Анализ многолетних колебаний температуры воды и дат ледовых явлений в бассейне реки Северная Двина
|
Введение 4
1 Физико-географическая характеристика бассейна реки Северная Двина 6
1.1 Рельеф 6
1.2 Климат 7
1.2.1 Температура воздуха 7
1.2.2 Осадки 8
1.2.3 Снежный покров 8
1.3 Почва и растительность 9
1.4 Водный режим 9
1.5 Хозяйственное использование 10
2 Характеристика исходных данных 12
2.1 Термический режим бассейна реки Северная Двина 13
2.1.1 Общая характеристика термического режима рек 13
2.1.2 Тип реки по термическому режиму 16
2.2 Ледовый режим бассейна реки Северная Двина 17
3 Анализ исходных рядов наблюдений 21
3.1 Анализ числовых характеристик по исходным рядам наблюдений . 21
3.2 Оценка стационарности рядов наблюдений 26
3.2.1 Визуальная оценка тренда 26
3.2.1.1 Температура воды 26
3.2.1.2 Продолжительность ледостава 29
3.2.1.3 Максимальная толщина льда 32
3.2.2 Статистическая оценка тренда 34
3.2.2.1 Оценка тренда по коэффициенту корреляции 34
3.2.2.2 Оценка тренда по критерию Спирмэна 37
3.3 Оценка однородности рядов наблюдений 41
3.3.1 Определение даты нарушения однородности 41
3.3.2 Оценка гипотез об однородности по критерию Стьюдента 46
3.3.3 Оценка гипотез об однородности по критерию Фишера 49
Заключение 55
Список использованных источников 58
Приложения
1 Физико-географическая характеристика бассейна реки Северная Двина 6
1.1 Рельеф 6
1.2 Климат 7
1.2.1 Температура воздуха 7
1.2.2 Осадки 8
1.2.3 Снежный покров 8
1.3 Почва и растительность 9
1.4 Водный режим 9
1.5 Хозяйственное использование 10
2 Характеристика исходных данных 12
2.1 Термический режим бассейна реки Северная Двина 13
2.1.1 Общая характеристика термического режима рек 13
2.1.2 Тип реки по термическому режиму 16
2.2 Ледовый режим бассейна реки Северная Двина 17
3 Анализ исходных рядов наблюдений 21
3.1 Анализ числовых характеристик по исходным рядам наблюдений . 21
3.2 Оценка стационарности рядов наблюдений 26
3.2.1 Визуальная оценка тренда 26
3.2.1.1 Температура воды 26
3.2.1.2 Продолжительность ледостава 29
3.2.1.3 Максимальная толщина льда 32
3.2.2 Статистическая оценка тренда 34
3.2.2.1 Оценка тренда по коэффициенту корреляции 34
3.2.2.2 Оценка тренда по критерию Спирмэна 37
3.3 Оценка однородности рядов наблюдений 41
3.3.1 Определение даты нарушения однородности 41
3.3.2 Оценка гипотез об однородности по критерию Стьюдента 46
3.3.3 Оценка гипотез об однородности по критерию Фишера 49
Заключение 55
Список использованных источников 58
Приложения
О глобальном изменении климата заговорили в 1976 году, когда Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО) заявила о его угрозе, а уже в 1984 году началась работа Гидрометслужбой СССР по мониторингу климата.
Изменение климата по преобладающей точке зрения выражается в его потеплении, которое в XX веке не было однородным. Так, выделяют 3 интервала: потепление 1910-1945 гг., слабое похолодание 1946-1975 гг. и наиболее интенсивное потепление после 1976 года [1]. Причем данные изменения не носят антропогенного характера, а связаны с естественными колебаниями в активности Солнца, океана и космоса. Данный вывод подтверждается тем, что современное изменение температурного режима сходно с более ранними периодами, только с меньшей амплитудой (Атлантический оптимум голоцена - 5500 л.н., потепление в суббореальном периоде голоцена - 3500 л.н.) [2,3].
В первую очередь изменения климата оцениваются по данным о приповерхностной температуре. На территории России потепление происходит во все сезоны, но наиболее заметно в зимний сезон [4]. Темпы потепления превышают средние по Земному шару. В соответствии с данными Института глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля в России за 1976-2016 гг. повышение температуры составило 1,88°, что в 2,5 раза больше роста глобальной температуры воздуха за этот же период [5].
В связи с этим, представляет большой практический интерес выявление тенденций увеличения температуры воды, уменьшения продолжительности ледостава и толщины льда на реках под действием изменения климата. Целью выпускной квалификационной работы является анализ многолетних колебаний температуры воды и дат ледовых явлений на реках бассейна Северной Двины для выявления изменения их термического режима.
Определить изменения климата можно с помощью разности между климатическими переменными за конечный и начальный периоды, или тенденции изменений климатических переменных в течение рассматриваемого 4
периода времени [1]. Основным методом выявления изменения климата является статистический анализ рядов наблюдений за весь возможный исторический период.
Для достижения поставленной цели в выпускной квалификационной работе были определены следующие задачи:
1. Выполнить физико-географическое описание территории на основе информации, полученной из рядов наблюдений и климатических справочников;
2. Проанализировать числовые характеристики исходных рядов наблюдений;
3. Оценить тренды для данных различной дискретности и сделать вывод о стационарности рядов наблюдений;
4. Оценить временную динамику исходных данных на основе применения интегральных кривых и сделать вывод об однородности рассматриваемых рядов.
Изменение климата по преобладающей точке зрения выражается в его потеплении, которое в XX веке не было однородным. Так, выделяют 3 интервала: потепление 1910-1945 гг., слабое похолодание 1946-1975 гг. и наиболее интенсивное потепление после 1976 года [1]. Причем данные изменения не носят антропогенного характера, а связаны с естественными колебаниями в активности Солнца, океана и космоса. Данный вывод подтверждается тем, что современное изменение температурного режима сходно с более ранними периодами, только с меньшей амплитудой (Атлантический оптимум голоцена - 5500 л.н., потепление в суббореальном периоде голоцена - 3500 л.н.) [2,3].
В первую очередь изменения климата оцениваются по данным о приповерхностной температуре. На территории России потепление происходит во все сезоны, но наиболее заметно в зимний сезон [4]. Темпы потепления превышают средние по Земному шару. В соответствии с данными Института глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля в России за 1976-2016 гг. повышение температуры составило 1,88°, что в 2,5 раза больше роста глобальной температуры воздуха за этот же период [5].
В связи с этим, представляет большой практический интерес выявление тенденций увеличения температуры воды, уменьшения продолжительности ледостава и толщины льда на реках под действием изменения климата. Целью выпускной квалификационной работы является анализ многолетних колебаний температуры воды и дат ледовых явлений на реках бассейна Северной Двины для выявления изменения их термического режима.
Определить изменения климата можно с помощью разности между климатическими переменными за конечный и начальный периоды, или тенденции изменений климатических переменных в течение рассматриваемого 4
периода времени [1]. Основным методом выявления изменения климата является статистический анализ рядов наблюдений за весь возможный исторический период.
Для достижения поставленной цели в выпускной квалификационной работе были определены следующие задачи:
1. Выполнить физико-географическое описание территории на основе информации, полученной из рядов наблюдений и климатических справочников;
2. Проанализировать числовые характеристики исходных рядов наблюдений;
3. Оценить тренды для данных различной дискретности и сделать вывод о стационарности рядов наблюдений;
4. Оценить временную динамику исходных данных на основе применения интегральных кривых и сделать вывод об однородности рассматриваемых рядов.
В выпускной квалификационной работе были рассмотрены изменения климата на примере бассейна реки Северная Двина. Анализ данных по температуре воды и продолжительности ледостава выявил неоднородность климатических изменений за многолетний период наблюдений, что соответствует интервалам, упомянутым Груза Г.В. и Раньковой Э.Я: легкое похолодание 1946-1975 гг. и заметное потепление 1976-2016 гг.
Река Северная Двина, расположенная в Европейской части России, является примером естественного изменения гидрологического режима, вызванного потеплением климата, поскольку здесь отсутствуют крупные города с промышленными объектами и сбросами сточных вод.
На всей протяженности реки значения средней температуры воды за период наблюдений повышаются примерно на 1-2°, а особенно заметно ее увеличение с 1980-х годов. Тип термического режима реки не изменился, но в ближайшем будущем при развитии такой тенденции может смениться подтип, и тогда река будет относиться к подтипу II б, где разница между температурой воздуха и воды будет отрицательна только в апреле. Продолжительность ледостава уменьшилась в среднем на 25 дней, за счет более позднего начала замерзания рек и их более раннего вскрытия.
Выполненные расчеты позволяют сделать следующие выводы:
1. Анализ основных числовых характеристик исходных рядов наблюдений показал, что все ряды обладают низкой вариативностью. Положительная асимметрия наблюдается у температуры воды и максимальной толщины льда, а отрицательная - у продолжительности ледостава.
2. Тренд является хорошим показателем динамики изменения процессов. По данным температуры воды большинство рядов имеют тренды на повышение, по продолжительности ледостава у всех рядов тренды понижаются, только у рядов максимальной толщины льда картина неоднозначная (тренда либо нет, либо несущественное понижение).
Оценка стационарности исходных рядов наблюдений показала, что 83,3% рассматриваемых значений являются нестационарными, а значит, имеют тенденцию к изменению во времени.
3. Интегральные кривые являются достоверным методом проверки как пространственных, так и временных изменений. Для рядов температуры воды интегральные кривые изменяются незначительно за весь период наблюдений. Ряды продолжительности ледостава со второй половины интегральных кривых идут на понижение. А вот значения максимальной толщины льда не имеют столь однозначной направленности, для некоторых створов перегибы практически отсутствуют, а для некоторых идут на повышение.
Оценка однородности показала, что для 77% рядов наблюдений гипотеза однородности опровергается, что говорит о различных периодах изменения климата: заметном потеплении или отсутствии изменений вообще. Если сравнивать результаты критериев и интегральные кривые, то для большинства рядов выводы об однородности совпадают.
Таким образом, изменение климата прослеживается в бассейне реки Северная Двина. Как показали оценки исходных рядов, практически все значения меняются во времени и у большинства отмечаются изменения, обусловленные заметным потеплением климата, которое началось в 1980-х годах.
Наиболее показательные ряды наблюдений - средняя температура воды за период открытого русла и продолжительность ледостава:
- Изменение температуры воды является прямым следствием потепления климата, которое оценивается по приповерхностной температуре. Только колебания температуры воды более сглаженные и происходят с опозданием во времени. Так, годом начала интенсивного потепления атмосферного воздуха считается 1976, а увеличение температуры воды стало происходить только в начале 1980-х годов.
- Потепление на территории России происходит наиболее заметно в зимний сезон, а также при переходах с осени и на весну. Это является причиной переносов сроков ледообразования на более поздние даты и ледоразрушения на более ранние даты. За счет этих сокращений и происходит уменьшение продолжительности ледостава.
Ряды по максимальной толщине льда не показывают столь успешно изменение в климате, что может быть связано со следующими причинами:
- Максимальная толщина льда является разовой величиной за период замерзания реки, зависящая только от погодных условий в определенный год, когда могут быть как мягкие многоснежные зимы, так и суровые малоснежные. Изменение климата не так велико, чтобы уменьшить число аномально холодных и теплых зим.
- Неодновременное установление ледостава на р. Северная Двина или замерзание воды, сопровождающееся торошением и подсовами льда, приводит к неодинаковой толщине льда на разных участках реки. В течение зимы различия в мощности льда могут и сгладиться, но к этому моменту максимальное значение уже будет зафиксировано.
При продолжении работы с темой изменения климата на примере бассейна реки Северная Двина необходимо вместо максимальной толщины льда взять средние значения, которые будут более наглядны.
Река Северная Двина, расположенная в Европейской части России, является примером естественного изменения гидрологического режима, вызванного потеплением климата, поскольку здесь отсутствуют крупные города с промышленными объектами и сбросами сточных вод.
На всей протяженности реки значения средней температуры воды за период наблюдений повышаются примерно на 1-2°, а особенно заметно ее увеличение с 1980-х годов. Тип термического режима реки не изменился, но в ближайшем будущем при развитии такой тенденции может смениться подтип, и тогда река будет относиться к подтипу II б, где разница между температурой воздуха и воды будет отрицательна только в апреле. Продолжительность ледостава уменьшилась в среднем на 25 дней, за счет более позднего начала замерзания рек и их более раннего вскрытия.
Выполненные расчеты позволяют сделать следующие выводы:
1. Анализ основных числовых характеристик исходных рядов наблюдений показал, что все ряды обладают низкой вариативностью. Положительная асимметрия наблюдается у температуры воды и максимальной толщины льда, а отрицательная - у продолжительности ледостава.
2. Тренд является хорошим показателем динамики изменения процессов. По данным температуры воды большинство рядов имеют тренды на повышение, по продолжительности ледостава у всех рядов тренды понижаются, только у рядов максимальной толщины льда картина неоднозначная (тренда либо нет, либо несущественное понижение).
Оценка стационарности исходных рядов наблюдений показала, что 83,3% рассматриваемых значений являются нестационарными, а значит, имеют тенденцию к изменению во времени.
3. Интегральные кривые являются достоверным методом проверки как пространственных, так и временных изменений. Для рядов температуры воды интегральные кривые изменяются незначительно за весь период наблюдений. Ряды продолжительности ледостава со второй половины интегральных кривых идут на понижение. А вот значения максимальной толщины льда не имеют столь однозначной направленности, для некоторых створов перегибы практически отсутствуют, а для некоторых идут на повышение.
Оценка однородности показала, что для 77% рядов наблюдений гипотеза однородности опровергается, что говорит о различных периодах изменения климата: заметном потеплении или отсутствии изменений вообще. Если сравнивать результаты критериев и интегральные кривые, то для большинства рядов выводы об однородности совпадают.
Таким образом, изменение климата прослеживается в бассейне реки Северная Двина. Как показали оценки исходных рядов, практически все значения меняются во времени и у большинства отмечаются изменения, обусловленные заметным потеплением климата, которое началось в 1980-х годах.
Наиболее показательные ряды наблюдений - средняя температура воды за период открытого русла и продолжительность ледостава:
- Изменение температуры воды является прямым следствием потепления климата, которое оценивается по приповерхностной температуре. Только колебания температуры воды более сглаженные и происходят с опозданием во времени. Так, годом начала интенсивного потепления атмосферного воздуха считается 1976, а увеличение температуры воды стало происходить только в начале 1980-х годов.
- Потепление на территории России происходит наиболее заметно в зимний сезон, а также при переходах с осени и на весну. Это является причиной переносов сроков ледообразования на более поздние даты и ледоразрушения на более ранние даты. За счет этих сокращений и происходит уменьшение продолжительности ледостава.
Ряды по максимальной толщине льда не показывают столь успешно изменение в климате, что может быть связано со следующими причинами:
- Максимальная толщина льда является разовой величиной за период замерзания реки, зависящая только от погодных условий в определенный год, когда могут быть как мягкие многоснежные зимы, так и суровые малоснежные. Изменение климата не так велико, чтобы уменьшить число аномально холодных и теплых зим.
- Неодновременное установление ледостава на р. Северная Двина или замерзание воды, сопровождающееся торошением и подсовами льда, приводит к неодинаковой толщине льда на разных участках реки. В течение зимы различия в мощности льда могут и сгладиться, но к этому моменту максимальное значение уже будет зафиксировано.
При продолжении работы с темой изменения климата на примере бассейна реки Северная Двина необходимо вместо максимальной толщины льда взять средние значения, которые будут более наглядны.