Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы изменения климата .7
Глава 2. Физико-статистический анализ динамики изменения рядов сумм осадков и максимальных суточных осадков на территории северного кавказа за период 1961 – 2011 гг 14
2.1 Введение 14
2.2 Климатообразующие факторы для Северного Кавказа 17
2.3 Закономерности изменения режима осадков на станциях европейской части юга России за период 1961 – 2011 гг 18
2.4 Систематизация метеостанций по индивидуальным характеристикам и экстремальным значениям рядов осадков 100
2.5 Сравнительное описание изменения режима осадков по данным разных авторов 103
Глава 3. Прогноз сезонных и годовых сумм осадков на период 2012 – 2018 гг. методом «Гусеница»-SSA 117
3.1 Краткий обзор теории сингулярно - спектрального метода «Гусеница» - SSA 117
3.2 Прогнозирование сезонных и годовых сумм осадков метеостанции Буйнакск на период 2014 – 2018 гг. 123
3.3 Прогнозирование сезонных и годовых сумм осадков метеостанции Нальчик на период 2014 – 2018 гг .138
Заключение .151
Библиографический список использованной литературы 154
Приложение 1 (сводная таблица сравнительного анализа динамики сумм осадков по данным разных авторов) .159
Приложение 2 (таблицы и графики результатов прогноза суммы осадков для 17 метеостанций) 163
- Анализ состояния проблемы изменения климата
- Климатообразующие факторы для Северного Кавказа
- Систематизация метеостанций по индивидуальным характеристикам и экстремальным значениям рядов осадков
- Прогнозирование сезонных и годовых сумм осадков метеостанции Буйнакск на период 2014 – 2018 гг.
Введение к работе
Актуальность исследования
Изменение климата стало в настоящее время фактором, оказывающим существенное влияние на атмосферные процессы и, таким образом, на природно-климатические характеристики практически всех регионов нашей планеты. Этим можно объяснить и то, что исследование изменений природно-климатических характеристик регионов, их прогноз, а также четкое определение возможных их последствий для окружающей среды и в различных областях человеческой деятельности стали в настоящее время научными проблемами, которые привлекают большое внимание исследователей. К таким проблемам можно отнести анализ и прогноз изменений режима осадков, рассматриваемые в настоящей работе для различных климатических зон юга России.
В климатической доктрине Российской Федерации, утвержденной 17 декабря 2009 года, говорится, что «…пополнение знаний о климатической системе является необходимой предпосылкой формирования и реализации независимой, научно и социально обоснованной политики в области климата. Систематические наблюдения за климатом, фундаментальные и прикладные исследования, связанные с его изменениями, обеспечивают повышение осведомленности органов государственной власти, субъектов экономики, научной общественности, средств массовой информации, населения о происходящих и будущих изменениях климата и об их последствиях, о возможностях адаптации к этим изменениям и мерах по их смягчению, а также принятие соответствующих решений».
Цель работы:
Целью работы являются анализ (1961-2011гг.) и прогноз (2014-2018гг.) пространственно-временного распределения режима осадков по данным девятнадцати метеостанций на территории европейской части юга России, выявление тенденций их изменения, определение общих черт и характерных особенностей сезонной и годичной динамики режима осадков.
В рамках достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- проведен статистический анализ сезонных, годовых сумм осадков и максимальных суточных осадков за период 1961 – 2011 гг. с выявлением экстремальных значений для каждого ряда и сравнением с помощью Т-теста средних значений метеопараметров с соответствующей климатической нормой (1961 – 1990 гг.); получены линейные тренды, характеризующие современные изменения режима осадков; проведен сравнительный анализ с результатами работ других исследователей;
- исследованы фрактальные свойства и трендоустойчивость временных рядов атмосферных суточных максимумов, сумм осадков в равнинной, предгорной и горной зонах на юге России с помощью метода нормированного размаха; уточнена градация показателя Херста для определения трендоустойчивости ряда;
- систематизированы и уточнены изменения режима атмосферных осадков в различных климатических зонах юга России на основе сравнительного анализа данных разных авторов;
- получены прогнозные значения сезонных и годовых сумм осадков на период с 2014 по 2018 гг. с помощью метода спектрально-сингулярного анализа («Гусеница» - SSA).
Научная новизна:
В диссертационной работе получены результаты, обладающие научной новизной:
- для каждого сезонного и годового ряда сумм осадков и максимальных суточных осадков по данным 19 м/станций (всего 190 рядов), посчитаны 16 статистических характеристик, в том числе экстремальные значения. Определено количество экстремальных значений, приходящихся на 1961-1990гг. (базовый период) и на 1991-2011гг. (современный период) для каждой из зон; с помощью Т-теста определена статистическая разница (или равенство) средних значений рядов суммы осадков и суточных максимумов и соответствующих климатических норм для каждой станции.
- в результате анализа 190 рядов получена уточненная градация для определения трендоустойчивости ряда, позволяющая определить продолжительность сохранения тенденции увеличения или уменьшения режима осадков. Для персистентного ряда интервал для показателя Херста 0,5 1) 0,5 - впервые получены прогнозы для 90 рядов сумм осадков (сезонные и годовые) непараметрическим методом спектрально-сингулярного анализа «Гусеница-SSA» на 2014-2018 гг. Качество прогноза проверено Т-тестом, который с 95%-ным доверительным интервалом подтверждает равенство средних исторического ряда (2002-2011 гг.) с прогнозными значениями на этот же период. Практическая значимость работы: Практическая значимость работы заключается в том, что полученные закономерности изменения динамики режима осадков в сезонах и году в равнинной, предгорной, горной климатических зонах юга России, а также прогноз метеопараметров до 2018 г. могут быть использованы: - в агропромышленном комплексе республик и краев юга России; - для решения задач, возникающих в курортном кластере юга России; - как часть исследования по теме 1.3.1.1 «Мониторинг изменений современного климата Российской Федерации, ее регионов и федеральных округов (субъектов РФ)», по разделу ФГБУ «ВГИ» «Оценки изменений климата в горных районах Кавказа для Ежегодного доклада о состоянии климата России»; - для создания базы данных отчетов международных организаций, работающих по вопросам изменения климата. Положения, выносимые на защиту: Закономерности изменения режима средних и экстремальных атмосферных осадков в различные сезоны за период с 1961г. по 2011 гг. в различных климатических зонах юга России; Результаты анализа исследования трендоустойчивости временных рядов, характеризующих режим осадков в различных климатических зонах юга России; Результаты сравнительного анализа данных изменения режима атмосферных осадков в различных климатических зонах юга России; Результаты прогнозирования атмосферных осадков на период с 2014 по 2018 гг., выполненные с помощью метода спектрально-сингулярного анализа («Гусеница»-SSA). Апробация работы: Основные результаты работы были доложены и опубликованы в материалах следующих конференций: 1. Международный симпозиум «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели». Россия, Нальчик, КБНЦ РАН, 28июня - 3 июля 2013 г. 2. Конференция молодых ученых, посвященная 100-летию профессора Г.К.Сулаквелидзе, ФГБУ «ВГИ», Нальчик, 22-23 мая, 2013г. 3. Международная научная конференция с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», 23 - 26 сентября 2013 г. 4. Выполненная диссертационная работа явилась одним из индикаторов заданий по Гранту Минобрнауки в рамках Соглашения № 8323 от 16 августа 2012 г. Личный вклад автора. Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Подготовка информации, расчеты с помощью программных средств: статистического пакета SPSS 15.0, программы Caterpiller 3.4, метода нормированного размаха, анализ изменений временных рядов сумм осадков и максимальных суточных осадков в различных климатических зонах региона, а также прогноз этих метеопараметров осуществлены соискателем самостоятельно. Выводы и заключения по работе проведены совместно с научным руководителем. Публикации Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 работах, из них 2 основные в реферируемых журналах: Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы (без приложений) составляет 162 страницы машинописного текста, включая 42 таблицы, 89 рисунков, списка используемой литературы из 64 работ, приложения из 58 страниц. В Климатической доктрине Российской Федерации (утверждена Распоряжением Президента РФ 17 декабря 2009 года, №861-рп, п.29) говорится, что изменение климата является одной из важнейших международных проблем XXI века, которая выходит за рамки научной проблемы и представляет собой комплексную междисциплинарную проблему, охватывающую экологические, экономические и социальные аспекты устойчивого развития Российской Федерации [1]. В 1988 году совместно с Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) и Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) была учреждена Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) для того, чтобы объединив усилия 130 стран, всесторонним, объективным и открытым образом дать оценку имеющейся научно-технической и социально-экономической информации для содействия пониманию научной основы риска изменения климата, вызванного деятельностью человека, его потенциальных последствий и возможностей адаптации и смягчения воздействий. МГЭИК подготовила ряд оценочных докладов (1990 г., 1996 г., 2001г., 2007 г.), в которых содержатся результаты комплексного исследования климатических изменений, их причин и возможных последствий, а также оценка потенциала по принятию адаптационных мер и снижению антропогенного воздействия на климатическую систему, как на глобальном, так и на региональном уровнях. Существует довольно много определений «климата». В Глоссарии терминов, содержащихся в Третьем оценочном докладе, подготовленном Межправительственной группой экспертов по изменению климата в 2001 г., приведена следующая формулировка: «Климат в узком смысле этого слова обычно определяется как “средний режим погоды” или, в более строгом смысле, как статистическое описание средней величины и изменчивости соответствующих количественных параметров в течение периода времени, который может варьироваться от нескольких месяцев до тысяч или миллионов лет. По определению Всемирной метеорологической организации (ВМО), классическим периодом считается 30 лет. Соответствующими количественными параметрами наиболее часто являются такие переменные на поверхности Земли, как температура, осадки и ветер» [2]. Климат нашей планеты никогда не был постоянным, он заметно менялся на протяжении последних сотен тысячелетий при полном отсутствии антропогенных воздействий. Определение вариаций климата стало возможным определить при современном уровне инструментальных исследований. В статье O. Каттани и соавт. «Орбитальные и тысячелетние изменения антарктического климата в последние 800 000лет» описываются изменения климата Арктики за последние 800 000 лет, полученные на основе изотопного анализа дейтерия Dice из ледяного керна, взятого с глубины 3259,7 м [3]. По меняющемуся профилю дейтерия были восстановлены вариации средней температуры за период 800 000 лет, из которых следует, что имелось, по крайней мере, восемь квазипериодов изменения антарктической температуры. Естественные вариации климата были также очень заметными и за последние 2000 лет [4]. Как пишет Кондратьев К.Я., «…по-видимому, потепление климата в Северном полушарии, наблюдавшееся в 20 веке, было самым значительным за последнюю тысячу лет» [5]. В Глоссарии терминов было дано общее определение «изменения климата»: «Изменение климата – это изменение в состоянии климата, которое может быть определено (например, с помощью статистических испытаний) и (или) изменчивость его свойств и которое сохраняется в течение длительного периода, обычно несколько десятилетий и больше» [2]. В монографии Г.В. Груза, Э.В. Раньковой «Наблюдаемые и ожидаемые изменения климата Российской Федерации: температура воздуха» авторы уточняют понятие термина «климата» применительно к задаче анализа климата и климатической изменчивости по данным наблюдений меняющегося климата: «…климатическая изменчивость - от трех недель до нескольких десятилетий. Изменчивость этого масштаба, принятого нами за внутренний временной масштаб климатической системы, характеризует внутриклиматические колебания, или климатическую изменчивость, или флуктуации климата» [6]. Изменение климата стало в настоящее время фактором, оказывающим существенное влияние на атмосферные процессы и, таким образом, на природно-климатические характеристики практически всех регионов нашей планеты. Этим можно объяснить и то, что исследование изменений природно-климатических характеристик регионов, их прогноз, а также четкое определение возможных их последствий для окружающей среды и в различных областях человеческой деятельности становились в разные времена научными проблемами, которые привлекали и привлекают большое внимание исследователей [7-33]. Потепление климата, которое происходит сейчас, никак не вписывается в естественные циклы, к тому же процесс происходит чрезвычайно стремительно: ведь речь идет не о тысячелетиях, а о сотнях и даже десятках лет. Никогда еще средняя температура планеты не изменялась с такой невероятной скоростью. В статье «Результаты Российских исследований климата в 2007 – 2010 гг.» И.И. Мохов пишет, что «…средняя глобальная приповерхностная температура в 2001 – 2010 гг. была на 0,46 0С больше, чем в 1961 – 1990гг., и на 0,2 0С больше, чем для предыдущего десятилетия 1991 – 2000 гг. В свою очередь, последнее десятилетие XX века было теплее предыдущих десятилетий (на 0,13 0С больше, чем в 1981 – 1990 гг., и на 0,30 0С больше, чем в 1971 – 1980 гг.)» [8]. Такая беспрецедентная скорость не характерна для естественных циклических процессов и ставит остро проблему биологическим видам и экосистемам на приспособление к столь быстрым климатическим изменениям. В связи с изменением климата встает проблема адаптации жизнедеятельности человека к сложившимся условиям. Поскольку проблема адаптации жизнедеятельности человека к существующим климатическим условиям стояла всегда, тем более на ранних этапах общества, этой проблеме также посвящено много исследований [9-14]. В монографии Е.П. Борисенкова, В.М. Песецкого «Экстремальные природные явления в русских летописях XI – XVII вв.» дается характеристика климата второго тысячелетия, как на Европейском континенте, так и на всем Северном полушарии, сопоставляется миграция, развитие и направления деятельности различных народов в зависимости от условий климатического периода на данном этапе [14]. Акунин Б. в книге «Часть Европы. История Российского государства. От истоков до монгольского нашествия» (2014 г.) пишет, что «…история становления Российского государства – это история последствий расселения русо - славян в зависимости от изменения климата» [15]. Однако Л.Н. Гумилев в своей монографии «Этногенез и биосфера Земли» предостерегает от однозначного вывода о соответствии успешности хозяйственной жизни и социальной стабильности от комфортности или экстремальности климатических условий [16]. «Что подумали бы об историке, который экономическое развитие Европы, начиная с 1850 г., стал бы объяснять отступлением ледников, безусловно, установленным для Альп...», - пишет Э. Леруа Ладюри и не согласиться с ним невозможно» [17]. На основе длительных инструментальных измерений стал очевидным тот факт, что во второй половине 19 века произошло очередное потепление, которое увеличивалось до 30-40-х гг. 20-го века и затем сменилось очередным похолоданием до середины 70-х гг. Факт глобального потепления в 20-м веке фиксируется с семидесятых годов столетия. Территория Северного Кавказа расположена на юге европейской части России. Климатические особенности данного региона обусловлены рядом факторов: во-первых, географическое положение в умеренных широтах способствует формированию умеренно континентального типа климата; во-вторых, Кавказские горы служат климаторазделом между умеренным и субтропическим поясами. Они являются барьером на пути прохождения арктических холодных воздушных масс, а также не пропускают влажные воздушные массы с Черного моря. Таким образом, осадки выпадают на южном склоне. При теоретическом отсутствии на данной территории гор, здесь сформировался бы субтропический климат. Доказательством тому служит зона субтропиков с жарким летом и мягкой зимой на Черноморском побережье от Сочи до Южного Закавказья; в-третьих, существенное влияние на климатические особенности Северного Кавказа оказывают воздушные массы. Западный перенос, господствующий над европейской частью России, приносит теплый влажный воздух, который обеспечивает оттепели зимой и осадки летом. Континентальность климата на Северном Кавказе увеличивается с запада на восток по мере удаленности от Атлантического океана. Что касается Прикаспия, там преобладают восточные и юго-восточные ветры, суховеи, которые приносят сухой и холодный воздух зимой, и жаркий зной летом. Так как основную массу осадков приносят циклоны с запада, то их количество уменьшается по мере продвижения на восток, таким образом, здесь формируется зона полупустынь; в четвертых, нельзя не отметить такой важный фактор, как перепад высот: от Прикаспийской низменности, которая находится на высоте h=-28 м от уровня моря до вершин Большого Кавказа с наивысшей точкой в России горой Эльбрус высотой 5642 м и, как следствие этого, формирование высотной поясности. По характеру рельефа территорию Северного Кавказа обычно подразделяют на три зоны: равнинную (степную), предгорную и горную. Степная зона занимает большую часть территории района и простирается от северных его границ на юг, до рек Кубани и Терека. Предгорная зона располагается южнее и тянется небольшой полосой с северо-запада на юго-восток. Равнинами считаются территории с небольшим перепадом высот (до 200 м), они бывают низменные высотой до 200 м, возвышенные от 200 до 500 м и высокие более 500 м, такие равнины называются плоскогорьями. Для каждой из этих территорий характерен свой температурный режим и количество осадков. По географическому положению исследуемые метеостанции можно разделить на 3 группы: 1. Равнинные станции, которые находятся на высоте до 500 м над уровнем моря: Дербент, Кизляр, Махачкала, Изберг, Краснодар, Изобильный, Моздок, Прохладная, Ростов-на-Дону, Сочи. 2. Предгорные станции, которые находятся на высоте от 500 м до 1000 м над уровнем моря: Буйнакск, Владикавказ, Кисловодск, Майкоп, Нальчик, Ставрополь, Черкесск. 3. Горные станции, которые находятся на высоте от 1000 м над уровнем моря: Ахты, Теберда. Результаты исследования в данной главе позволяют ответить на вопрос, какие изменения в режиме осадков действительно происходили за период 1961 – 2011 гг. Основным методом обнаружения изменений климата по данным наблюдений является статистический анализ. Атмосферные процессы, обусловленные взаимодействием большого числа факторов, могут рассматриваться как случайные. Для выявления их основных закономерностей широко используются методы математической статистики. Поэтому важным моментом в исследовании режима осадков являлось использование описательных статистик с различными критериальными тестами для подтверждения их значимости. С помощью статистического пакета программ SPSS 15.0 посчитаны следующие статистики: среднее (стандартная ошибка), доверительные интервалы среднего (при 95%-ном уровне), медиана, стандартное отклонение, минимум, максимум, размах, коэффициент асимметрии, коэффициент эксцесса, экстремальные значения (выбросы и экстремумы), климатическая норма (1961 – 1990 гг.), тест Колмогорова – Смирнова на нормальность кривой распределения, Т-тест на сравнение равенства среднего с климатической нормой [45]. Построены временные ряды, линейные тренды с уравнениями, гистограммы с нормальной кривой распределения, коробчатые диаграммы с выбросами и экстремумами, графики накопленных отклонений для сумм осадков и максимальных суточных осадков. Для того, чтобы оценить изменение хода метеорологических величин, происходящие за исследуемый период, (например, как изменились средние температуры воздуха, средние значения режима осадков за последние 20 лет), их сравнивают с климатическими нормами. Для расчета современных климатических норм, в соответствии с требованиями Всемирной метеорологический организации, был взят период 1961 – 1990 гг. Для каждого сезона и года были построены графики временных рядов с линейными трендами, получены уравнения трендов. Задача предсказания тенденции изменений будущих значений ряда решается с помощью уравнения тренда. В то же время, тренд ничего не говорит о том, насколько устойчив ряд, и не последует ли за исследованным периодом другой, сравнимый с исследуемым (51 год), в котором сохранится или изменится направление тренда. Классические методы анализа, основанные на гауссовой статистике, не дают ответа на поставленный вопрос. Поведение линейных трендов исследуется на устойчивость с помощью метода нормированного размаха [46-49]. Стандартная гауссова статистика не имеет инструмента для исследования устойчивости тренда и лучше всего работает на основе ограниченных предположений: измеряемые события должны быть «независимы и идентично распределены». То есть события не должны влиять друг на друга, и они все должны иметь одинаковую вероятность наступления. Классическим примером случайной системы является броуновское движение и для него справедливо соотношение, полученное Эйнштейном (1908 г.) для движения броуновской частицы (беспорядочный путь, который проходит частица, взвешенная в жидкости): R = (аТ)1/2, где R – пройденное расстояние; T – показатель времени. Броуновское движение стало первичной моделью для процесса случайных блужданий. Это уравнение для проверки разливов Нила на случайность применил английский гидролог Гарольд Херст [46]. Но после большого количества сделанных вычислений оказалось, что размах между максимальным значением и минимальным значением разливов R пропорционален времени наблюдения в степени «0,7», а не «0,5»: R = (aT)0,7, То есть система ведет себя не как случайная величина, а проходит более длительный путь, что можно определить как смещенное броуновское движение (с наличием тренда). Это возможно, если предыдущие события влияют друг на друга. Для обобщения полученного соотношения Г. Херст нормировал смещение, разделив R на стандартное отклонение S, получив безразмерную величину R/S и возможность сравнивать различные процессы: R/S = (аT)К, Г. Херст показал, что большинство естественных явлений, включая речные стоки, температуры, осадки, солнечные пятна следуют «смещенному случайному блужданию» — тренду с шумом и коэффициент К более или менее симметрично распределен вокруг среднего значения 0,73 (для природных явлений) со стандартным отклонением, равным примерно 0,09. Сила тренда и уровень шума могут быть оценены тем, как изменяется нормированный размах R/S со временем наблюдаемого периода Т. Значение R/S называется нормированным размахом, потому что оно имеет нулевое среднее и выражается в терминах местного стандартного отклонения. Значение R/S изменяет масштаб по мере увеличения приращения времени Т согласно значению степенной зависимости, равному К, который в дальнейшем стали называть показателем Херста (Н). В этом заключается первая связь явлений Херста с фрактальной геометрией. Все фракталы изменяют масштаб согласно степенной зависимости. Анализ нормированного размаха также может описывать временной ряд, не имеющий характерного масштаба (самоподобие) это является второй характерной чертой фракталов. На предгорных (горных) станциях: Ахты, Буйнакск, Ставрополь, Теберда, Майкоп, Черкесск, Нальчик, Кисловодск, Владикавказ разброс годовой суммы осадков невелик и находится в пределах 406 – 937 мм. Для всех станций этой группы летние суммы осадков превышают зимние суммы осадков (см. рис.2.40). Минимальная сумма осадков в Ахты – 406 мм; максимальная сумма осадков во Владикавказе 937 мм. Поэтому по индивидуальным характеристикам (сумме годовых, летних и зимних осадков) возможно объединение предгорных и горных станций в одну группу. а) зимние и летние суммы осадков б) годовые суммы осадков Рисунок 2.40 – Диаграммы сумм осадков м/станций предгорной (горной) зоны. На равнинных станциях, расположенных на Черноморском побережье, степной территории Северного Кавказа и Прикаспийском побережье разброс годовых сумм осадков очень большой и составляет от 275 до 1640 мм. Минимальная сумма годовых осадков в Изберге (Дагестан) – 275 мм; максимальная сумма осадков в Сочи (Краснодарский край) –1640 мм (см. рис.2.41). По индивидуальным характеристикам (сумме годовых, летних и зимних осадков) равнинные станции ( 500м н.у.м.) (см. рис.2.42) можно разделить на следующие группы: 1. Изберг, Кизляр, Махачкала, Дербент годовые суммы осадков варьируются в пределах 275 – 400 мм; зимой осадков немного больше, чем летом, за исключением Кизляра. 2. Моздок, Прохладная, Ростов-на-Дону, Изобильный, Краснодар - годовые суммы осадков находятся в пределах 475 – 800 мм. На м/станциях Моздок, Изобильный и Прохладная - большое количество сумм летних осадков, превышающих зимние суммы осадков. В Ростове-на-Дону, Краснодаре зимних сумм осадков больше, чем летних. 3. Сочи, наибольшая сумма годовых осадков из всех исследованных станций на европейской части юга России -1640мм, с превышением зимних сумм осадков над летними, но с тенденцией их уменьшения. а) зимние и летние суммы осадков б) годовые суммы осадков Рисунок 2.41 - Диаграммы сумм осадков м/станций равнинной зоны Как говорилось в «Резюме для политиков…..» следствием изменения климата могут стать экстремальные явления, которые можно обнаружить по изменениям в распределении рядов [20]. Рассмотрим распределение количества экстремумов в базовый период 1961 – 2011 гг. и современный период 1991 – 2011 гг. для выявления особенностей изменения режима осадков. Поскольку экстремальные значения достаточно редкое явление и достоверный статистический анализ для каждой станции провести не представляется возможным, обобщим сезонные экстремумы по суммам осадков и суточным максимумам за два периода-1961 – 1990 гг. (базовый) и 1991 – 2011 гг. (современный) по климатическим зонам и по всей территории юга России и результаты представим в таблице 2.23. Из таблицы 2.23 видно, что в современный период по сравнению с базовым в степной зоне количество экстремумов сумм осадков увеличивается более чем в три раза (с 5 до 17), при этом количество экстремумов суточных максимумов также возрастает с 20 до 26. Это увеличение имеет место за счет осеннего сезона, где наблюдается значительный рост количества экстремумов для сумм осадков (с 1 до 6) и для суточных максимумов (с 3 до 12). В предгорной зоне основной вклад в увеличение количества экстремумов сумм осадков (с 7 до 14) также вносят осенние экстремумы (с 1 до 6).В горной зоне основной вклад в увеличение количества экстремумов по суммам и суточным максимум (10:15) вносят весенние экстремумы (4:8). В Причерноморской и прикаспийской зонах значительные изменения по количеству экстремумов не наблюдаются . При сравнении результатов исследований разных авторов [36-44] возникают затруднения из-за различных используемых временных интервалов, так как сама природа линейного тренда предполагает сильную зависимость получаемых результатов от такого выбора. Но поскольку исследуются современные особенности режима осадков, то необходимо ориентироваться на более поздние временные периоды как наиболее репрезентативные для получения выводов. В таблице 1 (Приложение 1) приведены результаты сравнительного анализа тенденции изменения сезонных и годовых сумм осадков по данным различных авторов [36-44] с указанием временных интервалов и станций. Проведем сравнительный анализ результатов исследования за период 1961 – 2011 гг. и авторов [36-44]. По результатам анализа тенденций ряда сумм зимних осадков м/станции Сочи за период 1956 – 2005 гг. (Деркач Д.В., [41]) в суммах зимних осадков наблюдалось слабое увеличение. По результатам исследования м/станции Сочи в период с 1961 г. по 2011 г. автором данной работы происходит довольно устойчивое уменьшение зимних сумм осадков на 0,21 мм/год, при этом же наблюдается уменьшение суточных максимумов на 0,04 мм/год. Для уточнения современной тенденции изменения режима осадков был исследован линейный тренд для периода 1991 – 2011 гг. (1961 – 1990 гг. – базовый для определения климатической нормы). Как видно на рисунке 2.42, тенденция уменьшения зимних осадков усилилась до 3 мм/год. Следовательно, отрицательный тренд зимних сумм осадков для м/станции Сочи характеризует современное изменение режима осадков. В январе число дней с осадками как со средними (не менее 5 мм), так и с интенсивными (не менее 20 мм) уменьшается, но с меньшей скоростью (угловые коэффициенты «-0,048» и «-0,008»), практически оставаясь постоянным. За период 1991 – 2011 гг. тенденция уменьшения средних осадков сохраняется, а количество дней с интенсивными осадками увеличивается, коэффициент становится положительным и равным «0,077» (см. рис.2.44). а) количество дней с осадками не менее 5 мм б) количество дней с осадками не менее 20 мм Рисунок 2.44 – Временные ряды количества дней со средними и интенсивными осадками и линейными трендами, январь 1961 – 2011 гг., Сочи В феврале число дней с осадками увеличивается как со средними осадками не менее 5мм, так и с интенсивными не менее 20 мм (см. рис.2.45а,б). Таким образом, от декабря к февралю происходит переход тенденций от уменьшения количества дней с осадками к их увеличению. а) количество дней с осадками не менее 5мм б) количество дней с осадками не менее 20мм Рисунок 2.45 – Временные ряды количества дней со средними и интенсивными осадками и линейными трендами, февраль 1961 – 2011 гг., Сочи За весь зимний период 1961 – 2011 гг. наблюдается слабое увеличение количества дней со средними осадками и уменьшение количества дней интенсивных осадков с угловым коэффициентом «-0,024», который усиливается до «-0,045» в период 1991 – 2011 гг. (см. рис.2.46). а) количество дней с осадками не менее 5мм б) количество дней с осадками не менее 20мм Рисунок 2.46 – Временные ряды количества дней со средними и интенсивными осадками и линейными трендами, зимний сезон 1961 – 2011 гг., Сочи Если учесть, что суточные максимумы осадков имеют устойчивую тенденцию к уменьшению (при коэффициенте Херста Н=0,58), то можно сделать вывод, что основной вклад в устойчивое уменьшение зимних осадков вносят уменьшение количества дней с интенсивными осадками (не менее 20 мм) и снижение суточного максимума осадков. По всем остальным сезонам (за исключением летнего сезона в Абхазии [43]) вышеупомянутые авторы, а также Ашабокова Ф.К. (Сочи, лето 1956 – 2005 гг. [42]) отмечают увеличение сумм осадков за счет увеличения суточных максимумов и количества дней с интенсивными осадками не менее 20 мм. По данным всех авторов, включая Ахсалбу А.К. (м/станция Сухум, годовые суммы осадков, 1904 – 2006 гг. и Гагра, 1951 – 2006 гг.) [43] и Малкарову А.М. (КТ1- прибрежная территория, годовые суммы осадков, 1958 – 2008 гг.) [37] в Причерноморской зоне наблюдается устойчивое увеличение годовых сумм осадков как за счет увеличения числа дней с осадками не менее 5 мм и 20 мм, так и за счет увеличения суточных максимумов с сохранением тенденции на период 10 лет (Н=0,703). В таблице 2.24 приведены тенденции изменения сезонных и годовых сумм осадков Причерноморской зоны по данным периода 1961 – 2011 гг. и авторов [37, 41, 42, 43]. Таким образом, увеличение годовых сумм осадков происходит за счет повышения количества весенних, летних и осенних сумм осадков, которые в свою очередь увеличиваются за счет интенсификации процессов осадкообразования и количества дней с интенсивными осадками. Если временной ряд fn управляется некоторой ЛРФ размерности d N , то существует естественное рекуррентное продолжение такого ряда, порожденное этой же формулой. Для осуществления прогноза есть возможность выбора одного из двух методов: рекуррентного и векторного. Алгоритм векторного прогноза имеет те же самые входные данные, что и алгоритм рекуррентного прогнозирования. Оба прогнозирующих метода имеют два этапа: диагональное усреднение и продолжение. При рекуррентном прогнозировании диагональное усреднение используется для получения восстановленного ряда, к последним точкам которого применяется ЛРФ. Рекуррентный прогноз проще для интерпретации в силу удобного описания ЛРФ (3.1) в терминах ее характеристического полинома (3.2). Векторный прогноз более «консервативен» в тех случаях, когда рекуррентный прогноз демонстрирует резкое возрастание или убывание ряда. Близость результатов двух методов прогноза говорят в пользу его устойчивости (достоверности). Проверка на устойчивость и надежность прогноза 1.Применение различных алгоритмов прогноза -рекуррентного и векторного. 2.Применение различных начальных данных для прогноза (одна из предыдущих точек ряда). 3.Различные длины окна при небольших изменениях L. 4.Прогнозирование укороченного временного ряда (исторический ряд)- наиболее объективный. Качество прогноза на основе укороченного ряда проверяется следующим образом: 1.Считается стандартное отклонение и максимальное отклонение прогнозных значений от реальных. 2.Применяется Т-тест для сравнения статистической разницы (или равенства) между средними значениями исходного ряда (исторического) и прогнозного ряда (2002-2012гг.). 3. Вычисляется относительная ошибка прогноза (%) по формуле : 3.2 Прогнозирование сезонных и годовых сумм осадков станции Буйнакск на 2014-2018гг. Проведем анализ сезонных и годовых сумм осадков по методу «Гусеница»–SSA (программа Caterpillar-4.0) станции Буйнакск за период 1961-2011. и прогноз на 2012-2018гг. и проверку на устойчивость и надежность прогноза с помощью Т-теста [63,64]. Зимние суммы осадков Построим и исследуем периодограмму для наиболее оптимального выбора ширины окна L. Периодограмма — это график зависимости мощности процесса (или квадрата амплитуды) от частоты. Вычисления периодограммы основаны на БПФ (Быстрое Преобразование Фурье). Если временной ряд имеет спектральное разложение вида: X(t)= M(х)+Ancosn +Bnsinn, то периодограмма состоит из точек (n; an2+bn2). Величина (an2+bn2) – это квадрат модуля, характеризующий мощность соответствующей гармоники. При анализе периодограммы нужно обращать особое внимание на ее пики. Большой пик в области некоторой частоты 0 указывает на то, что в спектральном разложении автокорреляционной функции присутствует соответствующая гармоническая компонента. Чем выше и резче выделен пик, тем большая часть мощности сосредоточена около частоты 0 и тем большую роль играет эта частота в описании соответствующего случайного процесса или временного ряда. При быстром преобразовании Фурье ряда сумм зимних осадков за 1961-2011гг. была построена периодограмма (см. рис.3.1). Пикам мощностей 79, 65 и 52 соответствуют следующие периодичности ряда сумм зимних осадков: 4 года, 3 года и 17 лет. При одном мощном пике на периодограмме или нескольких пиках с разнесенными мощностями достаточно взять ширину окна, равную половине длины ряда, в нашем случае L=26. При группировке пиков около одной мощности, необходимо увеличить ширину окна до L=30, это позволит более точно подобрать коэффициенты для линейно- рекуррентной формулы (ЛРФ). Далее проведем отбор и группировку главных компонент (ГК) для последующего восстановления ряда. Для группировки отбирается необходимое количество главных компонент (или собственных троек) из возможных 26 ГК, ориентируясь на правильность геометрических фигур на двумерных диаграммах собственных функций (см. рис. 3.2). Выберем для группировки 12ГК для дальнейшего восстановления, аппроксимации и прогнозировании ряда. На этапе прогнозирования методом «Гусеница — SSA» строится ряд , при этом прогноз на р точек вперед осуществляется как применение р- раз операции прогноза на одну точку с помощью линейно-рекуррентной формулы (3.1). Базой для прогноза был выбран исходный ряд, из двух способов - рекуррентного и векторного, выбирался рекуррентный способ. Векторный способ более консервативный, и поскольку временные ряды метеопараметров характеризуются наличием больших амплитуд (экстремумов) в прогнозируемых рядах, то прогноз с помощью векторного метода всегда отличается их занижением. После восстановления и аппроксимации исходного ряда производится его прогнозирование, используя группировку из выбранного количества главных компонент. Поскольку кроме прогноза необходима оценка его точности, с помощью Т-теста проводилось сравнение среднего значения исходного ряда и среднего прогнозного ряда за период 2002-2011гг. на предмет статистической разницы (или равенства) между ними. Прогноз строился для 17 точек, начиная с 2002 г. для 10 лет исходного ряда (2002 г. – 2011 г.) и далее на 7 лет с 2012 г. по 2018 г Качество прогноза для всех сезонных и годовых сумм осадков описывалось следующими характеристиками: стандартное отклонение прогнозируемого ряда, максимальное отклонение прогнозных значений от реальных точек и Т-тест, проведенный для двух рядов (реального и прогнозируемого) за 2002 – 2011 гг. Для выяснения имеется ли статистически значимое различие между тестовым средним значением реального ряда 66,6 мм и средним значением суммы осадков. Сформулируем «нулевую гипотезу»: среднее значение суммы осадков реального ряда и среднее значение суммы осадков восстановленного ряда этой же длины статистически равны (или различаются статистически незначимо). Так как число главных корней должно быть 8, то больше главных корней нет. Остальные корни (6-14строки) являются побочными. Все 25 корней изображены на рис.18 (комплексная плоскость единичной окружности). Как видно, все полученные комплексно-сопряженные корни соответствуют гармоникам, представленным на периодограмме- 2года, 3 года, 5 лет и 7 лет .
Анализ состояния проблемы изменения климата
Климатообразующие факторы для Северного Кавказа
Систематизация метеостанций по индивидуальным характеристикам и экстремальным значениям рядов осадков
Прогнозирование сезонных и годовых сумм осадков метеостанции Буйнакск на период 2014 – 2018 гг.
Похожие диссертации на Сравнительный комплексный анализ и прогноз режима осадков в различных климатических зонах юга России
