Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Экстремальные осадки и их климатические особенности на территории Украины

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Экстремальные осадки и их климатические особенности на территории Украины"

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК УКРАИНЫ

Вышкваркова Елена Васильевна

УДК 551.577.21

ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ОСАДКИ И ИХ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ УКРАИНЫ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 5 ПАЙ ¿314

Севастополь - 2014 005548074

005548074

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте Национальной академии наук Украины.

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор

Воскресенская Елена Николаевна, Морской гидрофизический институт, завлабораторией крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана и прикладных исследований

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Хохлов Валерий Николаевич,

Одесский государственный экологический университет, проректор по научно-методической работе

кандидат географических наук Наумова Валентина Анатольевна,

директор Севастопольской гидрометеорологической обсерватории

Защита состоится «<Ж » 2014 г. в У/ час. на заседании Специализиро-

ванного ученого совета Д 50.158.01 в Морском гидрофизическом институте НАН Украины по адресу: г. Севастополь, ул. Капитанская, 2, малый конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Морского гидрофизического института HAH Украины, г. Севастополь, ул. Капитанская, 2.

Автореферат разослан «Л&» ¿22014 г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого совета Д 50.158.01 ^

Кандидат географических наук Е.А. Скрипалева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение особенностей региональных климатических изменений, происходящих на фоне глобального потепления климата, является приоритетным направлением исследований современных международных проектов, многочисленных национальных и региональных программ (СЫУАК, ЮВР, МЕБСЫУАК и др.). Важное место при этом отводится исследованию изменений повторяемости и интенсивности экстремальных погодных явлений, в том числе и экстремальных осадков, поскольку они зачастую приводят к серьезным экономическим, экологическим и людским потерям. Для территории Украины такие исследования особенно актуальны: только в последнее десятилетие ущерб от наводнений превысил 1 млрд. евро. Свидетельством повышенного интереса к глобальному потеплению и его последствиям стало принятие в Киото Рамочной Конвенции по изменению климата и ее ратификация Украиной. При этом наша страна взяла на себя некоторые обязательства по повышению эффективности научных исследований региональных изменений климата и оценке экологических и социально-экономических последствий глобального потепления.

По последним оценкам группы экспертов 1РСС в результате глобальных и региональных изменений климата в целом ожидается значимое увеличение повторяемости экстремальных событий, в том числе и осадков. Накопленные к настоящему времени архивы долговременных наблюдений, разные типы ре-анализа и численные модельные расчеты гидрометеорологических параметров дают возможность изучать общие закономерности пространственно-временной изменчивости экстремальных осадков на территории Украины, обусловленные как естественными, так и антропогенными факторами за исторический период наблюдений и рассчитывать проекции их возможных будущих изменений.

Настоящая работа посвящена исследованию характеристик экстремальных осадков с конца XIX до начала XXI вв. и их климатических изменений на территории Украины к середине и концу XXI века. При этом за экстремальные осадки приняты случаи превышения суточных сумм осадков 90, 95 и 99 процентилей (относительные пороги) и случаи, когда суточные суммы осадков превышали 10, 20 и 30 мм (абсолютные пороги). Под неравномерностью осадков понимается вклад экстремальных осадков в их общее количество (концентрация осадков).

Изучение закономерностей долгопериодной изменчивости экстремальных осадков на территории Украины направлено на развитие долгосрочных прогнозов. В то же время такие исследования важны для последующего решения многих прикладных задач, в частности перспективного планирования регионального экономического развития.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами основных научных исследований Морского гидрофизического института Национальной Академии Наук Украины в рамках научно-исследовательских программ и проектов Национальной Академии Наук Украины и международных грантов:

- тема HAH Украины «Фундаментальные и прикладные физико-климатические исследования морской среды и климатической системы океан-атмосфера» (шифр «Климат»), ГР № 0106U001406, 2006 - 2010 г., исполнитель;

- тема HAH Украины «Мониторинг Азово-Черноморского бассейна и природных катастроф» (шифр «Мониторинговые системы»), ГР № 0107U001160, 2007 - 2011 гг., исполнитель;

- тема HAH Украины «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, которые определяют функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского морей на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий» (шифр «Фундаментальная океанология»), ГР № 0111U001420, 2011 -2015 гг., исполнитель;

- тема HAH Украины «Научное обоснование наращивания запасов полезных ископаемых и природных ресурсов в прибрежной зоне Азово-Черноморского бассейна» (шифр «Ресурс»), ГР № 0112U001731, 2012 - 2016 гг., исполнитель;

- проект Бюджетной организации «Национальный центр учета выбросов парниковых газов» «Исследования направленности и интенсивности эрозионных процессов в береговой зоне Черного и Азовского морей в связи с изменением климата» (шифр «ЭРБЕР»), ГР № 0112U007449, 2012-2013 гг., исполнитель, ученый секретарь;

- проект Бюджетной организации «Национальный центр учета выбросов парниковых газов» «Проведение пространственной оценки степени благоприятности будущих климатических условий для продуктивности основных зерновых культур и лесных насаждений» (шифр «АГРО»), ГР № 0113U001324,y 2012 - 2013 гг., исполнитель, ученый секретарь;

- международный проект в рамках гранта FP - 7: Collaborative Project "THESEUS", Grant Agreement № 244104,2009 - 2013 гг., исполнитель.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование характеристик экстремальных осадков и их климатических особенностей на территории Украины на основе данных наблюдений в исторический период и прогностических модельных расчетов на XXI в.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и успешно решены следующие задачи:

1. по данным наблюдений суточных сумм осадков на гидрометеорологических станциях Украины в период с конца XIX в. по настоящее время и результатам модельных прогностических расчетов на XX-XXI вв. получить массивы характеристик аномальности осадков;

2. изучить распределение неравномерности осадков и ее трендов на территории Украины;

3. изучить распределение экстремальных осадков и их трендов на территории Украины;

4. выявить закономерности влияния глобальных процессов в системе океан-атмосфера межгодового и междесятилетнего масштаба на неравномерность осадков;

5. получить проекции характеристик экстремальных осадков на территории Украины на средне- и долгосрочную перспективу XXI века на основе результа-

тов численных расчетов глобальных климатических моделей поколения

CMIP5.

Объектом исследования являются экстремальные осадки.

Предметом исследования является пространственное распределение характеристик экстремальных осадков на территории Украины.

Использованные материалы и методы исследования. В диссертационной работе использованы стандартные данные наблюдений за осадками на 28 гидрометеорологических станциях Украины за период с конца XIX - по начало XXI вв.; массивы среднемесячных индексов Североатлантического колебания (САК), Тихоокеанской декадной осцилляции (ТДО) и Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО); результаты численных расчетов суточных осадков глобальных климатических моделей поколения CMIP5.

Неравномерность осадков исследовалась с помощью индекса концентрации (CI), впервые примененным испанским климатологом J. Martin-Vide (2004). Экстремальные осадки выделялись и изучались с помощью индексов экстремальных осадков. Анализ климатических величин и изменчивости осадков проводился с использованием методов математической статистики: спектрального, корреляционного, регрессионного и композитного анализа.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые с использованием метода, основанного на расчете индекса Джини (индекса концентрации суточных сумм осадков), получено, что на территории Украины неравномерность осадков усиливается в южном направлении с наибольшими градиентами с северо-востока и северо-запада, а ее линейный тренд за период 1951 - 2005 гг. на большей части территории Украины имеет отрицательный знак во все сезоны года.

2. Показано, что максимальные значения зимних экстремальных осадков характерны для побережья Черного моря, а минимальные - для северо-запада Украины. Летом уровень экстремальных осадков изменяется незначительно. Линейные тренды повторяемости экстремальных осадков рассчитанных по процентильным и абсолютным порогам имеют преимущественно отрицательный знак для зимнего сезона и положительный для летнего.

3. Показано, что отрицательная фаза Североатлантического колебания, отрицательная фаза Тихоокеанской декадной осцилляции и положительная фаза Атлантической мультидекадной осцилляции сопровождаются увеличением неравномерности осадков в зимний сезон, что обусловлено соответствующими смещениями траекторий циклонов.

4. Получено, что к середине XXI в. в целом по Украине ожидается повышение уровня экстремальных осадков относительно современных величин. К концу XXI в. эта тенденция сохранится, но с меньшими величинами. При этом в Полесье и лесостепи их возможные изменения незначительны, и максимальный вклад внесут изменения в степной зоне. Для летнего сезона вероятно увеличение количества экстремальных осадков в 2 раза и более.

Практическое значение полученных результатов. Полученные оценки климатических величин параметров экстремальных осадков, их тренды и закономерно-

ста изменчивости на межгодовом, десятилетнем и междесятилетнем масштабах будут использованы для усовершенствования учебных курсов географического и гидрометеорологического профиля в ВУЗах Украины. Полученные результаты имеют практическое значение для сельскохозяйственного комплекса для оценки режима влажности, для предотвращения потерь из-за экстремальных осадков или длительных засух. Полученные результаты могут быть использованы для подготовки практических рекомендаций заинтересованным ведомствам и организациям, в частности для рационального использования рекреационного потенциала Черного моря.

Личный вклад соискателя. Соискателем совместно с научным руководителем проводилась постановка задач, обсуждение основных результатов и формулировка выводов. Основные работы по теме диссертации опубликованы в соавторстве. Конкретный вклад соискателя заключался в следующем:

в работах [I, 12, 13] по исследованию изменчивости неравномерности осадков на фоне глобальных климатических процессов в системе океан-атмосфера, опубликованных в соавторстве с Воскресенской E.H. и Полонским А.Б., соискательница проводила все расчетные и графические работы по изменчивости неравномерности осадков, участвовала в формулировке выводов;

в работах [2, 5, 14, 15] по исследованию пространственно-временного распределения экстремальных осадков на территории Украины, опубликованных в соавторстве с Воскресенской E.H., соискательница проводила подготовку и выборку гидрометеоданных наблюдений, проводила расчеты и графические работы, участвовала в формулировке выводов;

в работах [3, 4, 9, 10] по исследованию неравномерности осадков на территории Украины, опубликованных в соавторстве с Воскресенской E.H., диссертантом проведены все расчетные и графические работы. Формулировка выводов выполнялось совместно с научным руководителем;

в работах [6, 8, И] по исследованию изменчивости неравномерности осадков в связи с глобальными процессами в системе океан-атмосфера в прибрежной зоне Черного моря, опубликованных в соавторстве с Воскресенской E.H., соискательница проводила все расчетные и графические работы, принимала участие в формулировке выводов;

в работе [7] по оценке возможных изменений уровня экстремальных осадков на территории Украины в XXI веке, опубликованной в соавторстве с Воскресенской E.H., Юровским A.B. и Дунаевской Е.В., соискательница занималась подготовкой массивов данных, участвовала в расчетах, статистическом анализе исследуемого параметра и формулировке выводов.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на семинарах МГИ HAH Украины. Кроме этого, результаты исследований докладывались на следующих международных конференциях:

1. Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2011», 24 - 28 сентября 2011, Севастополь, Украина;

2. Международная научная конференция, посвященная 150-летию Н.М. Книпо-вича «Экологическая безопасность приморских регионов», 5-8 июня 2012, Ростов-на-Дону, Россия;

3. Украинско-американский семинар «Методы прогнозирования оценок влияния климатических изменений на катастрофические паводки», 15 августа 2012, Киев;

4. 12th European Meteorological Society Annual Meeting & 9th European Conference on Applied Climatology (ECAC), 10-14 September 2012, Lodz, Poland;

5. Международная конференция «Риски природных катастроф и методы минимизации их негативных последствий», 19-22 сентября 2012, Севастополь;

6. Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2012», 24-28 сентября 2012, Севастополь;

7. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013», 25 апреля 2013, Севастополь;

8. 13th European Meteorological Society Annual Meeting & 11th European Conference on Applications of Meteorology (ECAM), 9-13 September 2013, Reading, United Kingdom;

9. Международная научная конференция «Интегрированная система мониторинга Черного и Азовского морей», 24-27 сентября 2013, Севастополь;

10.The 4th Bi-annual Black Sea Scientific conference, 28-31 October 2013, Constanta, Romania.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 15 научных работах, 7 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных МОН Украины: 3 статьи в периодических научных журналах, 4 статьи в сборниках научных трудов; 8 публикаций составляют статьи в сборниках тезисов докладов научных конференций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Она содержит 195 страниц печатного текста, в том числе 63 рисунков и 13 таблиц. Список использованных литературных источников из 247 наименований насчитывает 29 страниц. Приложения занимают 15 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность, научная и практическая значимость работы, характеризуется ее связь с научными программами, планами, темами, формулируется цель и задачи работы, описываются использованные в работе данные и методы исследований, излагается научная новизна, обоснованность, достоверность и практическое значение полученных результатов. В нем также приведены сведения об апробации результатов диссертации, количестве публикаций и структуре работы.

В Разделе 1 выполнен обзор современного состояния изученности проблемы, связанной с географическими особенностями распределения экстремальных осадков

на территории Украины. Подробно рассмотрены современные методы исследования экстремальных осадков.

Результаты анализа климатических проекций на XXI в., полученные группой экспертов IPCC по модельным расчетам, указывают на вероятность того, что частота экстремальных осадков по отношению к их общему количеству будет увеличиваться над большей частью земного шара. Но при этом важно знать характер прежних изменений осадков, а также изучить влияние параметров экстремальных осадков на различные сферы деятельности человека. Для этого необходимо сделать анализ статистик аномалий осадков за исторический период.

Во многих регионах земного шара наблюдались тренды количества осадков в XX веке. Значимое увеличение осадков было обнаружено в восточной части Северной и Южной Америки, северной Европе, северной и центральной Азии. Увеличение засушливости наблюдалось в Сахеле, Средиземноморском бассейне, Южной Африке, части южной Азии (Hess, 1995; Sharma et al., 2000; Hamilton et al., 2001; Liu et al., 2005). Karl et al. (1996) и Karl and Knight (1998) показали увеличение относительного вклада интенсивных осадков в США, но не на территории бывшего СССР и Китая. Положительные тренды интенсивных осадков летом и зимой обнаружены в Австралии и Южной Африке (Suppiah and Henessy, 1998), а также в интенсивности зимних осадков в Великобритании (Osborn et al., 2002).

Часто соседние регионы характеризуются разным направлением изменчивости экстремальных осадков (например, Trenberth et al., 2007; Alpert et al., 2002). При этом, в (Moberg et al., 2000) центральная и западная части Европы характеризуются статистически значимыми положительными величинами трендов зимних экстремальных осадков, в то время как для Пиренейского полуострова тренды имеют отрицательный знак (Garcia et al., 2007). В соседней с Украиной Польше в период 1951 - 2006 гг. доминируют отрицательные тренды как в зимний, так и в летний сезоны по всей территории страны.

Что касается неравномерности осадков, то для территории Украины таких исследований ранее не выполнялось. Проводилось несколько региональных исследований с использованием индекса концентрации для Испании (J.Martin-Vide, 2004), Ирана (Alijani et al., 2007) и Китая (Zhang et al., 2009). Позднее Martin-Vide J. и Cortesi (2012) применили эту методику для Европейского континента.

По результатам подробного анализа методов исследования параметров аномальности осадков, проведенного в данном разделе, делается следующий вывод относительно их выбора для применения в настоящей работе. В качестве перспективного для исследования вклада интенсивных осадков в их общую сумму определен метод оценки концентрации суточных осадков. При этом для полноценного и статистически значимого анализа на территории Украины указанный метод не применялся. Наиболее корректным методом для оценки пространственно - временного распределения экстремальных осадков является метод индексов экстремальных осадков.

Раздел 2 посвящен описанию использованных в работе данных и методов исследования. Данные наблюдений взяты из проектов European Climate Assessment & Dataset (ECA & D) и National Climatic Data Center National Oceanic and Atmospheric

Administration (NOAA NCDC). В эти базы попадают серии данных лучшего качества от участников проекта. Общие процедуры контроля качества распространяются на все данные, при использовании различных алгоритмов. Для этих данных проведены тесты на однородность. Основным исследуемым периодом был избран период 1951 - 2005 гг., но для некоторых станций привлекались более длинные ряды наблюдений с конца XIX века по настоящее время, которые использовались для изучения низкочастотной изменчивости неравномерности осадков. Для исследования проявлений глобальных процессов в системе океан-атмосфера в изменениях параметров аномальности осадков были использованы массивы среднемесячных индексов САК, ТДО и AMO. Чтобы получить сценарные проекции экстремальных осадков к середине и концу XXI века, были выбраны две глобальные климатические модели поколения CMIP5: модель США - GFDL-CM3 и канадская модель CanESM2. Отметим, что все использованные в работе входные данные прошли контроль качества, который включал в себя статистический и графический анализ, что позволило использовать эти данные для решения поставленных задач с помощью следующих методов.

Для анализа неравномерности суточных осадков был выбран метод, основанный на использовании индекса концентрации (Martin-Vide, 2004). Этот индекс позволяет оценить вклад интенсивных осадков в их общее количество. Суть индекса концентрации базируется на том факте, что вклад дней с интенсивными осадками в их общее количество в целом хорошо описывается отрицательным показательным (экспоненциальным) распределением. Следует отметить, что значение этого индекса всегда находятся между 0 и 1. Значение индекса практически равно 0, когда вклад каждого класса осадков в общее количество одинаковый, и практически равен 1, когда осадки выпадают только одного класса (Cortesi, 2012). Таким образом, преимуществом выбранного метода является то, что он позволяет оценить не только режим осадков, их дифференцированный вклад в общее количество, но также позволяет более наглядно оценить специфические свойства экстремальных осадков.

Методика изучения характеристик экстремальных осадков основывалась на использовании индексов экстремальных осадков, рекомендованных Expert Team on Climate Change Detection and Indices (Peterson, 2001). В работе были применены для анализа два типа индексов. Первые основаны на относительном уровне порога экстремальности (процентильный порог - 90, 95 и 99). Второй - на абсолютных порогах, то есть подсчете количества дней превышающих заданные пороги (10, 20, 30 мм в сутки). Эти индексы были разработаны для обеспечения надежных научных критериев суточной изменчивости, в первую очередь экстремумов, которые легко рассчитываются и понимаются сообществом.

Раздел 3 посвящен исследованию климата экстремальных осадков на территории Украины в XX - начале XXI века.

Анализ поля неравномерности осадков на территории Украины показал следующие результаты. На годовом масштабе индекс концентрации увеличивается в южном направлении с северо-запада и северо-востока. Области максимальных значений, превышающие 0,64, приурочены к прибрежным районам Черного и Азовского морей. Зимой значение индекса концентрации меньше соответствующих годовых величин, но характер распределения сохраняется: CI увеличивается в южном

направлении. Наибольший градиент CI обнаружен для весеннего сезона, при этом абсолютный максимум (0,71) приурочен к району Одессы, относительно значений индекса концентрации в северных областях страны 0,58 - 0,59. В летний и осенний сезоны средние значения индекса концентрации на территории Украины выше, чем в остальные сезоны, с максимумом в Приазовье (0,66)

Изучение пространственного распределения трендов CI показало, что для года в целом и для всех сезонов характерно преобладание отрицательных трендов на территории Украины, что свидетельствует об уменьшении вклада интенсивных осадков в их обшее количество. Значимых положительных трендов CI не обнаружено.

Анализ экстремальных осадков с помощью процентильных порогов показал следующее. Для зимнего сезона максимальное значение осадков выше 90-ного про-центиля характерно для Южного берега Крыма (ЮБК) (19 мм/сутки). На остальной территории Украины, значение осадков выше 90-ого процентиля, варьируется в пределах 6-7 мм/сутки. Для осадков выше 95-ого процентиля, наблюдается такое же распределение. Максимум приурочен к ЮБК (почти 29 мм/сутки), а минимальные значения типичны для северо-запада Украины (около 7,5 мм/сутки). На остальной территории уровень осадков находится в пределах 9-10 мм/сутки, с увеличениями в Одесской области (свыше 14 мм/сутки), и в районе Карпатских гор (около 13 мм/сутки). Для осадков выше 99-го процентиля по-прежнему сохраняется максимум на ЮБК (63,7 мм/сутки). Значение выше среднего наблюдаются полосой с севера на юг в районе 29 и 31 градуса восточной долготы,и в Закарпатском регионе. Минимальные значения уровня экстремальности наблюдаются на северо-западе Украины и в степном Крыму.

Для летнего сезона характерно более однородное распределение осадков всех исследуемых процентилей на территории Украины. Для осадков выше 90-го процентиля, средняя величина уровня составляет не более 16 мм/сутки. Значение выше среднего отмечаются в Закарпатском регионе, в центре страны с небольшим смещением на северо-запад, а также в Крыму. Величины уровня экстремальности осадков ниже среднего встречаются на побережье Азовского и Черного морей. Для осадков выше 95-ого процентиля, среднее значение составляет 24 мм/сутки. Амплитуда изменения составляет 10 мм/супси. Максимум характерен для востока Крымского полуострова, а минимальное значение для северо-западного побережья Черного моря. Среднее значение уровня осадков выше 99-ого процентиля, составляет почти 45 мм/сутки. И максимум, и минимум уровня экстремальности осадков находятся на территории Крымского полуострова (Феодосия - 55,8 мм/сутки и Севастополь -37,8 мм/сутки).

Для оценки трендов повторяемости экстремальных осадков подсчитывалось количество случаев в году/сезоне превышающих заданные пороги (осадки различных процентилей), это так называемые «day - count» индексы. Анализ линейных трендов показал увеличение количества дней с экстремальными осадками в летний сезон и их уменьшение в зимний. Линейные тренды дней с экстремальными осадками рассчитанных с помощью абсолютных порогов показали аналогичные результаты: увеличение количества в летний сезон (до 5 дней/год), и уменьшение зимой (до 4 дней/год).

В Разделе 4 исследована десятилетняя-междесятилетняя изменчивость неравномерности и характеристик экстремальности осадков на территории Украины. Получена общая характеристика региональных проявлений в погодно - климатических аномалиях таких глобальных процессов в системе океан-атмосфера, как САК, ТДО и AMO.

Результаты анализа показали, что временной ход среднегодовых величин индекса концентрации, рассчитанный за максимально длительный период наблюдений для центральных и восточных районов Украины, характеризуется явно выраженными квазипериодическими колебаниями с типичными межгодовыми масштабами, а также масштабами порядка 20 и 60 - 70 лет.

Исследование проявлений САК, ТДО и AMO в период 1951 - 2005 гг. в изменении неравномерности осадков и уровня экстремальности проводилось методом композитов.

Композитный анализ изменений индекса концентрации в разные фазы САК показал следующие результаты. Для большей часта территории Украины отмечено превышение величин индекса концентрации в отрицательную фазу САК. Для восточных и южных регионов индекс концентрации имеет более высокие значения в отрицательную фазу САК почти во все сезоны, однако значимые различия на 95 % уровне значимости отмечаются в летний и осенний сезоны (на 15 %). Для северных и западных регионов значимые различия CI характерны для зимнего сезона. Анализ количества экстремальных осадков, показал увеличение количества экстремальных событий в отрицательную фазу САК в зимний сезон на всей территории Украины до 60 %, а в летний - их уменьшением на юго-востоке и в Крыму до 40 % .

Анализ проявлений ТДО в его отрицательную (1951 - 1976 гт.) и положительную (1977 - 2002 гг.) фазы в соответствующих изменениях композитов изучаемых характеристик для года и каждого сезона показал следующее. В отрицательную фазу ТДО на большей части анализируемой территории индекс концентрации увеличивается на 10 - 15 %. Поскольку выпадение осадков связано с прохождением циклонов и их частотой, полученные оценки хорошо увязываются с результатами, полученными в работе Воскресенской E.H. и Масловой В.Н. (2011) по закономерности изменчивости параметров циклонов под влиянием ТДО. Отрицательная фаза ТДО сопровождается усилением циклонической активноста в Черноморско-Средиземноморском регионе в зимне-весенний период, а положительная фаза - ее ослаблением. Повторяемость экстремальных осадков на территории Украины в разные фазы ТДО имеет следующие особенности. Отрицательная фаза ТДО на всей территории Украины сопровождается увеличением количества экстремальных осадков до 50 % в зимний сезон относительно положительной фазы ТДО, и их уменьшением до 60 % летом (за исключением западного региона, где они увеличивается на 20-30%).

В соответствии со схемой влияния Атлантической мультидекадной осцилляции на формирование климатических аномалий в Атлантико-Европейском регионе (см, например, Полонский, 2008), положительная фаза AMO сопровождается смещением траекторий атлантических циклонов на юго-восток, юг Европы, Средиземное и Черное моря, а отрицательная фаза - на северо-восток, северные районы Ев-

ропы. Проведенный анализ композитов индекса концентрации в отрицательную и положительную фазы AMO показал следующее. Большая часть территории Украины, за исключением северных и северо-западных районов, характеризуются преобладанием неравномерности осадков в положительную фазу AMO (на 10 %). Как и в случае с ТДО, AMO проявляется в неравномерности осадков за счет смещения траекторий циклонов и их интенсификации. Положительная фаза AMO сопровождается увеличением количество экстремальных осадков до 40 % на всей территории Украины в зимний сезон. В то время как летом оно уменьшается на всей территории Украины.

Раздел 5 посвящен рассмотрению проекций изменения экстремальных осадков на территории Украины в XXI веке.

В качестве источника данных суточных сумм осадков на территории Украины на основе тщательного отбора из 35 глобальных климатических моделей проекта CMJP 5 были выбраны данные расчетов моделей GFDL-CM3 (США) и CanESM2 (Канада). Краткая характеристика моделей международного проекта CMIP5 дана в начале раздела. Приведена процедура выбора моделей путем сравнения результатов расчетов моделей за 1950-2005 гг. для трех почвенно-климатических зон Украины с данными станционных наблюдений в этих зонах. Дальнейшие оценки уровня и повторяемости экстремальных осадков в XXI веке проводились по ансамблю выбранных моделей.

На основании полученных массивов пространственных данных проведен анализ изменения уровня экстремальных осадков (95 процентиль - так называемые «умеренные» экстремальные осадки) по Украине в целом и отдельно для ее трех основных почвенно-климатических районов на среднесрочную (2046 - 2065 гг.) и долгосрочную (2081 - 2100 гг.) перспективу относительно исторического периода (1986 - 2005 гг.). Приведенные периоды времени приняты в работе на основе рекомендаций международной группы экспертов IPCC.

Пространственное распределение изменений уровня экстремальных осадков на территории Украины к середине XXI века (2046 - 2065 гг.) показало его уменьшение на северо-западе на 4 - 5 мм/сутки и увеличение на юго-востоке страны, особенно в теплый период года приблизительно на такую же величину. Изменения интенсивности экстремальных осадков на долгосрочную перспективу (2081 - 2100 гг.) показывают уменьшение их уровня относительно величин для среднесрочной перспективы во все сезоны за исключением летних месяцев. В целом же по Украине к середине XXI в. ожидается повышение уровня экстремальных осадков на 0.25 мм/сут., а к концу XXI в. это повышение ослабнет до 0.15 мм/сут, но все же будет превышать современный климатический уровень. При этом максимальный вклад внесут соответствующие изменения в Степной зоне.

Далее в 5 разделе сделана оценка изменения количества событий экстремальных осадков на среднесрочную и долгосрочную перспективу с использованием расчетов количества случаев, превышающих пороговые значения (95 процентиль) в контрольные периоды. Для Украины в целом и трех ее почвенно-климатических зон получены следующие оценки.

В зоне Полесья в период 2046 - 2065 гг. относительно исторического периода практически во все сезоны наблюдается увеличение количества случаев экстремальных осадков, с максимумом в летние месяцы (в 1,7 раза больше). В период 2081 -2100 гг. в зимний сезон и первой половине весеннего сезона вероятно незначительное повышение случаев экстремальных осадков, в апреле повышение достигнет максимума (в 1,6 раза). В начале осени, вероятно, существенное снижение количества событий относительно базового периода.

Для лесостепной зоны в период 2046 - 2065 гг. увеличение случаев экстремальных осадков ожидается в летнее время, с максимумом в июле. Осенью количество экстремальных событий ожидается ниже исторического. В 2081 - 2100 гг. летом вероятно увеличение, с максимумом в июле, где количество экстремальных осадков в 2 раза больше базового периода. В остальные сезоны вероятно незначительное колебание относительно исторического периода (± 2-3 события).

Для степной зоны за период 2046 - 2065 гг. изменение количества экстремальных осадков наибольшее. Как и в других почвенно-климатических зонах максимальное увеличение случаев экстремальных осадков вероятно для летних месяцев (в 1,6 раза больше). Период 2081 - 2100 гг характеризуется значительным увеличением случаев экстремальных осадков (более чем в 2 раза). Отметим, что летние месяцы обоих будущих периодов в степной зоне, вероятно, будут сопровождаться значительным увеличением случаев экстремальных осадков, а осенние месяцы наоборот, их снижением. Для степной зоны период 2081 - 2100 гг. также характеризуется наибольшим увеличением количества событий экстремальных осадков за один год (до 8 событий за один месяц). Это характерно и для лесостепной зоны.

ВЫВОДЫ

Исследование экстремальных осадков и их климатических особенностей на территории Украины, выполненное в диссертационной работе, позволило получить следующие результаты, которые могут быть использованы для развития теории долгосрочных прогнозов погодно-климатических аномалий и последующего решения многих прикладных задач.

1. Обнаружено, что неравномерность суточных сумм осадков во все сезоны года наиболее заметно увеличивается с северо-запада и северо-востока Украины в южном направлении. При этом на всей территории страны преобладают отрицательные тренды неравномерности осадков.

2. Показано, что зимой максимальные значения уровня экстремальности осадков характерны для побережья Черного моря, а минимальные - для северо-запада Украины. Летом уровень экстремальных осадков изменяется незначительно. Получено, что линейные тренды уровня экстремальных осадков рассчитанных по про-центильным и абсолютным порогам имеют преимущественно отрицательный знак для зимнего сезона и положительный для летнего, что связано с положением траекторий циклонов и их частотой в Черноморском регионе

3. Выявлено, что для изменчивости неравномерности осадков (индекса концентрации) на территории Украины типичны масштабы около 2,4-5и7-8 лет, что совпадает с типичным временным масштабом САК, а также десятилетние-междесятилетние колебания. При этом в отрицательную фазу САК неравномерность осадков повышается на 15 %, что связано с интенсификацией циклонической активности в Черноморском регионе. Неравномерность осадков в отрицательную фазу Тихоокеанской декадной осцилляции и в положительную фазу Атлантической мультидекадной осцилляции усиливается на 10 - 15 % на всей территории Украины, что связано с интенсификацией циклонической активности.

4. Анализ результатов прогностических расчетов экстремальных осадков на XXI век по ансамблю моделей GFDL-CM3 и CanESM2 показал, что к середине XXI века вероятное изменение уровня экстремальных осадков (выше 95-го процентная) относительно современного климата будет характеризоваться их уменьшением на северо-западе до 4,5 мм/сутки и увеличением на такую же величину на юго-востоке, что особенно будет выражено в летний период. К концу XXI века вероятно сохранение пространственного распределения экстремальных осадков, однако величина соответствующих изменений их уровня уменьшится до 2 мм/сутки. Прогноз изменений количества экстремальных событий показывает их увеличение в 2 раза в летний сезон к середине XXI в. и в 1,5 раза относительно современного климатического периода к концу XXI в. При этом максимальный вклад в общую приведенную оценку по Украине внесут изменения в степной зоне. »

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ. ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Полонский А.Б. Пространственно-временная изменчивость интенсивных осадков на территории Украины и их связь с изменениями климата / А.Б. Полонский, E.H. Воскресенская, Е.В. Вышкваркова // Доповш HAH Украши. - 2013. -№ 7. - С. 102- 107.

2. Вышкваркова Е.В. Экстремальные осадки и их климатические изменения на территории Украины по данным наблюдений / Е.В. Вышкваркова, E.H. Воскресенская И Вестник Одесского государственного экологического университета. -2013. -№ 16-С. 45-50.

3. Vyshkvarkova Е. Precipitation inequality over Ukraine / E. Vyshkvarkova, E. Voskresenskaya U Journal of Scientific Research and Reports. - 2014. - V. 3, Issue 2. - P. 384 - 396.

4. Воскресенская E.H. Пространственное распределение индекса концентрации суточных осадков по территории Украины / E.H. Воскресенская, Е.В. Вышкваркова // Системы контроля окружающей среды. -2011 - Вып. 15. - С. 235 - 239.

5. Воскресенская E.H. Анализ экстремальных осадков в Украине / E.H. Воскресенская, Е.В. Вышкваркова // Системы контроля окружающей среды. - 2012. -Вып. 18.-С. 94-97.

6. Вышкваркова Е.В. Междесятилетняя изменчивость неравномерности осадков по территории Украины / Е.В. Вышкваркова, Е.Н. Воскресенская // Системы контроля окружающей среды. - 2013. - Вып. 19. - С. 144 - 147.

7. Вышкваркова Е.В.' Изменение полей экстремальных осадков по территории Украины в XXI веке / Е.В. Вышкваркова, Е.Н. Воскресенская, А.В. Юровский, Е.В. Дунаевская // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - 2013. - Вып.27. - С.121 - 127.

8. Вышкваркова Е.В. О неравномерности распределения интенсивных осадков в приморском регионе Украины / Е.В. Вышкваркова, Е.Н. Воскресенская // Экологическая безопасность приморских регионов (порты, берегозащита, рекреация, марикультура): Международная научная конференция, посвященная 150-летию Н.М. Книповича: 5-8 июня 2012 г.: материалы науч. конф. - Ростов-на-Дону, 2012 -С. 83-86.

9. Vyshkvarkova О. Manifestation of climate change and variability in inequality of precipitation in the Ukraine / O. Vyshkvarkova, A. Polonsky, E. Voskresenskaya // European Conference on Applied Climatology: int. conf., 10-14 September 2012: abstr. -Lodz, 2012. - V.9. - P. EMS2012 -40.

10. Вышкваркова Е.В. Неравномерность распределения осадков по территории Украины в XX - XXI веках / Е.В. Вышкваркова, Е.Н. Воскресенская // Актуальш проблеми сучасно! гщрометеорологп: М1жнар. наук. конф. студенпв та молодих вчених, 17 - 19 жовтня 2012 p.: MaTepiann наук. конф. - Одеса, 2012. - С. 127 - 128.

11. Voskresenskaya Е. Global climate change and associated precipitation inequality over the Ukraine / E. Voskresenskaya, E. Vyshkvarkova, A. Polonsky // European Geosciences Union General Assembly: int. conf., 7-12 April, 2013: abstr. - Vienna, 2013.-V.15.-P. EGU2013- 11341.

12. Вышкваркова Е.В. Пространственный анализ суточных осадков по территории Украины / Е.В. Вышкваркова // Ломоносов-2013: междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 25 апреля 2013 г.: материалы науч. конф. - Севастополь, 2013. - С.12.

13. Vyshkvarkova О. Extreme precipitation over the Ukraine and global climate change / O. Vyshkvarkova, E. Voskresenskaya // European Conference on Applied Climatology: int. conf., 9-13 September, 2013: abstr. - Reading, 2013. - V.10. - P. EMS2013 - 18.

14. Vyshkvarkova O. Decadal variability of precipitation inequality over the Black Sea coastal zone / O. Vyshkvarkova, E. Voskresenskaya // Challenges towards good environmental status: The 4th Bi-annual Black Sea Scientific conference, 28-31 October 2013: abstracts book. - Constanta, 2013. - P. 187 - 188.

15. Vyshkvarkova O. Recent and future extreme precipitation over Ukraine / O. Vyshkvarkova, E. Voskresenskaya II EGU General Assembly 2014: int. conf., 27 April -2 May, 2014: abstr. - Vienna, 2014. - V. 16. - P. EGU2014 - 726.

АН0ТАЦ1Я

Вишкваркова O.B. Екстремальш опади та ix юиматичш особливост« на територм УкраТни. - Рукоппс.

Дисерташ'я на здобуття наукового ступеня кандидата географ1чних наук за спешальшстю 11.00.09 - метеоролопя, юпматолопя, агрометеоролопя. - Морський пдроф1зичний ¡нститут HAH Укра1ни, Севастополь, 2014.

Дисертац1я присвячена анал1зу екстремальних опад1в та i'x юпматичних особ-ливостей на територн Укра'ши. 3 використанням даних добових атмосферних опадав з 28 пдрометеоролопчних станщй Укра'ши за перюд 1951 - 2005 рр. отримаш оцшки HepißHOMipHocri опад1в, р1вня екстремальних опад1в та юлькосп випадьлв екстремальних опад1в на територн Украши. Виявлено законом1рност1 i отримаш к!льк1сн! оцшки i'x просторових зм1н в дослщжуваний перюд, а також М1жр1чно1-м1десятир1чно'|' мшливосп у зв'язку з глобальними процесами в системi океан-атмосфера, зокрема, з ГОвшчноатлантичним коливанням, Тихоокеанською декад-ною i Атлантичною мультидекадною осциляшями. Отримано та проанашзовано особливост! просторового розподшу майбутшх проекцш екстремальних опад1в на середньо - та довгострокову перспективу XXI в. на територи Укра'ши.

Кчючов! слова: екстремальш опади, нер1вном1ршсть оиад1в, шдекс концентраци, м1жр1чна-м1ждесятир!чна мшливнлъ, проекцн.

АННОТАЦИЯ

Вышкваркова Е.В. Экстремальные осадки и их климатические особенности на территории Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 2014.

Диссертация посвящена анализу экстремальных осадков и их климатических особенностей на территории Украины в XX - начале XXI вв.

С использованием данных суточных сумм атмосферных осадков, полученных с 28 гидрометеорологических станций Украины за период 1951 - 2005 гг., и методике, основанной на расчете индекса концентрации, получены оценки неравномерности осадков по территории страны. Обнаружено, что неравномерность осадков увеличивается с северо-запада и северо-востока в южном направлении. Минимальные значения типичны для северо-западных регионов Украины в зимний сезон, при этом неравномерность осадков более выражена в прибрежных районах Черного и Азовского морей. Поле линейных трендов неравномерности осадков во все сезоны года характеризуется преимущественно отрицательным знаком, что обусловлено ослаблением циклонической активности в этом регионе в исследуемый период.

С использованием методов расчета индексов экстремальных осадков (относительных и абсолютных) получены характеристики экстремальных осадков: уровень и количество. Получено, что максимальные значения уровня экстремальных осадков в зимний сезон характерны для побережья Черного моря, а минимальные - для се-

веро-запада Украины. Летом пространственное распределение уровня экстремальных осадков на изучаемой территории изменяется незначительно. Характер пространственного распределения линейных трендов количества экстремальных осадков, рассчитанных для относительных и абсолютных порогов, совпадает, так же, как и сами величины, которые имеют преимущественно отрицательный знак в зимний сезон и положительный в летний.

Анализ изменчивости неравномерности и количества экстремальных осадков межгодового и междесятилетнего масштабов выявил, что для большей части Украины отрицательная фаза САК, отрицательная фаза ТДО и положительная фаза АМО сопровождаются усилением неравномерности осадков на 10 - 15 %, и увеличением случаев экстремальных осадков до 65 %, что связано с соответствующими смещениями траекторий циклонов в эти периоды.

Проекции уровня и количества экстремальных осадков на XXI век, полученные на основе прогностических расчетов глобальных климатических моделей поколения CMIP5 показали, что в целом по Украине к середине XXI в. вероятно повышение уровня экстремальных осадков относительно современных величин, а к концу XXI это повышение незначительно уменьшится. Максимальные изменения уровня экстремальности будут отмечаться в степной зофне. При этом количество экстремальных осадков в летний сезон увеличится в 2 и более раза.

Ключевые слова: экстремальные осадки, неравномерность осадков, индекс концентрации, межгодовая-междесятилетняя изменчивость, проекции.

SUMMARY

Vyshkvarkova O.V. Extreme precipitation and their climatic features over Ukraine. - Manuscript

The dissertation is submitted a candidates degree in geographical sciences, specialized field 11.00.09 - meteorology, climatology, agricultural meteorology. - Marine Hy-drophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2014. -

The dissertation is dedicated to analysis of extreme precipitation and their climatic features over the territory of Ukraine. Using daily precipitation data from 28 meteorological stations of Ukraine in 1951 - 2005 the precipitation inequality, extreme precipitation levels and the number of extreme precipitation in Ukraine were estimated.

There were obtained the patterns and quantitative estimations of their space changes in the study period and interannual-intrdecadal variability associated with global processes in the ocean-atmosphere such as North Atlantic oscillation, Pasific Decadal and Atlantic Multydecadal oscillations. Next, there were calculated and analyzed the features of space distributions of the future projections of extreme precipitation on mid- and long-term perspective in XXI century over the Ukraine.

Keywords: extreme precipitation, precipitation inequality, concentration index, in-terannual-multidecadal variability, projections.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Вышкварковой Елены Васильевны

Подписано в печать 22.04.2014 Формат бумаги 60х 84 Vis-Объем 0,9 авт.л.

_Заказ № 15. Тираж 100 экз._

Напечатано НВЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика» 99011, г. Севастополь, ул. Ленина, 28 Свидетельство о государственной регистрации Серия ДК № 914 от 16.02.2002.