Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Физико-статистические характеристики режима осадков и температуры в системе атмосфера-подстилающая поверхность и экстраполяция их значений на основе временных рядов

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Физико-статистические характеристики режима осадков и температуры в системе атмосфера-подстилающая поверхность и экстраполяция их значений на основе временных рядов"

На правах рукописи

Хавцуков Алим Хамидбиевич

ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЖИМА ОСАДКОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ В СИСТЕМЕ АТМОСФЕРА - ПОДСТИЛАЮЩАЯ

ПОВЕРХНОСТЬ И ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ ИХ ЗНАЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ

25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАЛЬЧИК 2004

Работа выполнена в Высокогорном геофизическом институте Росгидромета и Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

СНС Хажбара Мамизович Калов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ахмат Магомедович Кочкаров

кандидат физико-математических наук, СНС Михаил Моисеевич Черняк

Ведущая организация:

Ставропольский государственный университет.

Защита состоится 30 июля 2004 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д.327.001.01 при Высокогорном геофизическом институте по адресу: 360030, КБР, г.Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института.

Автореферат разослан 28 июня 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор географ, наук

В.В.Разумов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОМ РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В последние несколько десятилетий изменение климата стало привлекать повышенное внимание не только исследователей, но и широкой мировой общественности. Об этом свидетельствует тот факт, что исследование изменения климата и его последствий для общества стало одной из важнейших проблем, которая находится в поле зрения Всемирной Метеорологической Организации (ВМО). Такой интерес к изменению климата связан с тем, что его последствия могут быть очень серьезными. Оно может существенным образом повлиять на экономическое развитие общества, на его продовольственную безопасность, на безопасность жизни людей.

В связи с этим для принятия научно-обоснованных решений с целью минимизации возможных отрицательных последствий изменения климата необходимо детальное и всестороннее изучение динамики различных его характеристик и установление тенденции их изменения. Но, несмотря на такое повышенное внимание к данной проблеме и полученные по этому направлению существенные результаты, многие вопросы, связанные с изменением климата и его влиянием на развитие общества, требуют дальнейшего исследования.

Важное место среди них занимают такие вопросы как исследование влияния изменений природно-климатических характеристик конкретных регионов на производство сельскохозяйственной продукции и адаптация сельского хозяйства к этим изменениям.

Следует отметить, что перечисленные проблемы являются достаточно сложными и их решение требует проведения исследований по различным направлениям. Кроме того, их необходимо решать для каждого региона с учетом особенностей изменения его природно-климатических характеристик.

Указанные проблемы не решены для территории Кабардино-Балкарской республики и соседних регионов Северного Кавказа. Вместе с тем, эти регионы играют значительную роль в продовольственном обеспечении Р.Ф. Кроме этого, они отличается большим разнообразием климатических зон, что делает исследование и прогноз трансформации их природно-климатических характеристик достаточно сложной проблемой. ,

Данные обстоятельства делают актуальными анализ изменений физико-статистических характеристик метеопараметров, характеризующих режим осадков и режим температуры воздуха и почвы в предгорной зоне КБР, установление тенденции в динамике этих метеопараметров, а также экстраполяция их значении для оптимизации развития сельского хозяй-

ства с учетом изменений природно-климатических условии его функционирования.

Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование динамики метеопараметров, характеризующих режимы осадков и температуры - в системе атмосфера-подстилаюшая поверхность в предгорной зоне КБР, и экстраполяция их значений на последующие годы.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

- проведение анализа с использованием методов математической статистики временных рядов метеопараметров, характеризующих режим осадков в предгорной зоне республики: количества осадков в различные месяцы и сезоны, суточного максимума осадков и количества дней с осадками 5мм и более в различные сезоны;

- проведение анализа временных рядов средней температуры воздуха и почвы в различные месяцы и сезоны, максимальной температуры воздуха в различные сезоны, минимальной температуры почвы в различные месяцы;

- исследование фрактальных особенностей временных рядов метеопараметров;

- выделение методом построения фазовых портретов, содержащихся во временных рядах метеопараметров цикличностей;

- построение модели экстраполяции значений метеопараметров с учетом особенностей влияющих на них факторов;

- прогнозирование динамики метеопараметров, характеризующих режимы температуры воздуха и атмосферных осадков в предгорной зоне республики, на основе экстраполяции их значении с помощью временных рядов.

Научная новизна.

В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

- основные закономерности изменения во времени метеопараметров, характеризующих режимы атмосферных осадков и температурные режимы воздуха и почвы в различные сезоны года в предгорной зоне КБР;

- фрактальные свойства и спектральные структуры временных рядов метеопараметров в предгорной зоне территории КБР;

- экстраполяция значений метеорологических параметров, характеризующих режимы атмосферных осадков в различные сезоны года;

- экстраполяция значений метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в атмосфере в различные сезоны.

Полученные результаты могут быть использованы для исследования изменений агроклиматических ресурсов предгорной зоны КБР и для ре-

шения задачи адаптации сельского хозяйства этой зоны к изменениям климата.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в получении закономерностей изменения' природно-климатических характеристик предгорной зоны КБР, а также их прогнозных значений на предстоящие-15 лет.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке перспективных планов социально-экономического развития региона. В частности, они необходимы для решения задачи организации производства сельскохозяйственной продукции в новых природно-климатических условиях.

Предмет защиты.

1. Закономерности изменения метеопараметров, характеризующих режим атмосферных осадков в предгорной зоне КБР.

2. Закономерности изменения метеопараметров, характеризующих режим температуры воздуха и почвы в этой же климатической зоне республики.

3. Спектральная структура метеопараметров, характеризующих режимы температуры воздуха и атмосферных осадков в предгорной зоне республики.

4. Экстраполяция на последующие годы возможных изменений режима атмосферных осадков и температуры воздуха в предгорной зоне КБР.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в выполнении исследований по анализу временных рядов метеопараметров, характеризующих режимы осадков и температуры в предгорной зоне КБР и разработке программных средств для их выполнения. Автором проведены исследования фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, расчеты их экстраполяций и разработаны программы для выполнения всего комплекса расчетов. Выполнен анализ физического содержания результатов расчетов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва 2003 г), четвертом Всероссийском симпозиуме (весенняя и осенняя сессии) по прикладной и промышленной математике(Москва 2003г),Всероссийской конференции, посвященной памяти Г.К. Сулаквелидзе (Нальчик 2002г), Юбилейной научной конференции, посвященной 20-летию Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (Нальчик 2001 г), на научных семинарах в КБГСХА и ВГИ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 140 страниц машинописного текста, включая 43 таблицы, 26 рисунков, список используемой литературы насчитывает 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертационной работы обосновывается актуальность темы исследования; формулируются цель и задачи, характеризуются теоретические и методологические основы, объект и предмет исследования, раскрываются научная новизна и практическая ценность результатов.

Первая глава работы посвящена анализу современного состояния исследований изменения климата и основных направлений его влияния на сельское хозяйство.' Обсуждаются основные проблемы, связанные с адаптацией производства сельскохозяйственной продукции к изменению климата.

Во второй главе приведены методы, используемые для решения основных задач диссертационной работы: математико-статистический анализ временных рядов, метод исследования их фрактальных свойств.

Приводятся также результаты математико-статистического анализа временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим осадков и режим температуры воздуха и почвы в предгорной зоне КБР.

Для исследования изменения режима осадков используются: временные ряды суммарного количества осадков в различные месяцы и сезоны, суточного максимума осадков и числа дней с количеством осадков 5 мм и более в различные сезоны. Для исследования изменения температурного режима атмосферы и почвы используются временные ряды средней температуры воздуха в различные месяцы и сезоны, максимальной температуры воздуха в различные сезоны, минимальной температуры почвы в различные месяцы и сезоны. При этом используются данные двух метеостанций примерно за последние 50 лет.

• Для исследования динамических свойств отмеченных метеопараметров соответствующие временные ряды были представлены в виде двух и трех частичных временных рядов, для которых вычислялись и сравнивались такие их характеристики как среднее значение, среднеквад-ратическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса, минимальное и максимальное значения и разброс между ними.

Остановимся на некоторых результатах анализа динамики суммарного количества осадков в различные сезоны и за год по данным метеостанций в г. Нальчик.

В таблице 1 приведены результаты расчетов статистических характеристик частичных временных рядов количества зимних осадков.

Таблица 1 — Статистические характеристики частичных временных

рядов сумм арного к оличест] за зимни х осадков.

Интервалы врем ряда (гг) Среди знач (мм) Среди квадр откл. Коэф асим. Коэф эксцесса Мин знач (мм) Максим знач (мм) Разброс (мм)

1955-1970 69 82 15.87 -5.76 53 36 31 100 69

1971-1986 71.08 18.19 5.23 28.38 48 95.3 47.3

1987-2002 71.70 18 39 20 68 54 25 54 116.3 613

1955-1978 72.73 16.21 -6 91 67 86 31 100 69

1979-2002 69.12 16.73' 33.91 103 32 48 115.3 67.3

Сравнение значений среднего количества осадков, соответствующих первым трем частичным временным рядам, показывает, что происходит, хотя и незначительное, но увеличение с течением времени его значения. Но сравнение его значений для последних двух частичных рядов показывает, что последнему из них соответствует несколько меньшее значение. Для более подробного анализа динамики этого параметра рассмотрим изменения других статистических характеристик во времени. Из таблицы видно, что все они увеличиваются с течением времени. Это может свидетельствовать о том, что процессы образования и выпадения осадков в рассматриваемом регионе интенсифицируются. Об этом свидетельствует и характер изменения коэффициента асимметрии от интервала к интервалу.

Увеличиваются также значения минимального и максимального количества осадков, а также их разброс с течением времени, что также может служить подтверждением сделанного выше утверждения:

Остановимся далее на результатах анализа динамики суммарного количества весенних осадков. Результаты расчетов статистических характеристик частичных временных рядов приведены в таблице 2.

Анализ характеристик первых трех частичных временных рядов показывает, что среднее количество осадков сначала увеличивалось, принимая максимальное значение на втором интервале (1971-1986гг.). Затем оно уменьшалось примерно такими же темпами. По сравнению с его значением на первом интервале, на втором оно увеличилось более чем на 38 мм.

Таблица 2 - Статистические характеристики частичных временных рядов суммарного количества весенних осадков.___

Интервалы Среди Среди Коэф Коэф Мин Максим Разб-

врем ряда зиач квадр асим эксцес- знач знач рос

(гг) (мм) откл са (мм) (мм) (мм)

1955-1970 174,27 69,49 11,71 52,37 63,3 348,0 284,7

1971-1986 212,32 49,02 -11,65 55,47 88,1 294,7 206,6

1987-2002 171,71 34,15 -5,67 56,63 90,0 242,0 152,0

1955-1978 188,4 64,70 8,81 70,83 63,3 348,0 284,7

1979-2002 18438 45,40 -6,46 66,12 88,1 268,8 180,7

Сравнение средних значений метеопараметра для последних двух временных рядов указывает на наличие некоторого уменьшения значения этой характеристики на последнем временном интервале. Изменения остальных статистических характеристик этих рядов также указывают на наличие тенденции к уменьшению суммарного количества весенних осадков.

В таблице 3 приведены результаты расчетов статистических характеристик частичных временных рядов количества летних осадков.

Как можно заметить из таблицы, среднее значение летних осадков устойчиво увеличивается от интервала к интервалу, причем темпы его роста также увеличиваются во времени- По сравнению с предыдущим на интервале 1971-1986гг. среднее количество летних осадков увеличилось на 2,82%, а по сравнению с этим интервалом, на интервале 1987-2002гг. это увеличение составляет 6,75%.

Результаты сравнения значений данной характеристики для последних двух частичных временных рядов подтверждают полученную тенденцию увеличения среднего количества летних осадков во времени. Что касается остальных характеристик, то обращает на себя внимание увеличение во времени минимального и максимального значений данного метеопараметра.

Таблица 3 - Результаты расчетов статистических характеристик частичных временных рядов количества летних осадков__

Интервалы Средн. Средн. Коэф Коэф. Мин. Максим Разб-

врем, ряда знач квадр асим экс- знач знач рос

(гг) (мм) откл цес-са (мм) (мм) (мм)

1955-1970 223,93 71,74 1,22 59,52 107,0 340,0 233,0

1971-1986 230,24 60,63 -8,86 38,24 121,2 326,3 205,1

1987-2002 246,90 71,11 -0,88 31,28 129,7 373,0 2433

1955-1978 221,44 67,93 -1,16 46,71 107,0 340,0 233,0

1979-2002 245,84 67,15 -3,65 52,80 124,8 373,0 248,2

При этом максимальное значение меняется с течением времени более сложным образом: сначала оно уменьшается, а затем возрастает достаточно быстро. В целом данный параметр, хотя и менее существенно, но также возрастает с течением времени.

По такой же схеме был проведен анализ динамики суммарного количества осенних осадков. В результате получено, что среднее значение данного метеопараметра также увеличивается с течением времени. Отметим, что увеличение среднего количества осенних осадков более значительно, чем увеличение среднего количества летних осадков. Например, если по сравнению с его значением на первом интервале на третьем среднее количество летних осадков увеличилось на 21,2%, то соответствующее увеличение среднего количества осенних осадков составляет более 32%.

Значения остальных статистических характеристик частичных временных рядов суммарного количества осенних осадков также устойчиво растут с течением времени. Например, максимальное значение количества осадков в 1987-2002гг. больше на 141мм, чем его значение в первом интервале (или на 76,6%). Значительно увеличился и разброс между максимальным и минимальным значениями данного метеопараметра. Увеличение коэффициента асимметрии указывает на то, что во временном ряду в последние годы происходит увеличение количества членов с суммарным количеством осадков выше среднего значения.

В таблице 4 приведены статистические характеристики частичных временных рядов суммарного годового количества осадков, соответствующих различным временным интервалам. Из данной таблицы-можно заметить, что среднее значение годового количества осадков достаточно быстрыми темпами растет во времени. Например, по сравнению с его значением на интервале 1955-1970гг., в 1987-2002п\ оно стало больше на 10,24%. Сравнение его значений для последних двух частичных рядов также указывает на наличие такой тенденции в динамике данного параметра (5,8%).

Таблица 4 - Статистические характеристики частичных временных рядов годового количества осадков. ____

Интервалы Средн. Средн. Коэф. Коэф. Мин. Максим Разб-

врем, ряда знач квадр. асим. экс- знач. знач рос

(гг) (мм) откл. цес-са (мм) (мм) (мм)

1955-1970 547,23 97,04 4,88 26,89 442,0 753,0 311,0

1971-1986 649,06 81,68 -16,87 62,93 428,8 758,7 329,9

1987-2002 636,34 119,12 0,21 45,76 404,0 893,3 489,3

1955-1978 603,84 95,58 -0,97 39,94 442,0 753,0 311,0

1979-2002 639,02 110,96 -6,34 75,24 404,0 893,3 489,3

Интересным является, на наш взгляд, тот факт, что минимальное значение рассматриваемого метеопараметра уменьшается во времени, а максимальное значение, наоборот, увеличивается быстрыми темпами. Соответственно с течением времени увеличивается и разброс между ними: по сравнению с первым интервалом на последнем интервале (19872002гг.) его значение увеличилось более чем на 57%.Такие же результаты получаются и в случае рассмотрения двух временных интервалов.

По такой же схеме для различных сезонов года проведен анализ изменения физико-статистических характеристик временных рядов суточного максимума осадков и количества дней с осадками 5 мм и более. Проведен также анализ изменения характеристик временных рядов метеопараметров, характеризующих режимы температуры воздуха и почвы в различные сезоны года: средней температуры воздуха, максимальной температуры воздуха, минимальной температуры почвы.

Приведем результаты анализа изменения одного метеопараметра характеризующего режим температуры воздуха в предгорной зоне республики - средней температуры воздуха.

В таблице- 5 приведены, результаты расчетов физико-статистических характеристик частичных временных рядов средней температуры воздуха в зимние сезоны.

Как можно заметить из данной таблицы, среднее значение данного метеопараметра, соответствующее второму частичному ряду, меньше средних значений остальных частичных временных рядов. При этом имеет место уменьшение с течением времени среднеквадратического отклонения и разброса между максимальным и минимальным значениями средней температурами воздуха.

Таблица 5 — Статистические характеристики частичных временных рядов средней зимней температуры воздуха. ___

Интервалы Средн. Средн. Коэф. Коэф. Мин. Максим Разб-

врем, ряда знач квадр. асим. экс- знач. знач рос

(гг) (мм) откл цес-са (мм) (мм) (мм)

1955-1970 -2,153 2,12 -4,88 41,74 -6,7 1,7 8,4

1971-1986 -2,67 1,58 -7,19 60,91 -6,6 0,7 7,3

1987-2002 -1,63 1,53 9,07 36,57 -3,9 1,4 5,3

1955-1978 -2,63 2,03 -2,61 65,92 -6,7 1,7 8,4

1979-2002 -1,65 1,40 16,69 60,77 -3,9 1,4 5,3

Уменьшение разброса в основном обусловлено, как можно заметить, повышением минимального значения средней температуры. По сравнению со значением на первом интервале, например, на интервале

1987-2002 гг средняя температура воздуха повысилась на 2,8°С, а разница между разбросами на этих интервалах составляет 3,1 °С. Характер изменения коэффициента асимметрии во времени указывает на увеличение частоты появления во временном ряду количества сезонов со средней температурой, превышающей ее математическое ожидание.

Расчеты этих же статистических характеристик в случае второго варианта частичных временных рядов дают такую же картину изменения данного метеопараметра во времени.

Таким образом, по результатам проведенного анализа можно заключить, что в последние годы в предгорной зоне КБР наблюдается повышение средней зимней температуры воздуха. В большей степени оно обусловлено повышением минимального значения данного метеопараметра.

Более устойчивое повышение температуры по результатам расчетов получено в весенние сезоны года. Результаты расчетов физико-статистических характеристик тех же частичных временных рядов для данного сезона приведены в таблице 6. По результатам сравнительного анализа статистических характеристик первых трех частичных временных рядов, как можно заметить из таблицы, наблюдается рост среднего значения метеопараметра в весенние сезоны.

Таблица 6-Статистические характеристики частичных временных рядов средней весенней температуры воздуха.___

Интервалы Среди Среди Коэф Коэф. Мин Максим Разб-

врем ряда знач квадр асим экс- знач знач рос

(гг) (мм) откл. цес-са (мм) (мм) (мм)

1955-1970 8,98 1,57 -5,11 24,53 6,4 10,9 4,5

1971-1986 9,11 0,94 7,70 29,51 8,1 11 2,9

1987-2002 9,52 1,13 -5,58 32,39 7,3 И 3,7

1955-1978 9,10 1,40 -9,13 46,45 6,4 И 4,6

1979-2002 9,32 1,09 -0,31 41,46 7,3 11 3,7

По сравнению с периодом 1956-1970 гг на последнем она выросла на 0,54°С и стала равна 9,52°С. такое изменение обусловлено повышением минимального значения средней температуры воздуха при неизменном максимальном значении. Соответственно уменьшается и разброс между средней максимальной и средней минимальной температурами воздуха.

В результате анализа динамики отмеченных метеопараметров, характеризующих режимы осадков и температуры воздуха и почвы в различные сезоны года, получено:

1. В предгорной зоне территории КБР наступил период увеличения суммарного количества зимних осадков. Это в большей степени будет

связано с увеличением количества дней с осадками, а не с увеличением интенсивности осадков,.

2. Суммарное количество весенних осадков на рассматриваемом интервале времени уменьшилось. Такое изменение количества осадков в эти сезоны связано с уменьшением количества дней с относительно интенсивными осадками. А суточный максимум весенних осадков, хотя имеет место увеличение среднего значения, мало подвержен климатическим изменениям.

3. На рассматриваемом временном интервале по результатам расчетов имело место увеличение количества летних осадков. Оно обусловлено увеличением количества дней с осадками 5 мм и более. Суточный максимум летних осадков на рассматриваемом интервале времени уменьшился.

4. Количество осенних осадков за рассматриваемый период времени также увеличилось. Такое изменение, количества осадков обусловлено увеличением числа осенних дней с осадками 5 мм и более.

5. Средняя температура воздуха в зимние сезоны в предгорной зоне республики за рассматриваемый период времени заметно повысилась. Таким же образом повысилась.минимальная температура почвы в эти сезоны.

6. Имеет место некоторое повышение средней температуры воздуха и минимальной температуры почвы в весенние сезоны. Изменение средней температуры воздуха при этом связано с повышением ее минимальных значений.

7. Средняя летняя температура воздуха также повысилась, но по сравнению с другими сезонами это повышение незначительно.

8. Имеет место незначительное повышение средней осенней температуры воздуха, связанное с повышением ее минимального и максимального значений/

9. Полученные изменения природно-климатических характеристик в целом благоприятствуют производству сельскохозяйственной продукции в предгорной зоне республики.

В третьей главе работы обсуждаются основные проблемы прогнозирования изменений природно-климатических характеристик регионов. Отмечается, что в модели прогнозирования этих характеристик должна учитываться одна из важнейших особенностей их изменения, а именно, его циклический характер.

Поэтому при построении модели прогнозирования изменений природно-климатических характеристик предгорной зоны КБР было предположено, что динамика природно-климатических характеристик регионов формируется под влиянием антропогенных факторов, которые меняются

во времени по линейному закону, а также природных факторов, изменение которых носит циклический характер. С учетом такого предположения модель прогнозирования значений конкретного параметра Щ) в общем случае записывается в виде

где а№ Ь„ - коэффициенты слагаемых, описывающих влияние антропогенных факторов в динамике Y(t);

а„ Ъ1 - коэффициенты слагаемых, описывающих влияние природных факторов в динамике Y(t).

Как можно заметить из выражения (1), количество природных факторов в модели равно И, а их интенсивности меняются с периодами, равными 7/.

Построение модели (1) можно разделить на два этапа. На первом из них из временных рядов различных характеристик выделяются скрытые в них периодичности

Затем строятся фазовые портреты временных рядов природно-климатических характеристик, для чего они аппроксимируются кубическими сплайн функциями.

Рис. 1. Фазовые портреты сезонных количеств осадков (г. Нальчик): а) зимних; Ь) весенних; с) летних; d) осенних

Таблица 7 - Периодичности, содержащиеся во временных рядах метеопараметров. _

Период ы -

Метеопараметр Т, Т2 Т3 т4 Т5 Т6 Т7 т8 Т»

Количество

осадков:

Годовых 2,0 3,6 5,4 6,5 7,3 8,3 9,2 10,8 12,2

Зимних 2,3 4,2 5,3 6,5 7,6 9,6 12,0 16,7

Весенних 1.8 2,5 4,3 5,5 6.8 8,7 10,4

Летних 2,2 3,5 4,4 5,7 6,8 7,6 8,5 9,7

Осенних 1,6 2,2 3,3 4,4 5,0 5,5

Средняя темпе-

ратура воздуха:

Зимнее 1.8 2,7 3,3 4,5 5,7 14,9 18,6 21,2

Весеннее 1,5 2,3 3,7 4,3 5,5 6,2

Летнее 1,5 2,5 3,6 4,5 5,3 6,5 8.2 10,7

Осеннее 1,5 2,0 3,0 4,5 5,7 8,0 9,8

На рис. 1 приведены фазовые портреты временных рядов сезонных количеств осадков, а в таблице 3 приведены периоды, выделенные из временных рядов различных метеопараметров. После определения на втором этапе методом наименьших квадратов определяются коэффициенты в выражении (1), и задача прогнозирования заключается в вычислении значений функции (1) на интервале упреждения.

• Для исследования эффективности изложенного подхода к решению задачи прогнозирования динамики природно-климатических факторов были проведены расчеты с использованием различных тестовых данных. Они показали, что изложенный подход может быть использован для прогнозирования динамики природно-климатических характеристик конкретных регионов.

Для исследования эффективности метода прогнозирования использовался и другой подход. Он заключался в том, что функция (1) строилась с использованием части имеющегося временного ряда (точки 1-40), а другая часть (точки 41-48) прогнозировалась; полученные результаты сравнивались с фактическими

Остановимся на некоторых результатах исследования метода таким способом.

Таблица 8 - Фактические Оф) и прогнозные (/„) значения средней зимней температуры воздуха, абсолютные ошибки (АО прогнозирования.

1996 • 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

t,J, -3,1 -1 -1,7 0,4 0,8 - 0,8 1,5 1,3

t„ -1 • -1,1 -0,8 -0,3 0,3 0,64 0,76 0,95

Д/ 2,1 од 0,9 0,7- 0,5 0,16 0,74 0,35

В таблице 8 приведены фактические значения средней зимней температуры воздуха по данным метеостанции г. Нальчика за период с 1996г. по 2003 соответствующие прогнозные значения, а также абсолютные ошибки прогнозирования. В результате было получено, что абсолютная ошибка прогнозирования значении данного метеопараметра с вероятностью с вероятностью

р=0,2б.

Далее для исследования трендоустойчивости временных рядов метеопараметра был проведен анализ их фрактальных свойств.

Основой фрактального анализа является метод нормированного размаха. Суть метода заключается в следующем.

Пусть Х|, Хг, ... х„ временной ряд какого-то показателя; М„-среднее значение х за n-лет. Тогда накопленные отклонения за Т лет в ряду длины п можно вычислить по формуле:

X Т ,п = I - м „ Г 1=1

Обозначим через R-размах отклонения в рассматриваемом ряду: R=max (х^,,) - min (х^п). Херст ввел следующее соотношение:

где - среднеквадратическое отклонение рассматриваемого

ряда, а- постоянная величина из интервала (0, 1), Н - показатель Херста.

Значение показателя Херста получается из предыдущего соотношения

Н = log( R/а)!Iog( ах«).

Показатель Херста имеет следующую трактовку, которая используется для анализа временных рядов:

1. если значение Н=0.5, то мы имеем дело с известным нам «белым шумом», т.е. анализируемый временной ряд носит случайный характер, подчиненный нормальному закону распределения.

2. если значение Н->1, то имеем дело с «черным шумом», т.е. анализируемый временной ряд является трендоустойчивым (персистентным) и обладает долговременной памятью. Это свойство, как будет показано ниже, присуще рядам, отражающим динамику климатических характеристик в регионе.

3. если значение Н—»О, то имеем дело с «розовым шумом», т.е. анализируемый временной ряд является антиперсистентным. Он более изменчив, чем случайный ряд, и состоит из частых спадов и подъемов.

Таким образом, если ряд возрастает (убывает) и он персистентный, то вероятность сохранения этой тенденции данным рядом еще какое-то время увеличивается при Н—>1. При возрастании Н все больше положительных приращений следует за положительными и отрицательных за отрицательными, т.е. память приобретает все большую глубину (длину).

Как показали расчеты, показатели Херста Н рассматриваемых временных рядов принимали значения в окрестности 3"* точек 0,8; 0,9; 1,0, т.е. они обладают достаточно высокой трендоустойчивостью.

Затем были проведены расчеты по прогнозированию на период до 2016 года динамики метеопараметров, характеризующих режимы атмосферных осадков и температуры воздуха в предгорной зоне республики.

На рис. 2 приводятся фактические и сглаженные значения количества зимних осадков на интервале 1955-2002гг, а также прогнозные значения на интервале упреждения, полученные с помощью выражения (1).

Как можно заметить на рисунке, тренд временного ряда данного метеопараметра (значения соответствующей функции (1)) меняется во времени сложным образом и характер его изменения существенно отличается от линейного закона. Такой же сложный характер имеет и изменение во времени прогнозных значений метеопараметра.

140 120 100 80 60 40 20

0 i i i i i \ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t i i i i i i i i i i

1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007 2011 2015

Рис 2 Фактические значений количества зимних осадков (сплошная линия) и их сглаженные и прогнозные значения (пунктирная линия)

Анализ полученных результатов показывает, что в динамике суммарного количества зимних осадков, видимо, наметилась тенденция к постепенному увеличению. На наличие такой тенденции указывают и

результаты анализа исходного временного ряда метеопараметра, полученные в предыдущей главе.

Отметим, что такая тенденция в динамике суммарного количества зимних осадков может благоприятно отразиться на производство растениеводческой продукции

Остановимся далее на результатах экстраполяции изменений количества весенних осадков.(рис.З)

Отметим что, исходя из приведенных на этом рисунке результатов, делать однозначные выводы об уменьшении или увеличение количества зимних осадков с течением времени не представляется возможным. Но, как можно заметить, минимальное значение метеопараметра на интервале упреждения, хотя и не очень существенно, но меньше, чем его значение в предыдущие годы. Максимальное значение на этом интервале также уменьшилось по сравнению с его значением на исходном интервале.

400 350 300 250 200 150 100 50 О

1955 1959 1963 1967 1971 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1999 2003 2007 2011 2015

РисЗ Фактические значения количества весенних осадков (сплошная линия) и их сглаженные и прогнозные значения (пунктирная линия)

Как можно заметить на рисунке, примерно до 2006 года количество весенних осадков будет больше среднего его значения за предыдущие годы. Затем оно уменьшится, после чего до конца периода упреждения будет иметь место заметное его увеличение. В целом тренд данного метеопараметра на интервале упреждения не будет меняться существенным образом.

На рисунке 4 приведены фактические значения количества летних осадков (сплошная линия), а также найденные с помощью выражения (1) сглаженные и прогнозные (пунктирная линия) его значения.

Как можно заметить, данный метеопараметр меняется с течением времени сложным образом. Таким же образом меняются и прогнозные значения. Можно заметить, что максимальные значения количества летних осадков на интервале упреждения заметно будут превышать такие значения на исходном временном интервале.

Кроме этого, прогнозные минимальные его значения больше минимальных значений исходного временного ряда метеопараметра.

0 III.......I......I.........I I I I I......I I I I I I...............i i i i

1955 1961 1967 1973 1979 1985 1991 1997 2003 2009 2015

Рис 4 Фактические значения количестве летних осадков (сплошная линия) и их сглаженные и прогнозные значения (пунктирная линия)

В целом, по результатам расчетов, в будущем следует ожидать увеличения количества летних осадков в предгорной зоне республики. Это совпадает с полученной в предыдущей главе тенденцией в динамики летних осадков, заключающейся в увеличении с течением времени значения данного метеопараметра. Такое изменение значения данного метеопараметра в целом может оказать благоприятное влияние на сельское хозяйство в предгорной зоне республики.

350 300 250 200 150 100 50 О

1955 195« 1961 1964 1967 1970 1971 1978 1979 1М2 19(5 19М 1991 1994 1997 2000 2001 2006 2009 2012 2015

Рис 5 Фактические значения количества осенних осадков (сплошная линия) и их сглаженные и прогнозные значения (пунктирная линия)

На этом рисунке можно заметить, что значение данного метеопараметра в будущем будет увеличиваться. Об этом свидетельствует тот факт, что максимальные и минимальные его значения в среднем на интервале упреждения выше, чем на исходном временном интервале.

На наличие такой тенденции в динамике данного метеопараметра указывали и результаты математико-статистического анализа временного ряда параметра, полученные в предыдущей главе.

Что касается возможного влияния такой тенденции в динамике количества осенних осадков на сельское хозяйство предгорной зоны, то оно, можно сказать, является благоприятным для растениеводческой отрасли сельского хозяйства из-за увеличения влагосодержания в почве.

Приведем результаты экстраполяции динамики одного из метеопараметров, характеризующих режим температуры воздуха в предгорной зоне КБР.

На рис. 6 приведены результаты расчетов по прогнозированию средней зимней температуры.

Как можно заметить, по результатам расчетов ожидается заметное повышение средней температуры воздуха в предстоящие годы. Значения данного метеопараметра практически во всех точках интервала упреждения оказались в области положительных температур со средним значением, равным примерно 1 °С.

19ЭД 1861 !96в 1871 «78 1М1 1983 1991 193« 2001 2000 2011 201«

Рис 6 Фактические (сплошная линия) и прогнозная (пунктирная линия) значения средней зимнейтемпературы воздуха

Эти результаты качественно согласуются с результатами, полученными в предыдущей главе. В ней показано, что средняя температура воздуха в данной климатической зоне увеличивается достаточно быстрыми темпами. Причем такое повышение в основном было связано с ростом минимального значения данного метеопараметра. Например, его значение на временном интервале 1979-2002гг. увеличилось почти в два раза по сравнению со значением на интервале 1955- 1978гг и составляет -3,9 °С. Кроме этого, характер изменения коэффициента асимметрии с течением времени указывает на наличие в динамике средней температуры воздуха тенденции к повышению.

На рисунке 7 приведены результаты расчетов по прогнозированию динамики средней весенней температуры воздуха.

Как можно заметить на рисунке, существенных изменений в динамике данного метеопараметра нет. Это также согласуется с полученными выше результатами анализа динамики данного метеопараметра. Средняя весенняя температура воздуха повышается гораздо медленнее со временем, чем средняя зимняя температура воздуха. Такое повышение обусловлено ростом минимального его значения. В целом изменение с течением времени средней температуры воздуха в весенние сезоны может оказать положительное влияние на рост растений и на проведение весенне-полевых работ.

12 10 В

8

4

2 О

1956 »59 1962 1965 196В 1971 1974 1977 1980 1983 1960 1989 1992 1995 1998 2001 200« 2007 2010 2013 2016

Рис 7. Фактические (сплошная линия) и прогнозная (пунктирная линия)

Анализ результатов экстраполяции значений метеопараметров, характеризующих режимы осадков и температуры воздуха в различные сезоны года, позволил сделать следующие выводы:

1. Количество зимних осадков в предгорной зоне территории КБР в предстоящие годы будет увеличиваться незначительными темпами. Такое изменение количества осадков будет обусловлено, главным образом, увеличением их интенсивности.

2. Количество весенних осадков в предстоящие годы в среднем не будет меняться существенным образом. Оно либо останется без изменений, либо увеличится незначительно. Таким же образом незначительно может увеличиться суточный максимум весенних осадков.

3. Тенденция увеличения количества летних осадков будет сохраняться и в предстоящие годы. При этом такое его изменение будет и в будущем связано с увеличением количества дней с относительно интенсивными осадками.

4. Количество осенних осадков и в предстоящие годы будет увеличиваться и такое его изменение, главным образом, будет связано с увеличением числа дней с осадками 5 мм и более.

5. Будут и в дальнейшем повышаться средняя и максимальная зимние температуры воздуха. Значения средней температуры, видимо, окажутся в области положительных температур, что существенным образом отразится на режим и вид зимних осадков.

6. Средняя и максимальная температуры воздуха в весенние сезоны в будущем не будут претерпевать существенных изменений

7. Средняя температура воздуха в летние сезоны будет повышаться, но незначительно, а максимальная температура практически не будет меняться

8. Средняя температура воздуха в осенние сезоны будет повышаться, а динамика максимальной температуры воздуха практически не изменится.

значения средней весенней температуры воздуха

В заключении перечислены полученные в диссертационной работе основные результаты:

1. В результате анализа изменений физико-статистических характеристик временных рядов метеорологических параметров, , характеризующих режим атмосферных осадков в различные сезоны года, пришли к выводу, что происходит увеличение количества осадков в зимний, летний и осенний сезоны, а количество весенних осадков уменьшается. Среднее значение количества летних осадков во второй половине рассматриваемого периода увеличилось на 24,4мм (или на 11%) по сравнению с его значением в первой половине. Среднее количество весенних осадков во второй половине этого же периода меньше на 4,02мм, чем его значение в первой половине. Увеличение количества осадков обусловлено, главным образом, увеличением количества дней с осадками.

2. По результатам анализа изменений временных рядов, оценивающих режимы температуры воздуха и почвы в различные сезоны года в предгорной зоне КБР, получено, что наиболее существенно повысилась средняя температура воздуха в зимние сезоны. Так, во второй половине рассматриваемого периода (1955-2002гг) ее значение более чем на 1°С превышало значение в первой половине. Имеет также место повышение средней весенней и средней осенней температуры воздуха на 0,22°С и 0,37°С соответственно. Средняя летняя температура практически осталась без изменения. Повышение средней температуры воздуха в отмеченные сезоны связано, главным образом, с повышением ее минимального значения. Имеет также место повышение минимальной температуры почвы в зимние и весенние сезоны - более чем на 2°С и 4°С соответственно.

3. Проведен анализ спектральной структуры временных рядов метеопараметров, характеризующих режимы атмосферных осадков и температуры воздуха в различные сезоны года.

4. В результате фрактального анализа временных рядов метеопараметров показано, что соответствующие значения показателя Херста близки к единице, что указывает на их высокую трендоустойчивость.

5. Построена модель экстраполяции изменений природно-климатических характеристик с учетом влияния различных факторов.

6. В результате экстраполяции изменений метеопараметров, характеризующих режим осадков в различные сезоны года, получено, что тенденция увеличения осадков в различные сезоны в предгорной зоне сохранится и в будущем. Оно будет обусловлено увеличением количества дней с осадками.

7. По результатам экстраполяции изменений метеопараметров, характеризующих режим температуры воздуха, и в будущем будет иметь

место дальнейшее повышение средней зимней температуры воздуха - ее значения могут оказаться в области положительных значений, что окажет существенное влияние на режим и вид зимних осадков. Средняя температура воздуха в остальные сезоны не будет претерпевать существенных изменений.

Дальнейшие исследования будут направлены на построение агроклиматических ресурсов региона и на решение задачи оптимизации производства сельскохозяйственной продукции с учетом изменений его природно-климатических характеристик.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Результаты исследования изменения режима атмосферных осадков на территории КБР. // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. Том 2.С.85-86. (в соавторстве с Литовка Н.И., Налоевой Р.Х.).

2. Анализ и прогноз температурного режима атмосферы в предгорной зоне КБР. // Материалы 4го Всероссийского Симпозиума по прикладной и промышленной математике. 29.05-3.06 2003. Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 10 выпуск 1С. 180-181. (в соавторстве с Кумыковым Х.К., Бербековой И.М.).

3. Математико-статистический анализ динамики режима атмосферных осадков в предгорной зоне КБР. //Труды конференции молодых ученых В Г И, посвященной 90-летию со дня рождения проф. Сулакве-лидзе Г.К. Нальчик. -2003, С.53-56. (в соавторстве с Бербековой И.М.).

4. Некоторые результаты прогнозирования динамики режима осадков в предгорной зоне КБР.//Материалы 4'° Всероссийского Симпозиума по прикладной и промышленной математике. 1-7 октября 2003. Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 10 выпуск 3 С.688.(в соавторстве с Кумыковым Х.К., Бербековой И.М.).

5. Математико-статистический анализ динамики режима осадков в предгорной зоне КБР. // Материалы 4го Всероссийского Симпозиума по прикладной и промышленной математике. 1-7 октября 2003.Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 10, Вып.З. - С.662.(в соавторстве с Каловым Х.М., Богаченко Е.М.).

6. Об одном подходе к восстановлению микроструктурных характеристик однофазных и смешанных облаков по данным радиолокационных измерений. //Сборник трудов научной конференции. Системные проблемы надежности математического моделирования и информационных технологий. г.Сочи 1998г. - С.55.

7. Анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик в предгорной зоне КБР. //Межвузовский сборник научных трудов. Перспектива-2003г, Нальчик-2003. с 108-109.

8. Модель оптимизации использования финансовых ресурсов. // Материалы юбилейной конференций посвященной 20-летию КБГСХА. -Нальчик - 2001. С.79-81. (в соавторстве с Ашабоковым Б.А.).

9. Прогноз климатических изменений температурного режима воздуха предгорной зоны территории КБР. Нальчик, КБГСХА. - 2002. 16с.

43»

Сдано в набор 16.06.2004. Подписано в печать 24.06.2004. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Усл.п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 968.

Типография Кабардино-Балкарской государственной Сельскохозяйственной академии

Лицензия ПД № 00816 от 18.10.2000 г.

г. Нальчик, ул. Тарчокова, 1 а

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Хавцуков, Алим Хамидбиевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И ПРОБЛЕМА АДАПТАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА К

1.1. Основные факторы, влияющие на климат.

1.2. Влияние изменения климата на продуктивность сельскохозяйственных культур.

2. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДГОРНОЙ ЗОНЫ ТЕРРИТОРИИ

2.1. Методы анализа динамики природно-климатических характеристик.

2.2. Анализ изменений режима осадков.

2.3. Анализ изменений температуры воздуха и почвы.

Выводы к главе Л.

3. ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДГОРНОЙ

ЗОНЫ ТЕРРИТОРИИ КБР.

3 Л. Метод экстраполяции изменений природно-климатических характеристик.

3.2. Результаты экстраполяции динамики режима осадков.

3.3. Экстраполяция изменений температурного режима воздуха.

Выводы к главе 3.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Физико-статистические характеристики режима осадков и температуры в системе атмосфера-подстилающая поверхность и экстраполяция их значений на основе временных рядов"

Актуальность темы исследования. В последние несколько десятилетий изменение климата стало привлекать повышенное внимание не только исследователей, но и широкой мировой общественности. Об этом говорит тот факт, что исследование изменения климата и его последствий для человечества стало одной из важнейших проблем, которая находится в поле зрения Всемирной Метеорологической Организации (ВМО). Под эгидой данной организации регулярно проводятся встречи исследователей со всего мира и обсуждаются вопросы, касающиеся изменения климата Земли и его возможных последствий. В 2003г в г. Москве состоялась последняя такая встреча - Всемирная Конференция по изменению климата. В 1992г. была принята Конвенция ООН по изменению климата, а в 1997г. она была дополнена Протоколом, одобренным представителями 159 стран на международной конференции в городе Киото. Такой интерес к изменению климата связан с тем, что последствия могут быть очень серьезными для всего человечества. Оно может существенным образом повлиять на экономическое развитие общества, на его продовольственную безопасность, на безопасность жизни людей.

В связи с этим для минимизации возможных отрицательных последствий изменения климата данная проблема требует детального и всестороннего изучения.

Несмотря на такое повышенное внимание исследователей к данной проблеме и полученные по этому направлению существенные результаты, многие вопросы, связанные с изменением климата и его влиянием на развитие общества, требуют дальнейшего исследования.

Важное место среди них занимают исследование влияния изменений природно-климатических характеристик регионов на производство сельскохозяйственной продукции и адаптация сельского хозяйства к этим изменениям.

Решение этих задач требует проведения исследований по следующим направлениям:

- анализ динамики природных факторов, от которых в большей степени зависит производство сельскохозяйственной продукции, определение тенденции их изменения, а также прогнозирование их значений;

- изучение влияния изменений природно-климатических характеристик на различные показатели сельскохозяйственного производства;

- с учетом полученных по этим направлениям результатов определение оптимального способа организации производства сельскохозяйственной продукции в новых природно-климатических условиях.

Перечисленные задачи необходимо решать для каждого региона с учетом особенностей изменения его природно-климатических характеристик.

Отметим, что указанные задачи не решены для территории Кабардино-Балкарской республики и соседних регионов Северного Кавказа. Вместе с тем, эти регионы играют значительную роль в продовольственном обеспечении РФ. Кроме этого они отличаются большим разнообразием климатических зон, что делает исследование и прогноз трансформации их природно-климатических характеристик достаточно сложной проблемой.

В связи с этим для определения тенденции в динамике режима осадков и режима температуры в предгорной зоны территории КБР, важное научное значение имеет исследование изменений их физико-статистических характеристик. Таким же образом для определения оптимального развития сельского хозяйства и других отраслей экономики важное значение имеет прогноз изменений природно-климатических характеристик данной климатической зоны республики.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключается в исследовании изменений физико-статистических характеристик, а также в экстраполяции значений на предстоящий период метеопараметров, характеризующих режимы осадков и температуры в предгорной зоне территории КБР. Для решения этих задач были использованы данные двух метеостанций за последние 50 лет о метеопараметрах, характеризующих режимы температуры воздуха, и почвы и режим атмосферных осадков в предгорной зоне КБР. Выбор таких климатических характеристик региона обусловлен тем, что они относятся к основным природным факторам, определяющим производство продукции растениеводства. Цель исследования предполагает решение следующих задач:

- проведение анализа с использованием методов математической статистики временных рядов метеопараметров, характеризующих режим осадков в предгорной зоне республики: количества осадков по месяцам и по сезонам, суточного максимума осадков и количества дней с количеством осадков 5мм и более в различные сезоны;

- проведение анализа временных рядов метеопараметров, характеризующих режимы температуры в атмосфере и в почве: средней температуры воздуха в различные месяцы и сезоны, максимальной температуры воздуха в различные сезоны, минимальной температуры почвы в различные месяцы и осенне-весенние сезоны;

- исследование фрактальных особенностей временных рядов метеопараметров;

- выделение содержащихся во временных рядах метеопараметров цикличностей методом построения их фазовых портретов;

- построение модели прогнозирования динамики метеопараметров с учетом особенностей влияющих на них факторов;

- экстраполяция значений динамики метеопараметров, характеризующих режимы температуры воздуха и атмосферных осадков в предгорной зоне республики.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

- основные закономерности изменения во времени метеопараметров, характеризующих режим атмосферных осадков в предгорной зоне КБР;

- основные закономерности изменения во времени метеопараметров, характеризующих температурные режимы воздуха и почвы в той же климатической зоне республики;

- фрактальные свойства временных рядов климатических характеристик предгорной зоны территории КБР;

- спектральная структура временных рядов .метеопараметров, характеризующих режимы температуры и осадков в различные сезоны года

- экстраполяция значений метеорологических параметров, характеризующих режимы атмосферных осадков в различные сезоны года;

- экстраполяция значений метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в атмосфере в различные сезоны.

Полученные результаты можно использовать для исследования изменений агроклиматических ресурсов предгорной зоны КБР и для решения задачи адаптации сельского хозяйства этой зоны к изменениям климата.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в получении закономерностей изменения природно-климатических характеристик предгорной зоны КБР, а также их прогнозных значений на предстоящие 15 лет.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке перспективных планов социально-экономического развития региона. В частности, они необходимы для решения задачи организации производства сельскохозяйственной продукции в новых природно-климатических условиях.

Предмет защиты.

1. Закономерности изменения физико-статистических характеристик метеопараметров, характеризующих режим атмосферных осадков в предгорной зоне КБР.

2. Закономерности изменения физико-статистических характеристик метеопараметров, характеризующих режим температуры воздуха и почвы в этой же климатической зоне республики.

3. Спектральная структура метеопараметров, характеризующих режимы температуры воздуха и атмосферных осадков в предгорной зоне республики.

4. Экстраполяция изменений режима атмосферных осадков в предгорной зоне КБР.

5. Экстраполяция изменений режима температуры воздуха в этой же климатической зоне республики.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в выполнении исследовании по анализу временных рядов метеопараметров, характеризующих режимы осадков и температуры в предгорной зоне КБР и разработке программных средств для их выполнения. Автором проведены исследования фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, расчеты по их прогнозированию и разработаны программы для выполнения всего комплекса расчетов. Выполнен анализ физического содержания результатов расчетов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва 2003г), четвертом Всероссийском симпозиуме (весенняя и осенняя сессии) по прикладной и промышленной математике (2003г), Всероссийской конференции, посвященной памяти Г.К. Сулаквелидзе (Нальчик 2003г), Юбилейной научной конференции, посвященной 20-летию Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (Нальчик 2001г), на научных семинарах в КБГСХА и ВГИ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 140

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Хавцуков, Алим Хамидбиевич

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3

1. Разработана модель экстраполяции изменений природно-климатических характеристик предгорной зоны территории КБР. В модели учитываются особенности основных факторов, влияющих на динамику этих характеристик.

2. Количество зимних осадков в предгорной зоне территории КБР в предстоящие годы будет увеличиваться незначительными темпами. Такое изменение количества осадков будет обусловлено, главным образом, увеличением их интенсивности.

3. Количество весенних осадков в предстоящие годы в среднем не будет меняться существенным образом. Оно либо останется без изменений, либо увеличится незначительно. Таким же образом незначительно может увеличиться суточный максимум весенних осадков.

4. Тенденция увеличения количества летних осадков будет сохраняться и в предстоящие годы. При этом такое его изменение будет и в будущем связано с увеличением количества дней с относительно интенсивными осадками.

5. Количество осенних осадков и в предстоящие годы будет увеличиваться и такое его изменение, главным образом, будет связано с увеличением числа дней с осадками 5 мм и более.

6. Будут и в дальнейшем повышаться средняя и максимальная зимние температуры воздуха. Значения средней температуры, видимо, окажутся в области положительных температур, что существенным образом отразится на режим и вид зимних осадков.

7. Средняя и максимальная температуры воздуха в весенние сезоны в будущем не будут претерпевать существенных изменений.

8. Средняя температура воздуха в летние сезоны будет повышаться, но незначительно, а максимальная температура практически не будет меняться.

9. Средняя температура воздуха в осенние сезоны будет повышаться, а динамика максимальной температуры воздуха практически не изменится.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ современного состояния исследований изменения климата показывает, что проблемы изучения влияющих на климат процессов, определения возможных его последствий и поиска путей их ослабления приняли в настоящее время актуальный характер.

Прогресс по этим проблемам связан с решением множества взаимосвязанных между собой задач из самых различных областей науки. К этим задачам относятся детальный анализ динамики природно-климатических характеристик регионов, а также прогноз изменений этих характеристик. К важнейшим задачам также относятся адаптация сельского хозяйства регионов к изменяющимся условиям производства сельскохозяйственной продукции.

В настоящей диссертационной работе проведены анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик предгорной зоны КБР, которые в большей степени определяют производство сельскохозяйственной продукции, и получены следующие результаты:

1. Проведен анализ изменений физико-статистических характеристик временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков в различные сезоны года. Получено, что происходит увеличение количества осадков в зимний, летний и осенний сезоны, а количество весенних осадков уменьшается. Среднее значение количества летних осадков, например, во второй половине рассматриваемого периода увеличилось на 24,4мм (или на 11%) по сравнению с его значением в первой половине. Еще более значительно увеличилось количество осенних осадков. Среднее количество весенних осадков во второй половине этого же периода меньше на 4,02мм, чем его значение в первой половине. Увеличение количества осадков обусловлено, главным образом, увеличением количества дней, с осадками.

2. Проведен анализ изменений физико-статистических характеристик временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режимы температуры воздуха и почвы в различные сезоны года. Получено, что средняя температура воздуха наиболее существенно повысилась в зимние сезоны. Так, во второй половине рассматриваемого периода (19552002гг) ее значение более чем на 1°с превышала значение в первой половине. Имеет также место повышение средней весенней и средней осенней температуры воздуха, но менее существенное-0,22°С и 0,37°С соответственно. Средняя летняя температура практически осталась без изменения. Повышение средней температуры воздуха в отмеченные сезоны связано, главным образом, с повышением ее минимального значения. Имеет также место существенное повышение минимальной температуры почвы в зимние и весенние сезоны - более чем на 2°С и 4°С соответственно.

3. Методом построения фазовых портретов проведен анализ спектральной структуры временных рядов метеопараметров характеризующих режимы атмосферных осадков и температуры воздуха в различные сезоны года;

4. Методом фрактального анализа исследовано трендоустойчивость временных рядов этих метеопараметров. Получено, что значение показателя Херста для этих временных рядов близки к единице.

5. Разработана модель экстраполяции изменений природно-климатических характеристик с учетом влияния антропогенных и природных факторов;

6. Проведена экстраполяция изменений метеопараметров, характеризующих режим осадков в различные сезоны года. Получено, что тенденция увеличения осадков в различные сезоны в предгорной зоне сохраниться и в будущем. Оно будет обусловлено увеличением количества дней с осадками.

7. Проведена экстраполяции изменений метеопараметров характеризующих режим температуры воздуха. Получено, что и в будущем будет иметь дальнейшее повышение средней зимней температуры воздуха - ее значения могут оказаться в области положительных значений, что окажет существенное влияние на режим и вид зимних осадков. Средняя температура воздуха в остальные сезоны не будут претерпевать существенных изменений.

Результаты исследований могут найти применение для разработки перспективного плана развития региона с учетом изменения климата и, в частности, для решения задачи адаптации функционирования сельского хозяйства к новым природно-климатическим условиям.

Дальнейшие исследования будут направлены на построение агроклиматических ресурсов региона и на решение задачи оптимизации производства сельскохозяйственной продукции с учетом изменений его природно-климатических характеристик.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Хавцуков, Алим Хамидбиевич, Нальчик

1. Альберг Дж., Нильсон Э., Уолт Дж. Теория сплайнов и ее приложения. -М.: Мир, 1972.-316с.

2. Андерсен Т.В. Статистический анализ временных рядов. М.: Мир, 1976,755с.

3. Анисимов О.А., Поляков В. Информационная система для оценки последствий изменения климата в области криолитозоны. / Криосфера земли. 1998, №3, С. 91-95.

4. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1969, 915с.

5. Ашабоков Б.А., Литовка Н.И., Хавцуков А.Х. Модель оптимизации использования финансовых ресурсов. // Материалы юбилейной конференций посвященной 20-летию К Б Г С X А. Нальчик 2001. С.79-81.

6. Бербекова И.М., Хавцуков А.Х. Математико-статистический анализ динамики режима атмосферных осадков в предгорной зоне КБР. Труды конференции молодых ученых ВГИ, посвященной 90-летию со дня рождения проф. Сулаквелидзе Т.К. Нальчик, 2003 г., С.8-9.

7. Бокс Дж.,. Дженкинс Г. Анализ временных рядов: прогноз и управление (вып. 1,2)М.: Мир, 1974.

8. Болин Б. Климат и наука, знание и понимание, необходимые для действия в условиях неопределенности. / Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата, Москва, 29 сентября 3 октября 2003, С. 9-13.Ч

9. Ю.Будыко М.И. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1971,472 с.

10. П.Бютнер Э.К., Захарова O.K. Моделирование углеродного цикла с использованием метода дробных производных. / Метеорология и гидрология. -1983, №4, С. 14-20.

11. Вагер Б.Г. Применение сплайн-функций в метеорологии и гидрологии/Обзорная информация, ВНИИГМИ МЦД,вып.1, 1981- 35с.

12. Василенко В.А. Теория сплайн-функций.-Новосибирск:НГУ,1978,- 65с.

13. Вентцель Е.С. Теории вероятности. М.: Физматгиз, 1958, - 464с.

14. Власова Л.С. Прикладной потенциал прогнозов урожая. Воронеж: ВГДУ. 2000. - 137.

15. Гмурман B.C. Теория вероятности и математическая статистика. -М.: Изд-во «Высшая математика», 1972, 368с.

16. Гренджер К., Хатанака М. Спектральный анализ временных рядов в экономике. М.: Статистика. 1972.

17. Грузо Г.В., Апасова Е.Г. Климатическая изменчивость месячных сумм осадков северного полушария. / Метеорология и гидрология. -1981, №5, С.5-16.

18. Губанов В.А., Ковальджи А.К. Выделение сезонных колебаний на основе вариационных принципов // Экономика и математические методы, 2001, т. 37, №1. С. 91-102.

19. Жуков В.А., Святнина О.А. Стохастическое моделирование и прогноз агроклиматических ресурсов при адаптации сельского хозяйства к региональным изменениям климата на территории России. -метеорология и гидрология, 2000, №1, С. 100-109

20. Иванов В.В. Периодические колебания погоды и климата. // Успехи физических наук. 2002. т. 172, №7. С. 777-811.

21. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. Киев: Техника, 1975. 312с.

22. Израэль Ю.А., Сиротенко О.Д. Моделирование влияния изменений климата на продуктивность сельского хозяйства России / Метеорология и гидрология, 2003, №6, С.5-17.

23. Израэль Ю.А. Проблемы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему и возможности биосферы. / Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата, Москва, 29 сентября -3 октября 2003, С. 19-21.

24. Иудин Д.И., Трахтенгерц В.Ю. Фрактальная динамика электрического заряда в грозовом облаке. Известия АН, Физика атмосферы и океана, 2000, т.36, №5, С. 650-652.

25. Кабанов П.Г. Погода и поле. Саратов, 1975.

26. Кабанов П.Г. Прогноз по некоторым агрометеорологическим показателям // Проблема борьбы с засухой и рост производствасельскохозяйственной продукции // Науч. тр. / ВАСХНИЛ. 1974. -С.119-124.

27. Качкаров A.M. Распознование фрактальных графов. Изд-во «Нижний-Архиз», 1998, 170с.

28. Каюмов М.С. Программирование сельхозкультур. Агропромиздат, 1983.37 .Кендал М. Дж., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М.: Наука, 1976.

29. Кумыков Х.К., Бербекова И.М., Хавцуков А.Х. Анализ и прогноз температурного режима атмосферы в предгорной зоне КБР.

30. Материалы 4го Всероссийского Симпозиума по прикладной и промышленной математике. 29.05-3.06 2003. Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 10 выпуск 1 С.180-181.

31. Колосков П.И. Климатический фактор сельского хозяйства и агрометеорологическое районирование. Л.: Гидрометеоиздат, 1971, 328с.

32. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферные аэрозоли. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 324с.

33. Кондратьев К.Я., Прокофьев М.А. Типизация атмосферного аэрозоля для оценки его воздействия на климат. Известия АН СССР, ФАО, 1984, т.20, №5, С.339-348.

34. Константинов А.Р. О метеорологических основах нормирования орошения. Обнинск, 1977, 47с.

35. Легасов В.А., Кузьмин И.И., Черноплеков А.И. Влияние энергетики на климат. Известия АН СССР, ФАО, 1984, т.20, №11, С. 1089-1106.

36. Лобанов В.А., Анисимов О.А. Современные изменения температуры воздуха на территории Европы. / Метеорология и гидрология, 2003, №2. С.5-14.

37. Липинский В.Н. Глобальные изменения климата и их проявление в Украине. / Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата, Москва, 29 сентября 3 октября 2003, С. 153.

38. Литовка Н.И., Налоева Р.Х., Хавцуков А.Х. Результаты исследования изменеия режима атмосферных осадков на территории КБР. /Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. Том 2. С.85-86.

39. Лосев А.П., Журина Л.Л. Агрометеорология. М.: Колос, 2001. - 302с.

40. Лукашин Ю.Л. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования. -М.: «Статистика», 1979, 254с.

41. Макквиг Д.Д. Климатическая изменчивость и сельское хозяйство в районах умеренного климата. Всемирная конференция по климату. -Женева, 1979, С. 273-284

42. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Нелинейность. Новые проблемы, новые возможности // Новое в энергетике. Загадки мира неравновесных структур. М.: Наука, 1996.

43. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. С. Петербург, Гидрометеоиздат, 2000, 778с.

44. Мейсон П. Выводы второго отчета об адекватности глобальной системы наблюдений за климатом. / Тезисы докладов Всемирнойконференции по изменению климата, Москва, 29 сентября 3 октября 2003, С.26-27.

45. Михайлов A.M. Прогноз колебаний урожаев зерновых культур по методу «Зонт». Автореферат дисс. канд. экон. наук. Воронеж: ВГДУ, 1993.

46. Моисейчик В.А., Богомолов Н.А., Максименкова Т.А. Оценка агрометеорологических условий осенне-зимнего периода для перезимовки и формирования валового урожая озимых зерновых культур в России. Метеорология и гидрология, 2000, №2, С. 89 101.

47. Марчук Г.И. Метод вычислительной математики. М.: Наука, 1977, -456с.

48. Мохов И.И., Елисеев А.В., Хандорф Д и др. Северо-Атлантическое колебание: диагноз и моделирование десятилетней изменчивости и ее долгопериодной эволюции. // Известия АН, Физика атмосферы и океана. 2000, т.36, №5, С.65-66.

49. Мохов И.И., Елисеев А.В. Изменение характеристик квазедвухлетней цикличности зонального ветра и температуры приэкваториальной нижней стратосферы. // Известия АН, Физика атмосферы и океана, 1998, т. 34, № 3, С.327 336.

50. Нижегородцев P.M. Модели логистической динамики как инструмент экономического анализа и прогнозирования // Моделирование экономической динамики. М.: Доклад МГУ, 1997.

51. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. /Под ред. Б. Болина, Б. Дееса, Дж. Ягера, Р. Уорика, Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 558с.

52. Пасов В.М. Синоптико-статистический метод прогнозирования урожайности зерновых культур. // Метеорология и гидрология, 1992, №10, С.77-84.

53. Перепелица В.А., Попова Е.В. Фрактальный анализ поведения природных временных рядов. //Современные аспекты экономики,2002, №9 (22) С.185-200.

54. Поновский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в метеорологии. -JL, Гидрометеоиздат, 1967. 242с.

55. Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Берсонов И.Л. Микроклимотология и ее значение для сельского хозяйства. Л.: Гидрометеоиздат. 1983. - 346с.

56. Рубинштейн К.Г., Гинзбург А.С. Оценки изменения температуры воздуха и количества осадков в крупных городах (На примере Москвы и Нью-Йорка) / Метеорология и гидрология, 2003, №2. С.29-38.

57. Сафаров С.Г. Особенности изменения климата на территории Азербайджана на зимний период. / Метеорология и гидрология. 2003, №5, С.44-53.

58. СеребренниковМ.Г., Первозванский А. А. Выявление скрытых периодичностей.-М.: Наука, 1965, 244с.

59. Сиротенко О.Д., Павлова В.Н. Оценка влияний изменений климата на сельское хозяйство методом пространственно-временных аналогов. // Метеорология и гидрология, 2003, № 8. С. 18-26.

60. Сиротенко О.Д., Абашина Е.В. Агроклиматические ресурсы и физико-географическая зональность территории России при глобальном потеплении. // Метеорология и гидрология. 1998, №3, С.92-103.

61. Сиротенко О.Д. Абашина Е.В. Влияние глобального потепления на агроклиматические ресурсы и продуктивность сельского хозяйства России. // Метеорология й гидрология. 1994, №4, С.101-112.

62. Сиротенко О.Д. Математическое моделирование водно-теплового режима и продуктивности агроэкосистем. Л.: Гидрометеоиздат, 1981 -167с.

63. Суркова Г.В., Пона К. Колебания изменчивости температуры воздуха и атмосферных осадков как агрометеорологический фактор. // Метеорология и гидрология. 2002, №6, С.85-98.

64. Сэген Б. Адаптация сельского хозяйства к изменению климата во Франции. / Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата, Москва, 29 сентября 3 октября 2003, С.241.

65. Теория прогнозирования и принятия решений. / Под. ред. Соркисяна С.А. / М.: Высшая школа. 1977, 351с.

66. Уланова Е.С. Агрометеорологические условия и урожайность озимой пшеницы. JL: Гидрометеоиздат, 1975. - 302с.

67. Фейгенбаум М. Универсальное поведение в нелинейных системах. // Успехи Физических наук. 1983. Т. 141. вып. 2.

68. Федер Е. Фракталы.-М. Мир, 1991.-260с.

69. Фолланд К., Паркер Д. Мониторинг глобального климата и оценивания изменений • климата. / Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата, Москва, 29 сентября 3 октября 2003, С.23-25.

70. Хавцуков А.Х. Анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик в предгорной зоне КБР. / Межвузовский сборник научных трудов. Перспектива-2003г, Нальчик-2003. С.108-109.

71. Хавдуков А.Х. Прогноз климатических изменений температурного режима воздуха в предгорной зоне территории КБР. КБГСХА Нальчик-2002. 16с.

72. Хргиан Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1978, 237с.

73. Четыркин Е.М. Статистика метода прогнозирования. М.: Статистика,1975, 183с.

74. Чирхов Ю.И. Агрометеорология. Л.: Гидрометеоиздат. 1979. - 320с.

75. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б., Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. М.: «Советское радио», 1975, 400с.

76. Шульгин П.А. Растение и солнце. Л.: Гидрометеоиздат. 1973, 243с.

77. Яновский Л.П. Принципы, методология и научное обоснование урожая по технологии «Зонт». Воронеж, ВГДУ, 2000. - 379с.

78. Bach W., Pankrath S., Schneider S'. Food Climate Interactions, Dordrecht, D. Reidel.

79. Cooper C.F. What might man-induced climate change mean? Foreign affairs, 1979,56, p. 500-520.

80. Cooper C.F. Food and fiber in aworrld of increasing carbon dioxide, in Clark w. // Carbon Dioxide Review: 1982, pp.299-319.

81. Fukui H. Climatic variability and agriculture in tropical moist regions. // Proceedings of the world climate Conference, 1979, WMO No. 537, pp.426-476.

82. Gibbord R.M., Morison J.L. Photosynthetic growth and water use of a C4 grass stand at high C02 concentration. // Photosynthetic Res., 1985.

83. Gifford R.M. Growth pattern, C02 exchange and dry weight distribution in wheat growing under differing photosynthetic environments. // Aust. J. Plant Physiol., 1977, 4, pp.99-110.

84. Gifford R.M. Growth and yield of C02 enriched wheat under water limited conditions. // Aust. J. Plant Physiol., 1979, 6, pp. 367-378.

85. Glents M. Apolitical view of C02 // Nature, 1979, №280, pp 189-190.

86. Goudriaan J., de Ruiter H.E. Plant response to C02 enrichment, at two levels of nitrogen and phosphorus supply 1. Dry matter, leaf area and development. Neth. J. agric. sei., 1983, 31, pp. 157-169.

87. Kimball B.A. Carbon Dioxide and agricultural Yield: an assemblage and analysis of 770 Prior observations WCL Report 14, water Conservation Laboratory, agricultural Research Service, Phoenix, Arisona, us Dept. Agriculture. 1983.

88. Mac Dowell F.D. Growth of Marques wheat. П. Carbon dioxide dependence // Con. J. Bot, 1972, 50, pp. 883-889.

89. Marc J., Gifford R.M. Floral initiation in wheat, sunflower and sorghum under cordon dioxide enrichment // Can. J. Bot. 1983, 62, pp 9-14.

90. Mearns L.O., Kats R.W., Scheider S.H. Extreme high temperature events: changes in their probabilities with changes in mean temperature // J. Clim. Appl. Meteorology., 1984, 23, pp. 1601-1603.

91. Morison J.L., Gifford R.M. Plant growth and water use with limited water supply in high C02 concentration // Aust. J. Plant/ Physiol. 1984, 11, pp. 375-384.

92. Neales T.F., Nicholls A.O. Growth responses of young wheat plants to a range of ambient C02 levels. // Aust. J. Plant Physiol., 1979, 5, pp.45-59.

93. Newell R.E., Deepak A. Mount st Helens' Eruptions of 1980: atmospheric effects' and potential climatic impact // NASA Scientific and Technical Information Branch, 1982, 119p.

94. Newkirk G.J. Variations insoles luminosity // Ann. Rev. Astron. astrophysics., 1983, № 21, pp. 429-467 .

95. North G.R., Mengel I.G., Short D.A. Simple energy balance model resolving the seasons and the continents: application to the astronomical theory of the ice ages // J. Geophys. Rec. 1983, №88, pp. 6576-6586.

96. Ramirez J., Sakamoto C., Jensen R. Agriculture implications of climatic change I I Climate Impacts Assessment Project (CIAP) 1975.

97. Rampino M.R., self's. Sulphus rich volcanic eruptions' and stratospheric aerosols' //Nature, 1984, 310, pp 677-679.

98. Schwarz M., Gale J. Growth response to salinity at high levels of carbon dioxide // J. Exp. Bot. 1984, 35, ppl93-196.

99. Sionit N., Strain B.R., Becrford H.A. Environmental controls on the growth and yield of okra I. Effects of temperature and of C02 enrichment at cool temperature. // Crop Sci, 1981, 21, pp. 885-888/

100. Sionit N., Mortensen D.A., Strain B.R., Hellmers H., Growth responses of wheat to C02 enrichment at different levels of mineral nutrition // Argon. J. 1981, 73, ppl024-1027.

101. Williams G.D. Assessment of the impact of some hypothetical climatic changes on cereal production in Western Canada // Proceedings of the Conference on word Food Supply in Changing Climate. Sterling Forest. N.Y., Dec. 2-5, 1975.