Аннотация
Введение 4
1 Результаты исследований экстремальности режима осадков 7
2 Материалы и методы исследования 13
2.1 Информационная база 13
2.2 Факторы формирования режима увлажнения 15
2.3 Характеристика режима увлажнения на территории Западной Сибири 16
2.4 Типизация Б.Л Дзердзеевского 20
2.5 Кластерный анализ 22
2.6 Гармонический анализ 25
3 Оценка режима увлажнения на территории юго-востока Западной Сибири 27
3.1 Число дней без осадков/ с осадками 27
3.2 Максимальная продолжительность периодов без осадков/ с осадками 38
3.3 Количество периодов без осадков/ с осадками 40
3.4 Средняя продолжительность периодов без осадков/ с осадками 44
3.5 Площадные характеристики сухих и влажных периодов с охватом 85% 46
станций и более
Заключение 50
Список использованных источников и литературы 53
Приложение А Карты распределения характеристик периодов без осадков/ с 59
осадками
Приложение Б Результаты гармонического анализа 67
Условия увлажнения - важнейший показатель как глобального, так и регионального климата. Режим увлажнения определяется сложным взаимодействием циркуляции атмосферы, рельефа местности и свойств подстилающей поверхности.
Территория России характеризуется значительной протяженностью, неоднородностью физико-географических климатических условий, развития экономической и хозяйственной деятельности в регионах. В этой связи целесообразна оценка и мониторинг происходящих изменений климата России, включая и режим увлажнения. Индикаторы изменчивости режима увлажнения, включающего суммы осадков, периоды с осадками и без осадков, а также опасные явления в режиме осадков, существенно различаются в разных регионах, что приводит к необходимости дополнительного получения сведений о региональной обеспеченности влагоресурсами на фоне происходящих климатических изменений. Происходящие климатические изменения связаны с возникновением климатических и погодных контрастов, и, сопровождаются увеличением экстремальности метеорологических явлений, что также отчетливо проявляется на региональном уровне [1-4].
Исследование по оценке изменчивости режима увлажнения с использованием показателей «число дней без осадков/с осадками» выполняются в СИБНИГМИ для юго-востока Западной Сибири с 2011 г. в рамках изучения климата в региональном аспекте [5, 6]. На основе создания специализированных банков данных для работы применялись несколько критериев периодов увлажнения - от близкого к стандартам «Климатического справочника» (нижний предел осадков 0.1 мм), до показателей рекомендованных МГЭИК (Международная группа экспертов по изменению климата). Основные направления исследования и анализа результатов содержат два подхода: а) вероятностно-статистическую оценку возможного наличия изучаемых периодов для уточнения обеспечения региона влагоресурсами, б) изучение региональных особенностей проявлений изменчивости климата.
Экстремальные климатические явления в режимах атмосферных осадков также являются одними из наиболее важных характеристик современного климата. Современные изменения климата влекут за собой увеличение повторяемости экстремальных явлений [7]. Хотя экстремальные явления обладают меньшей повторяемостью в отличие от средних состояний погоды, они обладают большей изменчивостью и, поэтому, в современных научных исследованиях при оценке изменчивости климата они используются все чаще. Поскольку региональные различия в условиях формирования экстремальных явлений могут быть велики, необходимо изучать региональные особенности и причины экстремальных явлений в контексте глобальных изменений
Ресурсы атмосферных осадков должны оцениваться не только в виде многолетних годовых и месячных сумм. Дополняют картину атмосферного увлажнения оценка возможных максимальных суточных сумм осадков и повторяемости интенсивных осадков в течение вегетационного периода, сухие и влажные периоды. С периодами продолжительного отсутствия осадков связаны засухи, как почвенные, так и атмосферные. Продолжительные осадки приводят к затоплениям городских и сельскохозяйственных территорий, размывам дорожного полотна, оползням, а также трудно прогнозируемым дождевым паводкам на реках.
Целью настоящего исследования является пространственно-временная оценка режима увлажнения и макроциркуляционных условий его формирования в теплый период на территории юго-востока Западной Сибири.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
• Рассчитать статистические характеристики числа дней и периодов без осадков/с осадками (среднее, максимальное, стандартное отклонение)
• Выявить и оценить тенденции изменения в рядах числа дней и периодов без осадков/ с осадками
• Провести кластерный анализ числа дней без осадков/ с осадками
• Выявить гармонические составляющие для центральных станций классов
• Оценить циркуляционные процессы по типизации Б. Л. Дзердзеевского в периоды без осадков/с осадками при условии охвата ими не менее 85 % от количества станций исследуемого региона.
Научная новизна исследования: Для территории юго-востока Западной Сибири рассчитаны характеристики пространственно-временной структуры режима увлажнения теплого периода за период, соответствующий наибольшей выраженности современного глобального потепления. Впервые выявлены макроциркуляционные процессы в периоды без осадков/с осадками при условии охвата ими не менее 85 % станций. Применение объективной классификации позволило получить устойчивые классы в полях числа дней без осадков/с осадками. Выявлены гармоники, характеризующие внутренние и внешние факторы формирования режима увлажнения.
Практическая значимость результатов исследования: выполненная оценка расширяет возможности климатического описания региональных особенностей режима увлажнения на фоне происходящих климатических изменений, может быть использована для уточнения обеспечения региона влагоресурсами, для учета рисков в хозяйственной деятельности региона.
По итогам проведенного исследования для территории юго-востока Западной Сибири за период с 1977 по 2015 гг. можно сформулировать следующие выводы:
1) Среднее многолетнее значение числа дней без осадков изменяется в диапазоне от 94 дней (ст. Центральный рудник) до 132 дней (ст. Угловское). Область повышенных значений наблюдается в юго-западной части рассматриваемой территории, соответствующей Алтайскому краю составляет 122 и более дней. Среднее многолетнее число дней с осадками составило от 62 (ст. Купино) до 107 дней (ст. Центральный Рудник). На ст. Ванжиль-Кынак зафиксирован абсолютный максимум числа дней с осадками и составил 185 дней (повторяемость за теплый период составила 86 %).
2) Расчет и оценка тенденций изменения числа дней без осадков за исследуемый период показали, что на рассматриваемой территории наблюдается неоднозначное распределением скоростей изменения, при этом на более 50 % станциях наблюдается тенденция к уменьшению дней без осадков. Выявленные тенденции изменения числа дней с осадками за исследуемый период показал, что на большем количестве станций (24 из 39) число дней с осадками увеличивается, при этом на 45% станций изменения статистически значимые.
3) В результате применения кластерного анализа получено разделение на 3 и 4 класса для числа дней без осадков/с осадками соответственно. Метод k-средних для числа дней без осадков показал, что деление на 3 класса целесообразней исходя из локализации станций (группировки) и физического обоснования режима увлажнения данной территории. К влажной зоне относятся северная часть Томской области и восточная, наиболее возвышенная часть Кемеровской области. К зоне недостаточного увлажнения относятся юго-западная часть Новосибирской области и западная часть Алтайского края, в этой зоне, особенно на юго-западе Алтайского края.
Применение иерархического кластерного анализа для поля числа дней с осадками и метода k-средних показало выделение устойчивых 4 таксона. Анализ распределения классов в сочетании с распределением среднего числа дней с осадками показало, что к влажной зоне относится второй класс, соответствующий территории Томской области и частично Кемеровской, а также четвертый класс, формирующийся под влиянием горного рельефа. На данной территории среднее число дней с осадками соответствует значениям 90 и более дней за теплый сезон. К зоне недостаточного увлажнения (третий класс), в основном относится большая часть Алтайского края и юг Новосибирской области. Первый класс характеризует зону умеренного увлажнения (70-80 дней с осадками) и соответствует преимущественнотерритории Новосибирской области.
4) Для выявления гармонических составляющих в рядах числа дней без осадков/с осадками был проведён гармонический анализ на основе полного разложения Фурье для выбранных станций по каждому классу. В качестве центра кластера выбиралась станция, степень связности которой со средним класса была максимальной. Были выбраны следующие станции: Огурцово, Хабары, Тайга, Новый Васюган, Родино и Центральный Рудник.
Результаты гармонического анализа рядов, соответствующим центральным станциях каждого класса, показали, что набор ведущих 10 гармоник схож на всех станциях для каждого кластера. Различия проявляются в степени влияния той или иной периодичности на амплитуду колебаний. Гармоника с одной периодичностью имеет разный порядковый номер. Наиболее значимыми гармониками для всех компонент являются циклы с периодом 2-3 года, 7-11 лет, а также длиннорядные, с периодом 33-39 лет.
5) Максимальная непрерывная продолжительность сухих периодов в целом выше продолжительности влажных периодов. Расчет тенденций изменения максимальной продолжительности сухих и влажных периодов за исследуемый период показал на ряде станций статистически значимую тенденцию к уменьшению максимальной продолжительности периодов без осадков и тенденцию увеличения максимальной продолжительности влажных периодов. Следует отметить, что для большинства станций на данном временном периоде ряды максимальной продолжительности периодов без осадков/ с осадками не имеют выраженной тенденции долговременного изменения, большая часть тенденций не является статистически значимой.
6) Среднее многолетнее число сухих периодов продолжительностью 6-10 дней изменяется по территории от 0.5 до 3.6 периодов, повышенные значения отмечаются преимущественно на территории Алтайского края. Сухие периоды продолжительностью более 10 дней на большинстве станций встречаются 1-2 раза в теплый сезон с максимальной повторяемостью на юго-западе территории.
Среднее многолетнее число периодов с осадками продолжительностью 6-10 дней изменяется по территории от 3.5 до 6 периодов. Суммарное количество периодов с продолжительностью более 10 дней составило от 1 до 32 периодов (максимум соответствует району Кузнецкого Алатау).
На большей части юго-востока Западной Сибири (особенно это проявляется на территории Алтайского края) в теплый период года наблюдаются тенденции уменьшения кратковременных сухих периодов и роста более продолжительных.
7) Средняя продолжительность сухих периодов в среднем многолетнем выводе составляет от 2,7 до 4,3 дней, а влажных периодов - от 1,8 дней до 3,0 дней. Таким образом, средняя продолжительность периодов без осадков, практически на всех станциях (за исключением ст. Тегульдет, Тайга и Центральный рудник) выше, на некоторых станциях Алтайского края - в 2-2,5 раза.
Расчет тенденций изменения средней продолжительности сухих и влажных периодов за исследуемый период 1977-2015 г. показал, что на рассматриваемой территории статистически значимые тенденции изменения отсутствуют.
8) Рассматривая площадные характеристики сухих и влажных периодов с охватом > 85% станций, следует отметить, что всего за теплый период с 1977 по 2015 гг. количество сухих периодов в два раза превышает количество периодов с осадками и они являются более продолжительными.
На формирование, как сухих, так и влажных периодов с охватом > 85% станций на юго- востоке Западной Сибири оказывают влияние группы ЭЦМ по типизации Б.Л.Дзердзеевского, преобладающими являются меридиональная северная и меридиональная южная группы. Среди подтипов максимум повторяемости принадлежит ЭЦМ 13 л, при котором благодаря выходу южных циклонов, в южной части территории могут наблюдаться интенсивные осадки, в то же время в более северных районах - формируются антициклоны, и может возникнуть атмосферная засуха.
1. Барашкова Н.К., Волкова М.А., Кужевская И.В. Современный климатический режим атмосферных осадков на территории Томской области // Труды Главной геофизической обсерватории, Вып.576, 2015. - С. 129-152.
2. Волкова М.А., Чередько Н.Н., Соколов К.И., Огурцов Л.А. Современная пространственно-временная структура поля экстремальных осадков на территории Западной Сибири // Вестн. Том. гос. ун-та. -2015, № 390. - C. 202-210.
3. Второй оценочный доклад об изменениях климата и их последствия на территории Российской Федерации (Катцев В.М., Семенов С.М.) Росгидромет, 2014. - 1009 с: URL: http://cc.voeikovmgo.ru/ru/publikatsii/2016-03 -21-16-23 -52.
4. Stocker, T.F., Qin D., Plattner G.-K., Tignor M., Allen S.K., Boschung J., Nauels A., Xia Y., Bex V., Midgley P.M. (eds.) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY: Cambridge University Press, 2013. - 1535 pp. DOI:10.1017/CBO9781107415324.
5. Методологическое пояснение [Электронный ресурс]// Электр. Текст. Дан. - , 2017. - URL: http://www.sibnigmi.ru/cgi-bin/inst/index.pl?5&81 (дата обращения 10.11.2017).
6. Немировская Л.Г. Некоторые показатели оценки изменений режима условий увлажнения юго-востока Западной Сибири на основе уточненных специализированных массивов данных характеристик и их режима // Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы географии и геологии», посвященной 100- летию открытия естественного отделения в ТГУ. (16-19.10.2017). Томск. - С. 307-310.
7. Ляхов А.А. Влияние экстремальных гидрометеорологических условий на эффективность хозяйственной деятельности жилищно-коммунальной отрасли в мегаполисах / А.А. Ляхов, И.Ю. Тимофеев // Междунар. конф. по проблемам гидрометеорологической безопасности (прогнозирование и адаптация общества к экстремальным климатическим изменениям). М.: Триада ЛТД, 2006.
8. Волкова М.А., Чередько Н.Н., Кусков А.И. Пространственно-временная структура атмосферных осадков в Западной Сибири // Вестник ТГУ. - 2009, №328. - C. 214-219.
9. Лебедев А.Н. Продолжительность дождей /А.Н.Лебедев. Л.: Гидрометеоиздат, 1964. - 230 с.
10. Тихонов В.И. Марковские процессы / В.И.Тихонов, В.А.Миронов. М.: Советское радио, 1977. - 488 с.
11. Статистические методы прогноза погоды / Г.В. Груза, Э.Я. Ранькова, Р.М. Тшеневская и др. Обнинск: Изд-во Информационного центра, 1975. - 102 с.
12. STARDEX [Электронный ресурс]. URL: http://www.cru.uea.ac.uk/projects/stardex/ (дата обращения 19.02.2017)
13. Немировская Л.Г. Некоторые результаты анализа особенностей изменчивости определённых характеристик увлажнения для оценки изменений климата в региональном аспекте (на примере юго-востока Западной Сибири) // Материалы международной научной конференции Климатология и гляциология Сибири. (20-23 октября 2015). - Томск. - С. 96-99.
14. Основные положения типизации [Электронный ресурс] - URL: http://www.atmospheric- circulation.ru/osnovy-tipizacii/ (дата обращения 18.12.2017).
15. Климат России / под ред. Н.В. Кобышевой. - Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001. - 655 с....54