Содержание к диссертации
Введение
1 Результаты исследований изменений приземной температуры на северном полушарии в XX веке 16
2 Методологические основы исследования 35
2.1 Подготовка исходных данных 35
2.2 Методика обработки данных 41
3 Характеристика холодных сезонов умеренной зоны азиатского континента 46
3.1 Статистическое исследование структуры холодных сезонов 46
3.2 Об инерции зимних процессов 56
4 Исследование скрытых периодичностеи и климатических тенденций в характеристиках структуры холодного полугодия 66
4.1 Динамика продолжительностей и границ периодов с различным уровнем температур 66
4.2 Сравнительный анализ динамики температуры самого холодного месяца и продолжительностей отдельных периодов холодного полугодия 78
4.3 Практическое использование полученных результатов 86
5 Пространственно - временные закономерности чередования типов холодных периодов 92
5.1 Классификация холодных периодов 92
5.2 Закономерности чередования различных по характеру холодных сезонов 95
5.3 Исследование возможностей вероятностного климатологического прогноза характера предстоящего зимнего периода 99
5.4 Заключение 106
5.5 Список литературы
- Подготовка исходных данных
- Об инерции зимних процессов
- Сравнительный анализ динамики температуры самого холодного месяца и продолжительностей отдельных периодов холодного полугодия
- Закономерности чередования различных по характеру холодных сезонов
Введение к работе
В настоящее время мы являемся свидетелями быстротечных картин экстремальных событий происходящих на нашей планете и влияющих на жизнедеятельность человека. Наводнения необычной силы летом 2002 г. в Европе, охватившие территории от Соединенного Королевства до Румынии и Болгарии, привели к гибели сотен людей и нанесению ущерба исчисляемого в миллиардах долларов. В Республике Корея в это же время пришлось провести мобилизацию воинских подразделений для борьбы с ливневыми дождями, после того как в результате ливней объем выпавших осадков составил только за одну неделю две пятых их среднегодового количества по всей стране. В Китае десятки миллионов людей пострадали в результате жестоких ливней и наводнения исторического масштаба. В течение того же периода в некоторых частях Азии, США и Австралии наблюдались засухи, достаточные для того, чтобы поставить под угрозу судьбу урожая. В южной части Африки жестокие засухи создали опасность для жизни почти 13 миллионов человек [61, 90, 112 и др.]. В последние годы в России происходило в среднем около 300 чрезвычайных ситуаций природного характера. Наиболее подверженными риску чрезвычайных ситуаций являются Южный, Сибирский и Дальневосточный федеральные округа [59].
Одним из факторов, инициирующих рост природных чрезвычайных ситуаций является глобальное изменение климата. Большинство ученых [11, 107, 121, 130 и т.д.] считают, что за счет антропогенного воздействия климатическая ситуация меняется быстрее, чем это имело место в прошлые тысячелетия и это влияние соизмеримо с естественными факторами влияющими на климат (например, астрономическими...). Поэтому усилия ученых в последние годы направлены на исследования климатических изменений и их воздействий на биосферу и общество, на выработку мер по адаптации человечества к происходящим изменениям, на поиск подходов по снижению антропогенных воздействий на климатическую систему, на предотвращение негативных последствий и максимальное использование позитивных эффектов.
В материалах Третьего национального отчета Российской Федерации об изменении климата [59] показано, что с большой вероятностью можно ожидать существенных климатических изменений на территории России. Отмечается, что последствия изменений климата будут неоднозначны для различных регионов и сфер деятельности. Ожидается, что основная тенденция климата - потепление, будет сопровождаться усилением засушливости. Наиболее интенсивно процесс потепления проявится к востоку от Урала, в то время как вблизи Черного моря возможно похолодание. Значительные изменения ожидаются в режиме осадков и стока поверхностных вод. Соответственно увеличится вероятность опасных паводков. Увеличение числа осадков ожидается в Южном регионе и на Южном Урале (апрель-сентябрь), в Центральном регионе и Приморье (октябрь-март).
Растительные зоны реагируют на изменение климата с отставанием, прежде всего за счет адаптационных особенностей. В лесном хозяйстве Сибири и Дальнего Востока ожидается повышение продуктивности и одновременно увеличение числа и масштабов лесных пожаров. В определенной степени это связано с прогнозируемым уменьшением осадков в зонах вокруг озера Байкал а также в Средней и Восточной Сибири.
Наиболее сильные изменения ожидаются в зонах вечной мерзлоты. Потепление климата приведет к необратимым природным процессам, которые будут иметь негативные последствия для освоенных территорий. Оттаивание мерзлых пород приведет к росту числа техногенных чрезвычайных ситуаций (обрушение зданий и сооружений, повреждение коммуникаций). Эти последствия требуют разработки системы адаптационных мер при проектировании, строительстве и эксплуатации, пересмотре нормативов строительства и т.д.
Несомненно, что природные и техногенные чрезвычайные ситуации являются факторами стратегических рисков, которые оказывают непосредственное влияние на национальную безопасность и качество жизни населения, поэтому управление рисками чрезвычайных ситуаций является важной задачей обеспечения устойчивого развития России [28]. Например, засуха в современных условиях наносит ущерб не только сельскому хозяйству - при засухе снижается выработка электроэнергии, усложняются (а порой и прекращаются) речные перевозки и страдают производства, потребляющие большое количество воды и т.п. Суровые зимы отражаются не только на здоровье людей, перезимовке скота, озимых культур и т.п. - при низких температурах увеличивается расход энергии и топлива на промышленные, транспортные и коммунальные нужды, снижается производительность труда в промышленности, на транспорте и особенно в строительстве. Чтобы обеспечить адаптацию хозяйственной деятельности к новым климатическим условиям потребуются большие капиталовложения, при этом, несомненно, важную роль при планировании хозяйственных мероприятий на длительные сроки играет прогноз возможных в будущем климатических сценариев. То есть, разработка методов предсказания изменений климата на годы, десятилетия, столетия сейчас и впредь приобрели первостепенную важность. Для оценки сценариев климата в будущем необходимыми являются сведения об изменениях в прошлом. Однако эти исследования, оказываются весьма сложными, и некоторые вопросы пока остаются без достаточно уверенных ответов. Вместе с тем для оценки возможных последствий изменений климата и их влияния на окружающую среду и экономику необходимы более полные данные для конкретных регионов, представляющих особый интерес [4, 34].
Сложность современной климатической эпохи предопределила в качестве важнейших программ ВМО Всемирную Программу Исследований климата [61]. Одной из задач этой программы является документирование климатов прошлого, в том числе и по инструментальным наблюдениям. Известно [39], что климатические изменения не синхронны во времени и пространстве. Поэтому региональные исследования являются «необходимыми фрагментами» при построении общей картины климатических изменений.
Полное исследование климата включает в себя оценку динамики различных метеорологических величин (температуры, осадков, давления, облачности и т.д.) однако при исследовании изменений климата большинство авторов ограничиваются изучением колебаний средней месячной, сезонной и годовой температуры воздуха. Одной из причин этого является наличие, с одной стороны, достаточно однородных временных рядов инструментальных метеорологических наблюдений за данной метеорологической величиной, а с другой - достаточная длительность рядов наблюдений (около ста и более лет).
В Сибири и на Дальнем Востоке выполнено множество исследований по динамике средних температур воздуха [21, 63, 64, 67, 73, 75 и т.д.]. Но автору не известны работы, посвященные изучению внутренней структуры метеорологических сезонов, закономерности их временных изменений. Вместе с тем стратегия и тактика большинства направлений хозяйственной деятельности определяется не только средними температурами, но и соотношением периодов с различным уровнем температур, сроками наступления соответствующих периодов и их продолжительностями. Исходя из этого, в данной работе исследуются именно структурные характеристики термического режима. Холодное полугодие в качестве исследования выбрано не случайно, именно с ним в умеренных широтах связаны основные нагрузки на энергетику, коммунальное хозяйство, дорожные службы и т.д.
Цель и задачи диссертационной работы. Определение возможностей вероятностного прогноза характера предстоящих холодных периодов на отдельных станциях.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
1. Оценка пространственно-временных особенностей зимних сезонов в умеренном поясе азиатского континента.
2. Исследование закономерностей временных изменений различных характеристик термической структуры холодного полугодия (сезона, периода) на различных станциях.
3. Районирование территории по степени синхронности в динамике большинства характеристик термической структуры.
4. Типизация холодных сезонов по их характеру.
5. Оценка способов прогноза характера предстоящей зимы с различной заблаговременностью.
6. Разработка способов прогноза характера предстоящей зимы с различной заблаговременностью.
7. Разработка способов прогноза отдельных характеристик термической структуры.
Используемый материал и методы исследования
Использовались данные о среднесуточных температурах воздуха по станциям Сибири и Дальнего Востока из архива Гидрометцентра РФ за период с 1917 по 2000 год. В работе применялись:
1 .Элементарные статистические процедуры - для выяснения особенностей пространственно-временного распределения выделенных характеристик термической структуры холодного сезона по каждой метеорологической станции; рассчитывались оценки основных климатических показателей и определялась их достоверность;
2.Корреляционный и регрессионный анализы. Они позволили выявить связи различных характеристик термической структуры холодного полугодия и разработать способы их транзитивных прогнозов;
3.Графические (интегрально-разностный и последовательное осреднение Афанасьева) и аналитические (спектральный анализ) методы исследования структуры рядов.
4.Вероятностные (прогностические) модели процессов изменения типов холодных сезонов, построенные на основе условных повторяемостеи процесса.
Достоверность и обоснованность результатов сформулированных в работе, подтверждена идентичными итогами различных методов анализа и высокой обеспеченностью предложенных расчетных схем и консультативных правил.
На защиту выносятся
1 .Результаты исследования пространственно-временных закономерностей распределения различных характеристик холодного сезона.
2.Способы транзитивного прогноза некоторых характеристик термической структуры холодного сезона.
3.Результаты исследований динамики сезонных процессов в холодном полугодии.
4.Классификация и каталог типов холодных сезонов.
5.Метод вероятностного прогноза характера предстоящего зимнего периода
Научная новизна Впервые:
- современная тенденция потепления отмечена в сезонных процессах, а именно в уменьшении продолжительности холодного полугодия и самого холодного его периода;
- отмечено, что уменьшение продолжительности холодного полугодия в последние десятилетия двадцатого века связано в основном с долгопериодными колебаниями, а уменьшение продолжительности периода с экстремально низкими температурами - с фазами спада, долгопериодных и среднепериодных колебаний;
- высказано предположение о том, что тенденции к уменьшению продолжительности холодного периода в году и самого холодного периода зимы будут сохраняться в течение ближайших десяти лет;
- выявлена ритмичность сезонных процессов в холодном полугодии, проявляющаяся в связях сроков начала и продолжительности холодного полугодия, дат начала и окончания самого холодного периода зимы, сроков начала и продолжительности предвесенья;
- показана возможность использования вероятностных характеристик метеорологического процесса в прогностических целях;
- оценена степень однородности умеренной зоны Азиатского континента по термической структуре холодного сезона и динамике её характеристик.
Практическая значимость работы. Выявлены пространственно-временные закономерности распределения различных характеристик, которые позволяют оценить степень неоднородности территории по термической структуре холодного сезона и выработать универсальные критерии для их типизации.
Исследование связей различных характеристик термической структуры привело к пониманию того, что для процессов холодного сезона характерна ритмичность. Обнаруженные ритмы использованы при построении схем транзитивных прогнозов отдельных характеристик. Для каждой станции приведено от 6 до 10 расчетных уравнений.
При изучении динамики временных изменений границ и продолжительностей выделенных холодных периодов, выявлены районы с общими тенденциями этих изменений и определены наиболее значимые колебания различных характеристик холодных сезонов. Получено, что выделенный период с самыми низкими температурами наиболее синхронно изменяется в сроках наступления и продолжительности. Оценены современные климатические тенденции, чаще всего они формируются за счет среднепериодных и долгопериодных колебаний, что позволяет не только уточнить предложенные инерционные прогнозы, но и выстроить логические предположения о возможных климатических изменениях на ближайшее десятилетие. Эти закономерности можно использовать в качестве основы сверхдолгосрочных климатологических прогнозов отдельных характеристик термической структуры холодного сезона.
На основе данных о сроках начала и продолжительности самого холодного периода, как наиболее характерных характеристиках холодного периода произведена классификация холодных сезонов и составлен каталог типов зим. По условным повторяемостям метеорологического процесса составлены консультативные правила и разработан автоматизированный метод вероятностного климатологического прогноза, позволяющий определить будущий характер зимы с заблаговременностью год. Этот метод был оценен на зависимом и независимом материале. Оправдываемость оказалась довольно высокой, что позволяет использовать предложенную методику в качестве дополнительной для определения будущего характера холодного сезона.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы состоит из 74 стр. текста, 37 таблиц, 17 рисунков. Список литературы включает 182 наименования, в том числе 92 на иностранном языке. Общий объем работы составляет 172 стр.
В первой главе приведен обзор результатов исследований изменений приземной температуры воздуха на северном полушарии в XX веке. Большинство исследователей отмечают повышение среднегодовой температуры воздуха в течение XX века. Однако эта тенденция не была постоянной во времени. В целом по полушарию можно выделить периоды потепления (с начала XX века по 40-е года), понижения (с 40-х по 60-е гг.) и вновь повышения температуры воздуха (с 70-х гг. по настоящее время). Такие тенденции неоднородны во времени и пространстве, и в то время как в одних регионах современные тенденции формируются в основном зимними температурами, в других зимними и весенними, а в третьих, зимними, весенними и летними. Такая неоднородность процессов потепления затрудняет понимание его механизмов.
В этой связи целесообразными являются исследования динамики сезонных процессов, изменений продолжительности метеорологических сезонов, смещения их границ. Такие знания способствуют пониманию механизмов климатических тенденций и являются необходимыми при выработке стратегии и тактики различных направлений хозяйственной деятельности.
Во второй главе уделено внимание методологическим основам исследования, в частности, подготовке исходных данных и методике их обработки. В процессе анализа данных было установлено, что все они климатологически однородны, но не для всех выборок характерна статистическая однородность. Статистическая неоднородность отдельных характеристик холодного сезона учитывалась при оценке достоверности параметров распределения.
В третьей главе приведена характеристика холодных сезонов умеренной зоны Азиатского континента. С целью выявления закономерностей формирования структуры холодных сезонов, сравнивались процентные доли выделенных внутри холодного сезона продолжительностей периодов. Получено, что большая продолжительность холодного сезона практически по всей территории формируется за счет увеличения продолжительностей предзимья и предвесенья, исключение составляют зоны с максимальным влиянием Тихого океана, где холодный сезон в целом увеличивается за счет увеличения продолжительности метеорологического сезона зимы (периода с температурой воздуха не выше -10°С). Холодные сезоны с малой продолжительностью формируются за счет уменьшения метеорологического сезона зимы всюду, кроме Дальневосточного побережья, где этот процесс обуславливается сокращением продолжительностей предзимья и предвесенья.
В среднем распределение сроков начала и окончания холодного сезона и метеорологического сезона зимы подчиняется как широтной, так и долготной зависимости. Продолжительность предзимья в континентальной части рассматриваемой зоны уменьшается с запада на восток, а в районе тихоокеанского влияния резко возрастает. Такое резкое увеличение продолжительности в этом районе характерно и для предвесенья. Общим для всей территории является синхронность в распределении наступления и продолжительности самого холодного отрезка зимы. Этот период обладает и наибольшей изменчивостью. В целом же для холодного сезона первая половина зимы оказалась более изменчивой, чем вторая.
Учитывая, что изменения термической структуры холодного сезона год от года определяются не только степенью изменчивости её характеристик, но и внутренней ритмичностью зимних процессов, обусловленностью последующих процессов предыдущими, с помощью корреляционного анализа были выявлены внутренние ритмы процессов холодного сезона. Для наиболее тесных связей установлены количественные выражения по 6 - 10 уравнений для каждой станции, позволяющие с заблаговременностью от 4 до 1 месяца определить различные характеристики зимнего сезона. Наиболее удачными всюду оказались уравнения связи: общей продолжительности холодного сезона с его началом; окончания самого холодного в течение зимы временного отрезка с его началом; продолжительности предвесенья и его начала.
В четвертой главе исследовались скрытые периодичности и климатические тенденции, присущие изменениям разных характеристик структуры холодного сезона. По степени синхронности изменений характеристик зимнего сезона всю территорию условно можно разделить на два основных района: центральную часть Сибири и Дальневосточного побережья (Томск, Енисейск, Иркутск, Николаевск-на-Амуре) и юг Дальнего Востока (Благовещенск, Владивосток). Станции Курган и Поронайск характеризуют соответственно западную и восточную окраины и находятся за пределами выделенных районов.
Общие закономерности исследуемых характеристик сводятся к следующему. До сороковых годов холодный сезон, «ядро» зимы и предвесенье испытывают тенденцию к более раннему началу и более позднему окончанию. С сороковых по шестидесятые-семидесятые годы продолжительность холодного сезона увеличивается, при этом предзимье и «ядро» зимы начинаются раньше, но раньше и заканчиваются, предвесенье начинается и заканчивается позже. Семидесятые - начало восьмидесятых годов - это период неопределенности: четко выраженных тенденций в динамике продолжительностеи периодов с различным уровнем температур и холодного сезона в целом нет. Последние двадцать лет прошлого столетия характеризуются тенденцией к уменьшению продолжительностеи и всего холодного сезона и «ядра» зимы. При этом продолжительность предвесенья увеличивается, а предзимья уменьшается, то есть «ядро» сдвигается к началу холодного сезона. Эти тенденции чаще всего формируются за счет и среднепериодных (5-7 и 10-20 лет) и долгопериодных (30-40 лет) колебаний.
В целях определения причин современного потепления рассматривалась связь изменений различных характеристик термического режима, таких как продолжительность холодного полугодия, его самого холодного периода и среднемесячная температура января, с численностью населения. Зависимость изменения температуры января от численности населения оказалась очень явной, в то же время для сезонных характеристик довольно слабые связи обнаружились только для продолжительности самого холодного периода. То есть можно предположить, что климатические тенденции потепления обнаруженные в сезонных характеристиках в значительной степени обусловлены естественными причинами.
Обнаруженные в динамике исследуемых характеристик циклы различной продолжительности и длительные устойчивые тенденции, формируют разные по знаку систематические ошибки расчетов продолжительностеи периодов и дат устойчивого перехода температуры воздуха через заданные пределы на фазах спада и подъема циклов. Это позволяет адаптировать расчетные схемы к конкретным климатическим эпохам.
В пятой главе выявлялись пространственно-временные закономерности чередования классов, типов и подтипов холодных периодов. Универсальная для всей территории классификация типов холодных сезонов осуществлялась с учетом продолжительностей и сроков начала «ядра» зимы. Исследовалась повторяемость классов, типов и подтипов зим, в целом за период и по двадцатилетним отрезкам. Общей для территории закономерностью оказалось смещение к концу исследуемого периода наибольших повторяемостей от суровых (с большой продолжительностью «ядра») к менее (с продолжительностью «ядра» меньше средних многолетних значений) суровым зимам. Процессы потепления более активны на юге Сибири.
Исследовались возможности вероятностного климатологического прогноза характера предстоящего зимнего периода. Рассчитывались вероятности появления различных типов (подтипов) через меняющийся интервал т лет от исходного. Получены консультативные правила для определения характера предстоящего зимнего сезона с заблаговременностью один год. Разработана программа автоматической реализации этих правил с использованием каталога типов (подтипов) зим по каждой станции. Оценка предложенных вероятностных моделей на независимом материале показала хорошую сходимость в определении типов и подтипов предстоящей зимы.
В Заключении, согласно поставленным задачам, приводятся основные результаты исследования.
Апробация работы. Работа выполнялась при поддержке Минобразования России - тема научно-исследовательской работы «Исследование динамики сезонных явлений», шифр гранта АОЗ-2.13- 242. - и в рамках научной программы «Университеты России» - шифр проекта 08.01.008, тема: «Исследование закономерностей временных изменений различных характеристик холодных сезонов на территории юга Сибири и Дальнего Востока» Результаты работы докладывались на 11 научных конференциях, в том числе: одной Всемирной, пяти международных и пяти региональных. Основное содержание исследований нашло отражение в 11 тезисах научных конференций и трех научных статьях, из которых одна представлена в электронном журнале «Исследовано в России».
Автор выражает научному руководителю, к.г.н. Чернышевой Ларисе Степановне благодарность за помощь и поддержку, которую она оказала в процессе работы над диссертацией.
Подготовка исходных данных
Настоящее исследование посвящено выявлению закономерностей временных изменений различных характеристик термической структуры типов холодных сезонов на юге Сибири и Дальнего Востока.
Общепринято [26, 52], что устойчивый переход средней суточной температуры воздуха через 0С условно делит год на два периода (сезона, полугодия) - теплый и холодный. Таким образом исследуемое в данной работе холодное полугодие - это период ограниченный датами устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 0С в сторону понижения и повышения. Под его термической структурой понимается соотношение в нем периодов с различным уровнем температур с дискретностью 10С, в частности это периоды: от 0 до -10С (предзимье), от -10 до -20С, от -10 до -15С, от -20 до -25С, ниже -15, -20, -25С («ядро зимы»), от -25 до -20, от -20 до -10, от -15 от -10, от -10 до 0 (предвесенье). Соответственно в качестве характеристик термической структуры холодного сезона рассматривались даты устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха и продолжительности периодов, ограниченных этими датами.
Необходимо уточнить, что под датой устойчивого перехода через заданный предел в сторону понижения температуры воздуха мы понимаем первый день периода с отрицательными отклонениями (t, to), в котором сумма отрицательных отклонений будет больше суммы положительных отклонений в любом из последующих периодов с положительными отклонениями (t, to) [26]. В качестве даты устойчивого перехода средней суточной температуры через заданный предел to в сторону повышения температуры воздуха принимается первый день периода с положительными отклонениями средних суточных температур от заданного предела to, в котором сумма положительных отклонений больше суммы отрицательных отклонений в любом из последующих периодов с отрицательными отклонениями среднесуточных температур ОТ
Для исследования были использованы данные о среднесуточной температуре воздуха, предоставленные Гидрометцентром РФ. При выборе станций основным критерием была общая продолжительность и непрерывность наблюдений. Наиболее подходящим для исследования оказался период с 1917 по 2000 г. Было выбрано восемь станций расположенных преимущественно в зоне 50 - 55 с.ш. от Зауралья до Тихоокеанского побережья (рис.1). Географические координаты станций приведены в табл. 2.1. Ввиду протяженности территории климатические условия на них различны. Курган, Томск, Иркутск характеризуются континентальным, а Енисейск резко-континентальным климатом. Благовещенск, Николаевск-на-Амуре, Владивосток и Поронайск находятся в зоне Дальневосточного муссона. Таким образом, данные станции формируют разрез вдоль умеренного пояса через весь азиатский континент.
Для всех станций были выделены периоды с температурами 0С, от 0 до -10С (предзимье) и от -10 до 0С (предвесенье). Последующее деление холодного сезона по уровню температур было неодинаковым на разных станциях (табл. 2.2). Так, для Владивостока -15С - это крайний предел для которого можно было определить даты устойчивого перехода. Для Поронайска и Кургана устойчивый период самых низких температур - это период с температурами ниже -20С, в Николаевске-на-Амуре, Благовещенске, Иркутске. Томске и Енисейске - с температурами ниже -25С. Соответственно были неодинаковы уровни температур в периодах, предшествующих и следующих за описанными выше периодами. Так, для Владивостока выделялись периоды с температурами от -10 до -15С и от -15 до -10С. А для всех остальных станций от -10 до -20С и от -20 до -10С. Период с самыми низкими температурами воздуха условно назван нами «ядром» зимы.
Прежде всего, полученные данные были проверены на климатологическую и статистическую однородность. В соответствии с рекомендациями ГГО [72] оценка климатологической однородности производилась с помощью критерия Х-Колмогорова. Установлено, исходные выборки климатологически однородны. Понятие статистической однородности мы совместили с понятием случайности процесса изменения рассматриваемой величины и исследовали с помощью автокорреляционной функции: г(г)=(Аг,Дг,.,). (п-т)а (1) где г (т) - значения корреляционной функции, представляющие собой коэффициенты корреляции между членами ряда, разделенными меняющимся дискретным сдвигом г = 1,2,3...гтах; А/,, &%1+т - отклонения от среднего значения; а - стандартное отклонение; п - длина исходного ряда. Максимальный сдвиг для выборок объемом 83 года был равен 30 [42]. Доверительная область, внутри которой коэффициенты автокорреляции значимо не отличаются от нуля, определялась с вероятностью 95% по формуле [42]: I{rt)- границы доверительного интервала, Za - 0,05 процентная квантиль функции Лапласа.
Анализ автокоррелограмм показал, что не все исследуемые характеристики изменяются по законам случайного процесса. По [42,49] наличие значимых коэффициентов корреляции в рядах свидетельствует о присутствии в них, так называемого «красного шума», то есть устойчивых климатических тенденций. В табл. 2.3 - 2.4 приведены оценки статистической однородности дат перехода и продолжительностей различных периодов. Видно, в частности, что для начала холодного периода процесс изменения не случаен на всей территории, кроме Дальнего Востока (Николаевск-на-Амуре, Благовещенск, Владивосток).
Об инерции зимних процессов
Изменения термической структуры холодного сезона год от года определяются не только степенью изменчивости отдельных её характеристик, но и внутренней ритмичностью зимних процессов, обусловленностью последующих процессов предыдущими, зависимостью их интенсивности от сроков начала и продолжительности.
Идея использования инерции природных процессов в метеорологии впервые была высказана Ф.Ф. Давитая [32]. Им были замечены связи весенних процессов с характером предстоящего лета, и на этой основе был разработан метод прогноза теплообеспеченности вегетационного периода, который практически на всей территории нашей страны имеет высокую оправдываемость при заблаговременности 4-5 месяцев.
Мы попытались выявить внутренние ритмы процессов холодного сезона с помощью корреляционного анализа. Исследовались связи отдельных дат устойчивого перехода температуры воздуха через различные пределы друг с другом, дат перехода и продолжительностей периодов с различным уровнем температур для каждой станции. В табл. 3.6 представлены матрицы парных коэффициентов корреляции всех указанных ранее характеристик термического режима. При анализе были отмечены некоторые общие для всех станций связи. Дата начала холодного сезона всюду предопределяет его продолжительность (г=0,6-г0,7). Эта зависимость является обратной для всех станций, то есть, чем раньше наступает холодный период, тем он длительнее. Начало самого холодного в течение зимы периода по всей территории указывает на дату его окончания (r=0,6-f0,9). Эта связь прямая. Тесные связи можно отметить также для даты перехода через -10С в сторону повышения температуры и продолжительностью предвесенья (г=0,5-г0,9). Эти зависимости обратные. Для Томска, Иркутска, Благовещенска и Николаевска-на-Амуре характерны высокие коэффициенты корреляции (г=0,5ч-0,7) между продолжительностью периода с температурами от -10 до -20С и датами начала и окончания самого холодного (с температурами ниже -25С) периода.
Отмечаются тесные связи между датами перехода через -20 и -25С в сторону понижения температуры воздуха (г=0,5-т-0,9). Для отмеченных станций и Енисейска даты окончания самого холодного отрезка зимы указывают на наступление устойчивого перехода через - 20С в сторону потепления. Эти связи прямые. Так же для этих станций и Поронайска дата перехода температуры через -20С в сторону потепления указывает на продолжительность периода с температурами от -20 до -10С эта связь обратная. Довольно высокие коэффициенты корреляции отмечаются между началом холодного сезона и продолжительностью предзимья для Николаевска-на-Амуре и Поронайска, между датой окончания предзимья и продолжительностью периода с температурами от -10 до -20С для Кургана и Поронайска (г=0,6-г0,7) эти зависимости обратные.
Основываясь на результатах корреляционного анализа, мы установили количественные выражения наиболее тесных связей. В табл. 3.7 приведены коэффициенты и ошибки 66 рассчитанных уравнений. Относительные ошибки полученных зависимостей не превышают 20%. Различные характеристики термической структуры холодного периода могут быть определены с заблаговременностью от пяти до одного месяца. Универсальными для всей территории оказались уравнения связи предназначенные для расчета продолжительности холодного сезона в целом и периода предвесенья, а также сроков окончания «ядра» зимы [82].
Чтобы судить о прогностических возможностях приведенных уравнений по всей выборке на зависимом материале оценивалась их обеспеченность. Оценка долгосрочных прогнозов в метеорологии производится с помощью матриц оправдываемое (сопряженности) и индексов аналогичности [60].
Необходимым условием успешности является достаточно большая совокупность прогнозов (N 30). При этом, чем больше N, тем более достоверны результаты оценки. При оценке выбирают один или несколько критериев. Существуют критерии общей оправдываемое прогнозов, оправдываемое прогнозов по Хайдке, надежности прогнозов по Н.А.
Багрову, точности прогнозов по А. М. Обухову, количество прогностической информации, информационное отношение и другие показатели. Единого критерия, пригодного для оценки оправдываемое любых прогнозов не существует, также в этих критериях чаще всего не учитывается заблаговременность прогноза. Поэтому мы позаимствовали способ оценки из агрометеорологии, разработанный с учетом различной, в том числе большой заблаговременности прогноза [84]. В частности, оправдавшимся считается прогноз, в котором отклонение рассчитанной величины от фактической не превышает допустимой ошибки.
Сравнительный анализ динамики температуры самого холодного месяца и продолжительностей отдельных периодов холодного полугодия
Полученные выше закономерности в динамике характеристик термической структуры выявили тенденцию к потеплению, наиболее ярко выраженную в последние десятилетия XX века. Намереваясь определить какие именно воздействия, антропогенные или естественные оказывают влияние на потепление, нам представилось интересным сравнить такие разные по степени подверженности антропогенному воздействию характеристики как продолжительность холодного полугодия и его самого холодного периода и среднемесячная температура января. То, что температура является наиболее восприимчивой к антропогенным воздействиям установленный факт [39, 41, 59, 61]. В то же время смещение границ периодов с различным уровнем температур, не имеет на наш взгляд прямых механизмов передачи антропогенного влияния или подвержено ему в наименьшей степени. Январь был выбран не случайно, температура самого холодного месяца [52] является наиболее отзывчивой к антропогенным воздействиям, поскольку именно в это время выделяется наибольшее количество искусственного тепла.
В целях сравнения динамики характеристик различных по степени чувствительности к антропогенным воздействиям данные о среднемесячных январских температурах были исследованы по аналогии с исследуемыми характеристиками термического режима. Общие климатические тенденции выявлялись с помощью построения интегрально-разностных кривых распределения среднемесячных значений январской температуры воздуха (рис.4.2). Для всей рассматриваемой территории до середины I960 годов в ходе январских температур преобладает тенденция похолодания, а с конца 60-х до 2000 гг. - тенденция потепления.
Можно отметить некоторые особенности этих процессов. На всех станциях (кроме Владивостока) устойчивое похолодание началось почти одновременно с середины 20-х годов.
Интегрально - разностные кривые январских температур Потепление начиналось по-разному. Ранее всего, с конца сороковых годов, рост температуры воздуха наблюдается на юге Дальнего Востока, далее с начала шестидесятых годов - в центральной части Сибири и на побережье азиатского континента. С начала семидесятых годов потепление началось и в северо-западной части рассматриваемой зоны, а в начале восьмидесятых годов - на самом западе территории. В то же время с сороковых по семидесятые годы продолжительность холодного сезона не уменьшалась, а напротив зачастую имела некоторую тенденцию к увеличению. Однако уменьшалось «ядро» зимы и увеличивалась продолжительность предвесенья, в связи с чем зимы становились менее суровыми. С конца семидесятых начала восьмидесятых годов продолжительность холодного сезона начинает уменьшаться, холодный сезон и зима начинаются позже, а заканчиваются раньше, тенденции к уменьшению «ядра» зимы и росту продолжительности предвесенья на большей части территории сохраняются. В динамике сроков начала самого холодного периода в последние десятилетия XX века отмечается следующая особенность: на побережье они сдвигаются к более поздним датам, а на остальной части территории - к более ранним.
В динамике средних температур января по всей территории преобладают положительные климатические тенденции разной интенсивности (рис. 4.3). На юге Дальнего Востока устойчивая тенденция роста январских температур отмечается с начала периода наблюдений. На остальной территории климатические тенденции гасятся наличием хорошо выраженных фаз подъема и спада с продолжительностью циклов порядка 20-30 лет. Но для последних десятилетий XX века характерен рост январских температур.
Структура колебаний, история процессов и степень их синхронности на отдельных станциях исследовались также с помощью последовательного осреднения Афанасьева. На рис. 4.2 представлены хронологические графики и результаты последовательных осреднений. Анализируя средние метеопроцессов 2-го ранга, выявляющие наиболее длительные колебания, на станциях Курган, Иркутск и Николаевск-на-Амуре можно выделить периоды в 70 - 75 лет, сравнимые с периодом наблюдений. Там, где удалось сгладить процесс до тенденции, мы получили результаты, близкие к результатам интегрально-разностного анализа. Однако для Томска, Поронайска и Енисейска самые длительные колебания, которые удалось выявить, равны 30-35 годам.
Закономерности чередования различных по характеру холодных сезонов
Учитывая большую социальную и экономическую значимость периода с экстремально низкими температурами, мы попытались оценить возможности климатологического прогноза характера предстоящего зимнего сезона. Существующие в настоящее время методы долгосрочных прогнозов погоды не обеспечивают потребностей перспективного планирования с заблаговременностью от 1 до 5 лет. Очевидна необходимость климатологического прогноза. Такой прогноз может быть основан на вероятностных моделях метеорологических процессов. Мы сделали попытку отыскания возможных признаков характера предстоящей зимы на основе учета вероятностей перехода от заданного исходного типа (подтипа) к одному из трех возможных через различные периоды времени. С этой целью рассчитывались условные повторяемости сочетаний типов (подтипов) зим в исходный момент времени t, и через х лет, в момент t, + т . Дискретный сдвиг т менялся от 1 до хтах =15, так как увеличение числа сдвигов естественно приводит к снижению достоверности рассчитанных повторяемостей.
Поставленная задача решалась следующим образом. Для каждой станции и каждого сдвига составлялась двумерная таблица распределения сочетаний типов для tt и t, + т моментов времени. Рассчитывались вероятности появления различных типов (подтипов) через т лет для каждого из них в исходный момент времени. Далее из них выбирались типы (подтипы) с максимальной повторяемостью. В результате для каждой станции была составлена обобщенная таблица (табл. 5.8, 5.9) в которой для каждого типа (подтипа) в исходный момент времени был выбран наиболее вероятный тип (подтип), через т лет. Полученные данные позволили построить консультативные правила для определения характера предстоящего зимнего сезона. К сожалению, составить общие консультативные правила по всей территории не удалось, поэтому в работе приводятся лишь наиболее характерные из них.
Зимы первого и второго типа, при сдвигах от 1 до 15 лет наиболее часто переходят в зимы первого типа. Например, наблюдающиеся 1, 2, 3, 5, 8, 10,13 и 14 лет назад зимы первого типа указывают на наиболее вероятное появление такого же типа в предстоящий холодный период. Аналогичный исходному холодный сезон будет наблюдаться также, если 1, 4, 7, 8, 9 и 12 лет назад отмечались зимы с продолжительностью «ядра», близкой к средним многолетним значениям. Зимы с большой продолжительностью этого периода (третий тип) 8, 12 и 14 лет назад указывают на вероятное появление зимы первого типа.
При составлении консультативных правил для определения подтипа зимы выявилась некоторая пространственная локализация. При анализе, мы делили территорию на две зоны: Сибирь и Дальний Восток.
На Дальнем Востоке в предстоящий холодный период будет вероятен подтип «а» (раннее начало «ядра» зимы), если 4, 5, б, 7, 8, 11, 10 и 15 лет назад был такой же подтип, подтип «б» был 2, 6, 7, 9, 10, 11 лет назад, а 12 и лет назад был подтип «в». Подтип «в» возможен, если 12 и 13 лет назад отмечался подтип «а», 3 и 12 лет назад - «б», а 7,8,10 и 11 лет назад - «в».
Для территории Сибири общими являются следующие закономерности. Если 10 лет назад был подтип «а», 9 и 15 лет назад - «б», а 5, 14 и 15 лет назад - подтип «в», то в предстоящий холодный сезон вероятны зимы подтипа «а». Подтип «в» можно ожидать, если 2, 3, 4, 5, 7, 12, 14 и 15 лет назад был подтип «а», 1, 2, 7, 8 и 10 лет назад - подтип «б», а 2, 3, 6, 8, 9, 10 и 11 лет назад отмечался подтип «в». Появление зим с началом «ядра» близким к средним многолетним значениям (подтип «б») маловероятно для всей территории.
Безусловно, выполнение всех благоприятных сочетаний для появления данного типа (подтипа) невозможно, но наиболее удачным может быть вероятностный прогноз при большем их наборе.
Реализация составленных консультативных правил осуществлялась следующим образом: для каждого обозначенного выше сдвига фиксировался исходный тип (подтип) и по этому типу (подтипу) определялся тип (подтип), наиболее вероятный на предстоящую зиму. Окончательное решение принималось по преобладанию при всех сдвигах указаний на данный тип (подтип). Для вероятностного определения характера предстоящей зимы была разработана программа (Приложение 1) с использованием каталога типов (подтипов) зим (Приложение 3) и обучающих массивов (табл. 5.8, 5.9)
Похожие диссертации на Оценка и прогноз современного климатического режима холодного полугодия юга Сибири и Дальнего Востока
