·  Для оценки роли случайных факторов динамики среднегодовых температур и годовых сумм осадков был применен анализ автокорреляции и анализ фрактальной размерности.

Слово «фрактал» употребляется в значении «разрыв», которое указывает на то, что процесс, попадающий под понятие «фрактальность», будучи непрерывным, содержит в себе разрывы, то есть области, в которых значения имеют резкий скачок. Эта модель в общем случае описывает скачкообразные переходы системы из одной локальной области равновесия в другую. Эти переходы могут иметь более или менее регулярный или хаотический характер. Фрактальная размерность системы в отличие от топологической нецелочисленна.

Один из основных методов измерения – метод ящиков. Исходный ряд значений делится пополам и считается число пересечений графика с секущей линией. Затем две, полученные ранее делением пополам графика, части делятся еще на две равные части и снова считается количество пересечений. Далее действие продолжается необходимое количество раз.

Затем по полученным данным определяется размерность D, которая вычисляется по формуле D=log(N)/log(1/r). Размерность определяется из уравнения регрессии, которая графически представлена прямой.

Фрактальная размерность позволяет охарактеризовать различные уровни шума и, соответственно, различный вклад случайных факторов в динамику изучаемой величины (степени случайности процесса) [25]:

2. 0,1 - «черный шум» связывается с турбулентными процессами в очень вязкой среде.

3. 0,5 - «бурый шум» описывает рельеф, целиком определяемый эрозионной системой, близкой к равновесию.

4. 0,9 - «розовый шум» связывается с турбулентными процессами в среде малой вязкости.

5. 1 - «белый шум» описывает чисто случайный нормальный процесс.

Таким образом, рост величины фрактальной размерности показывает степень стохастичности процесса и является критерием энтропии системы (в том числе климатической). Кроме того, фрактальная размерность представляет собой устойчивую статистическую характеристику.

·  Для установления связи стока с климатическими факторами использовался метод пошаговой регрессии.

Смысл регрессионного анализа состоит в формировании уравнения, связывающего сток с указанными выше факторами. В простейшем случае уравнение имеет вид прямой, а зависимость имеет следующую структуру:

Y=a + b1x1 + b2x2 + … + bnxn , где

Y – зависимая переменная, величина стока;

x1 – xn – принятые в расчет факторы в соответствующих единицах измерения;

а – игрек – пересечение, то есть минимально возможное значение переменной Y при нулевом значении всех факторов;

b1 – bn – регрессионные коэффициенты, знак и величина которых определяет характер и влияние факторов на зависимую переменную. Положительные коэффициенты говорят об усилении стока под влиянием данного фактора, отрицательные – об ослаблении [19].

ГЛАВА 3. Основные особенности регионального климата Рязанской области и его динамики

3.1 Среднемноголетние и экстремальные значения метеорологических величин

Рассмотрим данные характеристики на примере метеостанции Елатьма, измерения которой охватывают период с 1886 по 2003 гг. (отсутствовала информация за 1917-1919, 1996-1998 и частично 1941 гг.).

Среднегодовая температура приземной атмосферы в Елатьме составила 4,310С с коэффициентом вариации 23,2%. Наиболее холодными годами (с температурой менее 2,50С) за историю метеонаблюдений были 1907, 1908, 1942, 1945, 1956, 1969 (все – за счет одновременно зимних и летних сезонов); а также 1976 (холодное лето) и 1987 (суровая зима) (см. приложение 1, 2). Наибольшая повторяемость аномально теплых лет с температурой свыше 5,30С наблюдается в последнее время: это 1989-1991, 1995, 1999-2002 (все как за счет мягкой зимы, так в большинстве случаев высокой температуры в летние месяцы); а также 1975 и 1981 (мягкая зима и теплое сухое лето), 1932 и 1936-1938 (очень сухие годы, к тому же с мягкими зимами), 1906 (теплая зима с высокой повторяемостью циклонов) и 1903 (сухое лето).

Годовая норма осадков в исследуемом регионе составляет 574 мм с коэффициентом вариации 19,5%. Выделяются годы, когда выпадало свыше 750 мм: это 1912, 1952, 1993 (за счет влажного лета); а также 1962, 1980, 1990 (положительные аномалии и зимних, и летних осадков). Экстремально сухими (менее 470 мм/год) были 1890-1892, 1932, 1936-1940 (сухие летние периоды), 1942-1944 (бесснежные зимы), 1946, 1948, 1954, 1957, 1961 (сухие летние месяцы), 1972 (сухая морозная зима и жаркое бездождное лето); близки к ним 1975 (за счет сухого лета) 1988 и 1991 (за счет зимних месяцев) (см. приложение 1, 2).

3.2 Вековые колебания климата и специфика периода глобального потепления (на примере м/с Елатьма)

Изучение данных регулярных метеонаблюдений позволило охарактеризовать с большой подробностью и достоверностью внутривековые изменения климата Земли. В частности, выделено 3 больших периода климатической динамики в Северном полушарии [8] (далее – периоды Будыко): преимущественное потепление (до середины 40-х гг. ХХ в.), относительное похолодание, сопровождавшееся ростом увлажнения в зимние месяцы (до конца 60-х гг.) и новая фаза потепления (с начала 70-х гг. по настоящее время). По мнению Будыко и его единомышленников, данные колебания температуры обусловлены изменениями коэффициента прозрачности атмосферы под влиянием вулканических извержений. При этом наиболее активное снижение прямой радиации наблюдалось в 60-е гг. ХХ в, когда крупные вулканы извергались ежегодно [8,17]. В последние десятилетия рост температуры наблюдается вопреки росту запыленности атмосферы, что данные авторы объясняют накоплением антропогенного СО2. По имеющимся оценкам [20], темпы современного потепления не имеют прецедентов в истории человечества и не сравнимы даже со знаменитой «эпохой викингов».

На основе имеющихся данных метеостанции Елатьма нами были вычислены: среднегодовые значения температуры и количества осадков, амплитуда температуры, сумма активных температур, продолжительность периода с активными температурами и количество осадков за данный период, сумма температур ниже -100C, а также некоторые другие величины. Затем полученные данные подверглись статистической обработке (расчет трендов, фрактальной размерности и др.).

Рассмотрим, как менялась среднегодовая температура на территории Рязанской области за период с 1886 по 2003 год.

Из рисунка 1.3.2 следует, что на протяжении последних 117 лет среднегодовая температура не оставалась постоянной, а менялась, причем четкой закономерности, глядя только на график, выявить нельзя. Лишь после построения полиномиального тренда можно выделить периоды относительного потепления и похолодания. В частности, с конца XIX века началось повышение температуры, которое продолжалось до середины 20-х годов и составило около 0,450C (0,120C/10 лет). Затем произошло некоторое снижение температуры, длившееся примерно до середины 60-х годов. Оно составило 0,30C (0,0960C/10 лет). С конца 60-х годов температура снова начала увеличиваться. Этот процесс продолжается до сих пор. К 2003 году коэффициент линейного тренда составил 0,320C/10 лет (1,550C за весь период).

Рис. 1.3.2. Изменение среднегодовой температуры с 1886 по 2003 год. Линейный (штрихпунктирная линия) и полиномиальный (сплошная черная линия) тренд.

Максимальная среднегодовая температура наблюдалась в 1989 году и составила 6,350C, минимальная – в 1945 году: 2,160C.

Целесообразно провести анализ динамики климатических показателей отдельно по периодам температурной динамики, существование которых доказано М.И. Будыко.

Как показано на рис. 1.3.2, на территории Рязанской области за 1886 – 1946 годы тренд температуры был положительным и составил 0,0310C/10 лет. За период 1947 – 1968 гг. тренд был отрицательным, температура снижалась на 0,0450C/10 лет. В 1969 – 2003 гг. снова наблюдался положительный тренд, составивший 0,40C/10 лет. Это говорит о том, что ситуация в Рязанской области в целом совпадает с общемировой тенденцией изменения температуры.

За период с 1886 по 2003 год наблюдалась общая тенденция к увеличению температуры. В целом она возросла на 10C по сравнению с началом XX века. По миру в среднем этот показатель составляет 0,60C. Разница объясняется неравномерностью роста температуры на материках и океанах. Среднемировой показатель учитывает изменение температуры и в Южном – более океаническом – полушарии.

Количество осадков на территории Рязанской области за период 1886 – 2003 возросло более чем на 100 мм (коэффициент линейного тренда составил 8,4 мм/10 лет). Проанализируем изменение количества осадков по тем же периодам времени, что и температуру. Однако четкой зависимости между количеством осадков и температурой нет, то есть увеличение температуры может приводить как к увеличению количества осадков, так и его уменьшению (приложение 4). Скорее всего, это связано с тем, что на осадки, кроме температуры, оказывают влияние и другие факторы, которые зачастую являются более важными, чем температура (местное испарение, температурная стратификация атмосферы, формирующаяся под влиянием местных условий и др.).

За период с 1886 по 1946 гг. тренд осадков был отрицательным и составил в среднем 16,7 мм/10 лет, с 1947 по 1968 гг. – положительным: количество осадков увеличивалось в этот период на 22,7 мм/10 лет. В течение 1969 – 2003 гг. тренд также был положительным: 32,4 мм/10 лет.

Максимальное количество осадков за этот период выпало в 1990 году и составило 885 мм, а минимальное - в 1937 году: 356,1 мм (рис.2.3.2).

Рис 2.3.2. Среднегодовое количество осадков за 1886 – 2003 годы. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренды.

Рассмотрим подробнее результаты, полученные при расчете тренда температуры и осадков каждого месяца за период в десять лет (приложение 4). На основе полученных данных можно сделать определенный вывод о том, что между температурой и осадками нет определенной закономерности, они меняются независимо друг от друга. Однако, при видимой хаотичности процессов, некоторые десятилетия характеризуются довольно упорядоченным ходом температуры и осадков. Это такие периоды, как 1961 – 1970, в течение которого температура и осадки характеризовались обратной зависимостью, кроме сентября и декабря, когда снижение температуры приводило к уменьшению количества осадков; 1971 – 1980, когда во все месяцы, кроме последних двух весенних и последних двух осенних, температура и количество осадков также характеризовались обратной зависимостью, а весной и зимой снижение температуры приводило к уменьшению количества осадков. Следует выделить и последнее десятилетие XX века, на протяжении которого в мае, июне и июле, а также осенью уменьшение температуры приводило к росту количества осадков и наоборот. В остальные месяцы наблюдалась прямая зависимость.

Таким образом, прогноз осадков более сложен, чем прогноз температуры, так как на увлажнение влияет большее число факторов, значительная часть которых не может быть адекватно учтена.

Рассмотрим теперь, как менялась годовая амплитуда температуры (рис. 3.3.2, приложение 1).

Рис. 3.3.2. Изменение годовой амплитуды температур. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренды.

Сопоставляя рис. 1.3.2 и 3.3.2, можно увидеть, что период повышения температуры совпадает с периодом понижения амплитуды и лишь за последние 10 лет рост температуры сопровождается ростом амплитуды. Такая противоположность связана с повышением зимних и некоторым снижением летних температур, что сглаживает контраст между сезонами. В целом, среднегодовая амплитуда снизилась на 30C.

Рассмотрим также амплитуду среднесуточных температур за разные годы (разность температур самого холодного и самого теплого дня в году).

Как видно из рисунка 4.3.2 амплитуда среднесуточных температур снизилась по сравнению с 1886 годом на 2,50C, что почти совпадает с величиной снижения среднегодовой амплитуды. В целом, между данными величинами наблюдается четко выраженная прямая зависимость.

Рис. 4.3.2. Амплитуда среднесуточных температур. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренды.

Снижение амплитуды самого теплого и самого холодного дня в году связано с теми же факторами, что и снижение среднегодовой амплитуды.

Рис. 5.3.2. Изменение коэффициента Хромова. Полиномиальный (сплошная черная линия) и линейный (пунктирная линия) тренд.

На рисунке 5.3.2 изображен график изменения коэффициента, или индекса континентальности, Хромова, который указывает на соотношение влияний, оказываемых континентом и океаном на годовую амплитуду температуры воздуха в конкретном месте, в данном случае – в Рязанской области (см. также приложение 1). Этот график полностью идентичен графику годовой амплитуды, так как именно от нее зависит степень континентальности климата. Из-за снижения амплитуды температуры континентальность климата также уменьшилась и, как следствие, коэффициент Хромова снизился на 1,5% по сравнению с 1886 годом. В течение периода 1886 – 1946 гг., который характеризовался ростом среднеглобальных температур, на территории Рязанской области преобладала тенденция снижения коэффициента Хромова: примерно на 0,01%/10 лет. Далее с 1947 по 1968 гг. тренд коэффициента был положительный и составлял в среднем 0,02%/10 лет. За последний промежуток времени с 1969 по 2003 гг. произошло снижение коэффициента Хромова на 0,44%/10 лет. Минимальное значение коэффициента Хромова наблюдалось в 1993 году (в период последнего «глобального потепления») и составило 81,96%, максимальное значение – в 1956 году (на фоне снижения среднеглобальной температуры, имевшего место в тот период) и равнялось 89,48%. Снижение коэффициента Хромова говорит о том, что происходит сглаживание контрастности между материком и океаном и сезонами года. Наиболее интенсивное уменьшение происходит за последние годы. Это указывает на то, что интенсивность процессов, влияющих на снижение контрастности температур, значительно возросла.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18