Наиболее опасная ситуация в Восточном округе. Здесь самые низкие температуры и наибольшее число дней с относительной влажности более 80% при температурах ниже 0 и с межсуточной изменчивостью температуры более 8С. холодная и влажная погода, а на простудные - слабоморозная погода в сочетании с сильным ветром и осадками.
Особенно неблагоприятным в этом отношении является Пригородный округ. Здесь наибольшее число дней с жидкими осадками и повторяемостью сильных ветров в Курортном районе. подвержена слабораздражающим погодным условиям. Отрицательные факторы приморских районов - высокая влажность и сильные ветра, на востоке области зимние температуры снижаются с нарастанием континентальности. Несмотря на это, Ленинградская область обладает большим потенциалом для развития разных видов туризма. На территории области расположены уникальные природные объекты, пещеры, организованы заповедники и парки, заказники. Большим плюсом является морской климат и мягкий ход температур в течение года. Летом больше востребованы санатории, расположенные на берегу моря. Совмещение талассотерапии и лесных прогулок дает положительный лечебный эффект. В этом отношении особенно перспективным является юго-запад области. Благоприятные температуры холодного периода и более возвышенный холмистый рельеф севера и северо-востока области способствовали развитию лыжных курортов. Охота и рыбалка могут осуществляться круглый год. На данный момент в основном спросом пользуются культурные и исторические памятники города Санкт-Петербурга и пригородов. Необходимо развитие инфраструктуры и реклама, чтобы наиболее эффективно использовать рекреационный потенциал Ленинградской области. При написании диссертации была выполнена работа по совершенствованию и развитию унифицированных форм представления региональных биоклиматических описаний в целях использования их для решения следующих прикладных задач: - развитие технологии адресного обслуживания рекреационных образований; - совершенствование биоклиматического районирования территории региона; - принятия расселенческих решений в регионе; - оценки в любом пункте на рассматриваемой территории комплексных климатических показателей состояния человека; - выделение реабилитационных периодов при различных формах заболеваний; - определение последствия и риска возможного изменения климата для здоровья человека и другие.
Основными особенностями методологии составления региональных биоклиматических описаний являются: - отбор комплекса биоклиматических индексов для адекватных характеристик конкретного региона; - расчеты статистических характеристик индексов по рядам срочных и суточных значений составляющих биоклиматического индекса; - анализ биоклиматических условий региона (административного района по совокупности статистических параметров биоклиматических индексов, состоящий из: годового хода каждого индекса, статистического распределения его суточных значений, характеристик процесса изменения во времени и возможных бедующих значений в середине и конце XXI века;
