ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГОВЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ИНДЕКСОВ НЕУСТОЙЧИВОСТИ НАД АРКТИЧЕСКИМ СЕКТОРОМ РФ
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Индексы неустойчивости атмосферы над Арктическим сектором РФ 5
1.1. Общая информация о конвективных индексах атмосферы 5
1.2. Явления конвективного характера в Арктике 7
1.2.1. Определение и характеристика территории исследования 9
2. Методика работы с данными 12
2.1. Определение пороговых значений индексов неустойчивости атмосферы для
станций Арктического сектора России 12
2.2. Выявление соответствий между результатами аэрологических измерений и
расчетами реанализа ERA5 13
3. Анализ термодинамических условий над Арктическим сектором РФ 16
3.1. Пороговые значения термодинамических индексов неустойчивости 16
3.2. Оценка соответствия значений индексов, вычисленных по результатам
аэрологического зондирования, со значениями по данным реанализа ERA5 23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 31
ПРИЛОЖЕНИЕ А Распределение накопленных относительных частот индексов неустойчивости атмосферы для разных аэрологических станций 35
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Значения индексов неустойчивости атмосферы в грозовые дни на метеостанциях 38
ПРИЛОЖЕНИЕ В Графики, подтверждающие нормальность распределения данных аэрологического зондирования и реанализа ERA5 41
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Диаграммы размаха по результатам расчета критерия Стьюдента для Total Totals 48
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Индексы неустойчивости атмосферы над Арктическим сектором РФ 5
1.1. Общая информация о конвективных индексах атмосферы 5
1.2. Явления конвективного характера в Арктике 7
1.2.1. Определение и характеристика территории исследования 9
2. Методика работы с данными 12
2.1. Определение пороговых значений индексов неустойчивости атмосферы для
станций Арктического сектора России 12
2.2. Выявление соответствий между результатами аэрологических измерений и
расчетами реанализа ERA5 13
3. Анализ термодинамических условий над Арктическим сектором РФ 16
3.1. Пороговые значения термодинамических индексов неустойчивости 16
3.2. Оценка соответствия значений индексов, вычисленных по результатам
аэрологического зондирования, со значениями по данным реанализа ERA5 23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 31
ПРИЛОЖЕНИЕ А Распределение накопленных относительных частот индексов неустойчивости атмосферы для разных аэрологических станций 35
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Значения индексов неустойчивости атмосферы в грозовые дни на метеостанциях 38
ПРИЛОЖЕНИЕ В Графики, подтверждающие нормальность распределения данных аэрологического зондирования и реанализа ERA5 41
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Диаграммы размаха по результатам расчета критерия Стьюдента для Total Totals 48
Климатические изменения на планете который год ставятся во главу угла в самых различных науках, поскольку общая тенденция роста температур воздуха по всему земному шару влечет серьезные перемены во всех сферах человеческой деятельности. Метеорология и климатология в данном случае находятся «на передовой», и исследователи не в праве игнорировать важные сигналы глобального потепления, одним из которых является увеличение грозовой активности в высоких широтах.
Арктика всегда притягивала внимание самых разных научных сфер. К сожалению, даже на сегодняшний день, Арктический регион не располагает достаточным количеством метеорологической информации. Северные районы раньше прочих реагируют на климатические перемены, и возросшая повторяемость конвективных явлений требует повышенного внимания. Новизна настоящей работы обусловлена необходимостью более детального изучения состояния атмосферы в Арктическом секторе, а также потребностью в обобщении той информации, которая имеется в распоряжении исследователей.
Целью работы является оценка термодинамических условий над Арктическим сектором РФ.
Объектом исследования выступает слой атмосферы до 6 км. Предметом - конвективные параметры окружающей среды, или индексы неустойчивости: Total totals index, Showalter index, K-index, Lifted index, индекс CAPE.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи работы:
- изучить состояние вопроса по литературным источникам;
- составить массив данных за 2018-2022 гг. по результатам зондирования на аэрологических станциях Арктического сектора РФ;
- определить пороговые значения индексов неустойчивости с использованием выбранной методики исследования;
- проанализировать полученные результаты и сравнить с пороговыми значениями индексов других регионов;
- провести оценку соответствия индексов K-index и Total Totals по данным реанализа ERA5 со значениями индексов, рассчитанных по результатам измерений радиозонда.
Материалом для исследования служат результаты аэрологического зондирования атмосферы (термодинамические индексы неустойчивости) на станциях, относящихся к Арктическому сектору России, за временной период с 2018 по 2022 гг., за теплый период с мая по сентябрь.
При выполнении научной работы использовались следующие методы: определение и описание территории исследования, формирование базы данных, выявление пороговых значений индексов неустойчивости, построение графиков изменения индексов за разные сроки зондирования, анализ результатов и их сравнение с другими регионами, сопоставление значений конвективных индексов в дни с грозами с рассчитанными пороговыми значениями, оценка соответствия значений индексов по данным реанализа ERA5 с данными радиозондирования.
Расчеты производятся с помощью инструментов программы «MS Excel», а также при использовании специализированного математического пакета статистического анализа данных «Statistica 10».
Теоретической основой написания исследовательской работы послужили: научная литература и статьи, электронные ресурсы (интернет), периодические издания литературных источников. Объем и структура настоящей работы определены логикой системного исследования и характером изучаемых в нем проблем. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (источников) и приложений. Объем выпускной квалификационной работы - 49 страниц.
Арктика всегда притягивала внимание самых разных научных сфер. К сожалению, даже на сегодняшний день, Арктический регион не располагает достаточным количеством метеорологической информации. Северные районы раньше прочих реагируют на климатические перемены, и возросшая повторяемость конвективных явлений требует повышенного внимания. Новизна настоящей работы обусловлена необходимостью более детального изучения состояния атмосферы в Арктическом секторе, а также потребностью в обобщении той информации, которая имеется в распоряжении исследователей.
Целью работы является оценка термодинамических условий над Арктическим сектором РФ.
Объектом исследования выступает слой атмосферы до 6 км. Предметом - конвективные параметры окружающей среды, или индексы неустойчивости: Total totals index, Showalter index, K-index, Lifted index, индекс CAPE.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи работы:
- изучить состояние вопроса по литературным источникам;
- составить массив данных за 2018-2022 гг. по результатам зондирования на аэрологических станциях Арктического сектора РФ;
- определить пороговые значения индексов неустойчивости с использованием выбранной методики исследования;
- проанализировать полученные результаты и сравнить с пороговыми значениями индексов других регионов;
- провести оценку соответствия индексов K-index и Total Totals по данным реанализа ERA5 со значениями индексов, рассчитанных по результатам измерений радиозонда.
Материалом для исследования служат результаты аэрологического зондирования атмосферы (термодинамические индексы неустойчивости) на станциях, относящихся к Арктическому сектору России, за временной период с 2018 по 2022 гг., за теплый период с мая по сентябрь.
При выполнении научной работы использовались следующие методы: определение и описание территории исследования, формирование базы данных, выявление пороговых значений индексов неустойчивости, построение графиков изменения индексов за разные сроки зондирования, анализ результатов и их сравнение с другими регионами, сопоставление значений конвективных индексов в дни с грозами с рассчитанными пороговыми значениями, оценка соответствия значений индексов по данным реанализа ERA5 с данными радиозондирования.
Расчеты производятся с помощью инструментов программы «MS Excel», а также при использовании специализированного математического пакета статистического анализа данных «Statistica 10».
Теоретической основой написания исследовательской работы послужили: научная литература и статьи, электронные ресурсы (интернет), периодические издания литературных источников. Объем и структура настоящей работы определены логикой системного исследования и характером изучаемых в нем проблем. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (источников) и приложений. Объем выпускной квалификационной работы - 49 страниц.
Глобальные изменения климата на планете способны сильно поменять привычный уклад жизни в обозримом будущем. Участившиеся случаи конвективных явлений в Арктике, являясь важным знаком общего состояния атмосферы, требуют пристального внимания научного сообщества.
В настоящей работе была произведена оценка термодинамических условий над Арктическим сектором РФ за временной период с мая по сентябрь 2018-2022 гг. В процессе работы была подробно изучена теоретическая сторона вопроса, географические особенности района, отобраны станции радиозондирования атмосферы, сформирован массив данных по результатам аэрологических наблюдений, определены пороговые значения для пяти наиболее распространенных конвективных индексов неустойчивости (Total totals index, Showalter index, K-index, Lifted index, индекс CAPE), произведено сравнение результатов с данными других регионов, сопоставлены значения индексов неустойчивости в грозовые дни с рассчитанными порогами, а также оценено соответствие индексов по данным реанализа ERA5 со значениями индексов, рассчитанных по результатам измерений радиозонда. В итоге представляется возможным сделать следующие основные выводы.
Оценивая количественные характеристики индексов неустойчивости атмосферы за сроки зондирования в 00 и 12 часов, можно сказать, что разница для Total totals index, Showalter index, K-index и Lifted index не критична, расхождения в значениях минимальны. Индекс CAPE сильно выбивается, иногда различия между сроками достаточно велики, что, предположительно, может быть связано с ошибками расчета параметра.
Рассчитанные пороговые значения всех индексов неустойчивости за 12-часовой срок зондирования превышают результаты измерений в 00 часов. Критические значения для Российской Арктики четырех индексов неустойчивости (K-index, Lifted index, Total Totals index, Showalter index) оказываются больше, чем пороги индексов для схожих по географии территорий. Термодинамические индексы неустойчивости в Арктике достигают высоких значений. Исключение составляет индекс CAPE, чьи пороговые значения значительно ниже встречающихся в литературных источниках. Комплексное применение нескольких индексов неустойчивости способно дать более полную оценку состояния атмосферы.
Рассматривая конкретные грозовые дни, Total Totals и K-index оказываются наиболее достоверны и демонстрируют лучшие результаты - выше пороговых значений для 90% случаев.
Оценка соответствия значений индексов по данным реанализа ERA5 с результатами аэрологических измерений показала, что реанализ склонен занижать значения индекса Total Totals. Особенно выделяется станция Тикси, где отмечаются наибольшие расхождения в значениях - ERA5 сильно занижает результаты расчетов.
Очевидно, что для более полной оценки состояния атмосферы в Арктике необходимо увеличивать временной ряд, включать другие индексы неустойчивости, расширять диапазон лет при сравнении результатов реанализа с аэрологическими измерениями. Однако, даже на данном этапе, полученные выводы могут быть применены в энергетике, топливной промышленности, на транспорте - от морского до воздушного, в сельском хозяйстве и других отраслях, действующих в регионах Севера. В этом заключается практическая значимость исследования.
В заключение следует сказать, что подобных исследований по расчету пороговых значений индексов неустойчивости в Российской Арктике не было обнаружено, в связи с чем полученные результаты можно считать уникальными.
В настоящей работе была произведена оценка термодинамических условий над Арктическим сектором РФ за временной период с мая по сентябрь 2018-2022 гг. В процессе работы была подробно изучена теоретическая сторона вопроса, географические особенности района, отобраны станции радиозондирования атмосферы, сформирован массив данных по результатам аэрологических наблюдений, определены пороговые значения для пяти наиболее распространенных конвективных индексов неустойчивости (Total totals index, Showalter index, K-index, Lifted index, индекс CAPE), произведено сравнение результатов с данными других регионов, сопоставлены значения индексов неустойчивости в грозовые дни с рассчитанными порогами, а также оценено соответствие индексов по данным реанализа ERA5 со значениями индексов, рассчитанных по результатам измерений радиозонда. В итоге представляется возможным сделать следующие основные выводы.
Оценивая количественные характеристики индексов неустойчивости атмосферы за сроки зондирования в 00 и 12 часов, можно сказать, что разница для Total totals index, Showalter index, K-index и Lifted index не критична, расхождения в значениях минимальны. Индекс CAPE сильно выбивается, иногда различия между сроками достаточно велики, что, предположительно, может быть связано с ошибками расчета параметра.
Рассчитанные пороговые значения всех индексов неустойчивости за 12-часовой срок зондирования превышают результаты измерений в 00 часов. Критические значения для Российской Арктики четырех индексов неустойчивости (K-index, Lifted index, Total Totals index, Showalter index) оказываются больше, чем пороги индексов для схожих по географии территорий. Термодинамические индексы неустойчивости в Арктике достигают высоких значений. Исключение составляет индекс CAPE, чьи пороговые значения значительно ниже встречающихся в литературных источниках. Комплексное применение нескольких индексов неустойчивости способно дать более полную оценку состояния атмосферы.
Рассматривая конкретные грозовые дни, Total Totals и K-index оказываются наиболее достоверны и демонстрируют лучшие результаты - выше пороговых значений для 90% случаев.
Оценка соответствия значений индексов по данным реанализа ERA5 с результатами аэрологических измерений показала, что реанализ склонен занижать значения индекса Total Totals. Особенно выделяется станция Тикси, где отмечаются наибольшие расхождения в значениях - ERA5 сильно занижает результаты расчетов.
Очевидно, что для более полной оценки состояния атмосферы в Арктике необходимо увеличивать временной ряд, включать другие индексы неустойчивости, расширять диапазон лет при сравнении результатов реанализа с аэрологическими измерениями. Однако, даже на данном этапе, полученные выводы могут быть применены в энергетике, топливной промышленности, на транспорте - от морского до воздушного, в сельском хозяйстве и других отраслях, действующих в регионах Севера. В этом заключается практическая значимость исследования.
В заключение следует сказать, что подобных исследований по расчету пороговых значений индексов неустойчивости в Российской Арктике не было обнаружено, в связи с чем полученные результаты можно считать уникальными.
