Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Изменчивость основных показателей климата Татарстана в современный период

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость основных показателей климата Татарстана в современный период"

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ р ^ ^ 0 д На правах рукописи

.-• пГЧ <(">'" С

2 НЕ Л

УРМАНОВА Анна Геннадьевна

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КЛИМАТА ТАТАРСТАНА В СОВРЕМЕННЫЙ ПЕРИОД

Специальность : 11.00.09 - Метеорология, климатология,

агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

КАЗАНЬ-1996

Работа выполнена в Казанском государственном университете

Научный руководитель - доктор географических наук,

профессор ПЕРЕВЕДЕНЦЕВ Ю.П.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник ФАХРУЩИНОВА А.Н. - кандидат географических наук, доцент ГАРАФЕЕВА Е.З.

Ведущая организация - Саратовский государственный

университет

Защита состоится "26" декабря 1996 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 053.29.15 в Казанском государственном университете по адресу : 420008, г.Казань, улЛеннна, 18, корп.2, факультет географии и геоэкологии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского университета. Отзывы и замечания, заверенные печатью, направлять по указанному адресу в двух экземплярах.

Автореферат разослан ноября 1996 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор географических наук, профессор . /^/у-А- Мозжерин В.И.

Общая характеристика работы

В последние десятилетия в связи с врзрастанием антропогенной нагрузки на природную среду происходят изменения глобального и регионального климата, учащаются катастрофические явления - засухи, похолодания, наводнения и др. Возникло понимание необходимости более глубокого и комплексного изучения изменчивости природных процессов не только в научных кругах, но и на правительственном уровне. Исследования координируются в рамках глобальных и региональных научных программ. Широкой известностью пользуется Всемирная программа исследований климата, наделенная на решение ряда проблем, касающихся мониторинга климатической системы, диагноза современного состояния климата, моделирования и прогноза его глобальных и региональных изменений. Настоящая работа посвящена изучению климатических изменений на территории Республики Татарстан (РТ) в современный период.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена:

- необходимостью более глубокого изучения и уточнения особенностей пространственно-временного распределения, динамики основных климатических показателей - температуры воздуха и атмосферных осадков в регионе;

- практической потребностью обеспечения различных отраслей народного хозяйства и, в первую очередь - сельского, метеорологической и климатологической информацией, отражающей современное состояние климата региона;

- недостаточной изученностью проявления экстремальных природных явлений на территории республики'и необходимостью разработки методов их прогноза.

Цель работы:

- дать всесторонний анализ пространственно-временного распределения основных климатических показателей - температуры воздуха и атмосферных осадков на территории РТ в последние десятилетия, выявить тенденции их долговременных колебаний, исследовать климатические экстремалии и их связь с наиболее изменчивым из основных климатообразующих факторов - циркуляцией атмосферы.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

- формирование банка исходных климатических данных;

- выбор методологического подхода для реализации их математико-статисти-ческой обработки и анализа. Создание необходимых для этого программных средств;

- изучение характера пространственно-временного распределения температуры воздуха и количества осадков на территории РТ;

- оценка возможности использования теоретико-вероятностных методов в целях мониторинга климатической изменчивости;

- выявление особенностей проявления аномальности в режиме температуры воздуха и атмосферных осадков в регионе;

- оценка характера и тесноты взаимосвязи между макроциркуляционными

процессами и короткопериодными колебаниями температуры воздуха и увлажнения

.1

на территории РТ.

Научная новизна и основные результаты работы заключаются в следующем:

- впервые для всей территории Татарстана за последние 60 лет (1933-1992 гг.) выполнен объективный анализ исходных данных по температуре и осадкам с большим временным разрешением с целью повышения качества и расширения базы исходной климатической информации.

- получены новые количественные характеристики многолетнего режима температуры воздуха и атмосферных осадков на территории Татарстана, подготовлен соответствующий картографический материал;

- впервые проведена оценка территориальной неоднородности климатических показателей режима температуры воздуха;

- выявлены основные тенденции изменений в многолетнем ходе температуры воздуха и атмосферных осадков в современный период;

- впервые с помощью вероятностно-статистического подхода получены характеристикл выбросов среднсдекадной температуры воздуха в регионе;

- получены новые количественные оценки вклада макроциркуляцнонных факторов в межгодовую изменчивость температуры воздуха и атмосферных осадков.

Основные положения, выносимые на защиту:

- особенности пространствешю-временного распределения температуры воздуха и атмосферных осадков на территории Татарстана в последние шестьдесят лет;

- основные тенденции долговременных изменений в ходе температуры и осадков на территории РТ за последние десятилетия;

- особенности долговременных изменений температуры воздуха за последние 165 лет на станции Казань,университет;

- результаты оценки вероятностных характеристик выбросов среднсдекадной температуры воздуха на станциях республики;

- результаты исследования влияния крупномасштабной циркуляции на короткопериодные колебания в режиме температуры и осадков на территории РТ.

Практическая значимость работы заключается в получении надежных количественных показателей, дающих оценку территориального распределения и временной изменчивости, тенденций долговременных изменений, степени экстремальности климатического режима РТ в последние десятилетия. Это позволяет рекомендовать их качестве базовых данных при осуществлении мониторинга климата, а также для обоснования более эффективного использования природных ресурсов РТ. Результаты представляют интерес для обеспечения функционирования городского хозяйства, средств энергоснабжения, транспорта, сельскохозяйственного производства и водного хозяйства, а также для учебно-методических целей.

Апробация работы. Результаты исследования изложены в 4 опубликованных статьях. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции "Современная география и окружающая среда" (1996 г.), итоговых научных конференциях Казанского университета в период 1992-1996 гг., научных семинарах кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы К1У.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации составляет140 страниц, работа содержит 13 рисунков и 8 таблиц. Список литературы включает 104 наименования.

В качестве исходного материала были использованы ряды наблюдений за температурой воздуха, количеством осадков на 18 станциях РТ, начиная с 1933 до 1992 г. (временное разрешение - месяц, декада) и наиболее длинные ряды паблю-дений на ст.Казань,университет (1828-1992 гг.), а также данные о повторяемости основных форм циркуляции 1\Я.Вангенгенма-А_А.Гирса в период 1900-1992 гг.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, излагаются цели и Задачи исследования, дана оценка научной новизны и практической значимости результатов работы, приведен перечень положений, выносимых на защиту.

В первой главе проведено детальное исследование пространственно-временного распределения температуры воздуха в пределах РТ в различном масштабе осреднения (декада, месяц, теплый и холодный период, год). Рассмотрена статистическая структура рядов температуры, оценена степень территориальной и временной однородности средних (х) передних квадратических отклонений (сг). Дана оценка долговременных изменений температуры на территории Татарстана за различные периоды времени (от 26 до 165 лет). С помощью теории выбросов случайных функций проведена оценка вероятностных характеристик среднедекадной температуры воздуха.

Расположение республики на востоке Русской равнины определяет климат данного региона как умеренно континентальный. Высокая активность циркуляционных процессов в поясе умеренных широт обуславливает большую изменчивость климатических условий во времени. Рельеф и другие элементы подстилающей поверхности в пределах республики в основном определяют ряд мезомасштабных особенностей географического распределен™ основных климатических показателей.

Изучению различных аспектов климатического режима региона и г.Казани посвящены многочисленные исследования, отнесенные к различным периодам времени, начиная с первой работы Ф.К.Броннера (1815 г.) и заканчивая коллективной монографией кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы Казанского университета "Климат и загрязнение атмосферы в Татарстане" (1995 г.). В данной работе впервые выполнен анализ изменчивости основных климатических показателей - температуры воздуха и атмосферных осадков на однородном материале, но всем станциям республики и за наиболее длительный период в примечательный отрезок времени, когда отмечается глобальное потепление климата.

Сравнительный анализ режимных характеристик температуры воздуха, полученных в работе, с аналогичными показателями более ранних исследований показал их хорошее согласование в территориальном распределении по республике. Это обусловлено относительно постоянным соотношением вкладов каждого из основных факторов в формирование климата данного региона. Некоторые расхождения в значениях статистик объясняются как удлинением обрабатываемых рядов, так и использованием тщательно выверенного фактического материала. С одной стороны, в работе существенно уточнены количественные характеристики климата, с другой, впервые проведена детальная оценка однородности их •прбстранствешгого и временного распределения.

Средние многолетние значения температуры воздуха испытывают изменения при уменьшении периода осреднения (за последние 26 лет они выше, чем за 60), но эти расхождения не превышают статистических ошибок определения самих показателей.

Годовой ход температуры обусловлен сезонностью в притоке солнечной радиации - минимум наблюдается в январе (смежных декадах января, февраля), максимум- в июле (его второй декаде). В табл.1 представлены основные статистические параметры ряда температуры, осредненного по восьми станциям, имеющим самые длинные ряды наблюдений. Средняя температура теплого периода года по абсолютному значению выше, чем холодного, что обуславливает положительную

среднюю годовую температуру. За исследуемый период отрицательные среднегодовые температуры наблюдались на северо- и юго-востоке в 1941 и 1969 гг.

Таблица 1

Основные статистические показатели распределения средней температуры воздуха в Татарстане, осредненной по 8 станциям. Период 1933-1992 гг.

1 Статист. МЕСЯЦЫ Периоды Год

показатель 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 хол тепл

среднее х, С -13,7 -12,6 -6,7 4,0 12,3 17,1 19,0 17,0 ид 3,2 -4,5 -10,3 -9,5 12,0 3,0

ср.квадр. отклонение а,°С 4,0 3,5 2,6 2,6 2,3 1,9 1,8 1,7 1,9 2,1 2,4 3,6 1,9 0,9 1,0

|коэф.асим. -0,35 -0,47 -0,09 0,28 -0,10 0,33 -0,01 0,62 -0,03 -0,08 -0,44 -0,39 -0,50 0,06 -0,41

коэф.эксц. СЕ -0,44 0,17 -0,45 -0,22 -0,13 -0,34 -0,69 0,02 0,24 0,93 -0,58 -0,54 0,24 -0,57 0,24

Самая высокая температура воздуха во все сезоны наблюдается на западе и юго-западе республики, а самая низкая на северо- и юго-востоке. Некоторые станции из-за местных орографических условий имеют относительно низкую температуру в зимний период, и относительно высокую в весенние и летние месяцы (Чулпаново, Муслюмово). Ст.Казань,ун-т отличается повышенным температурным фоном в любое время года из-за влияния так называемого "острова тепла" большого промышленного центра. Нами подготовлены карты средних многолетних температур на территории Татарстана за год, теплый, холодный периоды и месяцы. На рис.1а-б представлены карты для холодного и теплого периодов. Наибольшая разность между значениями средних многолетних температур на станциях республики (без учета ст.Казань,ун-т) составляет 0.9°С для среднегодовых, 1.4°С для средних за холодный и 1.0°С для средних за теплый периоды, 1.5°С для средних за месяц и 1.6°С за декаду.

Анализ критериев Стьюдепта при оценке расхождения средних для пар станций показал, что в основном нет значимых различий, за исключением средних многолетних значений температуры (за год, холодный и теплый период, месяц, декаду) для ст.Казань.ун^г и Бугулъма.

Изменчивость температуры в целом за холодный период выше, чем за теплый. Годовой ход ст среднемесячной и среднедекадной температуры противоположен годо-вому ходу средних многолетних температур. Самые высокие значения среднеквадратических отклонений имеют среднедекадные температуры. С помощью критериев Фишера установлено, что дисперсии средних температур на станциях рес-

публики являются однородными, то есть расхождения между ними носят случайный характер. Следовательно, изменчивость температуры воздуха на территории региона в большей степени определяется крупномасштабными факторами и мало зависит от местных условий. Поэтому величины среднеквадратических отклонений многолетних средних годовых, средних за теплый и холодный периоды, среднемесячных и среднедекадных температур в целом для республики можно считать примерно постоянными.

Рис.1. Средние многолетние температуры воздуха (°С) на территории Татарстана за холодный (а) и теплый (б) периоды

В многолетнем ходе средних температур самые высокие значения наблюдались в 1975 и 1981 гг. (за год, теплый период, в 1975 г. - в марте, апреле, а в 1981 г. - в июле и августе). Самые низкие значения средних температур - в 1941 и 1969 гг. (за год, за теплый и за холодный периоды, в 1941 г. - в мае, июне и ноябре, в 1969 г. - с января по май).

Согласованность временного хода средних температур на станциях республики подтверждается наличием высокой статистической связи между соответствующими временными рядами (парные коэффициенты корреляции не ниже 0,87). Это лучшим образом проявляется в холодный период года в целом и его отдельные месяцы (снежный покров сводит к минимуму влияние местных особенностей подстилающей поверхности), а летом - наоборот. В меньшей степени согласован временной ход температуры между станциями, расположенными на окраинах республики (Дрожжаное, Бугульма и Агрыз).

Оценка асимметричности и эксцесса распределений температуры различного временного разрешения подтвердила, что наибольшие отклонения от нормального распределения имеют распределения средней температуры в холодный период года. Полученные результаты не противоречат оценкам, сделанным Н.В.Кобышевой (1971 г.)

Анализ характеристик тренда температуры воздуха показал, что нет статистически значимых различий в характере долговременных изменений температуры на разных станциях республики. Следовательно, крупномасштабные климатообразую-щие факторы оказывают решающее влияние на характер этих изменений. За последние 60 лет наблюдается положительный линейный тренд в ходе среднегодовой, и особенно интенсивный рост средней за холодный сезон температуры. Общий прирост, обусловленный систематической составляющей, за данный отрезок времени достигает 1.7, 3.0, 1.0°С для среднегодовой, средней за холодный и теплый сезоны температуры соответственно. Наибольших значений скорость систематических изменений в ходе средних температур за год и холодный период достигает на отрезке последних 26 лет. Для теплого периода статистически значимых оценок не получено.

В ходе среднемесячных температур (СМТВ) за период 1933-1992 гг. также наблюдается повышение - наиболее интенсивное в зимние месяцы и в марте (прирост температуры, обусловленный систематической составляющей, до 3.0 - 3.7°С), а менее в весенние - апреле, мае (прирост до 1.8, 2.4°С). В августе па всей территории происходит систематическое уменьшение среднемесячной температуры, так отрицательный тренд обуславливает падение на 1.7 - 1.8°С.

На территории Татарстана расположены две станции с достаточно надежными длинными рядами наблюдений за температурой воздуха - это ст.Казань,ун-т (с 1828 г.) и Елабуга (с 1886 г.). Чтобы выявить особенности колебаний температуры в последние десятилетия, с помощью метода скользящих временных рядов были изучены закономерности ее изменения в течение разных временных отрезков на протяжении 165 лет. Основные выводы, полученные для территории РТ справедливы

для восточной части Русской равнины в целом. Об этом свидетельствуют результаты исследований Е.С.Рубинштейн Л.Г.Полозовой (1966).

Анализ хода скользящих средних годовых температур и их спектральное разложение показывает, что в прошедшем столетии до 1909 г. в основном преобладали короткопериодные циклы с заметно меньшими амплитудами - наибольшая мощность в спектре падает на период 4,2 года; для отрезка 1910-1992 гг. - это колебание с периодом 11,1 лет. В рядах СМТВ зимних месяцев и апреля преобладают циклы от 10,0 до 15,4 лет (1928-1992 гг.), в остальные месяцы значимы колебания от 3,5 до 6,9 лет, в июле и августе нет значимых циклов. Не исключено, что сказывается влияние солнечной активности на климатические процессы.

Общее потепление, выраженное в повышении годовых температур за 165 лет, проявляется в росте СМТВ, наиболее интенсивное в марте, апреле и декабре, а также за теплый и холодный периоды года.

На указанных станциях в период одновременных наблюдений (1886-1992 гг.) нет статистически значимых отличий параметров моделей линейного тренда. При общем совпадении направленности долгопериодных изменений, скорость прироста температуры на ст.Казань.ун^г выше. Использование скользящих временных рядов (30 и 60 лет) дало возможность определить периоды, на которые приходятся наиболее значимые участки роста (падения) средней температуры. На рис.2, можно проследить ход 30-летних скользящих температур и тренд температуры воздуха на ст.Казань,ун-т, где по оси X отложены годы, относящиеся к середине отрезка скольжения. Как правило, направление изменений температуры холодного и теплого периодов года является противоположным. Исключение - первое тридцатилетие 20 века. Скорости прироста температуры холодного периода выше, чем теплого. Наиболее значимым в статистическом и количественном плане был рост температуры для холодного периода года - в последние десятилетня (0,88 и 0,36°С/10 лет для 30 и 60-летних рядов соответственно), для теплого периода года - с конца 70-х гг. 19 века до конца 30-х гг. 20 века, более существенный в текущем столетии (0,55°С/10лет за 1909-1938 гг.). В годовом разрезе отражаются особенности теплого и холодного периодов.

Характер долгопериодных изменений в ходе СМТВ таков, что интенсивный рост температуры холодного периода на стыке двух веков обусловлен ростом СМТВ ноября, декабря, января и марта, а теплого периода - повышением СМТВ всех месяцев, кроме мая, наиболее интенсивное в октябре. Рост средней температуры • холодного периода в последние тридцатилетия обусловлен значимым трендом в январе и феврале. В отличие от других месяцев, в июле, августе, октябре и ноябре долгопериодные изменения температуры происходят волнообразно: для временного

хода температуры этих месяцев характерно наличие как участков значимого роста, так и падения.

Годы

Рис.2. Скользящие • 30-летние средние температуры и линейный тренд температуры воздуха за год (а), холодный (б) и теплый (в) периоды на ст.Казань,университет. Период 1828 -1992 гг.

Теоретико-вероятностный метод получения характеристик выбросов температуры (Каган РЛ., Федорченко Е.И., 1970,1976), в данной работе адаптирован

1 V 1 Г с?-22Ж,С, + I рг(с,,г) = Ф(с,)[1 -Ф(с2)]- — 1-г—уехр - 2 ёг (1)

к рядам среднедекадной температуры воздуха. Для этого необходимо задать вид совместного распределения средней декадной температуры 1(0 в последовательные моменты времени (декады). Пусть Ш1 и тг , а^ и а2, А1 и А2 - средние, дисперсия и коэффициент асимметрии последовательности £(0 в последовательные моменты времени Ц и 1г, соответственно. В простейшем случае плотность совместного

распределения величин х = --------- и у ----это плотность двумерного

сг, о 2

гауссовского распределения (рг(С,г) с пулевым средним, единичной дисперсией и коэффициентом корреляции г. Тогда вероятность выброса последовательности £(1) в момент ^ через уровень С рассчитывается по формуле (Крамер, 1969):

С^ -22Ж,С2 +с\

2я Iт/ГГ?"^Г 2(1-г2)

С-ш, С-т, „

где с. =-, с, =- - нормированные уклонения уровня С от

СГ, а2

математических ожиданий Ш1 и т2 или относительные уровни;

> "г (

Ф(и) = ^= - интеграл вероятностей.

Вероятность пребывания последовательности Г (О выше уровня С в момент времени ^ определяется по формуле: чг(С) =1 - Ф(С|).

В стационарном случае С1=С2, в нестационарном сх^сг- Для описания двумерных распределений среднедекадной температуры используется двумерный аналог ряда Грамма-Шарлье с учетом отклонений от гауссовских значений до 3-го порядка включительно. Было установлено, что необходимое условие для этого - слабая или умеренная асимметричность частных распределений среднедекадной температуры на станциях Татарстана - выполняется. При нахождении вероятности выброса вводится поправка на отклонение исходного распределения от гауссовского.

Расчет проведен по исходным рядам среднедекадной температуры отдельных месяцев, холодного и теплого периодов (1933-1992 гг.) и с помощью методов теории случайных функций в предположении стационарности (нестационарности) процесса и его малого отклонения от гауссовского. Уровенные значения температуры изменялись от -30 до 30°С через 2°С. Различия вероятностных характеристик выбросов для разных станций лежат в пределах ошибок их определения, поэтому сравнивались фактические характеристики двух станций (Тетюши и Бугульма) представляющих юго-запад и юго-восток республики, а соответствие расчетных и фактических для одной (Тетюши). Наибольшее среднее число выбросов как вверх (1Ч№), так и вниз

(Nun) приурочено к уровням близким к средней многолетней температуре. Фактические значения Nur и Ndn изменяются от 0,18 до 1,00, модельные - от 0,12 до 0,98 декады в месяц, до 2,1 декады в период при расчетах по нестационарной схеме.

Анализ показал, что расчетные характеристики выбросов среднедекадной температуры в нестационарном случае вполне адекватно отражают реальные процессы, особенно в центральные месяцы зимы и лета (январь и июль) и в целом за холодный и теплый периоды, несмотря па невысокие коэффициенты междекадной корреляции. В дальнейшем в модели необходимо учитывать моменты исходных распределений более высоких порядков, чем третий (асимметрия).

Во второй главе проведено детальное исследование пространственно-временных особенностей режима атмосферных осадков в пределах РТ с различным интервалом осреднения (декада, месяц, теплый и холодный период, год). Рассмотрена статистическая структура рядов сумм осадков. Изучен характер долгопериодных тенденций изменения количества атмосферных осадков в регионе за последние двадцать шесть лет. Оценена статистическая степень климатологической неоднородности во временных рядах месячных сумм осадков, вызванная сменой измерительного прибора на метеорологической сети. Предложена и реализована методика ее устранения.

Рассматриваемый в работе период 1966-1992 гг. наиболее близок к базовому тридцатилетию (1961-1990 гг.), включает ряды однородных наблюдений за осадками и, следовательно, наиболее полно и точно характеризует режим атмосферных осадков за последние десятилетия.

Годовые суммы осадков в среднем многолетнем разрезе изменяются от 463 до 576 мм. Суммы осадков холодного периода меньше, чем теплого (125-211 и 338-398 мм, соответственно). Причем, пространственное распределение осадков в целом за год целиком отражает оро1рафические особенности территории республики, определяющие наибольшее количество осадков на северо-западе - в Западном Предкамье и на юго-востоке - на Бугульминско-Белсбсевской возвышенности. В отличие от холод-ного, в теплый период осадки носят преимущественно ливневой характер, в большей ■ степени, определяемый местными особенностями подстилающей поверхности, поэтому общая картина территориального распределения количества осадков имеет некоторую пятнистость. Результаты представлены в виде карт многолетнего количества осадков. На рис.За-б приведены карты для холодного и теплого периодов года. В годовом ходе осадков максимум месячных сумм наблюдается в июле, а минимум - в марте. Анализ также показал, что величины экстремальных сумм осадков за холодный период в отличие от теплого не дают существенного вклада в годовые суммы осадков.

Рис.3. Среднее многолетнее количество осадков (мм) на территории Татарстана за холодный (а) и теплый (б) периоды

Изменчивость количества осадков оценивалась по величине коэффициента вариации (Су). Его значение возрастает с уменьшением временного осреднения данных, т.е. от годовых сумм осадков к декадным. Пространственные различия изменчивости годовых осадков не существенны (Су равно 15-21%). Этого нельзя сказать о суммах осадков холодного и теплого периодов в целом (20-32%) и по месяцам. Самыми устойчивыми являются месячные суммы ноября, декабря и января (1945%). Наибольшей неустойчивостью характеризуются суммы осадков февраля, мая, марта и апреля (58-77%). Построены карты территориального распределения Су. Так большей изменчивости подвержены суммы осадков в южной части республики, а меньшей - в северо-западной.

Статистические распределения сумм осадков обладают значительной положительной асимметрией, ввиду легко достижимого нижнего физического предела (отсутствие осадков). Особенно четко это проявляется в распределениях

декадных сумм. Для распределений осадков других временных разрешений может наблюдаться незначительная отрицательная асимметрия.

В результате анализа параметров линейного тренда временного хода сумм осадков в зимние месяцы выявлены тенденции их уменьшения, особенно значимые в Предволжье, на юго-востоке и в Восточном Предкамье. В Западном Закамье, напротив, происходит постепенное увеличение осадков (с ноября по январь). Только в феврале и марте наблюдается.тенденция к уменьшению количества осадков на большей части республики. В целом за зимний период наибольший отрицательный тренд имеет место на станциях Предволжья и положительный - в Западном Закамье. В месяцы теплого периода, в основном, отмечается тенденция к увеличению осадков, что особенно ярко проявляется в центральной части и на северо-востоке республики. В мае, июле, августе значимый тренд в ходе количества осадков наблюдается на большинстве станций. Причем на юго-западе в мае, на востоке в июле происходит их уменьшение, а в августе, сентябре - увеличение почти на всей территории. За весь теплый период надежно выделяется положительный тренд количества выпадающих осадков в центральной части, а в целом за весь год происходит уменьшение сумм осадков в Предволжье и увеличение в центральной части республики.

В работе также предложен статистический метод для устранения неоднородности в рядах месячных сумм осадков, вызванной сменой измерительного прибора, так как разработанные в ГГО методики требуют много детальной метеоинформации, а использование переходных коэффициентов (Справочник по климату, 4.4) не дает удовлетворительных результатов. Были выбраны станции, имеющие наиболее длинные ряды наблюдений (с 1925 г.) и разные условия защищешюсти (Елабуга, Казань,оп. и Мензелинск). Суть методики состоит в принятии гипотезы о том, что средняя многолетняя сумма осадков за период осадкомсрных наблюдений (в стационарном случае) является истинной и дождемерная часть наблюдений (относительные аномалии) приводится к осадкомерной. Метод варьируется в зависимости от степени нестационарности временных рядов до и после смены прибора. В результате этого различия средних и дисперсий сводятся к минимуму, что проверено с помощью статистических критериев. Наибольшая эффективность достигается в рядах наблюдений станций защищенного и нолузащнщенного типов. В дальнейшем предполагается теоретическое совершенствование метода!

В третьей главе детально исследован характер короткопериодных аномалий температуры и осадков в регионе - устойчивость аномалий, вероятность и степень их проявления в различные периоды года. Дана статистическая оценка воздействия макроциркуляциоиных процессов в I е.с.р. на температуру воздуха и увлажнение на

территории РТ.

В качестве циркуляционных характеристик использовались индексы циркуляции Вангенгейма-Гирса - повторяемость западной (\У), восточной (Е) и меридиональной (С) макроциркуляционных форм. Несмотря на то, что индексы являются характеристиками крупномасштабных циркуляционных процессов в атмосфере Атлантико-Евразийского сектора полушария, они могут быть использованы для изучения региональных особешюстей режима температуры и осадков. Как правило, формирование крупных климатических аномалий связано с длительным преобладанием той или иной формы циркуляции. За исследуемый в работе период с 1933 по 1992 гг. Происходит активизация меридиональных циркуляционных процессов и ослабление зональности. На основании анализа колебаний повторяемости форм циркуляции сделаны выводы о том, что долгопериодные колебания частоты появления различных форм циркуляции в тот шш иной период года находят свое отражение в характере климатического режима изучаемого региона. Наличие значительного положительного тренда в ходе повторяемости формы Е и отрицательного в ходе повторяемости форм Си! в летние месяцы за последние 60 лет свидетельствует об усилении воздействия антициклонических процессов над территорией Среднего Поволжья, включающей РТ. С этим обстоятельством возможно связано увеличение числа жарких и сухих летних сезонов. С другой стороны, положительный тренд в ходе аномалий повторяемости формы в холодный период, особенно в декабре, за последние 30 лет, по-видимому, является следствием активизации циклоничности в данное время года и, следовательно, объясняет некоторое смягчение зим в связи с усилепной адвекцией теплых влажных воздушных масс с Атлантики.

Для анализа короткопериодных аномалий в режиме температуры воздуха и осадков использовались среднемесячные данные пяти станций республики, расположенных во всех ее физико-географических районах.

Было установлено, что средняя продолжительность аномалий температуры одного знака составляет 2,1 - 2,4 месяца. В последнее тридцатилетие сократилась средняя длительность отрицательных аномалий, особенно в холодную часть года. Средняя продолжительность периодов отрицательных аномалий осадков меньше, чем положительных, соответственно - 1,9 и 2,5 месяца. Устойчивость периодов положительных аномалий осадков в последнем тридцатилетии (1963-1992 гг.) снижается (заметнее на востоке республики) и растет устойчивость периодов их отрицательных аномалий (особенно на юго-западе).

Между аномалиями температуры воздуха и осадков на станциях существует значимая отрицательная корреляционная связь с мая по сентябрь (г изменяется от -0,33 до -0,56, при го,95=0,25) и значимая прямая связь в ноябре, январе, феврале (при г от 0,28 до 0,39), что обусловлено различием характера действия циркуляционных и радиационных факторов в теплую и холодную часть года.

Для исследования степени экстремальности СМТВ холодного периода года, с учетом того, что наибольшие значения от близки к 4°С, в работе использованы три критерия оценки: средние - 4<|ДТ|<6°С, крупные - 6<1ДТ|<8°С, и очень крупные -!ДТ| >8°С аномалии температуры. Выявлено, что в тридцатилетии 1933-1962 гг. относительно остальных больщую повторяемость имели средние и крупные отрицательные аномалии, а в период 1963-1992 гг. - только крупные отрицательные и заметно возросла повторяемость средних и крупных положительных аномалий. Установлено, что формирование крупных и особенно крупных аномалий СМТВ наиболее часто происходит в зимние месяцы, кроме того, температурный фон именно этих месяцев определяет экстремальность всего холодного периода. Поэтому для исследования характера статистической связи между экстремалиями температуры и циркуляцией атмосферы использован временной ряд средней температуры воздуха, осредненной только за зимний сезон (декабрь предыдущего, январь, февраль текущего года). На основании корреляционного и регрессионного анализа между аномалиями температуры зимнего сезона и аномалиями индексов Вангенгейма-Гирса установлено, что из всех' форм циркуляции колебания повторяемости формы V/ оказывает наибольший вклад (до 29%) в межгодовую изменчивость температуры зимних периодов. С увеличением повторяемости формы связало повышение температурного фона всего зимнего сезона. Понижение же его, может быть вызвано увеличением повторяемости одной из меридиональных форм. Увеличение повторяемости формы Е связано с повышенной частотой воздействия отрогов Сибирского антициклона и, следовательно, пониженным температурным фоном (вклад до 15%). Реализация формы С имеет неоднозначный характер проявления в регионе.

Анализ экстремумов в ходе аномалий температуры и осадков в теплую часть года показал, что экстремально низкий температурный фон теплого полугодия обусловлен крупномасштабными факторами, действующими в течение всего или большей части этого периода, а экстремально высокий - формируется в результате короткопериодных колебаний, длительность которых изменяется от одного до двух месяцев.

Исследуемая территория является зоной умеренного увлажнения. Поэтому для

изучения экстремальных явлений, таких как засуха или избыточное увлажнение становится важной оцежа отклонения температуры и сумм осадков от обычных, стандартных многолетних значений. Комплексным показателем, учитывающим совместное влияние на климатические условия аномалий в режиме температуры (ДТ) и осадков (ЛИ) является индекс засушливости &^=ДТ/сг-рЛ11/сгк , предложенный ДАПедем (1956).

Средняя длительность периодов переувлажнения по оценкам за весь исследуемый отрезок времени несколько больше, чем периодов засушливости -1,9 и 1,7 месяца соответственно. Однако для последнего 30-летии, выявлено обратное соотношение - длительность условий средней и опасной засушливости (За>1, Ба>2) превышает длительность соответствующих условий переувлажнения (8а<-1, 5а<-2). Это отражается на повторяемости месяцев, различающихся значениями индекса Педя по указанным градациям.

Рассматриваемая территория с большей вероятностью подвержена засухам весной и осенью, чем летом (вероятность значений Ба>1: весна - 26%, лето - 23%, осень -27%). Для избыточного увлажнения, наоборот, наиболее благоприятные условия складываются летом (вероятность значений 5а<-1: весна - 22%, лето - 29%, осень - 26%).

В межгодовой изменчивости индексов Педя отдельных месяцев наибольшие различия наблюдаются между западной и восточной частями республики. Это особенно заметно в летние месяцы, когда ослабевают статистические связи между рядами индексов Педя соответствующих станций.

В теплый период года характер совместного влияния циркуляционного и радиационных факторов (местный влагооборот обусловлен годовым ходом притока солнечной радиации) на условия атмосферного увлажнения существенно меняется, начиная с июля месяца. Весной и в начале лета условия атмосферной засушливости складываются на фоне сравнительно низкого атмосферного влагосодержания, даже при незначительном преобладании антициклоничности (реализация формы Е). А во вторую половину лета и осенью засушливые условия могут быть вызваны только циркуляционными факторами, так как местный влагооборот в эти месяцы способствует избыточности атмосферного увлажнения.

На основании вышесказанного и с учетом квазидвухмесячной средней длительности положительных или отрицательных значений индекса Педя, количественная оценка степени влияния колебаний повторяемости основных макроциркуляционных форм на изменчивость индексов засушливости была проведена для следующих пар месяцев теплой части года: апрель-май, июнь-июль, июль-август, сентябрь-октябрь. Корреляционный и регрессионный анализ показал следующее.

Во-первых, колебания повторяемости западной формы в меньшей степени, относительно других форм, влияют на формирование условий атмосферного увлажнения в теплый период года - они не выступают как значимый фактор изменчивости индексов засушливости ни для одного из рассматриваемых периодов (кроме июля-августа).

Во-вторых, наиболее эффективным является воздействие циркуляции при реализации форм Е и С, которые определяют разные состояния атмосферного увлажнения. В таких моделях их вклад в дисперсию индексов Педя сравнительно невелик : формы С до 13% для всех пар месяцев ; формы Е около 16%, кроме июля-августа, где вклад больше.

В-третьих, из всех выбранных пар месяцев состояние атмосферного увлажнения, количественно выраженное в показателе засушливости, в июле-августе является наиболее чувствительным к типу преобладающей циркуляции. В качестве предиктора себя хорошо зарекомендовали аномалии форм Е и С января текущего года, наравне с теми же показателями за июль-август. Из всех форм, изменчивость повторяемости формы Е в январе дает наибольший вклад в дисперсию названного ряда индексов Педя (38%), в июле-августе имеет место равнозначный вклад форм \У и С или формы Е (40%). Изменчивость показателя засушливости в июле-августе от года к году на 47% определяется изменчивостью повторяемости формы Е в январе и июле-августе (положительная связь).

Основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Выполнен наиболее полный анализ современного режима температуры воздуха и количества атмосферных осадков на территории Республики Татарстан. Построены карты распределения их средних многолетних значений за год, теплый и холодный периоды и по -месяцам, что позволило детализировать динамику поля исследуемых показателей в годовом ходе.

2. Впервые проведена статистическая оценка степени неоднородности территориального распределения средних многолетних значений температуры воздуха и ее среднеквадратнческих отклонений. Показано, что режим средних многолетних температур воздуха в данном регионе зависит, главным образом, от поступления солнечной радиации и циркуляционных факторов, местные физико-географические особенности, в основном орографические и гидрографические, определяют его мезомасштабные различия. Наблюдаемые расхождения имеют, преимущественно, случайный характер (доверительная вероятность не ниже 95%). Территориальная однородность ярче проявляется в холодный период года и обуславливается высокой активностью циркуляционных процессов и общим

состоянием подстилающей поверхности. Установлено, что характер временной изменчивости температуры воздуха в целом за год, в холодный и теплый периода, месяцы и декады не зависит от местных физико-географических условий.

3. Оценка параметров линейного тренда в многолетних колебаниях температуры на 19 станциях республики, показала, что нет статистически значимых различий в характере долговременных тенденций в ходе температуры воздуха в данном регионе. Глобальное потепление климата XX столетия проявляется в региональном повышении СГТВ, особенно, в интенсивном росте средней температуры за холодный сезон и его месяцы. Скорость роста за период 1933-1992 гг. составляет дай СГТВ 0,23°С/10 лет, для средней температуры за холодный период -0,39°С/10 лет, для декабря-марта - 0,47-0,64°С/10 лет. Значимый рост среднемесячной температуры в теплую часть года отмечается лишь в апреле, мае (0,37-0,40°С/10 лет). В августе, напротив, происходит систематическое понижение температуры, со скоростью 0,31°С/10 лет.

Анализ показателей, отражающих основные тенденции в ходе температуры за 165-летний период позволил выявить неравномерный характер изменения температу-. ры в течение года: в холодную и теплую части года отмечаются противоположные тенденции. Волна потепления, зафиксированная в начале текущего века, в теплый период года, после 40-х годов сменилась процессом стабилизации, в холодный же период с начала 60-х годов имеет место самое интенсивное за последние 165 лет потепление. Оно охватывает всю территорию РТ и, поэтому не может быть объяснено только действием локальных антропогешшх факторов.

4. Установлено, что основной тенденцией в ходе осадков за период 1966-1992 гг. в зимние месяцы и в целом за холодный период является уменьшение их сумм (2040% от нормы), особенно значимое на западе, юго-западе, юго-востоке и востоке республики. В месяцы теплого периода по преимуществу отмечается тенденция к увеличению осадков (45-60%) в центральной и северо-восточной частях республики. На востоке же в июле происходит уменьшение их количества (около 40%). Эти особенности отражаются на характере систематической составляющей в ходе годовых сумм осадков в указанных районах республики.

5. Анализ вероятностных характеристик выбросов среднедекадной температуры, проведенный с помощью методов теории случайных функций в предположении стационарности (нестационарности) процесса и его малого отклонения от гауссовс-кого, позволил получить данные о характерных пределах изменения температуры воздуха; уровнях, к которым приурочены максимумы выбросов температуры в различное время года; средней длительности пребывания температуры выше или ниже

определенного предела, величина которого может меняться в зависимости от поставленных задач (сельскохозяйственные, строительные и др.). Показано, что расчетные характеристики выбросов среднедекадиой температуры в нестационарном случае вполне адекватно отражают реальные процессы, особенно в центральные месяцы зимы и лета, а также в целом за холодный и теплый периоды, несмотря на невысокие коэффициенты междекадной корреляции. Отработанная методика может быть применена и в целях мониторинга загрязнения окружающей среды.

6. Разработана методика устранения климатологической неоднородности в рядах регулярных наблюдений за атмосферными осадками в холодный период года (месячное осреднение), обусловленной сменой осадкоизмерительного прибора. Доказано, что официальные методы в условиях региона оказываются неэффективными -разности между старой дождемерной и новой осадкомерной "нормами" достигают 57% от величины последней (72% - до введения всех поправок). Реализация предложенного способа сводит эти расхождения к минимуму. В результате получены более реальные новые ряды кадастровых значений сумм осадков за длительный период времени (1925-1992 гг.) и существенно уточнены средние многолетние суммы осадков месяцев холодной части года, что позволяет рекомендовать их в качестве новых климатических показателей многолетнего режима атмосферных осадков.

7. Проведённый анализ короткопериодных колебаний температуры воздуха и количества осадков показал, что средняя продолжительность аномалий температуры колеблется от 2,1 до 2,4 месяцев, средняя длительность периодов отрицательных аномалий осадков меньше, чем положительных и составляет 1,9 и 2,5 месяцев соответственно. Установлено также, что полную характеристику климатических особенностей холодного 'периода года можно получить, используя в качестве исходного ряд аномалий средней температуры зимнего сезона, так как именно в этот период наблюдаются наибольшие амплитуды колебаний температуры воздуха (более вероятны крупные и особо крупные аномалии - |ДТ| > 6 и 8°С).

Показано, что в холодный период года последнего тридцатилетия (1963-1992 гг.) происходит повышение температурного фона, а в теплый период наблюдается увеличение повторяемости атмосферной засушливости (по градациям значений индекса Педя).

8. Оценки степени влияния наиболее изменчивого из климатообразующих факторов - крупномасштабной циркуляции, па термический режим и характер увлажнения региона позволили установить, что повышенный температурный фон в зимний период в большей степени (вклад в общую дисперсию температуры - до 29%) определяется процессами западной формы циркуляции по классификации Вангенгейма-

Гирса. В теплый период года преобладает воздействие процессов восточной формы циркуляции, способствующих созданию недостаточного увлажнения (вклад в дисперсию индексов Педя до 16%). Наиболее ярко эта связь проявляет себя в июле-августе (вклад равен 40%), дополнительный же учет соответствующих процессов января приводит к ее усилению (вклад до 47%).

Основные результаты исследования опубликованы автором в следующих работах:

1. Изменения температуры воздуха в Казани под влиянием антропогенных факторов // Кратк.сообщ. на междунар. симпозиуме "Методы охраны атмосферы и водной среды. Регулирование и долгосрочное планирование природоохранных мероприятий",- СПб.: Изд-во РГГМИ, 1994,- С.17-18. Совместно с Переведенцевым Ю.П.,Верещагиным МА и Шанталинским K.M.

2. О некоторых закономерностях многолетних изменений климата но наблюдениям на станции Казань,университет // Атмосферная циркуляция, климат,загрязнение воздуха: Сб. науч. тр.- Казань: Изд-во Казан.ун^га, 1994.- С.44-49. Совместно с Переведенцевым Ю.П., Верещагиным М А и Шанталинским K.M.

3. Климат как индикатор антропогенных воздействий на природную среду // Актуальные экологические проблемы республики Татарстан. Материалы I Респуб. паучн. конф. Тезисы докл. Казань, 1995.- С.34. Совместно с Переведенцевым Ю.П., Верещагиным М А, Исмагиловым Н.В. и Шанталинским K.M.

4. Изменчивость режима температуры воздуха и осадков в Татарстане // Современная география и окружающая среда: Всероссийская научная конференция. Тез. докл.- Казань, 1996.- С.63-65.