Введение 3
ГЛАВА 1 Климатический режим Каспийского моря 4
1.1. Физико-географическое описание Каспийского моря 4
1.2. Границы и рельеф дна моря 4
1.3. Колебания уровня моря 6
1.4. Климатический режим 8
1.5. Температурный режим моря 12
1.6. Температура воды 15
ГЛАВА 2 Статистические методы обработки данных 18
2.1.1. Статистические методы обработки данных 18
2.1.2. Анализ тренда временного ряда 19
2.1.3. Гармонический анализ Фурье и спектр 21
2.1.4. Корреляционный анализ 23
2.1.5. Множественная линейная регрессия 24
2.1. Исходные данные 27
ГЛАВА 3 Исследование связей гидрометеорологических процессов и уровня
Каспийского моря 28
3.1. Влияние Северной Атлантики на уровень Каспия 31
3.2. Анализ трендовой составляющей временных рядов 33
3.2.1. Анализ тренда по уровню моря 34
3.2.2. Анализ тренда температуры поверхности 35
3.2.3. Анализ тренда испарения 37
3.1. Гармонический анализ Фурье 38
3.1.1. Гармонический анализ Фурье по уровню моря 39
3.1.2. Гармонический анализ Фурье по температуре моря 40
3.1.3. Гармонический анализ Фурье по испарению моря 43
3.2. Корреляционный анализ 44
3.3. Множественная линейная регрессия 50
Заключение 53
Список литературы: 56
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 59
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 60
Актуальность работы заключается в уникальности Каспийского моря как самого большого замкнутого внутриконтинентального водоема на планете. Этот водоем обладает особенной экосистемой, насыщенной разнообразием биологических видов, что делает его непревзойденным в плане флоры и фауны.
Уровень Каспийского моря отражает глобальные изменения климата, затрагивающие практически все уголки Земли. Он является комплексным показателем взаимодействия различных элементов водного баланса, каждый из которых имеет свои физические характеристики и условия формирования [3]. Долгосрочные исследования свидетельствуют о тесной взаимосвязи между колебаниями уровня Каспийского моря и изменениями климата, причем понимание физических процессов, управляющих климатической системой, играет ключевую роль в их решении. Среди таких процессов можно выделить температуру воды и испарение с поверхности Каспийского моря. Поэтому важность заключается в выявлении особенностей их изменений в течение года в контексте уровня Каспийского моря.
Целью исследования является изучение воздействия
гидрометеорологических условий на колебания уровня Каспийского моря.
Для достижения этой цели были поставлены и успешно выполнены следующие задачи:
1. Провести анализ климатического режима Каспийского моря;
2. С использованием статистических методов обработки информации выявить особенности взаимодействия гидрометеорологических факторов и уровня моря;
3. Проанализировать полученные результаты и оценить влияние гидрометеорологических данных на изменения уровня моря.
В ходе этого исследования было проведено тщательное рассмотрение изменений уровня морской поверхности в течение года, используя данные, полученные с помощью альтиметрии. Также был оценен вклад гидрометеорологических условий в колебания уровня Каспийского моря.
В процессе исследования был проанализирован связь между годовыми колебаниями уровня Каспийского моря и разнообразными климатическими показателями в Северной Атлантике. Применяя ряд статистических методов, было изучено влияние уровня моря, температуры поверхностных вод и испарения на различные сектора моря. В результате анализа было установлено, каким образом каждая из рассмотренных характеристик влияет на уровень Каспийского моря. Результаты анализа:
1. Путем анализа данных была построена оптимальная модель, которая включает в себя три ключевых компонента: температуру Гренландской котловины, Атлантическую мультидекадную осциляцию и суммарную теплоотдачу Лабрадорской энергоактивной зоны Атлантического океана. Разработанная модель отражает динамику уровня моря и демонстрирует отрицательную тенденцию, согласно наблюдаемой тенденции в реальных данных. Наибольшие расхождения наблюдаются в 2006 и 2002 годах, со значениями 0,755 м и -1,050 м соответственно. Стандартное отклонение временного ряда составляет 0,509°С. Обе погрешности превышают стандартное отклонение ряда, однако данная модель способна с высокой точностью описывать исходные данные уровня моря.
2. Анализ тренда показал, что тренды вносят значительный вклад в межгодовой ход уровня моря и показывает, что данный анализ дает наилучшую оценку. При анализе трендов межгодовой изменчивости температуры поверхности моря оказалось, что линейные тренды во всех частях моря дают примерно одинаковый вклад в дисперсию исходных рядов (64,6 % в Северном Каспии, 66,5 % в Среднем Каспии и 69,5 % в Южном Каспии). В межгодовой изменчивости испарения в разных частях Каспийского моря результаты оказались ниже всего. Линейные тренды дают меньше всего вклад в дисперсию исходных рядов (21,2 % в Северном Каспии, 0,7 % в Среднем Каспии и 29 % в Южном Каспии)
3. Однако при анализе тренда было выяснено, что трендовая составляющая не до конца описывает исходный ряд, поэтому был проведен гармонический анализ. Размер вклада гармоник, связанных с уровнем моря, оказался незначительным, их общий вклад в дисперсию исходного ряда составляет всего 18,7%. В случае с гармониками, связанными с температурой, результаты были более впечатляющими (28,8% в Северном Каспии, 29,8% в Среднем Каспии, 42% в Южном Каспии): в сочетании с трендом они почти полностью описывают колебания исходных данных. Когда дело касается гармоник, связанных с испарением, картина отличается (54% в Северном Каспии, 65,2% в Среднем Каспии, 52,2% в Южном Каспии): вклад тенденции становится несущественным, и в основном изменения ряда определяются гармониками, которые практически полностью описывают его динамику.
4. После проведения корреляционного анализа было установлено, что существует тесная зависимость между температурой Северного Каспия и уровнем воды (-0,830), что означает, что изменение температуры напрямую влияет на уровень моря. Взаимосвязь между испарением Северного Каспия и уровнем моря является незначительной (0,560), поэтому нельзя утверждать, что испарение полностью определяет уровень воды. Следовательно, увеличение температуры приводит к снижению образования льда в Северном Каспии и уменьшению влагообмена с реками. Все эти процессы в совокупности влияют на колебания уровня моря, приводя к его уменьшению.
5. Также была построена множественная линейная регрессия, которая показала, как гидрометеорологические факторы влияют на уровень Каспийского моря. В оптимальную модель были включены температуры Северного и Южного Каспия. Согласно модели, изменения уровня моря имеют отрицательную тенденцию, аналогичную тенденции фактических данных. Наибольшие отклонения от нормы были зафиксированы в 1995 и 2017 годах: +0,57 м и -0,70 м соответственно. Стандартное отклонение уровня Каспийского моря составляет 0,584 м. Основанная на двух параметрах (температуре Северного и Южного Каспия), с высокой точностью может описать изменения уровня моря на протяжении нескольких лет.
...
