Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Изменения барико-циркуляционного режима в атмосфере северного полушария 10
1.1. Общие пространственно-временные закономерности барического поля Северного полушария в период 1948-2013гг. 11
1.2. Изменения барических показателей во времени 28
1.3. Влияние макроциркуляционных систем Северного полушария на термобарический режим ПФО 41
Глава II. Режим атмосферного давления в приволжском федеральном округе в период 1948-2013 гг . 52
2.1. Распределение средних значений атмосферного давления на территории ПФО 54
2.2. Изменения атмосферного давления во времени
2.2.1. Многолетние временные изменения АД 70
2.2.2. Кратковременные изменения атмосферного давления и связность во временных рядах 84
2.2.3. Межсуточные колебания АД 86
2.2.4. Суточные колебания атмосферного давления 92
Глава III. Взаимосвязи атмосферного давления региона с другими климатообразующими показателями и геофизическими факторами 97
3.1. Связи характеристик центров действия атмосферы с атмосферным давлением осредненным по ПФО 97
3.2. Связь атмосферного давления с индексами атмосферной циркуляции 100
3.3. Связь среднемесячного атмосферного давления и количества атмосферных
осадков 108
3.4. Корреляция между среднемесячным значениями атмосферного давления и температуры воздуха 111
3.5. Связь междусуточных изменений атмосферного давления с изменениями температуры воздуха 115
3.7. Связь атмосферного давления с неравномерностью вращения Земли 118
Глава IV. Особенности ветрового режима на территории ПФО 121
4.1. Распределение средних скоростей ветра по территории ПФО 122
4.2. Распределение ветровых движений на территории ПФО по направлению 139
4.3. Временная изменчивость скорости ветра 145
4.4. Оценка ветроэнергетического потенциала ПФО 156
4.5. Об эффективности использования маломощных ВЭУ на территории ПФО 161
Заключение 171
Список литературы
- Изменения барических показателей во времени
- Многолетние временные изменения АД
- Связь атмосферного давления с индексами атмосферной циркуляции
- Распределение ветровых движений на территории ПФО по направлению
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время в связи с глобальным потеплением климата происходят заметные изменения в структуре и динамике метеорологических полей-температуры воздуха, атмосферного давления, скорости ветра и др., что необходимо учитывать при моделировании и прогнозировании атмосферных процессов различных масштабов- от синоптических до глобальных. Важное значение придается изучению региональных изменений метеорологических величин и физических механизмов этих изменений, роли атмосферной циркуляции. В последние годы в прикладной климатологии особое внимание обращается на использование климатических ресурсов в качестве возобновляемых источников энергии. В связи с техническим прогрессом вс более перспективным является использование ветроэнергетического потенциала для получения электроэнергии.
Актуальность данной работы обусловлена недостаточной изученностью происходящих изменений атмосферного давления и скорости ветра в условиях современного потепления климата на территории Приволжского федерального округа (ПФО), необходимостью построения обобщающей эмпирико-статистической модели пространственно-временного распределения метеовеличин в регионе и оценки возможностей использования е ветроэнергетического потенциала.
Цель работы:
Изучение пространственно-временных изменений полей давления воздуха и скорости ветра на территории ПФО на фоне происходящих изменений барического поля и циркуляции атмосферы Северного полушария в период 1948-2013гг.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Анализ пространственно-временных изменений давления воздуха на уровне моря над территорией Северного полушария в целом, в особенности в широтной зоне 30-70с.ш. и в Приволжском федеральном округе;
Выявление роли атмосферной циркуляции в изменениях атмосферного давления и температуры воздуха;
Изучение статистических связей между изменениями атмосферного давления с одной стороны, полями температуры, атмосферных осадков и другими геофизическими явлениями с другой;
Изучение ветрового режима на территории ПФО в условиях изменений современного климата;
- Оценка ветроэнергетического потенциала ПФО и тенденций его
изменений в последние десятилетия.
Объектом исследования является барический и ветровой режим ПФО и Северного полушария в целом.
Предметом исследования являются:
пространственно-временные показатели барико-циркуляционного режима;
временные тенденции и долговременные колебания в рядах атмосферного давления, температуры воздуха и скорости ветра на территории ПФО;
связи атмосферного давления, температуры воздуха и скорости ветра с циркуляцией атмосферы.
Методы исследования
В работе использованы современные программные средства. Оценки региональных изменений климата на территории ПФО получены на фоне изменений глобального климата с использованием статистических методов, корреляционного и тренд-анализа. Пространственный анализ полей метеовеличин и их визуализация выполнялась посредством ГИС-технологий. Достоверность результатов оценивалась с помощью критерия Стьюдента.
Методологической основой послужили труды известных российских и зарубежных ученых, разработавших научные основы метеорологии, фундаментальной и прикладной климатологии, физики атмосферы.
Информационной базой исследования явились данные приземных
метеорологических наблюдений по территории ПФО с 1966 по 2009 гг. (ФГБУ
«ВНИИГМИ-МЦД», г. Обнинск); данные по давлению и температуре воздуха
на метеорологической станции Казань, университет (1900 - 2013 гг.); данные
NCEP/NCAR реанализа ()
атмосферного давления на уровне моря, температуры воздуха, компонент скорости ветра в узлах регулярной географической сетки с шагом по широте и долготе 2,5 на 2,5 (1948 - 2013 гг.); индексы атмосферной циркуляции NAO, АО, SCAND, ЕА (1966 - 2013 гг.).
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Выявлены закономерности пространственно-временных изменений атмосферного давления и скорости ветра ПФО в период 1948-2013гг., происходящих на фоне глобального потепления;
Впервые для ПФО дана комплексная оценка воздействия атмосферной циркуляции, характеризующейся телеконнекционными индексами, на атмосферное давление и скорость ветра;
Впервые для региона построены композиты полей атмосферного давления и температуры воздуха при различных фазах индексов атмосферной циркуляции;
Выявлены взаимосвязи между полем атмосферного давления и другими метеорологическими полями (температура воздуха, атмосферные осадки);
Рассчитан ветроэнергетический потенциал (ВЭП) округа, который варьирует и полностью определяется структурой поля ветра.
Практическая значимость работы
Результаты исследований могут быть использованы:
как справочный материал о режиме атмосферного давления и ветра на территории ПФО и при тестировании региональных климатических моделей;
при оценке природного ветроэнергетического потенциала региона; при подготовке научного отчета по гранту РФФИ 15-05-06349 «Построение региональной модели по диагнозу и прогнозу современных изменений климата и их социально-экологических последствий (на примере Приволжского федерального округа)»; - используются в учебном процессе на кафедре метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ при чтении лекций по курсам «Теория общей циркуляции атмосферы», «Климатология».
На защиту выносятся следующие положения:
-
Климатические показатели, характеризующиеся динамикой барико-циркуляционного режима на территории Северного полушария и ПФО, связаны с процессом современного глобального потепления;
-
Выявленная структура композитов полей атмосферного давления и температуры воздуха для территории ПФО определяется динамикой фаз индексов атмосферной циркуляции Северного полушария;
-
Выявленные статистические связи между полями метеорологических величин свидетельствуют о сложном физическом механизме взаимодействия в земной атмосфере и необходимости комплексного изучения процессов;
-
Оценка трендов атмосферного давления и скорости ветра в период 1948-2013гг. как показателей изменения климата региона на фоне изменяющихся показателей макроциркуляции;
-
Оценка ветроэнергетического потенциала ПФО как климатического ресурса региона.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается следующим:
- использованные в работе подходы базируются на современных научных
положениях и количественных методах;
- результаты соответствуют физическим представлениям об изучаемых
явлениях и согласуются с наблюдениями;
- использованием известных статистических критериев для оценки
достоверности вычисляемых показателей.
Личный вклад соискателя. Соискатель совместно с научным руководителем определил цель и задачи исследования. Все основные результаты, вынесенные на защиту, их интерпретация получены автором. Обработка эмпирических данных и их статистический анализ выполнены по алгоритмам и программам, разработанным автором работы.
Апробация работы:
Основные и промежуточные результаты исследований по теме
диссертационной работы докладывались автором на XVI-й Международной
конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное
электричество. Климатические эффекты» (Звенигород, 2012 г.);
Международной научной конференции по региональным проблемам
гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, 2012 г.); VIII-й
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых «Молодые ученые – географической науке» (г. Киев, 2012 г.);
II-й Всероссийской научной конференция с международным участием
«Окружающая среда и устойчивое развитие регионов» (Казань, 2013 г.); XVIII-
й Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Состав атмосферы.
Атмосферное электричество. Климатические процессы» (Борок, 2014г.); XV-м
международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и
энергосбережение» (Казань, 2015г.); Международной научной конференции
«Проблемы гидрометеорологического обеспечения хозяйственной
деятельности в условиях изменяющегося климата» (Минск, 2015); XIX-й Международной школе-конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы. САТЭП-2015» (Туапсе, 2015г.); Международной научно-практической конференции «География и регион» (Пермь, 2015г.); итоговых научных конференциях и семинарах кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ (2010 – 2015 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 193 страницы, включая 77 рисунков, 53 таблицы и 5 приложений. Список цитируемой литературы насчитывает 152 источника.
Изменения барических показателей во времени
Как известно, крупномасштабные механизмы циркуляции атмосферы и океана являются важнейшими внутренними факторами в климатической системе Земли, участвующими в формировании климата и его изменчивости (Алексеев, 2003). В условиях современного глобального потепления климата происходят структурные изменения атмосферной циркуляции и поля давления.
В данном разделе рассматриваются изменения барико-циркуляционного и термического режимов в тропосфере Северного полушария (СП) в условиях глобального потепления климата, начиная с середины 20 столетия по 2013г.
В качестве исходных материалов для исследования использовались данные NCEP/NCAR реанализа приповерхностной температуры воздуха, атмосферного давления и компонент скорости ветра в тропосфере северного полушария (СП) за последние 66 лет (1948-2013гг.), распространяемые NOAA/OAR/ESRL PSD, Боулдер, Колорадо, США, а также временные ряды месячных значений температуры воздуха и атмосферного давления на территории Приволжского федерального округа в период 1966-2009гг. Индексы атмосферной циркуляции заимствованы из источника (http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc).
Для характеристики многолетнего режима атмосферного давления как правило, используют его средние месячные и годовые значения (Р). Для характеристики рассеяния случайной величины также применяются такие показатели как максимум и минимум, повторяемость различных градаций значений, размах колебаний, среднее квадратическое отклонение (СКО), законы распределения и т. д. (Кобышева, 1978).
В работе осреднение атмосферного давления (АД) по Северному полушарию проводилось по методу «удельных площадей». Выражение для расчета средних по площади характеристик в общем случае можно записать в виде (Кобышева, Наровлянский, 1978): fs = ai f{xi;yi) , (1.1) где fs — среднее площадное значение; f(xt; у{) климатическая характеристика, в точке с координатами хьу{ (или применительно к регулярной географической сетке- фъ ); аi— весовой коэффициент характеристики. Реализация осреднения возможна, например, при помощи процедуры AAVE в системе GRADS, предназначением которой является вычисление взвешенного среднего сеточных данных внутри широтно-долготного прямоугольника (вес пропорционален длине широтного круга) (Doty, Kinter, 1992, 1993). Данный метод осреднения дает высокую точность и хорошо согласуется с другими принятыми методами пространственного осреднения (Груза и др., 2013).
Для изучения барического режима, были построены поля средних многолетних значений и характеристик временной изменчивости поля давления для СП. При этом, основное внимание уделялось исследованию процессов в умеренной зоне СП (30-70с.ш.), включающей территорию ПФО, где наиболее ярко проявляется бароклинная неустойчивость и вихревая активность. Внимание автора к умеренной зоне обусловлено установившимся мнением, что для прогноза погоды в Европе, достаточно иметь информацию о циркуляционных процессах именно в этой полосе (Кац, 1955).
С использованием архива имеющихся данных реанализа NCEP/NCAR за период 1948-2013гг. построены карты среднего многолетнего давления на уровне моря в центральные месяцы сезонов (январь, апрель, июль, октябрь) (рис. 1.1). Январь
Среднее многолетнее значение АД на уровне моря в центральные месяцы года (1948-2013гг.) Построенные карты по своей структуре соответствуют ранее полученным по другим исходным данным и отражают физические закономерности пространственного распределения давления. Наиболее устойчивая особенность в распределении как ветра, так и связанного с ним атмосферного давления над земным шаром- зональность распределения, на которые накладываются возмущения (Хромов, Петросянц, 2001).
Как видно из рис. 1.1, в поле давления зональность нарушена. Как известно, возникновение возмущений в барическом поле вызвано термическими и динамическими причинами. Над охлажденными районами условия в нижних слоях атмосферы благоприятны для повышения давления, а над нагретыми - для его понижения. Поэтому над экватором образуется пояс пониженного давления, а над полюсами, где низкие температуры, - области относительно высокого давления.
На нарушение зональности в распределении давления на многолетних картах оказывает влияние неравномерность в расположении материков и океанов по поверхности Земли, как следствие, возникает неравномерность в распределении температуры подстилающей поверхности. В холодное время года над материками, которые выхолаживается сильнее, чем океаны, развиваются барические максимумы. Это объясняется большей теплоемкостью океанов по сравнению с сушей. В теплое время года материки прогреваются сильнее, чем океаны и над ними образуются области пониженного давления. В результате действия перечисленных факторов, барическое поле распадается на отдельные очаги, на области повышенного и пониженного давления с замкнутыми изобарами- центры действия атмосферы.
Многолетние временные изменения АД
Климат Земли является сложной динамической системой. Одним из показателей сложности климата является многомасштабность протекающих в нем процессов как во времени, так и в пространстве (Wang et al, 2013).
Происходящее изменение климата наблюдается не только в масштабах полушария, но и каждого отдельного региона. Причем степень происходящих изменений различна. Так, например, в Poссии в XX веке, согласно (Груза, Ранькова, 2003; ОД_РФ-2, 2014), во все сезоны наблюдавшийся рост температуры, по своей величине превосходил оценки изменений для земного шара и Северного полушария в целом. На территории России скорость потепления составляет около 0,43С/10 лет, тогда как средняя скорость потепления у земной поверхности для Земного шара составляет 0,17С/10 лет (по данным наблюдений за 1976-2012гг.). Таким образом, происходящее изменение климата России можно охарактеризовать как продолжающееся потепление со скоростью более чем в 2,5 раза превосходящей скорость глобального потепления, наиболее сильно оно проявляется в высоких широтах. Также указывается, что во второй половине XX века понизилось приземное давление, и почти повсеместно уменьшилась скорость ветра на территории России. Проведенное авторами государственного доклада (ОД_РФ-2, 2014) сравнение данных приведенных в ранее опубликованном(ОД_РФ-1, 2008) с данными последних лет указывает на происходящие в последние десятилетия заметные изменения в поле атмосферного давления и показателей циклоничности.
Чрезвычайные события лета 2010 г. с особой остротой подняли вопросы, связанные с климатическими изменениями и их последствиями. Но блокинги — это только часть, хотя и существенная, проблемы формирования погодно климатических аномалий. Существенно, что при общем потеплении в течение последних десятилетий возрастает изменчивость значимых погодно климатических характеристик. При продолжении глобального потепления в XXI в. ожидается усиление этой тенденции, в частности, увеличение вероятности выпадения экстремальных осадков, сопровождающихся в то же время летом для ряда евроазиатских регионов уменьшением вероятности выпадения осадков. Отмеченные тенденции способствуют формированию региональных экстремальных режимов — как засух, так и наводнений (Мохов и др., 2013). Глобальные климатические тренды, на основании которых исследователи делают выводы об изменении климата являются результатом осреднения набора региональных рядов данных. Современные глобальные климатические модели (на примере ансамбля моделей CMIP5) включают описание климатообразующих процессов в самом широком диапазоне масштабов- от глобального до регионального и локального (пространственную детализацию). Однако использование глобальных климатических моделей в оценках регионального климата и экстремальных явлений часто оказывается затруднительным по причине большой пространственной сглаженности модельного климата, занижения его естественной изменчивости и недооценки опасных погодных явлений. Несмотря на то, что качество расчета экстремальных значений в моделях CMIP5 несколько возросло по сравнению с моделями предыдущего поколения, остается нерешенной проблема сглаженности в климатических моделях. Она обусловлена недостаточным разрешением глобальных моделей и, как следствие, ограниченным учетом влияния региональных особенностей на расчет мезомасштабной атмосферной циркуляции и характеристики приземного климата (Павлова и др., 2014). Для большинства регионов территории России, ансамбль моделей CMIP5 занижает приземную температуру воздуха по отношению к данным реанализов.
Кроме того, последние исследования показывают, что многие геофизические параметры характеризуются большой региональной изменчивостью. Так, например, подъем температуры в течение последней четверти прошлого столетия был далеко не одинаково выраженным на континентах Северного полушария: Европа и Азия потеплели гораздо менее заметно, чем Африка и Америка (ОД_РФ-2). Пространственно-временная структура полей метеорологических параметров (приземной температуры, в частности) характеризуется значительной неоднородностью, особенно во внетропических широтах. В этой связи особую значимость среди прочих приобретает изучение отклика глобальных изменений климата в регионе, а также изучение региональных пространственно-временных полей.
Внимание многих исследователей направлено на изучение региональных особенностей проявления глобальных процессов в атмосфере. Отмечается, что для состояния окружающей среды и человека большее значения имеют не плавные изменения температуры на Земле, а возникновение климатических и погодных контрастов на региональном уровне, что приводит к возникновению экстремальных ситуаций - сильных морозов и засух, штормов, снегопадов, ливней и т.д. (Переведенцев и др., 2006).
Рассмотренный в главе I барический режим СП является фоном для анализа региональных особенностей барического режима Приволжского федерального округа, изучению которого посвящена настоящая глава.
В данной главе рассматривается климатическое распределение атмосферного давления на территории Приволжского федерального округа (ПФО). Условия рельефа ПФО, имеющие большое значение для климата, характеризуются значительным разнообразием. Рельеф округа преимущественно равнинный. На западе он несколько холмистый за счёт Приволжской возвышенности. На север Кировской области заходят Северные увалы (удлиненные возвышенности с плоскими вершинами и пологими склонами; высоты - до 200 м), а на её востоке расположена Верхне-Камская возвышенность. На территорию Пермского края заходят Уральские горы, а на территории Башкортостана и Оренбургской области расположена их южная часть. На территории Приволжского федерального округа располагаются: лесная, лесостепная и степная природная зона. Площадь округа - 1 035 900 км2. Около 37 % от общей площади региона занято лесами (преимущественно на севере округа). Хвойные леса на севере района постепенно переходят в лиственные леса на юге (Регионы России, 2011).
В климатологии для решения исследовательских и прикладных задач наибольшее распространение имеют различные числовые характеристики временных рядов случайных процессов.
Для проведения климатологического исследования автором привлекались данные наблюдений с сети метеостанций ПФО (183 станции), а также данные реанализа NCEP/NCAR по атмосферному давлению на уровне моря и температуре воздуха у земли с разрешением 2,52,5.
Связь атмосферного давления с индексами атмосферной циркуляции
Выполнен поиск информативных связей атмосферного давления в ПФО с характеристиками трех центров действия атмосферы (Исландского минимума, Азорского и Сибирского максимумов), оказывающих значительное влияние на формирование погоды и климата в Европейской части России (Mokhov, Petukhov, 1999). С этой целью были рассчитаны коэффициенты линейной корреляции между временными рядами давления осредненного по территории ПФО, и характеристиками ЦДА в период 1948-2010гг. Результаты расчетов приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Коэффициенты линейной корреляции между характеристиками ЦДА и нормированными аномалиями атмосферного давления осредненного по ПФО за зиму (1948-2010гг.) Как видно из табл. 3.1, значимые связи обнаруживаются в январе и феврале между давлением и координатами ЦДА с одной стороны, и давлением ПФО с другой. Величины r изменяются по абсолютной величине в пределах 0,3-0,4.
В целях определения информативных показателей ЦДА для долгосрочного прогнозирования аномалий давления на территории ПФО использовался известный метод «наложенных эпох. Ранее (2010г.) этот метод рассматривался Ф.В. Гоголем для долгосрочного прогноза температуры воздуха для территории Татарстана.
Нами была составлена матрица данных о характеристиках конкретного ЦДА: n1 n1 nk где шц(і = їді; j = ї/к)- характеристики ЦДА в определенный месяц, і- годы, j-порядковый номер характеристики ЦДА (, , Р). Далее по исходным данным за 1948-2010гг. о среднемесячном давлении отбирались годы, когда на территории ПФО имели место положительные аномалии атмосферного давления и, таким образом, формировалась подвыборка: % 12 - Х1к Мг = , (3.2) Wii хПі1 ... хПік/ где Ху- те же характеристики ЦДА в годы, когда наблюдались положительные аномалии атмосферного давления на территории ПФО. Затем аналогично формировалась подвыборка, с годами, когда наблюдались отрицательные аномалии атмосферного давления: Ун Уі2 - Уік М2 = . (3.3) Уп21 Уп21 - Уп2к В матрицах (3.10) и (3.11) п\- число лет, когда выполнялось первое условие (положительные аномалии), а п2- число лет, когда выполнялось второе условие (отрицательные аномалии). Очевидно, что сумма nj+n2=n, где п=63. Далее для каждого столбца выборок Мь М2 разыскивались значения функции, которая подчиняется «t-распределению» Стьюдента: Ь=\ -У,\\,ПІПЛ:ҐПГ2\Г, (з.4) где Щ,уг средние арифметические значения столбцов матриц Мь М2; пь п2-число строк; a?, of – дисперсия тех же столбцов.
Если при заданном значении уровня значимости и числе степеней свободы m (m= n1+ п2-2) окажется, что t tjm, определяемого по таблицам «ираспределения», то с надежностью Р=(1-) можно считать, что колебания рассматриваемой характеристики ЦДА оказывают свое влияние на формирование аномалий режима атмосферного давления. Табличные значения «t-критерия Стьюдента», рассчитанные, согласно (Кендалл, Стьюарт, 1977), имеют значения: Надежность (P) t, 61
Расчет функции t и последующее ее сравнение с данными табл. 3.2 показали, что для ожидаемого характера аномалий атмосферного давления на территории ПФО, прогностически информативными с надежностью P=0.95 являются изменения атмосферного давления в центре Исландского минимума в январе и феврале (t=2,38 и 2,27 соответственно), долгота расположения центра Азорского максимума в январе и феврале (t=2,17 и 2,29), а также давление в его центре для изменения февральского атмосферного давления в ПФО (t=3,55). C надежностью P=0.9 можно считать прогностически информативными широту расположения центра Азорского максимума и давление в его центре.
Для более адекватной оценки уровня риска проявления региональных климатических аномалий и их последствий в определенные сезоны, годы и периоды необходимо учитывать эффекты, связанные с ключевыми квазициклическими глобальными и региональными процессами, явлениями типа Эль-Ниньо/Ла-Нинья, Северо-Атлантического и Арктического колебаний, Атлантической долгопериодной осцилляции на фоне вековых тенденций (Hurrell, 2003; Franzke, 2005; Scaife et al., 2008; Mokhov et al., 2013). В настоящей главе рассмотрены связи атмосферного давления на территории ПФО с показателями атмосферной циркуляцией, представленной индексами циркуляции атмосферы.
Рассмотрим корреляционные связи между атмосферным давлением на территории ПФО и индексами циркуляции атмосферы.
Для расчета корреляционных связей привлекались данные реанализа с разрешением 2,52,5 в период 1950-2013гг.
Среднее значение давления по округу рассчитывалось по 54 узлам регулярной сетки (рис. 2.3). Для оценки корреляционных связей с индексами атмосферной циркуляции, округ был поделен на северную (узлы 1-27) и южную части (узлы 28-54).
Результаты расчетов представлены в таблице 3.3, из которой следует, что связи между индексами циркуляции и давлением в узлах сетки наиболее тесные в холодный период и ослабевают в теплый.
Из данных таблицы 3.3 видно, что барический режим северной части округа имеет более тесную связь с индексами циркуляции. Наиболее явная положительная связь режима АД наблюдается в холодный период с индексом SCAND. Значения коэффициентов корреляции достигают в марте 0,86.
Роль NAO в формировании барико-циркуляционного и термического режима в Североатлантическом регионе представлена в работе (Нестеров, 2013). NAO выражено во все сезоны года и проявляется на масштабах от нескольких суток до нескольких столетий.
С целью выявления роли положительных и отрицательных фаз индексов циркуляции атмосферы на барический режим ПФО рассмотрим влияние на них нескольких устойчивых мод, проявляющихся в поле давления во внетропических широтах: Североатлантического колебания (NAO), Скандинавского колебания (SCAND), Арктической осцилляции (АО), Восточноатлантического (EA). Методический подход заимствован из работы (Полонский, Кибальчич, 2015), где в качестве основного метода статистической обработки исходных данных был выбран композитный анализ, позволяющий выделить чистый сигнал, соответствующий влиянию каждой отдельной ортогональной моды изменчивости на метеорологический режим региона. В нашем случае, на барический и термический.
Распределение ветровых движений на территории ПФО по направлению
В среднем за год преобладающим направлением ветра на территории ПФО является юго-западная четверть (Ю, ЮЮЗ, ЮЗ, ЗЮЗ, З) горизонта с суммарной повторяемостью 44,8%, с преобладанием ветров южного румба (10,6 %). (табл. 4.9, рис. 4.11). Следует отметить хорошую согласованность полученных автором результатов с данными Научно-прикладного справочника по климату СССР (1988).
Ветры южного направления преобладают в холодное время года, что обусловлено влиянием азиатского антициклона (рис 1.1). Летом перестройка структуры барического поля, обусловливает в среднем направление изобар с северо-запада на юго-восток, что приводит к возрастанию повторяемости ветров северозападной четверти.
Согласно (Прох. 1983.; Калинин, 2001), суточный ход испытывает не только скорость ветра, но также и его направление. В дневное время интенсивный турбулентный обмен приводит к усилению скорости ветра и неустойчивости его направления. С усилением турбулентности, наблюдается правый поворот направления ветра (по часовой стрелке) в северном полушарии.
По срочным данным за 1966-2011гг. на 20 станциях равномерно покрывающих территорию ПФО рассчитаны изменения направления скорости ветра между сроками 0-12ч(ВСВ). Выбор сроков 0 и 12 ч(ВСВ) обусловлен развитием макси 143
мальной конвекции в срок 12ч (ВСВ), соотвествующий15-16ч. местного времени для подавляющей части территории ПФО. Результаты, осредненные по станциям округа приведены в табл.4.10. Согласно данным таблицы, повторяемость правого поворота ветра между сроками наиболее значительна в теплое время года, что обусловлено наибольшей интенсивностью турбулентности. При дневном усилении обмена импульсом между слоями, направление ветра в приземном слое приближается к направлению ветра в верхней части слоя трения, т. е. к направлению изобар; отсюда и правое вращение. При ночном ослаблении обмена ветер приземного слоя в меньшей степени выравнивается с ветром более высоких слоев; поэтому ночью происходит удаление направления приземного ветра от изобар, т. е. его левое вращение (Савичев, 1982).
Повторяемость правого поворота ветра на территории ПФО значительно не меняется в течение года. Максимум повторяемости данного явления лучше выражен в районах с открытой равнинной местностью (рис. 4.12). Следует отметить, что на суточный ход накладываются более сильные непериодические изменения скорости и направления ветра, связанные с циклонической деятельностью, что усложняет истинную картину.
Основные особенности в режиме направления ветра складываются под влиянием неоднородностей рельефа местности и характера подстилающей поверхности, включая растительность. Определяющими сторонами рельефа являются абсолютная высота, ориентация и крутизна склонов. При этом могут возникать местные циркуляции. В восточной части округа свое влияние на направление ветра оказывают предгорья Урала (рис. 4.13) (Переведенцев и др., 2013).
Наиболее кратковременным периодическим изменением скорости ветра является суточный ход. В среднем за год, максимум скорости ветра в суточном ходе в нижних слоях атмосферы наблюдается в послеполуденные часы, и в теплое время года. Минимум – в ночные и утренние сроки (табл. 4.11). Такая закономерность особенно выгодна при эксплуатации ветроэнергетических установок, т.к. максимум потребления электроэнергии совпадает с максимумом скорости ветра. Причиной суточного хода скорости ветра является изменение турбулентного обмена внутри суток.
Ввиду существования суточной изменчивости скорости ветра, представляется полезным вычисление ее величины, что может быть использовано в расчетах ветровых нагрузок на сооружения и в ветроэнергетических расчетах. В качестве суточной изменчивости (вариации) скорости ветра рассмотрим размах суточных колебаний скорости ветра А=Vmax-Vmin. Картина пространственного распределения размаха суточных колебаний скорости ветра неизменна в течение года и на территории округа принимает вид близкий к зональному с максимумом в центральной и юго-восточной частях окру га (рис. 4.15). В годовом ходе данная характеристика изменяется незначитель но и имеет выраженный максимум в летние месяцы, в среднем по округу достигая значения А=4,7 м/с в июне, и минимальное значение в ноябре А=3,7 м/с. Для характеристики временной изменчивости среднемесячной скорости ветра рассчитывался ряд параметров. Рассмотрим их пространственно-временное распределение. Величина среднего квадратического отклонения (СКО) характеризует межгодовую изменчивость скоростей ветра. Анализ данных табл. 4.12 показывает, что величина меняется в годовом ходе от минимальных значений летом (0,3-0,9м/с) до максимальных зимой, достигающих 0,6-1,7м/с. СКО средних максимальных скоростей больше отмеченных на 0,3-0,8м/с. Естественно, что карты распределения СКО по внешнему виду соответствуют картам средних месячных значений скоростей: большим значениям скорости ветра соответствуют и области повышенных значений СКО. В январе значения возрастают с севера к центру от 0,7 до 0,9-1,2м/с. На юге и юго-востоке региона также отмечается усиление межгодовой изменчивости скорости ветра ( достигает 1,2м/с). В июле значения СКО средней месячной скорости ветра возрастают от 0,4м/с (северо-восток) до 0,6м/с в центре и на юге ПФО. СКО испытывает годовой ход. Для среднегодовых значений ветра СКО составляет 0,3-0,7 м/с. Для сравнения, в работе (Твай-делл, 1982) представлены результаты обработки наблюдений на 168 метеостанциям севера Европейской части СССР, из которых следует, что среднеквадратичное отклонение среднегодовой скорости повсеместно примерно одинаково и составляет в подавляющем большинстве случаев 0,2-0,5 м/с.