Анализ многолетнего изменения дат образования и схода снежного покрова на территории Сибири по разным наборам данных
|
ВВЕДЕНИЕ 2
1. Снежный покров 3
1.1 Характеристики снежного покрова 3
1.2 Роль снежного покрова в климатических изменениях 4
1.3 Исследования снежного покрова на территории России 6
2. Материалы и методы исследования 15
2.1 Характеристика территории исследования 15
2.2 Материалы, использованные в работе 16
2.3 Методы анализа 18
2.3.1. Алгоритм поиска дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, его реализация в Excel 18
2.3.2 Описательная статистика (среднее значение, максимум, минимум, стандартное
отклонение) 22
2.3.3 Коэффициент корреляции 23
2.3.4 Коэффициент регрессии 24
3. Изменения дат образования снежного покрова на территории Сибири 26
3.1 Даты появления снежного покрова по наземным и спутниковым данным 26
3.2 Даты установления устойчивого снежного покрова по наземным и
спутниковым данным 28
3.3 Тенденции изменения дат появления снежного покрова и установления
устойчивого снежного покрова по наземным и спутниковым данным 30
4. Изменения дат разрушения снежного покрова на территории Сибири 35
4.1 Даты разрушения устойчивого снежного покрова по наземным и спутниковым
данным 35
4.2 Даты схода снежного покрова по наземным и спутниковым данным 37
4.3 Тенденции изменения дат схода снежного покрова и разрушения устойчивого
снежного покрова по наземным и спутниковым данным 39
4.4 Изменение продолжительности периода с устойчивым снежным покровом 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ А 49
1. Снежный покров 3
1.1 Характеристики снежного покрова 3
1.2 Роль снежного покрова в климатических изменениях 4
1.3 Исследования снежного покрова на территории России 6
2. Материалы и методы исследования 15
2.1 Характеристика территории исследования 15
2.2 Материалы, использованные в работе 16
2.3 Методы анализа 18
2.3.1. Алгоритм поиска дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, его реализация в Excel 18
2.3.2 Описательная статистика (среднее значение, максимум, минимум, стандартное
отклонение) 22
2.3.3 Коэффициент корреляции 23
2.3.4 Коэффициент регрессии 24
3. Изменения дат образования снежного покрова на территории Сибири 26
3.1 Даты появления снежного покрова по наземным и спутниковым данным 26
3.2 Даты установления устойчивого снежного покрова по наземным и
спутниковым данным 28
3.3 Тенденции изменения дат появления снежного покрова и установления
устойчивого снежного покрова по наземным и спутниковым данным 30
4. Изменения дат разрушения снежного покрова на территории Сибири 35
4.1 Даты разрушения устойчивого снежного покрова по наземным и спутниковым
данным 35
4.2 Даты схода снежного покрова по наземным и спутниковым данным 37
4.3 Тенденции изменения дат схода снежного покрова и разрушения устойчивого
снежного покрова по наземным и спутниковым данным 39
4.4 Изменение продолжительности периода с устойчивым снежным покровом 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ А 49
Снежный покров способствует существенным изменениям радиационного и теплового баланса подстилающей поверхности по сравнению с открытой почвой, поэтому данные полученные в ходе данной дипломной работы являются важными характеристиками состояния окружающей среды при современных изменениях климата. Так, например, исследователями было выявлено влияние характера весеннего (март-апрель) снежного покрова в Европе на азиатские муссонные ливни. Отрицательная корреляция между ними заметно усилилась с середины 1970-х гг. Установлена связь между ранним началом образования снежного покрова в северо¬восточной Сибири и летним муссонным ливнем в Юго-Восточной Азии. Также наиболее часто используют спутниковые снимки для анализа пространственного распределения снежного покрова.
В данной работе представлен анализ дат образования и схода снежного покрова, установления и разрушения устойчивого снежного покрова на территории Сибири по данным наблюдений метеорологических станций и спутниковым данным NOAA.
Задачи в рамках данной дипломной работы:
1. изучить современные публикации по теме исследования, сделать литературный обзор;
2. разработать алгоритм поиска дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, реализовать его в Excel;
3. сформировать базу данных дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП по наблюдениям 161 метеорологических станций и спутниковым данным NOAA за 1979-2020 гг.;
4. сравнить два набора данных, оценить количество совпадений;
5. рассчитать продолжительность периода с УСП;
6. рассчитать статистические характеристики дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, продолжительности периода УСП (среднее, минимум, максимум, ср. кв. отклонение);
7. рассчитать тенденции изменения дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, продолжительности периода УСП по двум наборам данных, провести их сравнение;
8. оценить зависимость трендов от географических координат.
В данной работе представлен анализ дат образования и схода снежного покрова, установления и разрушения устойчивого снежного покрова на территории Сибири по данным наблюдений метеорологических станций и спутниковым данным NOAA.
Задачи в рамках данной дипломной работы:
1. изучить современные публикации по теме исследования, сделать литературный обзор;
2. разработать алгоритм поиска дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, реализовать его в Excel;
3. сформировать базу данных дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП по наблюдениям 161 метеорологических станций и спутниковым данным NOAA за 1979-2020 гг.;
4. сравнить два набора данных, оценить количество совпадений;
5. рассчитать продолжительность периода с УСП;
6. рассчитать статистические характеристики дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, продолжительности периода УСП (среднее, минимум, максимум, ср. кв. отклонение);
7. рассчитать тенденции изменения дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП, продолжительности периода УСП по двум наборам данных, провести их сравнение;
8. оценить зависимость трендов от географических координат.
В ходе данной дипломной работы была изучена литература по теме исследования, для того, чтобы сформировать теоретическую базу. Был разработан алгоритм поиска дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП по наземным и спутниковым данным в программе Microsoft Excel. Для сформированной базы дат по наблюдениям метеорологических станций (архив meteo.ru) и спутниковым данным NOAA было рассчитано количество совпадений, проведен статистический анализ: рассчитаны среднее, максимальное, минимальное значения, стандартное отклонение, коэффициенты корреляции с географическими координатами. А также рассчитаны тенденции изменения дат появления и схода СП, образования и разрушения УСП по двум наборам данных, продолжительность с УСП.
Более ранние средние многолетние даты образования СП приходятся на сентябрь на станциях, расположенных в северных широт по данным спутниковых наблюдений, и на север, северо-восток и юго-восток региона по данным наземных наблюдений. По данным спутниковых наблюдений СП образуется в ноябре в отдельных районах на юге территрии . В многолетнем ходе по наблюдениям на метеорологических станциях отклонения значимых трендов даты появления СП по значимым трендам изменяются как в положительную, так и в отрацительную сторону. Появление СП сдвигается на более поздние сроки от 2 до 5 дней за 10 лет и происходит данный сдвиг на станциях Западной Сибири. На станциях Восточной Сибири СП стал появляться раньше ( тренд 2-7 дней за 10 лет). Спутниковые данные дают схожие результаты для восточных станций, для западных значимых положительных трендов по спутниковым данным не выявлено.
Более ранние средние многолетние даты установления УСП приходятся на сентябрь: в северных широтах по данным спутниковых наблюдений и на севере, северо- востоке и юго-востоке территории по данным наземных наблюдений. По данным спутниковых наблюдений УСП устанавливается в октябре-ноябре, на территриях южнее 55° с.ш. преобладает ноябрь . По данным метеостанций в этих же широтах УСП устанавливается в период с сентября по ноябрь, но преобладает октябрь. Значимые тренды дат установления УСП по наблюдениям на метеорологических станциях в большинстве случаев положительные. Установление УСП происходит позже (тренд 2-5 дней за 10 лет), и данный сдвиг наблюдается на более западных станциях. По спутниковым данным значимые тренды показывают сдвиг на более ранние даты установления УСП от 2 до 7 дней за 10 лет.
Более ранние средние многолетние даты разрушения устойчивого снежного покрова приходятся на март-апрель в южных широтах по спутниковым данным, за исключением горных станций Кош-Агач и Кара-Тюрек, на которых разрушение УСП начинается в конце мая. С увеличением широты дата разрушения УСП сдвигается на более позднюю, т.е. на вторую половину июня по данным и спутника, и метеостанций. По спутниковым данным происходит статистически значимый сдвиг сроков разрушения УСП на более ранние на 2-5 дней за каждые 10 лет. По значимым трендам наблюдений на метеостанциях на территории Западной Сибири есть случаи положительных сдвигов на более поздние сроки, но для всей территории Сибири преобладают отрицательные значения статистически значимых трендов, сдвиг 5-10 дней на более ранние сроки за 10 лет.
Более ранние средние многолетние даты схода снежного покрова приходятся на южные широты и отмечаются в первой половине апреля, с увеличением широты отодвигается дата схода, т.е. на северных территориях снег стаивает позже. По данным спутниковых наблюдений СП в северных районах покрывает подстилающую поверхность до июня, наблюдения на станциях отмечают СП до августа. Также с увеличением долготы более поздние даты схода снежного покрова отмечаются и на южных станциях. Наземные и спутниковые данные о сходе СП согласуются в многолетнем ходе, следовательно, в большинстве случаев, сроки схода снежного покрова на территории Сибири за 50 лет смещаются на более ранние, примерно, на 2 дня каждые 10 лет по двум наборам данных, что подтверждают значения значимых трендов.
На территории Сибири происходит сокращение продолжительности периода с УСП на 2-5 дней за каждые 10 лет, однако, отмечены единичные значимые положительные тренды, наблюдающиеся на территории Восточной Сибири.
Связь между совпадением дат появления СП и установления УСП и географическими координатами не превышает умеренную и является значимой для высоты. С увеличением высоты количество совпадений уменьшается. Связь между совпадением дат схода СП, разрушения УСП и географическими координатами не превышает умеренную и является значимой для широты. С увеличением широты количество совпадений уменьшается.
Связь между распределением трендов и географическими координатами статистически не значима.
Более ранние средние многолетние даты образования СП приходятся на сентябрь на станциях, расположенных в северных широт по данным спутниковых наблюдений, и на север, северо-восток и юго-восток региона по данным наземных наблюдений. По данным спутниковых наблюдений СП образуется в ноябре в отдельных районах на юге территрии . В многолетнем ходе по наблюдениям на метеорологических станциях отклонения значимых трендов даты появления СП по значимым трендам изменяются как в положительную, так и в отрацительную сторону. Появление СП сдвигается на более поздние сроки от 2 до 5 дней за 10 лет и происходит данный сдвиг на станциях Западной Сибири. На станциях Восточной Сибири СП стал появляться раньше ( тренд 2-7 дней за 10 лет). Спутниковые данные дают схожие результаты для восточных станций, для западных значимых положительных трендов по спутниковым данным не выявлено.
Более ранние средние многолетние даты установления УСП приходятся на сентябрь: в северных широтах по данным спутниковых наблюдений и на севере, северо- востоке и юго-востоке территории по данным наземных наблюдений. По данным спутниковых наблюдений УСП устанавливается в октябре-ноябре, на территриях южнее 55° с.ш. преобладает ноябрь . По данным метеостанций в этих же широтах УСП устанавливается в период с сентября по ноябрь, но преобладает октябрь. Значимые тренды дат установления УСП по наблюдениям на метеорологических станциях в большинстве случаев положительные. Установление УСП происходит позже (тренд 2-5 дней за 10 лет), и данный сдвиг наблюдается на более западных станциях. По спутниковым данным значимые тренды показывают сдвиг на более ранние даты установления УСП от 2 до 7 дней за 10 лет.
Более ранние средние многолетние даты разрушения устойчивого снежного покрова приходятся на март-апрель в южных широтах по спутниковым данным, за исключением горных станций Кош-Агач и Кара-Тюрек, на которых разрушение УСП начинается в конце мая. С увеличением широты дата разрушения УСП сдвигается на более позднюю, т.е. на вторую половину июня по данным и спутника, и метеостанций. По спутниковым данным происходит статистически значимый сдвиг сроков разрушения УСП на более ранние на 2-5 дней за каждые 10 лет. По значимым трендам наблюдений на метеостанциях на территории Западной Сибири есть случаи положительных сдвигов на более поздние сроки, но для всей территории Сибири преобладают отрицательные значения статистически значимых трендов, сдвиг 5-10 дней на более ранние сроки за 10 лет.
Более ранние средние многолетние даты схода снежного покрова приходятся на южные широты и отмечаются в первой половине апреля, с увеличением широты отодвигается дата схода, т.е. на северных территориях снег стаивает позже. По данным спутниковых наблюдений СП в северных районах покрывает подстилающую поверхность до июня, наблюдения на станциях отмечают СП до августа. Также с увеличением долготы более поздние даты схода снежного покрова отмечаются и на южных станциях. Наземные и спутниковые данные о сходе СП согласуются в многолетнем ходе, следовательно, в большинстве случаев, сроки схода снежного покрова на территории Сибири за 50 лет смещаются на более ранние, примерно, на 2 дня каждые 10 лет по двум наборам данных, что подтверждают значения значимых трендов.
На территории Сибири происходит сокращение продолжительности периода с УСП на 2-5 дней за каждые 10 лет, однако, отмечены единичные значимые положительные тренды, наблюдающиеся на территории Восточной Сибири.
Связь между совпадением дат появления СП и установления УСП и географическими координатами не превышает умеренную и является значимой для высоты. С увеличением высоты количество совпадений уменьшается. Связь между совпадением дат схода СП, разрушения УСП и географическими координатами не превышает умеренную и является значимой для широты. С увеличением широты количество совпадений уменьшается.
Связь между распределением трендов и географическими координатами статистически не значима.
