Анализ экстремальных тепловых аномалий деятельного слоя юго-западной части Баренцева моря в условиях изменения климата.
|
Введение 3
1 Современные представления об условиях формирования 5
теплового состояния вод Баренцева моря
1.1 Физико-географическая характеристика Баренцева моря 5
1.2 Характеристика разреза «Кольский меридиан» 12
1.3 Обзор литературных источников 15
1.3.1 Представления о процессах, протекающих в Баренцевом море, 15 полученные за всю историю изучения
1.3.2 Исследования последнего периода потепления 24
1.3.3 Внутригодовая изменчивость 26
2 Подготовка исходных данных и методы их статистической 28
обработки
2.1 Характеристика исходных данных 28
2.2 Методы статистической обработки временных рядов 30
2.2.1 Описательные статистики 30
2.2.2 Корреляционный анализ 32
2.2.3 Парная линейная регрессия 33
2.2.4 Кластерный анализ 38
2.2.5 Метод нормированного размаха (R/S анализ) 42
2.2.5.1 Методика проведения и оценки результатов 43
2.2.5.2 Выделение периодичностей временных рядов 46
2.2.5.3 Оценка времени достоверного прогноза (Модернизированный 49 метод Херста).
3 Анализ экстремальных тепловых аномалий деятельного слоя 50
юго-западной части Баренцева моря в условиях изменения
климата
Оценка результатов проведенного R/S анализа 50
Исследование возможностей метода нормированного размаха 50
Применение метода нормированного размаха к рядам 53
среднемесячных значений температуры воды на разрезе «Кольский меридиан»
Пространственно-временное районирование разреза 59
«Кольский меридиан»
Исследование внутри годовой динамики теплового состояния 65 вод на разрезе «Кольский меридиан»
Заключение 69
Список используемых источников 71
Приложение А - Графическая схема базового алгоритма 77
расчета критерия Херста
Приложение Б - Визуализация полученных результатов 78
устойчивости метода нормированного размаха
1 Современные представления об условиях формирования 5
теплового состояния вод Баренцева моря
1.1 Физико-географическая характеристика Баренцева моря 5
1.2 Характеристика разреза «Кольский меридиан» 12
1.3 Обзор литературных источников 15
1.3.1 Представления о процессах, протекающих в Баренцевом море, 15 полученные за всю историю изучения
1.3.2 Исследования последнего периода потепления 24
1.3.3 Внутригодовая изменчивость 26
2 Подготовка исходных данных и методы их статистической 28
обработки
2.1 Характеристика исходных данных 28
2.2 Методы статистической обработки временных рядов 30
2.2.1 Описательные статистики 30
2.2.2 Корреляционный анализ 32
2.2.3 Парная линейная регрессия 33
2.2.4 Кластерный анализ 38
2.2.5 Метод нормированного размаха (R/S анализ) 42
2.2.5.1 Методика проведения и оценки результатов 43
2.2.5.2 Выделение периодичностей временных рядов 46
2.2.5.3 Оценка времени достоверного прогноза (Модернизированный 49 метод Херста).
3 Анализ экстремальных тепловых аномалий деятельного слоя 50
юго-западной части Баренцева моря в условиях изменения
климата
Оценка результатов проведенного R/S анализа 50
Исследование возможностей метода нормированного размаха 50
Применение метода нормированного размаха к рядам 53
среднемесячных значений температуры воды на разрезе «Кольский меридиан»
Пространственно-временное районирование разреза 59
«Кольский меридиан»
Исследование внутри годовой динамики теплового состояния 65 вод на разрезе «Кольский меридиан»
Заключение 69
Список используемых источников 71
Приложение А - Графическая схема базового алгоритма 77
расчета критерия Херста
Приложение Б - Визуализация полученных результатов 78
устойчивости метода нормированного размаха
Благодаря своему географическому положению и уникальным гидродинамическим характеристикам, Баренцево море представляет значительный интерес для изучения процессов, происходящих в климатической системе всего Арктического региона.
Первые гипотезы о характере процессов и их вкладе в формирование теплового режима вод Баренцева моря выдвигались еще в начале прошлого века [1]. В настоящее время, хорошо известно, что величина потока тепла, поступающего в море, преимущественно определяется изменчивостью циркуляционных процессов в атмосфере и изменчивостью интенсивности адвективных процессов в водной толще.
Значительным вкладом в изучение теплового состояние Баренцева моря являются, продолжающиеся уже более 100 лет, наблюдения на разрезе «Кольский меридиан», выполняемые силами Полярного научноисследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича (ПИНРО) [2]. Материалы, полученные на разрезах в Баренцевом море, в частности «Кольский меридиан», широко используются в промысловом прогнозировании и при изучении изменений климата.
За всю вековую историю наблюдений в Баренцевом море наблюдалось несколько периодов похолодания и потепления [3]. Существует значительное количество научных работ, посвященных данному вопросу [2, 4, 5, 6 и др.], однако, большинство из них направлено на исследование процессов описывающих фоновую изменчивость теплового состояния вод и не объясняет причин наступления аномально высоких или аномально низких значений температуры воды. Исследование данной проблемы представляет большую сложность и продолжает оставаться актуальной. В рамках решения подобных, нестандартных задач, особый интерес представляет применение современных, неклассических статистических методов, таких как фрактальный анализ.
В данной работе, была поставлена цель - проанализировать экстремальные аномалии температуры воды в деятельном слое юго-западной части Баренцева моря в условиях изменения климата.
Достижение поставленной цели осуществлялось путём
последовательного решения нескольких основных задач:
1. проанализировать материалы опубликованных исследований состояния климатической системы Баренцева моря;
2. подготовить массивы данных температуры воды на разрезе «Кольский меридиан», включая восстановление пропусков;
3. изучить и применить к полученным рядам одну из методик фрактального анализа - метод нормированного размаха;
4. выполнить пространственно-временное районирование разреза по тепловому состоянию вод.
Первые гипотезы о характере процессов и их вкладе в формирование теплового режима вод Баренцева моря выдвигались еще в начале прошлого века [1]. В настоящее время, хорошо известно, что величина потока тепла, поступающего в море, преимущественно определяется изменчивостью циркуляционных процессов в атмосфере и изменчивостью интенсивности адвективных процессов в водной толще.
Значительным вкладом в изучение теплового состояние Баренцева моря являются, продолжающиеся уже более 100 лет, наблюдения на разрезе «Кольский меридиан», выполняемые силами Полярного научноисследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича (ПИНРО) [2]. Материалы, полученные на разрезах в Баренцевом море, в частности «Кольский меридиан», широко используются в промысловом прогнозировании и при изучении изменений климата.
За всю вековую историю наблюдений в Баренцевом море наблюдалось несколько периодов похолодания и потепления [3]. Существует значительное количество научных работ, посвященных данному вопросу [2, 4, 5, 6 и др.], однако, большинство из них направлено на исследование процессов описывающих фоновую изменчивость теплового состояния вод и не объясняет причин наступления аномально высоких или аномально низких значений температуры воды. Исследование данной проблемы представляет большую сложность и продолжает оставаться актуальной. В рамках решения подобных, нестандартных задач, особый интерес представляет применение современных, неклассических статистических методов, таких как фрактальный анализ.
В данной работе, была поставлена цель - проанализировать экстремальные аномалии температуры воды в деятельном слое юго-западной части Баренцева моря в условиях изменения климата.
Достижение поставленной цели осуществлялось путём
последовательного решения нескольких основных задач:
1. проанализировать материалы опубликованных исследований состояния климатической системы Баренцева моря;
2. подготовить массивы данных температуры воды на разрезе «Кольский меридиан», включая восстановление пропусков;
3. изучить и применить к полученным рядам одну из методик фрактального анализа - метод нормированного размаха;
4. выполнить пространственно-временное районирование разреза по тепловому состоянию вод.
В завершении работы перечислим основные результаты исследования экстремальных аномалий температуры воды в деятельном слое юго-западной части Баренцева моря в условиях изменения климата:
1) метод нормированного размаха может являться хорошим, однако, вспомогательным инструментом исследования гидрометеорологических временных рядов. Для полноценного использования всех его возможностей, необходимо проводить дополнительные исследования с применением большого объема хорошо изученных рядов наблюдений за природными процессами;
2) наибольший вклад в изменчивость температуры воды в слое 0 - 200 м на южном участке разреза, и в поверхностном слое на северном участке разреза вносят процессы с временным масштабом эквивалентным внутригодовому ходу. Наиболее персистентным является глубинный слой на центральном и северном участке разреза, что связано с поступлением через данный слой основной массы атлантических вод. Процессы, преобладающие в глубинных слоях на центральном и северном участке разреза, имеют масштаб от 50 до 80 месяцев;
3) по отношению к норме (1951 - 2010 год), наибольшее количество аномально холодных лет наблюдалось в классе северных глубинных вод (~18 лет), что составляет практически 30% от всего исследуемого периода, в то время, как только 5 лет аномально теплыми. В поверхностных водах, чаще всего наблюдались средние классы от теплых до холодных. На все три класса приходится от 70% до 80% от всего исследуемого периода, в зависимости от конкретного участка. В слое от 50 до 200 метров на центральном и южном участке разреза, наблюдалось наибольшее количество аномально теплых лет и наименьшее количество аномально холодных и нормальных. То есть чаще всего, тепловое состояние вод в данном классе было либо теплым, либо холодным.
4) в сезонном ходе вод можно выделить четыре периода: «холодный» с января по март, когда температура во всех слоях на каждом участке разреза «Кольский меридиан» обусловлена только влиянием соответствующей ветви течения. «Теплый» период, который наступает в мае под действием таяния льда и потока тепла на поверхность моря и продолжается до октября. Таким образом, в Баренцевом море формируется двухслойная стратификация вод. При этом, очевидно, слой 0 - 50 м, значительно отличается от глубинного слоя по своим характеристикам. И два периода перестройки: от «холодного» периода к «теплому» в апреле и наоборот - в ноябре;
5) за последние 60 лет в период с января по май наиболее теплые условия в разных слоях складывались на участке с 3 по 7 станцию, а начиная с мая по декабрь в слое 0 — 50 м на участке с 1 по 3 станцию. Наименьшие значения в течении всего года характерны для глубинного слоя, 150 — 200 м, на северном участке разреза. Сравнение годовой нормы, полученной для каждого из рядов, показало запаздывание наступления максимальных значений по отношению к выше лежащим слоям. Максимальные средние значения температуры во всех слоях на трех участках разреза «Кольский меридиан» достигаются в период с августа по декабрь. Наибольшая дисперсия во все месяцы, кроме июля, наблюдается в поверхностном слое на северном участке разреза. Еще одной особенностью северного поверхностного слоя является и то, что наибольшей дисперсией обладают октябрьские значения температуры воды, в то время как в слое 50 — 200 м и 150 — 200 м, на этом же участке, это период с февраля по март.
Выполненное исследование позволило сформулировать следующие выводы:
1) использование метода Херста для анализа персистентности на разных временных масштабах показало, что характерный срок забывания начальных условий составляет ~ 12 месяцев. Это является следствием более высокой внутригодовой изменчивости по сравнению с межгодовой изменчивостью теплового состояния вод юго-западной части Баренцева моря и не позволяет рассчитывать на высокую оправдываемость прогнозов температуры воды с заблаговременностью более 12 месяцев;
2) наличие квазигармоники с периодом от 50 до 70 месяцев, делает целесообразным учет фоновых изменений, происходящих в слое залегания атлантических вод при разработке долгосрочных прогнозов.
1) метод нормированного размаха может являться хорошим, однако, вспомогательным инструментом исследования гидрометеорологических временных рядов. Для полноценного использования всех его возможностей, необходимо проводить дополнительные исследования с применением большого объема хорошо изученных рядов наблюдений за природными процессами;
2) наибольший вклад в изменчивость температуры воды в слое 0 - 200 м на южном участке разреза, и в поверхностном слое на северном участке разреза вносят процессы с временным масштабом эквивалентным внутригодовому ходу. Наиболее персистентным является глубинный слой на центральном и северном участке разреза, что связано с поступлением через данный слой основной массы атлантических вод. Процессы, преобладающие в глубинных слоях на центральном и северном участке разреза, имеют масштаб от 50 до 80 месяцев;
3) по отношению к норме (1951 - 2010 год), наибольшее количество аномально холодных лет наблюдалось в классе северных глубинных вод (~18 лет), что составляет практически 30% от всего исследуемого периода, в то время, как только 5 лет аномально теплыми. В поверхностных водах, чаще всего наблюдались средние классы от теплых до холодных. На все три класса приходится от 70% до 80% от всего исследуемого периода, в зависимости от конкретного участка. В слое от 50 до 200 метров на центральном и южном участке разреза, наблюдалось наибольшее количество аномально теплых лет и наименьшее количество аномально холодных и нормальных. То есть чаще всего, тепловое состояние вод в данном классе было либо теплым, либо холодным.
4) в сезонном ходе вод можно выделить четыре периода: «холодный» с января по март, когда температура во всех слоях на каждом участке разреза «Кольский меридиан» обусловлена только влиянием соответствующей ветви течения. «Теплый» период, который наступает в мае под действием таяния льда и потока тепла на поверхность моря и продолжается до октября. Таким образом, в Баренцевом море формируется двухслойная стратификация вод. При этом, очевидно, слой 0 - 50 м, значительно отличается от глубинного слоя по своим характеристикам. И два периода перестройки: от «холодного» периода к «теплому» в апреле и наоборот - в ноябре;
5) за последние 60 лет в период с января по май наиболее теплые условия в разных слоях складывались на участке с 3 по 7 станцию, а начиная с мая по декабрь в слое 0 — 50 м на участке с 1 по 3 станцию. Наименьшие значения в течении всего года характерны для глубинного слоя, 150 — 200 м, на северном участке разреза. Сравнение годовой нормы, полученной для каждого из рядов, показало запаздывание наступления максимальных значений по отношению к выше лежащим слоям. Максимальные средние значения температуры во всех слоях на трех участках разреза «Кольский меридиан» достигаются в период с августа по декабрь. Наибольшая дисперсия во все месяцы, кроме июля, наблюдается в поверхностном слое на северном участке разреза. Еще одной особенностью северного поверхностного слоя является и то, что наибольшей дисперсией обладают октябрьские значения температуры воды, в то время как в слое 50 — 200 м и 150 — 200 м, на этом же участке, это период с февраля по март.
Выполненное исследование позволило сформулировать следующие выводы:
1) использование метода Херста для анализа персистентности на разных временных масштабах показало, что характерный срок забывания начальных условий составляет ~ 12 месяцев. Это является следствием более высокой внутригодовой изменчивости по сравнению с межгодовой изменчивостью теплового состояния вод юго-западной части Баренцева моря и не позволяет рассчитывать на высокую оправдываемость прогнозов температуры воды с заблаговременностью более 12 месяцев;
2) наличие квазигармоники с периодом от 50 до 70 месяцев, делает целесообразным учет фоновых изменений, происходящих в слое залегания атлантических вод при разработке долгосрочных прогнозов.
