Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование изменения и прогноз режима осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы прибрежной и степной зон Краснодарского края

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование изменения и прогноз режима осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы прибрежной и степной зон Краснодарского края"

На правах рукописи

Деркач Дмитрий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ И ПРОГНОЗ РЕЖИМА ОСАДКОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ПРИБРЕЖНОЙ И СТЕПНОЙ ЗОН КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

25 00 30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 ОЯТ2008

НАЛЬЧИК, 2008

003448440

Работа выполнена в ГУ «Высокогорный геофизический институт»

Росгидромета

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Калов Хажбара Мамизович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

Куповых Геннадий Владимирович

кандидат физико-математических наук Хавцуков Алим Хамидбневич

Ведущая организация

Кубанский государственный университет (г Краснодар)

Защита состоится 31 октября 2008 г в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 327 001 01 при Высокогорном геофизическом институте по адресу 360030, КБР, Нальчик, пр Ленина, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института

Автореферат размещен на сайте ГУ «ВГИ» 22 сентября 2008 г

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан 23 сентября 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ -мат наук, профессор

Шаповалов А В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Последствия изменения климата могут существенным образом повлиять на экономическое развитие общества, на безопасность жизни людей Для принятия научно-обоснованных решений с целью снижения возможных отрицательных последствий этого процесса необходимо детальное и всестороннее изучение динамики природно-климатических характеристик и установление тенденции их изменения Несмотря на наличие существенных результатов по эгому направлению, остаются нерешенные вопросы

Так, важным представляется выявление тенденции в динамике таких природно-климатических характеристик как температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы и режим осадков Характер изменений указанных характеристик может значительно отличаться даже для соседних регионов, поэтому, как правило, анализ проводится для каждого региона отдельно При этом, надо отметить, что такие исследования не проведены для большинства регионов РФ, в том числе и территории Краснодарского края

Основной информацией для решения этой задачи являются многолетние данные о метеопараметрах, характеризующих режимы атмосферных осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы Среди методов анализа этих данных основными остаются математико-статистические методы, которые необходимо дополнять другими методами в виду нелинейности динамики указанных природно-климатических характеристик

Другой важной задачей является прогнозирование динамики этих же природно-климатических характеристик Повышение точности прогнозирования возможно при учете особенностей динамики природно-климатических характеристик, с учетом особенностей влияющих на них факторов, к которым можно отнести наличие цикличностей в динамике этих характеристик

Таким образом, с точки зрения устойчивого развития регионов в изменяющихся условиях природной среды представляет интерес анализ динамики режима осадков и температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы, а также построение модели и прогнозирование их изменений на предстоящие годы

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в исследовании изменений режима атмосферных осадков и режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы в прибрежной и степной зонах Краснодарского края, а также в прогнозировании динамики этих характеристик на предстоящие годы

В соответствии с целью работы решались след>ющие задачи 1) анализ линейных трендов временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в приземном слое атмосферы и режим атмосферных осадков в различные сезоны года,

2) анализ сглаженных значений временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры и режим атмосферных осадков в различные сезоны года,

3) математико-статистический анализ временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в приземном слое атмосферы и режим атмосферных осадков в различные сезоны года,

4) проведение анализа спектральной структуры временных рядов метеорологических параметров,

5) построение модели прогнозирования временных рядов различных метеопараметров,

6) исследование трендоустойчивости временных рядов метеопараметров методами фрактального анализа,

8) прогнозирование динамики средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы, а также количества осадков в отмеченных климатических зонах Краснодарского края в различные сезоны года

Научная новизна. В результате проведенных исследований в диссертационной работе впервые получены следующие результаты

^закономерности изменения метеорологических параметров, характеризующих температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года в степной и прибрежной зоне Краснодарского края,

2) закономерности изменения метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков в различные сезоны года и за год в тех же районах Краснодарского края,

3) прогнозные значения (на предстоящий 10 летний период времени) метеорологических параметров, характеризующих режим температуры воздуха в приземном слое атмосферы,

4) прогнозные значения (на этот же период времени) метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков,

5) спектральные структуры и фрактальные свойства метеопараметров, характеризующих режим осадков и температурный режим воздуха

В качестве метеорологических параметров, характеризующих режим температуры воздуха в приземном слое атмосферы, использовались минимальная, средняя и максимальная температура воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года, а в качестве метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков, были использованы количество осадков и число дней с осадками также в различные сезоны года

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы для определения трансформации агроклиматических ресурсов степной и прибрежной зон Краснодарского края, что необходимо для решения задачи адаптации производства сельскохозяйственной продукции в регионе к изменению природно-климатических характеристик Они также найдут применение при определении стратегии устойчивого развития региона с учетом влияния глобального потепления климата на природно-экологические 4

и социально-экономические процессы Результаты исследования могут быть полезны при подготовке и проведении в 2014 г Зимних олимпийских игр в г Сочи Использованные в работе методы исследования и прогноза изменений климатических характеристик, разработанные для проведения вычислительных работ программные средства могут быть приложены для проведения таких же исследований для других регионов

Предмет защиты.

1 Закономерности изменения температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года в степной и прибрежной климатической зоне Краснодарского края

2 Закономерности изменения режима атмосферных осадков в различные сезоны года в тех же климатических зонах края

3 Фрактальные свойства и спектральная структура временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим осадков и температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы

4 Результаты прогноза динамики режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы

5 Результаты прогноза динамики режима атмосферных осадков

Личный вклад автора. Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем Сбор метеорологической информации, разработка алгоритмов и программных средств для анализа и прогноза изменений температурного режима в приземном слое воздуха и режима атмосферных осадков, проведение расчетов и анализ полученных результатов осуществлены автором самостоятельно

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции молодых ученых в Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственном академии (2005 г), на Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2005), на объединенном семинаре в Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (2006 г) на общегеофизическом семинаре в Высокогорном геофизическом институте (2008 г), на конференции в Армавирском государственном педагогическом университете, посвященной дню науки (2007 г, 2008 г), на пятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г)

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 145 наименований Общий объем работы составляет 143 страницы компьютерного текста, включая 11 таблиц и 32 рисунка

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

В первой главе представлены результаты краткого анализа современного состояния исследований, посвященных глобальному изменению климата и возможным его последствиям в различных сферах человеческой деятельности Наиболее существенное влияние изменение климата может оказать на сельское хозяйство, что связано с достаточно сильной чувствительностью агрометеорологических ресурсов регионов, обеспечивающих рост, развитие и формирование хозяйственно ценной продукции, к глобальному потеплению климата Главными их составляющими являются термические условия, условия увлажнения почвы, солнечная радиация В связи с этим большее внимание в работе уделяется проблеме адаптации сельского хозяйства к изменениям природно-климатических характеристик регионов Затронуты также основные, на наш взгляд, работы, посвященные исследованию зависимости продуктивности сельскохозяйственных культур от различных составляющих агроклиматических ресурсов

Во второй главе приводятся алгоритм и результаты анализа динамики различных метеопараметров, характеризующих режим осадков и температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы в степной и прибрежной зоне Краснодарского края Подробно излагаются используемые для проведения исследования методы, которые в отличие от других авторов включают анализ линейных трендов временных рядов метеорологических параметров, анализ сглаженных значений временных рядов метеорологических параметров, математико-статистический анализа временных рядов метеорологических параметров, анализ спектральной структуры и трендоустойчивости временных рядов метеорологических параметров Для анализа изменений природно-климатических характеристик рассматриваемых зон использованы данные с 1956 года по 2005 год двух метеостанций (г Армавир, г Сочи)

Первый из используемых методов основан на исследовании поведения линейных трендов метеопараметров Этот метод дает общее представление о тенденции изменения метеопараметров на рассматриваемом отрезке времени, но не позволяет сделать выводы об их поведении на отдельных его участках Второй метод основан на анализе отклонения сглаженных значений метеопараметров от многолетнего среднего значения на рассматриваемом отрезке времени С помощью этого метода можно получить информацию об изменении метеопараметров на всем временном отрезке и на отдельных его участках Сглаженные значения метеопараметров затем сравнивались с их осред-ненными на всем рассматриваемом отрезке времени значениями

Большой объем информации о динамике природно-климатических характеристик позволяет получать математико-сгатистический анализ временных рядов метеопараметров Использование необходимого набора статистических характеристик в этом методе позволяет обнаружить закономерности изменения природно-климатических характеристик, а также тенденции их изменения в будущем Одновременное использование методов увеличивает достоверность получаемых результатов

Для исследования динамических свойств этих метеопараметров временные ряды их значений представлялись в виде двух и трех частичных временных рядов, для которых вычислялись и сравнивались различные их числовые характеристики (среднее значение, среднеквадратическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса, максимальное и минимальное значения и их разброс) В работе проводится анализ и прогноз динамики тех метеопараметров, от которых зависит развитие и продуктивность растений

Для примера рассмотрим результаты расчетов физико-статистических характеристик частичных временных рядов средней температуры (таблица 1) по данным метеостанции в г Армавир

ТаСлица 1

Статистические характеристики частичных временных рядов

средней температуры воздуха в различные сезоны (г. Армавир)

Интервалы врем ряда (гг) Среднее значение "С Сречнг-квадр откл Коэфф 2СПМ Коэфф эксцесса Миним значен "С Максим значен "С Разброс "С

Зимние

1956-1971 -0,75 1,94 5,92 45,26 -4 00 3,80 7 80

1972-1988 -1,08 1,56 2,75 52,65 -3,90 2,60 6 50

1989-2005 -1,15 2,37 8 77 32 40 -5,40 2,40 7,80

1956-1980 -1 08 1,77 12,31 84,14 -4,00 3,80 7 80

1981-2005 -0,92 2,19 -3 07 54 37 -5,40 2,60 8,00

Весенние

1956-1971 10,27 1 39 1 82 25 50 7,90 12 50 4 60

1972-1988 10,71 0 95 9,22 39,66 9,30 12,60 3,30

1989-2005 11 26 1 38 4,И 36,70 9 00 13,90 4 90

1956-1980 10,54 1 32 -1 37 49,99 7 90 12,60 4 70

1981-2005 10 97 1 28 15 10 66 01 9,00 13,90 4 90

Летние

1956-1971 21,82 0,81 1,68 30,06 20,60 23,30 2,70

1972-1988 21,55 1 22 8 03 34,05 20 00 24,00 4 00

1989-2005 21 36 1,55 -14,24 50 65 17,90 23,50 5,60

1956-1980 21 77 1,04 5 66 54 11 20 20 24,00 3,80

1981-2005 21,38 1,40 -18,15 80,60 17,90 23,50 5 60

Осенние

1956-1971 10^2 1 48 -12 33 | 43 00 7 70 13 10 ^ 40

1972-1988 10 84 1,01 14 64 50,69 9,40 13,00 3 60

1989-2005 11 05 1,80 -23 92 73,62 6,20 13,30 7 10

1956-1980 10,90 1,35 -13,36 70,83 7,70 13,10 5,40

1981-2005 10,98 1,59 -30 83 120 09 6 20 13 30 7 10

Из таблицы видно, что в зимние месяцы значение среднего немного уменьшается для трех частичных рядов (на 0,4°С), причем уменьшение это происходит за счет уменьшения минимального и максимального значений при неизменном разбросе О наличии тенденции уменьшения метеопараметра позволяет говорить и быстрое снижение коэффициента асимметрии для двух рядов

Весной средняя температура увеличивается (на 0,43°С для двух частичных рядов), об этом же говорит рост значений асимметрии Такое поведение определяется повышением как минимального, так и максимального значений при небольшом изменении размаха

В летние месяцы отмечается слабое снижение средней температуры воздуха (0,4°С для двух и трех частичных временных рядов) Заметное уменьшение коэффициента асимметрии подтверждает наличие такой тенденции в поведении указанного метеопараметра Происходит это, видимо, за счет снижения минимального значения, что приводит к увеличению разброса, а значит неоднородности значений рассматриваемого метеопараметра, что дополнительно подтверждает поведение среднеквадратического отклонения и коэффициента эксцесса, которые заметно растут

Осенью можно заметить незначительный рост среднего значения, хотя уменьшение коэффициента асимметрии говорит об обратной тенденции Рост разброса, в основном за счет снижения минимальной температуры, скорее говорит об уменьшении в будущем данного метеопараметра, чем о его росте

Полученные выводы подтверждаются и результатами анализа данных на основе других методов В качестве примера на рис 1 приведены линейные тренды метеопараметра в различные сезоны года Как можно заметить, в зимние и осенние сезоны линейные тренды средней температуры воздуха практически параллельны оси абсцисс а в весенние сезоны заметно се постепенное увеличение Что касается летних сезонов, то поведение линейного тренда показывает, что на рассматриваемом отрезке времени имеет место некоторое понижение средней температуры воздуха

Рассмотрим результаты анализа динамики средней температуры воздуха в районе метеостанции г Сочи На рис 2 приведены фактические значения средней температуры воздуха в различные сезоны года и их линейные тренды Можно заметить, что динамика данного метеопараметра подвержена климатическому изменению более заметно в зимние сезоны - происходит понижение средней температуры воздуха

Зима

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Весна

15,0 -13,0 11,0 9,0 7,0

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Лето

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Осень

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 199Б 2000 2004

Рис I Средняя температура воздуха в различные сезоны года и их линейные тренды

(г Армавир)

В таблице 2 приведены статистические характеристики частичных временных рядов средней температуры воздуха в прибрежной зоне Краснодарского края Как можно заметить из таблицы, средняя температура воздуха во все сезоны года не очень сильно подвержена климатическим изменениям В зимние сезоны имеет место уменьшение средней температуры воздуха По сравнению с ее значением на отрезке 1956-1971 гг, например, на последнем отрезке времени ее значение стало меньше на 1,4°С (или примерно на 20%)

Одновременно происходит быстрое уменьшение всех характеристик кроме коэффициента эксцесса Понижение средней зимней температуры на фоне глобального потепления вызывает вопрос, ответ на который может быть можно получить, рассмотрев особенности взаимодействия атмосферы и моря 10,0

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

15,0 , Весна

14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 -9,0

8,0 ^ I - г — , --

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Лето

АД ,

25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 , 20,0 ' 19,0 - -

1956 1860 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Осень

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Рис 2 Средняя темлерапра воздуха в разпичные сезоны и и\ тинейныетренды

(г Сочи)

Уменьшение разброса связано с более быстрым уменьшением максимального значения по сравнению с минимальным значением (на последнем отрезке оно стало меньше примерно на 3°С, чем на промежутке 1956-

1971 гг) Уменьшение коэффициента асимметрии говорит о том, что тенденция снижения средней зимней температуры в районе г Сочи сохранится некоторое время в будущем

Таб шца 2

Статистические характеристики частичных временных рядов

средней температуры воздуха в различные сезоны года (г. Сочи)

Интервалы Средние Среди е- Коэфф Коэфф Миним Максим Разброс

врем ряда (ГГ) значения "С квадр откл асим эксцесса значен "С значен "С "С

Зимние

1956-1971 7,43 1,27 0 89 41,03 4 86 9,89 5,03

1972-1988 6,59 1,15 2,78 40,62 4,60 8,98 4,38

1989-2005 6 03 0,84 -14 22 47,63 4,21 7 16 2 95

1956-1980 701 1,30 4 88 65,70 4 60 9,90 5,30

1981-2005 6 33 1,04 3,92 82,75 4,21 8 98 4,77

Вссешше

1956-1971 12 08 1 01 4,55 31,90 10,48 13 98 3,56

1972-1988 12 09 0,85 5,06 52,18 1035 13 90 3,55

1989-2005 11,99 0 70 -0 75 30,81 1081 12,99 - 2,15

1956-1980 12 56 0,96 8 64 52,46 10 42 13 98 3,56

1981-2005 11,91 0,72 -7 59 56,39 1035 12 99 2,64

Летние

1956-1971 21 85 0,63 1,43 32,84 20 78 23,09 2,31

1972-1988 21 76 0 97 10,93 38,53 20 61 23 81 3 20

1989-2005 22 31 0 63 5,08 38,08 21 21 23,51 2,30

1956-1980 21,8 9 0,83 12 09 62,77 20 6) 23 8! 3,20

1981-2005 22,06 0 76 -0,26 56,99 20 63 23,51 2,87

Осенние

1956-1971 15 40 1 34 0,27 38,91 13 04 18 06 5,02

1972-1988 15 16 0,70 13 93 45,18 14 33 16,82 2 49

1989-2005 15,28 0,71 2 60 45,33 13 85 16 72 2,87

1956-1980 1537 1,15 3 65 73,25 13 04 18,06 5,02

1981-2005 15 19 0 70 8 30 61,10 13 85 16,72 2,87

В весенние сезоны изменения статистических характеристик частичных рядов качественно совпадают с их поведением зимой, но происходят они меньшими темпами Поэтому можно сделать такой же вывод

В летние сезоны в 1989-2005 гг среднее значение метеопараметра стало больше примерно на 0,46°С по сравнению с 1956-1971 гг А в случае двух частичных рядов это увеличение меньше и составляет 0,17°С На рис 2 также заметен летом небольшой положительный наклон линейного тренда Одновременно при практически неизменном минимальном значении метеопараметра в последние годы уменьшается максимальное значение и уменьшается разброса а вместе с ним другие характеристики рассеяния поэтому средняя температ>ра воздуха в летние сезоны становятся более однородной

В осенние сезоны среднее значение метеопараметра и коэффициент асимметрии меняется сложным образом, что не позволяет однозначно определить тенденцию Обращает на себя внимание уменьшение среднеквадрати-ческого отклонения и разброса - соответственно на 0,45°С и 2 15°С Умень-

шение разброса в основном связано с более быстрым уменьшением максимального значения Видимо, средняя температура воздуха в осенние сезоны на рассматриваемом отрезке времени мало подвержена климатическим изменениям, хотя становится более однородной 800 700 600 •

600 500 400 300 200 100 0

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Весна

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 800 Лето

Ey/wAA, V

о

1955 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Осень

1000 800 600 400 200 0

А

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004

Рис 3 Изменение ао времени количества осадков в различные сезоны года и пинейные тренды (г Сочи)

Приведем некоторые результаты анализа динамики количества осадков в прибрежной зоне Краснодарского края, в районе метеостанции г Сочи Рассмотрим сначала линеиные тренды количества осадков в различные сезоны года (рис 3) Заметно увеличение количества осадков по виду линейных трендов летом и осенью В остальные сезоны года также увеличивается количество осадков, о чем говорят положительные угловые коэффициенты в уравнениях линеиных трендов Такое поведение метеопараметра по сезонам определяет рост годового количества осадков в районе метеостанции г Сочи

Остановимся далее на результатах анализа динамики количества осадков в различные сезоны года по изменениям статистических характеристик их частичных временных рядов (Табл 3)

Табпица 3

Статистические характеристики частичных временных рядов

количества осадков в различные сезоны и за год (г. Сочи)

Интервалы врем ряда (ГГ) Средние значения (мм) Средне-квадр откл Коэфф асим Коэфф эксцесса Миним значен (мм) Максим значен (мм) Разброс (мм)

Зимние

1956-1971 506,68 120,64 5,79 39,70 287 5 748,8 461 3

1972-1988 495,99 154,70 6,91 41,18 252,9 820,3 567 4

1989-2005 511,47 91,70 16,93 61,10 368,5 745 8 377 3

1956-1980 496,40 141 77 10,20 65,21 252 9 820,3 567,4

1981-2005 512 90 105 64 16,14 78,42 335,3 762,7 427 4

Весенние

1956-1971 331 5 74 3 11,5 50,9 225 0 514,2 289,2

1972-1988 311 7 100 4 -4,1 35,3 113,8 454 1 340 3

1989-2005 342 0 64,1 11,9 52,1 223 3 479,3 256 0

1956-1980 316,9 91,0 -1 6 71,2 113 8 514,2 400 4

1981-2005 339,7 70 5 8,1 63,8 206,9 479,3 272 4

Летние

1956-1971 306,1 159 5 12 5 41,4 91,8 677,1 585 1

1972-1988 3156 143 2 86 47,7 96,8 652,9 556 1

1989-2005 350 8 90,2 | 9,8 67,3 1806 588 1 407,5

1956-1980 292,0 143,5 22 2 78,0 91 8 677,1 585 3

1981-2005 357,1 1174 8,4 90,4 96,8 652,9 1 556 1

Осенние

1956-1971 397 7 135 2 1 -11,9 41,3 89 8 552,8 463 0

1972-1988 47) 7 223 5 1 12,4 53,3 151 8 1030 878 2

1989-2005 467 9 148,2 15,7 66,4 221,5 859,2 637,7

1956-1980 438 7 194,1 23 8 116,1 89,8 1030 940 2

1981-2005 454 8 158 3 9 1 80,0 151 8 859 2 707 4

Годовые

1956-1971 1555 5 227 1 -2 8 31 9 1155 8 1852 8 697 0

1972-1988 1592 5 332 9 4 61 34 8 10160 2251 9 1235 9

1989-2005 | 16579 221,8 16,5 65,7 1303,9 2249,1 945 2

1956-1980 15*12 7 234 5 3,8 48 1 1155 8 1946,4 790 6

1981-2005 | 1662 1 288,4 4 36 72 7 10160 2251 9 1235 9

В зимние месяцы незначительно увеличивается среднее значение количества осадков, эту же тенденцию подтверждает изменение асимметрии, хотя на рис 3 поведение соответствующего тренда говорит об обратном Объясняется это видимо тем, что значительное уменьшение разброса, вызванное одновременным почти одинаковым приближением к среднему максимального и минимального значений, и соответствующее поведение среднеквадратическо-го отклонения делают осадки более однородными в зимние месяцы

Весной поведение характеристик метеопараметра качественно совпадает с предыдущим сезоном, поэтому можно сделать такие же выводы

Летом отмечается заметный рост среднего (65 мм для двух и 45 мм для трех частичных временных рядов), хотя сопровождает это значительное снижение коэффициента асимметрии, что говорит о возможном появлении тенденции к снижению количества осадков летом в будущем Рост минимального значения, снижение разброса и среднеквадратического отклонения, а также положительный наклон линии тренда на рис 3 говорит все-таки о возрастании количества летних осадков Аналогичные выводы можно сделать об осенних и годовых осадках в прибрежной зоне края

По такой же схеме был проведен анализ изменения количества дней с осадками в г Армавире и г Сочи, количества осадков в г Армавире

В результате анализа динамики отмеченных метеопараметров, характеризующих температурный режим воздуха в призменном слое атмосферы и режим осадков, получено

1 Средняя температура воздуха во все сезоны года в степной зоне Краснодарского края на рассматриваемом отрезке времени изменилось незначительно Более заметно она повысилась лишь в весенние сезоны (на 0,43°С) и снизилась летом (на 0,39°С) Максимальная температура воздуха практически не подвержена климатическому изменению Что касается минимальной температуры воздуха, то наблюдается ее постепенное повышение во все сезоны года Наиболее заметное ее повышение наблюдается в зимние сезоны (на 4,64°С), в весенние сезоны (на 1,38°С) и летом (на 1,23°С) Увеличение минимальной температуры воздуха в осенние сезоны составило лишь О 13°С

2 В прибрежной зоне края средняя температура воздуха весной и осенью практически не меняется на рассматриваемом отрезке времени Отмечается ее снижение (на 0,68°С) в зимние месяцы и рост (на 0,17°С) в летние месяцы Минимальная температура воздуха на рассматриваемом отрезке времени изменилось незначительно в летние и осенние сезоны Наиболее ярко выражена тенденция снижения весенней минимальной температуры (на О 52°С), а зимние месяцы отмечается заметный ее рост (на 1 12°С) Что касается максимальной температуры воздуха, то в рассматриваемом районе края наблюдается, хотя и медленное, но стабильное снижение ее значений зимой (на 1,2°С), весной (0,16°С) и летом (на 1,09°С) В осенние сезоны этот метеопараметр на рассматриваемом отрезке времени изменился мало

3 В стенной зоне Краснодарского края наблюдается заметное уменьшение количества зимних осадков их стало меньше на 23 мм (20%) Более медленными темпами убывает количество осадков в летние месяцы количество летних осадков уменьшилось на 15 мм (9%) Обнаружено быстрое увеличение (около 40% - 48 мм) количества осенних осадков В весенние месяцы явно выраженной тенденции изменения количества осадков не выявлено Годовое количество осадков в данном районе Краснодарского края несколько снижается в последнее время и такая тенденция, видимо, сохранится в будущем

4 Число дней с осадками в степной зоне края в зимние и весенние сезоны не меняется, а в летние и осенние увеличивается Это говорит о том, что уменьшение количества зимних и летних осадков связано с ослаблением процессов осадкообразования, а увеличение количества осенних осадков определяется, в том числе, и ростом количества дней с осадками

5 В прибрежной зоне Краснодарского края по данным метеостанции в г Сочи в зимние и весенние сезоны явно выраженной тенденции в изменении количества осадков не наблюдается, они остаются на уровне многолетней средней Заметная тенденция роста количества осадков отмечается в летние сезоньг увеличение составило 65 мм (22%) В осенние сезоны также отмечена тенденция увеличения количества осадков суммарное увеличение составило 70 мм (17%) Тенденция увеличения количества осадков в прибрежной зоне края в различные сезоны привела к заметному росту годового количества осадков примерно на 7,5% (120 мм)

6 Число дней с осадками в различные сезоны года в прибрежной зоне Краснодарского края меняется мало, поэтому отмеченное увеличение количество осадков по сезонам связано с интенсификацией процессов осадкообразования

В третьей главе работы приводится модель и результаты прогнозирования динамики средней температуры воздуха и количества осадков в степной и прибрежной зоне Краснодарского края Для построения модели использована достаточно хорошо изученная функция, содержащая тенденцию в виде линейного тренда и циклическую компоненту, определяемую физическими соображениями

В выражении (1) неизвестными параметрами модели являются коэффициенты Ад> В0, А„ В, и периоды Т, природных составляющих (г-1,2, ,к) Таким образом, неизвестных параметров в выражении (1) всего Зк + 2 Отметим, что оценку этих параметров можно проводить сразу, например, с помощью обычного МНК По при этом получится система из Ък+2 нелинейных трансцендентных уравнений, решение которой достаточно трудоемко

В связи с этим на первом этапе определялись значения Ть а на втором этапе остальные параметры модели

(1)

Для нахождения Т, используется метод, основанный на построении и анализе фазовых портретов метеорологических параметров, а затем для нахождения остальных параметров модели используется МНК, что приводит к решению системы линейных алгебраических уравнений с 2к + 2 неизвестными

Опишем алгоритм оценки Т, на первом этапе Для различных вариантов количества слагаемых методом скользящей средней проводится сглаживание исходных временных рядов природно-климатических характеристик и для каждого варианта строятся интерполирующие кубические сплайн-функции

Затем для каждого варианта, пользуясь полученными сплайн-функциями, строятся соответствующие фазовые портреты, которые позволяют обнаруживать содержащиеся во временных рядах периодичности Изменение количества слагаемых в методе скользящей средней позволяет регулировать количество содержащихся во временных рядах периодичностей и, тем самым, провести детальный их анализ

Эффективность изложенного метода построения модели прогнозирования была исследована на реальных и тестовых рядах Первая часть имеющегося временного ряда (точки 1-40) использовались для оценки параметров функции (1) Другая часть (точки 41-50) прогнозировалась, полученные результаты сравнивались с фактическими Прогнозные значения на 2006, 2007 и 2008 гг сравнивались с реальными, которые отсутствовали на момент прогнозирования При этом выявлено совпадение тенденций в изменении метеопараметров, а имеющиеся отклонения достаточны для решения практически-важных задач Также был рассмотрен временной ряд, образованный значениями функции

(2 2 ^

}'(/) = I -0 5r + (sin 2m + cos2;tf)+ (sin та + cos7zí)+^sm — м + los —л* j (2)

в различные моменты времени (/=1,2, ,30) При построении функции (1) по этим значениям брался набор из 5 значений Т„ среди которых находились и содержащиеся в (2) периоды Исследуется вопрос выбора периодичностей из имеющегося временного ряда и на втором этапе построения функции (1) В таблице 4 приведены временной ряд, образованный функцией (2) и используемый в качестве входных данных (Y(t)), и значения построенной функции

вида (1) (МО))

При этом для построения функции (1) использовались первые 20 значений функции (2) Как можно заметить из таблицы, значения функции (2) достаточно хорошо совпадают со значениями построенной по 20 точкам функции вида (1) Затем для исследования возможности прогнозирования значений функции (2) с помощью построенной функции были вычислены следующие 10 ее значений, те прогнозировали значения функции (2) и с 21 по 30 точки в таблице являются прогнозными

Сравнение прогнозных значений с фактическими значениями в разных методах показывает, что точность прогноза достаточна для решения задачи прогнозирования динамики различных метеорологических параметров

Таблица 4

Значения функции (2) и функции (1), построенной по 20 точкам (значе-__ния функции УД/) с 21 по 30 точки - прогнозные)_

№ У(') У»« дъ ПО ад

1 ¡,57 1,57 16 6,51 6,53

' 2 2,02 2,03 17 3.00 3,01

3 2,59 2,52 18 7,49 7,50

4 4,12 4,15 19 5,16 5.15

5 0,62 0,62 20 5.53 5,54

6 5,16 5,17 21 6,14 6.15

7 2,16 2,77 22 7,69 7,71

8 3,19 3,20 23 4,19 4,19

9 3,77 3,77 24 8.66 8,66

10 5,33 5,33 25 6,39 6,36

11 1,81 1,82 26 6.69 6.71

12 6,39 6.35 27 7,32 7,34

13 3,96 3,97 28 8,87 8,89

14 4,36 4,36 29 5.37 5,38

15. 4,96 4.96 30 9,82. 9,85

В настоящей работе для выделения скрытых во временных рядах метеопараметров используется метод фазовых портретов, который получил широкое распространение для анализа динамики различных характеристик атмосферы. На рис. 4 в качестве примера приведены фазовые портреты средней температуры воздуха в различные сезоны года.

\ \

а) зима б) весна

в) лето г) осень

Рис. 4. Фазовые портреты средних сезонных температур (г. Армавир)

Как видно, фазовые портреты всех ме геопараметров состоят из замкнутых линий, что свидетельствует о наличии в их временных рядах циклично-стей Причем, количество цикличностей и их параметры для фазовых портретов метеопараметров в различные сезоны года не совпадают На основе такого подхода, например, были выделены следующие значения Т, из временного ряда количества осадков в зимние сезоны - 1,7, 2,1, 3,4, 5,7, 6,3, 7,3 8,2, 9,5, 10,5, 12,1 лет

Для других метеопараметров выделялись примерно также цикличности Здесь следует отметить, что на основе имеющихся временных рядов можно выделить цикличности с относительно небольшими периодами В связи с этим на втором этапе построения функции (1) добавлялись и другие значения Т„ большие, чем выделенные

В заключение отметим, что для изучения влияния трансформации природно-климатических характеристик регионов на производство сельскохозяйственной продукции и исследования изменения их агроклиматических ресурсов помимо отмеченных методов прогнозирования временных рядов используются и друше, разработанные специально для прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур Различаются эти методы в основном способом учета отмеченных особенностей динамики природно-климатических характеристик, под влиянием которых они формируются

Для исследования персистентных свойств временных рядов метеопараметров был проведен анализ фрактальных свойств Вычислялся показатель Херста значение близкое к единице указывает на высокую трендоустойчи-вость временного ряда Расчеты осуществлялись следующим образом Если X], х2, хп временной ряд какого-то показателя; хп - среднее значение за п

лет, X, „ - накопившееся отклонение за е лет от среднего ха X, я --V,), /? - размах накопившегося отклонения в рассматриваемом

ряду И = шах X, п - пнп Х1 „, где / - дискретная переменная, принимающая

целочисленные значения, а п — длительность рассматриваемого промежутка времени, тогда показатель Херста Я входит в следующее соотношение

К/5=(а п)", (3)

где стандартное отклонение, которое можно оценить по наблюдениям, а -постоянная величина из интервала (0, 1) При оценке параметров (а, Н) формулы (3) можно использовать МНК, предварительно прологарифмировав это соотношение и получив уравнение линейной парной регрессии

1п(/?'5) = 1п(а" п'') (4)

1п(Я/5) = 6+#1пи, при Ъ = \п(ан) В результате было получено, что показатель Херста этих рядов принимает значения близкие к единице 0,7, 0,8, 0,9, что указывает на их высокую тре! I доустойч и вость

В работе приводятся результаты расчетов, посвященные прогнозированию динамики количества осадков в степной и прибрежной зонах края на предстоящий 10-летний период времени. На рис. 5 приведены результаты расчетов для количества зимних осадков в районе метеостанции г. Армавира.

1959 1960 1964 1968 1

в 1992 »эй гооо гаи гяов !ои

992 1996 2000 ММ 3008 2012

Рис. 5. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества зимних осадков (г. Армавир).

Рис. 6. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества зимних осадков (г. Сочи)

Как можно заметить на рисунке, в начале промежутка упреждения отмечаются максимальные значения метеопараметра, но не превышающие абсолютный максимум. Затем происходит уменьшение количества осадков, примерно до уровня многолетнего среднего.

Результаты расчетов с использованием данных метеостанции в г. Сочи приводятся на рис. б. Количество зимних осадков увеличивается стабильно почти до конца интервала упреждения. Максимальное значение достигает 730 мм в 2013 г., что несколько меньше абсолютного максимума на интервале наблюдения. Затем происходит уменьшение примерно до многолетнего среднего значения (около 500 мм). Минимальное значение метеопараметра на интервале упреждения будет выше абсолютного минимума на исходном интервале времени. При этом среднее прогнозируемое количество осадков, видимо, будет выше многолетнего среднего.

Результаты прогнозирования количества весенних осадков в районе метеостанции г. Армавира представлены на рис. 7.

1922 1926 1910 1911 "996 1

1 2091 209! 2912

1956 1960 1964 1'

1999 1992 19Э6 2000 21

Рис. 7. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества весенних осадков (г. Армавир).

Рис. 8. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества весенних осадков (г. Сочи).

Примерно с середины 80-х гг. и до конца периода наблюдения разброс между значениями метеопараметра заметно увеличивается. На этом отрезке времени количество осадков принимает своих абсолютных максимальных и минимальных значений. Так и на промежутке упреждения отмечаются значи-

тельные колебания количества весенних осадков: минимальные значения в 2006-2008 гг., затем скачкообразный рост до 215 мм в 2013 г.

На рис. 8 приведены результаты расчетов по прогнозированию динамики количества весенних осадков по данным метеостанции, расположенной в г. Сочи. Примерно до 2012 г. метеопараметр не будет претерпевать значительных изменений, и среднее значение будет находиться на достаточно высоком уровне - не менее 400 мм. Затем наблюдается уменьшение значения данного метеопараметра- примерно до уровня 200 мм.

По результатам расчетов, в будущем количество летних осадков в районе метеостанции г. Армавира будет меньше многолетнего среднего, а также уменьшится разброс, что подтверждает результаты анализа (рис. 9).

ур..-

Рис. 9. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества летних осадков (г. Армавир).

1ЭЭЕ 1ЭЭ1 1996

Рис. 10. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества летних осадков (г. Сочи).

Как можно заметить на рисунке, минимальные значения прогнозируются в 2008-2009 гг., затем произойдет некоторое повышение до 160 мм и 180 мм в 2013 и 2015 гг. соответственно.

Результаты расчетов по прогнозированию количества летних осадков с использованием данных метеостанции в г.Сочи приведены на рис. 10, где можно заметить уменьшение разброса, а значения, в основном, больше многолетнего среднего.

V

v

Av

у ч

1966 1360 196-1 156В 1971 1976 1

1 2MW ШВ ¡01!

1956 2001 9006 2011

Рис. 11. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества осенних осадков (г. Армавир).

Рис. 12. Фактические (сплошная линия) и прогнозные (пунктирная линия) значения количества осенних осадков (г. Сочи).

Результаты прогнозирования количества осенних осадков в степной зоне Краснодарского края приведены на рис. 11. В прибрежной зоне края (рис. 12) количество осенних осадков достигает максимальных значений (не больших абсолютных максимумов) в 2008-2010 гг., а затем снижается примерно до 400 мм и становится меньше многолетнего среднего значения.

Аналогичным образом в диссертационной работе представлены результаты прогноза средней температуры воздуха в различные сезоны года в степной и прибрежной зонах края.

В результате прогнозирования изменений средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы и динамики количества осадков в различные сезоны года в степной и прибрежной зонах Краснодарского края до 2015 года получено, что на интервале упреждения сохраняются тенденции, выявленные на исходном отрезке времени

В заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные в работе

1 ) Проведено исследование изменения температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы в степной и прибрежной климатической зоне Краснодарского края

Средняя температура воздуха во все сезоны года в степной зоне Краснодарского края на рассматриваемом отрезке времени изменилась незначительно, на рассматриваемом отрезке времени более заметно она повысилась лишь в весенние сезоны (на 4%) При этом максимальная температура воздуха практически не подвержена климатическому изменению Что касается минимальной температуры воздуха, то наблюдается ее постепенное повышение* во все сезоны года Наиболее заметное ее повышение наблюдается в зимние и весенние сезоны (до 20%)

В прибрежной зоне края средняя температура воздуха снижается в зимние месяцы (на 10%) и отмечается ее рост летом (1%) Для минимальной температуры воздуха на рассматриваемом отрезке времени наиболее ярко выражена тенденция снижения весной, а в зимние месяцы отмечается некоторый ее рост Что касается максимальной температуры воздуха, то в рассматриваемом районе края наблюдается, хотя и медленное, но стабильное снижение ее значений зимой, весной и летом

2 Проведено исследование изменения режима осадков в степной и прибрежной климатических зонах Краснодарского края

В степной зоне, например, в зимние и летние сезоны наблюдается уменьшение количества осадков (на 20% и 9% соответственно), в осенние сезоны имеет место устойчивое его увеличение, что приводит к увеличению количества годовых осадков (3,5%) Кроме этого, в этом районе края число дней с осадками зимой и весной не меняется, а летом и осенью возрастает

В прибрежной зоне Краснодарского края в зимние и весенние месяцы явно выраженной тенденции в изменении количества осадков не наблюдается, они остаются на уровне многолетней средней Заметная тенденция роста количества осадков отмечается летом В осенние месяцы также отмечена тенденция роста количества осадков, основной прирост которых произошел еще до конца 70-х годов, после чего темпы роста заметно снизились Увеличение количества осадков в прибрежной зоне края по сезонам привело к заметному росту годового количества осадков примерно на 7,5% Число дней с осадками в различные сезоны года в прибрежной зоне Краснодарского края, в районе метеостанции г Сочи практически не изменилось

3 Методами фрактального анализа проведено исследование перси-стентных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы и режим осадков Рассчитанный показатель Херста для всех рядов близок к единице, что говорит о достаточной трендоустойчивости указанных временных рядов

4 Методом построения и анализа фазовых портретов проведен анализ спектральной структуры временных рядов метеопараметров Результаты использовались в модели прогнозирования временных рядов, эффективность которой проверена на тестовых и реальных временных рядах

5 Проведено прогнозирование изменений средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы и динамики количества осадков в различные сезоны года в районе метеостанций, расположенных в степной и прибрежной зонах Краснодарского края до 2015 года На промежутке упреждения сохраняются тенденции, выявленные в результате статистического анализа

Результаты диссертационного исследования могут найти применение для разработки плана устойчивого развития края с учетом изменения природно-климатических характеристик его территории, в частности, для решения задачи адаптации развития сельскохозяйственного производства к изменению климата

Дальнейшие исследования по проблемам, затронутым в диссертационной работе, будут направлены на расширение районов Краснодарского края, для которых будут проведены анализ и прогноз изменений природно-климатических характеристик Планируется также разработка модели и решение задачи оптимизации производства сельскохозяйственной продукции с учетом изменений агроклиматических ресурсов региона

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Ашабоков Б А , Бисчоков Р М , Деркач Д В Исследование изменения режима атмосферных осадков в центральной части Северного Кавказа // Метеорология и гидрология -№2 -2008 - С 98-102

2 Ашабоков Б А , Бисчоков Р М , Деркач Д В Климатические изменения режима атмосферных осадков на Северном Кавказе // Труды КубГАУ -№4(8) -2007 - С 160-165

3 Ашабоков Б А , Бисчоков Р М , Деркач Д В О климатических изменениях температурного режима воздуха на Северном Кавказе // Труды КубГАУ -№4(8) -2007 - С 173-178

4 Деркач Д В Анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик Краснодарского края - Ставрополь Ставропольское книжное издательство, 2008 - 112 с

5 Деркач Д В Исследование изменения режима атмосферных осадков в западной части Северного Кавказа // Вестник АГПУ Естественные и технические науки - №1 - 2007 - С 73-78

6 Деркач Д В Исследование изменения температурного режима в системе приземный слой атмосферы - подстилающая поверхность в Армавире // Неделя науки в АГПУ Материалы научно-практической конференции Серия «Естественные и технические науки» Часть II - Армавир РИЦ АГПУ, 2007 - С 14-16

7 Деркач Д В , Калов X М , Кумыков X К, Литовка Н И Некоторые результаты прогнозирования динамики режима осадков в степной зоне Центральной части Северного Кавказа // Доклады Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 70-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР Нальчик, 28-30 сентября 2005 г / Под ред ХМ Калова, В Н Стасенко -М Издательство ЛКИ, 2008 - С 363-371

8 Деркач Д В Программа для ЭВМ «Фрактальный анализ временных рядов метеорологических параметров» -М ВНТИЦ, 2008 -№50200801012

9 Деркач Д В Результаты прогноза температурного режима в Армавире до 2015 года // Вестник АГПУ Естественные и технические науки -№2 -2007 - С 88-92

10 Калов X М , Ашабоков Б А , Ашабокова Ф К , Деркач Д В Об одном подходе и некоторых результатах прогнозирования динамики природно-климатических характеристик // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование Т 13 Сборник трудов Пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 28-30 04 2008, Санкт-Петербург, Россия / Под ред А П Кудинова, Г Г Матвиенко - СПб Изд-во Политехи ин-та, 2008 - С 279-280

11 Калов X М , Ашабоков Б А , Деркач Д В Об изменении температурного режима воздуха в приморской зоне Краснодарского края // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование Т 13 Сборник трудов Пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 28-30 04 2008, Санкт-Петербург, Россия / Под ред А П Кудинова, Г Г Матвиенко - СПб Изд-во Политехи ин-та, 2008 -С 280-281

12 Калов X М , Ашабокова Ф К , Деркач Д В Анализ изменения режима осадков в приморской зоне Краснодарского края // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование Т 13 Сборник трудов Пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 28-30 04 2008, Санкт-Петербург, Россия / Под ред А П Кудинова, Г Г Матвиенко - СПб Изд-во Политехи ин-та, 2008 - С 281-282

>

Издательско-полиграфическое предприятие ИП Шурыгин Виталий Евгеньевич г Армавир, ул Каспарова, 7 Тел (86137)7-56-96,(928)902-11-51 E-mail vitaln_shurygm@mail ru

Подписано в печать 22 09 2008 т Формат 60x90/16 Гарнитура Times Бумага офсетная Тираж 100 экз Печать трафаретная цифровая Услпечл 1,3 Учтодл 1,5

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Деркач, Дмитрий Васильевич

Введение.

1. Климат Земли: факторы, влияющие на него, возможные последствия его изменения.

1.1. Климат Земли и основные факторы, определяющие его.

1.2. О влиянии изменения природно-климатических характеристик на растительность и сельское хозяйство.

1.3. О проблеме адаптации сельского хозяйства к изменению температурного режима воздуха и количества осадков.

2. Анализ изменения природно-климатических характеристик степной и прибрежной зон

Краснодарского края.

2.1. Методы анализа временных рядов природно-климатических характеристик.

2.2. Анализ изменения режима температуры в приземном слое воздуха.

2.3. Результаты анализа изменения режима атмосферных осадков

3. Результаты прогнозирования средней приземной температуры воздуха и количества осадков.

3.1. Метод прогнозирования изменений природно-климатических характеристик.

3.2. Результаты прогнозирования средней приземной температуры воздуха.

3.3. Результаты прогнозирования количества осадков.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование изменения и прогноз режима осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы прибрежной и степной зон Краснодарского края"

Проблемы анализа и прогноза изменений температурного режима воздуха в приземном слое' атмосферы, режима атмосферных осадков и других природно-климатических характеристик регионов, связанных с глобальным потеплением климата, а также исследование возможных последствий этих изменений в различных областях человеческой деятельности в последние годы приняли острый характер. Связано это с тем, что эти изменения могут привести к изменению термического и гидрологического режимов обширных районов земного шара, что может оказать значительное влияние на социально-экономическую и политическую ситуацию в масштабах не только отдельных стран, но и всей планеты. Этим и обусловлено то, что эти проблемы привлекают большое внимание исследователей, и к настоящему времени в различных направлениях получены существенные результаты. Тем не менее, есть еще много серьезных вопросов, которые не до конца поняты и требуют дальнейшего исследования. Но, несмотря на такую незавершенность данной проблемы, по мнению многих исследователей, уже необходимо принимать меры для поиска эффективных путей адаптации социально-экономического развития регионов к изменениям их природно-климатических характеристик.

О важности данной проблемы говорит тот факт, что она уже длительное время находится в поле зрения Всемирной метеорологической организации (ВМО). По инициативе этой организации регулярно проводятся Всемирные конференции, на которых обсуждаются различные вопросы, связанные с изменением климата и его последствиями (такая конференция состоялась в 2003 году и в г. Москве). Еще в 1992 году была принята конвенция ООН по изменению климата, а в 1997 году она была дополнена протоколом, одобренным при участии представителей 159 стран на Международной конференции в Киото. Отметим, что к настоящему моменту этот круг стран заметно расширился.

Изменения климата имели место и в прошлом, но они были связаны с естественными природными процессами. В последние десятилетия существенное влияние на климат Земли стали оказывать процессы антропогенного характера, особенно увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере. Следует отметить, что изучение изменений климата и их последствий -чрезвычайно сложная и, многосторонняя проблема и требует решения многих в разной степени взаимосвязанных между собой задач. Одна из этих задач заключается в установлении тенденции изменения природно-климатических характеристик. Эта задача должна быть решена для каждого региона из-за того, что изменения этих характеристик могут быть различными даже для соседних регионов. Основной информацией, используемой при решении этой задачи, являются многолетние измерения различных метеорологических параметров, характеризующих природно-климатические характеристики регионов. Что касается методов анализа этих данных (временных рядов метеорологических параметров), то основными из них остаются математико-статистические методы. Но использование этих методов требует в некоторых случаях определенной осторожности и в связи с этим их желательно дополнить и другими методами.

К важнейшим задачам исследования изменений климата также относится прогнозирование динамики природно-климатических характеристик регионов. Очевидно, что чем выше точность прогнозирования и чем больше период упреждения, тем большую ценность представляют результаты прогнозирования для принятия различных решений. В связи с этим и требования к методам прогнозирования должны быть достаточно высокими. Поэтому модели прогнозирования должны быть построены с учетом особенностей динамики природно-климатических характеристик и, тем самым, с учетом особенностей влияющих на них факторов, к которым можно отнести наличие цикличностей в динамике этих характеристик.

Таким образом, с точки зрения устойчивого развития регионов в изменяющихся условиях природной среды представляет интерес анализ динамики режима осадков и температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы, а также построение модели и прогнозирование их изменений на предстоящие годы.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключается в исследовании изменений режима атмосферных осадков и режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы в прибрежной и степной зонах Краснодарского края, а таюке в прогнозировании динамики этих характеристик на предстоящие годы.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1) анализ линейных трендов временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в приземном слое атмосферы и режим атмосферных осадков в различные сезоны года;

2) анализ сглаженных значений временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры и режим атмосферных осадков в различные сезоны года;

3) математико-статистический анализ временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в приземном слое атмосферы и режим атмосферных осадков в различные сезоны года;

4) проведение анализа спектральной структуры временных рядов метеорологических параметров;

5) построение модели прогнозирования временных рядов различных метеопараметров;

6) исследование трендоустойчивости временных рядов метеопараметров методами фрактального анализа;

8) прогнозирование динамики средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы, а также количества осадков в отмеченных климатических зонах Краснодарского края в различные сезоны года.

Научная новизна. В результате проведенных исследований в диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

1) закономерности изменения метеорологических параметров, характеризующих температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года в степной и прибрежной зонах Краснодарского края;

2) закономерности изменения метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков в различные сезоны года и за год в тех же районах Краснодарского края;

3) прогнозные значения (на предстоящий 10 летний период времени) метеорологических параметров, характеризующих режим температуры воздуха в приземном слое атмосферы;

4) прогнозные значения (на этот же период времени) метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков;

5) спектральные структуры и фрактальные свойства метеопараметров, характеризующих режим осадков и температурный режим воздуха.

В качестве метеорологических параметров, характеризующих режим температуры воздуха в приземном слое атмосферы, использовались минимальная, средняя и максимальная температуры воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года, а в качестве метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков, были использованы количество осадков и число дней с осадками также в различные сезоны года.

Практическая ценность работы:

- получены закономерности изменения режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы в различных климатических зонах Краснодарского края; получены закономерности изменения режима атмосферных осадков в этих же климатических зонах Краснодарского края;

- проведен прогноз динамики температурного режима воздуха на период до 2015 года;

- проведен прогноз динамики режима атмосферных осадков на тот же период времени.

Полученные результаты могут быть использованы для определения трансформации агроклиматических ресурсов степной и прибрежной зон Краснодарского края, что необходимо для решения задачи адаптации производства сельскохозяйственной продукции.

Также эти результаты могут быть использованы при определении стратегии устойчивого развития региона с учетом влияния глобального потепления климата на природно-экологические и социально-экономические процессы.

Результаты исследования могут быть приложены для подготовки и проведения в 2014 г. Зимних олимпийских игр в г. Сочи.

Использованные в работе методы исследования и прогноза изменений климатических характеристик, разработанные для проведения вычислительных работ программные средства могут быть использованы для проведения таких же исследований для других регионов.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Закономерности изменения температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года в степной и прибрежной климатических зонах Краснодарского края.

2. Закономерности изменения режима атмосферных осадков в различные сезоны года в тех же климатических зонах края.

3. Фрактальные свойства и спектральная структура временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим осадков и температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы.

4. Результаты прогноза динамики режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы.

5. Результаты прогноза динамики режима атмосферных осадков.

Личный вклад автора. Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Сбор метеорологической информации, разработка алгоритмов и программных средств для анализа и прогноза изменений температурного режима в приземном слое воздуха и режима атмосферных осадков, проведение расчетов и анализ полученных результатов осуществлены автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции молодых ученых в Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (2005 г.); на Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2005); на объединенном семинаре в Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (2006 г.); на общегеофизическом семинаре в Высокогорном геофизическом институте (2008 г.); на конференциях в Армавирском государственном педагогическом университете, посвященных дню науки (2007 г., 2008 г.); на пятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г.).

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 145 наименований. Общий объем работы составляет 143 страницы компьютерного текста, включая 11 таблиц и 32 рисунка.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Деркач, Дмитрий Васильевич

Основные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Проведено исследование изменения температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы в степной и прибрежной климатических зонах Краснодарского края в районах метеостанций г. Армавир и г. Сочи. Исследование проводилось на основе анализа изменений физико-статистических характеристик временных рядов метеопараметров (1956-2005 гг.), характеризующих температурный режим воздуха (средняя, максимальная и минимальная температуры воздуха в приземном слое атмосферы) в различные сезоны года. В результате проведенных исследований получено, что в отмеченных районах края происходит изменение температурного режима воздуха.

Средняя температура воздуха во все сезоны года в степной зоне Краснодарского края на рассматриваемом отрезке времени изменилась незначительно. Более заметно она повысилась лишь в весенние сезоны (на 0,43°С) и снизилась летом (на 0,39°С). Максимальная температура воздуха практически не подвержена климатическому изменению. Что касается минимальной температуры воздуха, то наблюдается ее постепенное повышение во все сезоны года. Наиболее заметное ее повышение наблюдается зимой (на 4,64 С), в весенние сезоны (на 1,38°С) и летом (на 1,23°С). Осеннее увеличение минимальной температуры самое маленькое (0,13°С).

В прибрежной зоне края средняя температура воздуха весной и осенью практически не меняется на рассматриваемом отрезке времени. Отмечается ее снижение (на 0,68°С) в зимние месяцы и рост (на 0,17°С) в летние месяцы. Минимальная температура воздуха на рассматриваемом отрезке времени изменилась незначительно в летние и осенние сезоны. Наиболее ярко выражена тенденция снижения весенней минимальной температуры (на 0,52°С), а в зимние месяцы отмечается некоторый ее рост (на 1,12°С). Что касается максимальной температуры воздуха, то в рассматриваемом районе края наблюдается, хотя и медленное, но стабильное снижение ее значений зимой (на 1,2°С), весной (0,16°С) и летом (на 1,09°С). В осенние сезоны этот метеопараметр на рассматриваемом отрезке времени изменился мало.

2. Проведено исследование изменения режима осадков в степной и прибрежной климатических зонах Краснодарского края в районах метеостанций г. Армавир и г. Сочи. Исследование проводилось на основе анализа изменений физико-статистических характеристик временных рядов метеопараметров (1956-2005 гг.), характеризующих режим осадков в различные сезоны года и за год (количество осадков, число дней с осадками). В результате проведенных исследований получено, что в отмеченных районах края во все сезоны года происходит изменение режима осадков.

В степной зоне Краснодарского края, по данным метеостанции г. Армавир, количество осадков заметно снижается в зимние месяцы: их стало меньше на 23 мм (20%). Чуть медленнее убывает количество осадков в летние месяцы: количество летних осадков уменьшилось на 15 мм (9%). Отмечено быстрое увеличение (около 40% - 48 мм) количества осенних осадков. В весенние месяцы явно выраженной тенденции изменения количества осадков не выявлено. Годовое количество осадков в данном районе Краснодарского края несколько снижается в последнее время, хотя не стало меньше, чем в начале рассматриваемого отрезка времени, а даже превышает его на 20 мм (3,5%), но тенденция снижения сохранится в будущем.

Число дней с осадками в степной зоне края зимой и весной не меняется, а летом и осенью возрастает. Это говорит о том, что уменьшение количества зимних и летних осадков связано с ослаблением процессов осадкообразования, а вот увеличение количества осенних осадков определяется, в том числе, и ростом количества дней с осадками осенью.

В прибрежной зоне Краснодарского края по данным метеостанции в г. Сочи в зимние и весенние месяцы явно выраженной тенденции в изменении количества осадков не наблюдается, они остаются на уровне многолетней средней. Заметная тенденция роста количества осадков отмечается летом: увеличение составило 65 мм (22%). В осенние месяцы также отмечена тенденция роста количества осадков, основной прирост которых произошел еще до конца 70-х годов, после чего темпы роста заметно снизились: суммарное увеличение составило 70 мм (17%). Увеличение количества осадков в прибрежной зоне края по сезонам привело к заметному росту годового количества осадков примерно на 7,5% (120 мм).

Число дней с осадками в различные сезоны года в прибрежной зоне Краснодарского края, в районе метеостанции г. Сочи, меняется мало, поэтому отмеченное увеличение количество осадков по сезонам связано с интенсификацией процессов осадкообразования.

3. Методами фрактального анализа проведено исследование перси-стентных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы и режим осадков. Рассчитанный показатель Херста для всех рядов близок к единице, что говорит о достаточной трендоустойчивости указанных временных рядов.

4. Методом построения и анализа фазовых портретов проведен анализ спектральной структуры временных рядов метеопараметров. Результаты использовались в модели прогнозирования временных рядов, эффективность которой проверена на тестовых и реальных временных рядах.

5. Проведено прогнозирование изменений средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы и динамики количества осадков в различные сезоны года в районе метеостанций, расположенных в степной и прибрежной зонах Краснодарского края до 2015 года. На промежутке упреждения (10 лет) сохраняются тенденции, выявленные в результате статистического анализа.

Результаты диссертационного исследования могут найти применение для разработки плана устойчивого развития края с учетом изменения природно-климатических его территорий, в частности, для решения задачи адаптации развития сельскохозяйственного производства к изменению климата.

Дальнейшие исследования по проблемам, затронутым в диссертационной работе, будут направлены на расширение районов Краснодарского края, для которых будут проведены анализ и прогноз изменений природно-климатических характеристик. Планируется также разработка модели и решение задачи оптимизации производства сельскохозяйственной продукции с учетом изменений агроклиматических ресурсов региона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Деркач, Дмитрий Васильевич, Нальчик

1. Александров В., Эйтцингер И. Уязвимость и оценка возможностей адаптации сельского хозяйства Центральной и Юго-Восточной Европы к изменениям климата // Всемирная конференция климата: тезисы докладов. -Москва, 2003.-С.282.

2. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г., Бибикова Т.Н. и др. Технические аэрозоли и их роль в образовании облачности и изменениях климата // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменениям климата. Москва, 2003.-С.455.

3. Алисов Б.П. Климат СССР. М.: Высшая школа, 1969. - 104 с.

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

5. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов. — М.: Мир, 1976. -755 с.

6. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физ-матгиз, 1969. - 915 с.

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

8. Ахсалба А.К. Физико-статистические характеристики режима осадков и температуры, их влияние на наземные экосистемы Абхазии: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2007. — 25 с.

9. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. Исследование изменения режима атмосферных осадков в центральной части Северного Кавказа // Метеорология и гидрология. -2008. -№2. С.98-102.

10. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. Климатические изменения режима атмосферных осадков на Северном Кавказе // Труды КубГАУ. -2007.-№4(8).-С.160-165.

11. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. О климатических изменениях температурного режима воздуха на Северном Кавказе // Труды Куб-ГАУ,- 2007.- №4(8). -С.173-178.

12. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Калов Х.М. Анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик центральной части Северного Кавказа // Материалы Международной конференции «Погода и биосистемы». — С-Петербург, 11-14 октября 2006. С.57-58.

13. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Калов Х.М. О проблеме адаптации сельского хозяйства к изменениям климата в центральной части Северного Кавказа // Материалы Международной конференции «Погода и биосистемы». С-Петербург, 11-14 октября 2006. - С.90.

14. Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Калов Х.М., Бисчоков P.M., Богачен-ко Е.М. Анализ и прогноз изменения климата в Кабардино-Балкарской республике. Нальчик: КБСХА, 2005. - 150 с.

15. Безручко Б.П., Смирнов Д.А. Математическое моделирование и хаотические временные ряды. Саратов: ГосУНЦ «Колледж», 2005. - 320 с.

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

17. 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.

18. Борисенков Е.П. Климат и деятельность человека. М.: Наука, 1982. -128 с.

19. Будыко М.И. Изменение климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 325 с.

20. Будыко М.И. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 472 с.

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

22. Вагер Б.Г. Применение сплайн-функций в метеорологии и гидрологии // Обзорная информация, ВНИИГМИ МОД.- 1981. Вып.1. - 35 с.

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

24. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1998. - 576 с.

25. Вербицкий М.Я., Чаликов Д.В. Моделирование системы ледники-океан-атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 133 с.

26. Володин Е.М., Дианский Н.А. Моделирование изменений климата в XX-XXI столетиях с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. -Т.42, №3. - С.291-3.06.

27. Глобальный климат / Под ред. Дж. Т. Хотона. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-552 с.

28. Гмурман В.Е. Введение в теорию вероятностей и математическую статистику. М.: Высшая школа, 1963. - 238 с.

29. Гренджер К., Хатанака М. Спектральный анализ временных рядов в экономике. — М.: Статистика, 1972. 352 с.

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

31. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Колебания и изменения климата на территории России // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. - Т.39, №2. - С.166-185.

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

33. Дергачев В.А. Космические лучи и климатическая изменчивость // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменениям климата. — Москва, 2003.-С.463.

34. Деркач Д.В. Анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик Краснодарского края. Ставрополь: Ставропольское книжное издательство, 2008. - 112 с.

35. Деркач Д.В. Исследование изменения режима атмосферных осадков в западной части Северного Кавказа // Вестник АГПУ. Естественные и технические науки 2007 - №1. - С.73-78.

36. Деркач Д.В. Результаты прогноза температурного режима в Армавире до 2015 года // Вестник АГПУ. Естественные и технические науки 2007. -№2. - С.88-92.

37. Дзюба А.В., Панин Г.Н. Механизм формирования многолетних направленных изменений климата в прошедшем и текущем столетиях // Метеорология и гидрология. 2007. - №5. - С.5-26.

38. Дымников В.П. Моделирование климата и его изменений // Избранные труды государственной научно-технической программы России «Глобальные изменения климата». Москва, 1997. - С.216-231.

39. Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М. Проблемы моделирования климата и его изменений // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. — 2006. Т.42, №5. - С.618-636.

40. Жуков В.А., Святкина О.А. К вопросу адаптации сельского хозяйства центра Европейской России к возможным изменениям климата // Метеорология и гидрология. 2002. - №4. - С.85-92.

41. Жуков В.А., Святкина 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.

42. Загайтов И.Б. Способ минимальных отклонений и прогнозирование // Тезисы докладов III Всероссийской Конференции «Применение математической статистики в экономике сельского хозяйства». Рига, 1972. -С.40-43.

43. Загайтов И.Б., Расскин В.Г., Яновский Л.П. О прогнозировании тенденций в изменении урожайности зерновых культур // Тр. Воронежского СХИ. Воронеж, 1979. - Т. 107. - С. 107-114.

44. Захаровская Н.Н., Ильинич В.В. Метеорология и климатология. М.: КолосС, 2005. - 127 с.

45. Зоидзе Е.К. О системе оценки агроклиматических ресурсов Российской Федерации // Метеорология и гидрология. 2002. - №3. - С.90-100.

46. Зоидзе Е.К. Перспектива использования агроклиматической информации при экономическом обосновании цен продажи, аренды или сдачи в залог земель // Новые тенденции в агрометеорологии. 2000. — Вып.5. - С.44-60.

47. Зоидзе Е.К., Шостак З.А. Об оценке использования агроклиматических ресурсов в России // Метеорология и гидрология. 1996. - №10. - С.88-102.

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

49. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. Киев: Техника, 1975. - 312 с.52