Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Климатические параметры облачности в условиях неоднородности подстилающей поверхности

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Климатические параметры облачности в условиях неоднородности подстилающей поверхности"

Государственный комитет СССР по гидрометеорологии

ордена трудового красного знамени главная геофизическая обсерватория им.а.и.воейкова

На правах рукописи

читанава рамаз бегларович

удк 551.576.2 климатические параметш облачности в условиях

неоднородности подстилающей поверхности

11.00.09 - Метеорология, климатология и агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

ленинград 19 8 9

Работа выполнена а Ордена Трудового Красного Знамени Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова

Научный руководитель - доктор географических наук,

профессор Н.В.Кобышева

Официальные оппонзнты: доктор географических наук,

профессор В.И.Воробьев

кандидат технических наук, доцент В.Н.Козлов

Ведущая организация - Военно-инженерный Краснознаменный

институт им. А.Ф.Можайского

Защита диссертации состоится »»

1990 г.

в " " часов на заседании специализированного Совета 3 ¿'"ш присуждению ученой степени доктора наук в

Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова: Адрес: 194018, г.Ленинград, ул.Карбышева д.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории

Автореферат разослан " ¿V " _ 1990 года

Ученый секретарь специализированного Совета, локтор географических чаук, профессор Ко-

/Н.В.Кобьтева/

оещая характеристика работы

Актуальноеть_2§.ботн. Правильный учет степени покрытия небосвода облаками при выборе наземных пунктов астрономических наблюдений позволяет значительно повысить эффективность астрономических исследований.

Одной из основных задач астроклиматологии, предметом которой является изучение влияния комплекса метеорологических, геофизических и космических факторов на эффективность работы телескопов, является выбор места, пригодного для установки астрономической аппаратуры исходя из анализа режима облачности.

Наземные пункты для проведения оптических наблюдений над небосводом обычно выбираются на возвышенных местах, часто в горных районах, с разряженной метеорологической сетью.

Таким образом, именно там, где нужна наиболее подробная информация об облачности, приходится пользоваться ограниченными данными.

Исследование пространственных закономерностей распределения облачности в условиях неоднородности подстилающей поверхности при слабой метеорологической освещенности района, является крайне сложной.

Трудность решения указанной задачи определяется также тем, что поскольку астрономические наблюдения проводятся в определенные часы суток, чаще всего ночью, возникает необходимость в дифференциации климатических парг-метров облачности по частям суток.

Актуальность диссертационной работы определяется также возможностью использования полученных результатов не только для оптимизации астрономических наблюдений, но и для оценки возможности слежения за разными летательна и аппаратами и обеспечения полетов авиации в горных районах.

Ш2ью_раб о ты является разработка метода экстраполяции, пригодной в астроклиматологии климатических характеристик облачности в условиях неоднородности подстилающей поверхности.

йаучная_нови.-ша результатов диссертационной работы состоит в разработке нового метода экстраполяции облачности в условиях неоднородной и слабо освещенной в метеорологическом отношении местности.

Впервые для небольших масштабов в горных районах проведено сопоставление спутниковой и наземной информации об облачности.

Проведено исследование устойчивости ясного состояния неба. *

И£актическая_ценность работы заключается в том, что предлагаемая методика экстраполяции климатических параметров облачности может служить основой для выбора наземных пунктов, пригодных для установки оптической аппаратуры, как средства слежения за астрономическими объектами, а также за различными летательными аппаратами.

á2E2feüM2_E§£°™- Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- конференциях молодых ученых и специалистов ГГО (г.Ленинград 1982,83);

- семинарах ГГО (г.Ленинград 1982, 83, 84, 87);

- Республиканской научной конференции по проблемам развития производственных сил горных областей (г.Тбилиси 1985);

- Республиканской конференции молодых ученых и специалис- • тов по актуальным вопросам о Земле (г.Тбилиси 1986).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 4 опубликованных статьях.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 138 страницах, включает 24 рисунка и 24 таблицы. Список литературы содержит 105 наименований, из них 24 иностранных.

В пе]эвой_главе дается обзор литературы по изучению климатического режима облачности, отвечающего требованиям астроклимата по данным наземных и спутниковых наблюдений за облаками.

Анализ рассмотренных работ показал, ч™о основной астро-климатической характеристикой облачности ягляется количество ясных ночей, хотя до настоящего времени не установлены единые критерии определения ясной ночи. Разные авторы по разному определяют астрономически наблюдательные ночи в зависимости от непрерывной продолжительности ясного неба.

Авторы работ не уделяют достаточного внимания вопросам изучения устойчивости различных состояний неба и опираются лишь на данные метеорологических станций, проводимых наблюдения за облаками дискретно во времени. Они отмечают об уменьшении количества облаков в темное время суток по сравнению с дневными часами.

Следует отметить, что в условиях резко неоднородной подстилающей поверхности, местные факторы могут накладывать свой отпечаток на суточный ход облачности и может наблюдаться даже обратная картина - увеличение облачности ночью. Поэтому возникает необходимость тщательного изучения внутрису-точной структуры количества облаков для горных стран.

Обзор литературы по климатическому обобщению спутниковой информации об облачности дает возможность заключить, что в среднем наблюдается удовлетворительное согласие между характеристиками количества облаков, полученными по спутниковым и наземным данным. Однако, следует отметить, что авторы работ при исследовании спутниковой информации, основное внимание уделяют изучению режима облачности в глобальных масштабах, а в предлагаемой работе изучается возможность выявления мезомасштабных особенностей распределения облачности в горных районах.

Во второй главе рассматриваются общие закономерности пространственного распределения облачности в условиях неоднородности подстилающей поверхности (главным образом в горах) и утверждается, что учет общеизвестных факторов облакообра-зования не позволяет получить климатические выводы, пригодные для решения астроклиматических задач.

Для получения надежных результатов, которые могут быть использованы для целей астроклимата, наиболее правильным путем является статистическое исследование подробных материалов наземных и спутниковых наблюдений за облаками.

£

В этой же главе обосновывается выбор районов для исследования. С одной стороны целесообразно рассмотреть наиболее изрезанный участок, характеризующийся близостью к большой водной акватории, а с другой стороны одну из мощных горных систем с ярко выраженными, имеющими большие абсолютные высоты, вершинами.

В качестве первого района выбрана территория Приморского края, где изрезанность подстилающей поверхности очень велика, и в качестве второго района территория Грузинской ССР, являющаяся представителем горной системы и отличающаяся большим разнообразием орографических форм.

В работе приводится краткая физико-географическая характеристика указанных районов.

В_третьей_глазе представлены результаты исследования внутрисуточной структуры количества облаков.

Необходимые сведения об облачности по II станциям Приморского края и 12 станциям Грузии были взяты из метеорологических таблиц ТМ-1, а по 32 станциям Приморского края и 45 станциям Грузии из справочника по климату СССР.

Период обработки по 8 станциям заключен в пределах 19571982 гг., а по остальным станциям в пределах 1966-1982 гг.

Для исследования суточного хода облачности были расчитаны следующие статистические характеристики:

- среднее количество облаков за данный срок по месяцам;

- среднее квадратическое отклонение количества облаков в

данный срок от среднего многолетнего значения за этот же

срок;

- критерии Стьюдента за смежные сроки.

Анализ полученных результатов показал, что в Приморском крае повсеместно, в течение всего года, в темную часть суток количество средней облачности меньше, чем в светлую часть суток. При этом отмечается резкое изменение среднего количества облаков при переходе от дневных сроков наблюдения к ночным и наоборот С 1,5—2 б,). В течение дня и ночи ход облачности выражен слабо (0,5-1 б.). Критерии Стьюдента достигают статистически значимых величин лишь при переходе от дня к ночи и наоборот.

Заметим, что в районе Приморья значения средних квадрати-ческих отклонений больше, как правило, в ночные часы, но при этом различия в величине по сравнению с дневными сроками невелики.

На территории Грузии в суточном ходе облачности наблюдается большое разнообразие, как в зависимости от местоположения станции, так и от времени года.

В отличии от Приморья, в Грузии более резкие изменения среднего количества облаков отмечается в дневное время, близкое к околополуденным часам. Здесь не всегда ночные часы явится наиболее ясными, тем не менее следует констатировать, 1то для большей части районов в суточном ходе облачности ми-тмум приходится на ночное время.

На территории Грузии средние квадратические отклонения ! ночные сроки, как правило меньше, чем в дневные.

В целом небольшое отличие в значениях средних квадрати-геских отклонений для ночных и дневных сроков,как в Приморьем крае, так и в Грузии, говорит о достаточной надежности ¡аземных наблюдений за облаками ночью.

В работе приводятся табличные и графические материалы, ллюстрирующие суточный ход облачности.

Для оценки устойчивости различных состояний неба в ноч-ые часы использовались статистические характеристики, поз-оляющие дать дифференцированную оценку связности двух вели-ин - коэффициенты коллигации.

це, ~ условные вероятности попадания х, у в

интервалы I при попадании у, х в интервал!^" ,'(. соответственно; р(Х^), Р(3}) - вероятности попадания элементов х, у в эти интервалы.

Для устранения ненормированностиД , расчитывались норми-)ванные коэфициенты- коллигации по формуле

п __ дф Ао дТ

\е, Дф - фактическое отклонение Д от I, ДФ = Я"1 дТ - теоретически возможное при данном о/" (число совместных наблюдений за х и у) максимальное отклонение Д от I

s

I

I I I

<r> о

o"

U1

о

t*> ö

1»-гг ho-zz io-гг s»

LO-IZ hO-ZZ

ю-гг

¿о-гг ho-zz ю-гг

Ci

"Ч

V;

с г.

rs i* iu

tr

H fc?

о ir

X -J о

Ci О о

t- Б- ZZ

гс О

о О Cj

О

о

xt С Р,

s.

с О

о mÍ ^

о С) е-* tí

t.: «

о

л t: X ►i.

^ г; •»3 fiT

сз Т-

о ч.' U'

^ с

сЗ' Сн Г'

ь: X с

CG о с-

fj О е-

СО ' о CÛ

1 Березняки

До 10

0,9 -

48

07

0,6

¡.с

с.о

0,8

47

с.с

0.5

<0

«3

0.8

0.7

tf.fi 1

Й5 1

1.0

ее

0.8

ю

С.ь

0.5

о £'

Креас^чкГ .

(Очу*)

(Ггуз-*)

I I

<ч 3 а о

Уашур" (Груз**)

N. О

й ° ^ т

N 5>

/(у таи си

{фу.3й*)

п ч > \

ЯН 4a.pl.

июль

ч.

Рис. . Коэффициент коллкгации (сохранения ясного состояния неба) в разные участки темного времени суток.

при Д < I = 1

при А> I ЛТ=Д»««-1= 1

До удовлетворяет соотношению - I $ До $ I

Когда 0 < 'А„< I или -I ^ 0 можно утверждать о наличии положительной или отрицательной стохастической связи соответственно.

Нами были рассчитаны стохастические матрицы нормированных коэффициентов коллигации между сроками наблюдений за облаками: 22 - 01, 22 - 04, 22 - 07, 01 - 04, 04 - 07, 07- 10 часов для всего набора возможных сочетаний различных состояний неба (ясно, полуясно, пасмурно).

Анализ показал, что как в Приморском крае, так и на Кавказе в течение всего года Дс принимает положительные значения при переходе состояния неба от ясного к ясному и от пасмурного к пасмурному, и при увеличении временного интервала от 3 до 9 часов их значения уменьшаются в среднем от 0,70 до 0,30 При других переходах Я¡. принимает в основном отрицательные значения.

Между сроками наблюдений 01 - 04 и 04 - 07 часов значения Я0 (сохранения ясного неба) колеблятся в пределах 0,90 -0,75. Это говорит о том, что практически появление ясного неба в одном внутриночном сроке предопределяет сохранение такого же состояния неба как минимум до следующего срока наблюдения.

На рис. I, 2 изображены зависимости Я; (сохранения ясного неба) от длительности временного интервала и их значения в разных участках темного времени суток.

Помимо коэффициента коллигации для большого количества станций были рассчитаны принятые в климатологии коэффициенты устойчивости ясного и пасмурного состояния неба, анализ которых также подтвердил высокую устойчивость ясного неба.

Таким образом можно заключить, что ясное состояние неба ночью является достаточно устойчивым и принимается, что ночь можно назвать ясной с продолжительностью не менее 6 или 9 часов при наличии ясного состояния неба в двух или трех последовательных ночных сроках соответственно.

По принятым критериям рассчитано количество ясных ночей с продолжительностью более б и 9 часов по 17 станциям Приморского края и Грузии.

Анализ показал, что на территории Приморского края количество ясных ночей в холодное полугодие наблюдается намного чаще, чем в теплое. Это объясняется муссокным характером циркуляции атмосферы в этом районе. Здесь лето является весьма неблагоприятным периодом для проведения астрономических наблюдений.

На территории Грузии по распределению ясных ночей наблюдается более сложная картина. Здесь на разных станциях отмечается различный годовой ход количества ясных ночей.

Поскольку основной астроклиматической характеристикой является количество ясных ночей, а в справочных климатических изданиях такая характеристика облачности не приводится, то в работе рассмотрена связь между повторяемостью ясного неба и числом ясных ночей.

По данным 14 метеорологических станций Приморского края я Грузии, построена корреляционная зависимость между указанными характеристиками. Данные о повторяемости ясного неба были заимствованы из климатических справочников.

Связь между этими характеристиками оказалась достаточно 'есной. Коэффициенты корреляции между повторяемостью ясного [еба и количеством ясных ночей, продолжительностью не менее | и 9 часов равны 1, = 0,92 и % = 0,93 соответственно при редних ошибках этих коэффициентов ± 0,02.

Хорошая согласованность выбранных характеристик позволила остроить уравнения линейной регрессии, которые имеют вид: У, = 0,32 а: +Ы - - 0.-28Л; + 1,2

Средние ошибки уравнений регрессии составляют: 5,. а'.2,07, 5^**1.79

Таким образом, по найденным уравнениям по данным повто-[емости ясного неба, можем определить количество ясных ночей ошибками около ± 2 ночей.

й_Н£ШШШ2!1_главе изложена методика обработки данных утникопых снимков облачности для получения климатических рактеристик в условиях горных стран.

В связи с большой пространственной изменчивостью коти-зтва облаков в условиях резко неоднородно! подстилающей по-зхности, при определении климатических х; гакториетик облач-

Рис. з. Повторяемость ясного неба по общей облачности {%) по спутниковым данным. Июль.(Приморский край)

ности над данным пунктом, следует иметь в виду дискретность и неравномерность распределения по территории наземных метеорологических станций.

Поэтому для решения астроклиматических задач, возникла необходимость привлечения большого объема спутниковых данных об облачности, имеющих преимущество перед наземными данными с точки зрения глобального охвата.

Для указанных целей обрабатывались данные телевизионных снимков облачности со спутников "Метеор-2", представленных на микрофильмах. Инфракрасные снимки облачности в силу своей сравнительно малой разрешающей способности не использовались.

Количество снимков, подвергающихся обработке для территории Приморского края и Грузии составили 370 и 340 соответственно. Период обработки заключен в пределах 1976 - 1982 гг.

Все исследования проводились для центрального месяца летнего сезона - июля.

Каждый снимок с микрофильма увеличивался до удобного для обработки размера. Одновременно вводились поправки на привязку к местности по наземным ориентирам.

Было изучено общее распределение облачности над исследуемыми районами и с разрешением 0,5° по широте и долготе построены карты повторяемости ясного и пасмурного состояния неба по спутниковым данным (см. рис.3,4).

Методом пространственного осреднения, построены аналогичные карты по климатическим- данным наземных метеорологических станций.

Сравнение карт распределения облачности, построеных по данным спутниковых и наземных.наблюдений показало, что между ними существует хорошее качественное согласие как в Приморском крае, так и в Грузии, но в количественном отношении отмечается завышение повторяемости ясного неба и занижение повторяемости пасмурного неба по спутниковым.данным (на 5-8 %). Эти различия принимают более высокие значения (до 15 %) при сравнении между собой характеристик облачности, полученных по спутниковым и наземным данным над фиксированным наземным пунктом.

При определении количества облаков с наземного пункта, размеры небосвода, обозреваемые наблюдателем зависит от закрытости горизонта, высоты нижней границы облаков и других факторов.

1о

При определении количества облаков по спутниковым снимкам, мы практически можем выбирать любую площадь осреднения.

Для проведения астрономических наблюдении с Земли, естественно, более показательными, будут характеристики, полученные с наземного пункта, поскольку факторы, влияющие на размеры обзора небосвода также будут влиять и на оптическую аппаратуру.

Принимая наземные наблюдения в качестве базовых, необходимо изучить, какую площадь осреднения нужно выбрать при использовании спутниковшх снимков, чтобы полученные характеристики приблизились к наземным.

Для этой цели построены концентрические окружности о радиусами 15, 30, 45, 60, 75, 90 км, центр которых, на спутниковых снимках совмещается с точкой, над которой исследуется зависимость количества облаков от площади осреднения.

В качестве центров концентрических окружностей были выбраны метеорологические станции.

Анализ показал, что однозначной зависимости характеристик облачности от площади осреднения не обнаруживается.

Наилучшая сравнимость характеристик облачности, полученных по спутниковым и наземным данным (при одинаковом периоде наблюдений) достигается для территории Приморского края при осреднении радиусом 15, 30 км, а для территории Грузии радиусом 15 км.

В заключение, в четвертой главе излагается методика экстраполяции характеристик облачности методом комбинации использования наземных и спутниковых данных.

Физическая основа методики состоит в том, что между данными облачности соседних пунктов, должна наблюдаться некоторая связь. В этом состоит хорошо известный в климатологии постулат, объясняемый тем, что атмосферные процессы охватывают одновременно большие территории. Исходя из данной закономерности, связь по режиму облачности между двумя соседними пунктами должна быть более устойчивой, чем изменчивость режима облачности над каждым пунктом.

Для получения характеристик связности между двумя пунктами, достаточен сравнительно короткий период наблюдений,

таким образом создается возможность использования с этой целью данных спутниковых снимков.

В качестве входных характеристик предлагается использовать матрицу условных вероятностей двумерного распределения -облачности в двух соседних пунктах (из которых один является пунктом экстраполяции, а второй соседней метеорологической станцией, находящейся по возможности в аналогичных условиях подстилающей поверхности), расчитаной по спутниковым данным и климатические характеристики облачности соседней метеорологической станции заимствованные из климатического справочника.

Предлагается следующая формула экстраполяции:

II 12 г13

21 22 23

31 32 г33

(I) '(2) ?(3),

р(1У р(2) Р(3)

где Рп, Рк

(I)' 42)' 43)

р!1) Р(2) р(3)

Индексы I, 2, 3

- условные вероятности появления одного состояния неба в точке экстраполяции,

. при наличии того или иного состояния неба на соседней длиннорядной станции;

- повторяемость ясного, полуясного и пасмурного состояния неба на соседней длиннорйдной станции (из климатического

■ справочника);

- повторяемость ясного, полуясного и пасмурного состояния неба в пуме те экстраполяции;

- обозначают ясное, полуясное и пасмурное состояние неба соответственно.

Предлагается следующий порядок экстраполяции:

- устанавливается пункт, в котором необходимо определить режим облачности;

- выбирается ближайщая к данному пункту длинорядная метеорологическая станция, расположенная по возможности в близких условиях подстилающей поверхности; '

- ка спутниковых снимках вокруг двух выбранных точек строятся окружности с радиусом 15 км;

- для выделенных окружностей определяется состояние неба, по которым расчитывается указанная выше матрица условных вероятностей. Данная матрица составляется на основе предварительного расчета двумерного распределения, которая составлена по синхронным спутниковым наблюдениям.

- По климатическим данным соседней метеорологической станции выбираем повторяемость ясного, полуясного и пасмурного состояния неба и записываем в виде матрицы вектора;

- умножая матрицу условных вероятностей на матрицу вектор, получаем матрицу вектор, которая содержит искомые характеристики облачности над пунктом экстраполяции.

По указанному методу были расчитаны повторяемости различных градаций облачности для 5 пунктов Приморского края и 8 пунктов Грузии.

. В качестве пунктов экстраполяции, были выбраны точки, в которых на самом деле находятся метеорологические станции, что дало возможность сравнения полученных расчетным способом результатов с климатическими данными

Анализ показывает, что косвенный метод расчета дает результаты, хорошо согласующиеся с обычными климатическими данными. Различия между ними не превышают 3-5 %.

Заключительным этапом данного расчетного метода является переход от вероятности ясного неба, полученным расчетным способом к числу ясных ночей. Такой переход выполняется с помощью уравнения регрессии, представленного а работе.

Основные_выводы:

1. На основании изучения ряда работ по астроклимату установлен климатический показатель облачности, ориентированный на решение задач астроклиматологии. Таким показателем является число ясных ночей продолжительностью от 3 до 9 часов подряд.

2. Исследование статистических характеристик суточного хода облачности в условиях резко неоднородной подстилающей поверхности показало, что наблюдения в ночные часы за количеством облаков с наземного пункта можно считать достаточно надежными.

3. На основе изучения устойчивости сохранения ясного состояния неба в ночные часы, установлено, что ясная погода отличается значительной устойчивостью как в Приморском крае, так

и в Грузии и, опираясь на данные 8-срочных наблюдений за облаками, можно судить о непрерывной продолжительности ясной ночи.

4. Установлена тесная связь между повторяемостью ясного неба и количеством ясных ночей с продолжительностью более б

и 9 часов подряд, коэффициенты корреляции между которыми равны 0,92 и 0,93 соответственно.

5. Установлено хорошее качественное согласие между распределениями облачности, полученными по спутниковым и наземным данным по территории Приморского края и Грузии.

Выявлена возможность использования спутниковых снимков облачности для определения регионов, наиболее подходящих для установки оптической аппаратуры для слежения за небосводом в условиях горных стран.

6. Установлено, что наилучшая сравнимость характеристик облачности, полученных по спутниковым и наземным данным, достигается при выборе площади осреднения с радиусом не более 30 км на территории Приморского края и 15 км на территории Грузии.

7. Разработанная методика экстраполяции климатических характеристик облачности, позволяет получить эти характеристики практически над любой точкой земной поверхности с использованием комбинации наземных и спутниковых наблюдений за облаками.

Основные содержания диссертации опубликованы в работах:

1. Внутрисуточная структура количества облаков - Труды ГГО, 1984 г., с. 117-124.

2. Характеристика режима облачности для обеспечения астрономических наблюдений. Деп., серия "Метеорология и Климатология" Вып. I (157), с. 182-187.

3. Распределение облачности над территорией Грузии по спутниковым данным и некоторые практические аспекты его использования. Тезисы докладов Научной конференции по проблемам развития производственных горных областей. Тбилиси 1986г., с. 20-21.

4. О режиме облачности в ночные часы в сложных условиях

подстилающей поверхности. Материалы докладов на конференции молодых ученых и специалистов Грузии по актуальным вопроса.« наук о Земле 1986 г., с. 94-95.

ЭГШ 6030 «дддЪ аОЗЧдйОЬ-Л)

. чязгяпдбпгоь ож>8э&йог>п

татагтэоь ЪО^ЗПАПЬ осйОАйазалпэбоШ) долпаогйо

/¿фз? □Бо'Ьо/ о?>о5оЬо- 1990

ПЕЧАТНЫХ. Л - 1,2 5 УЧЁТ .ИЗ ДАТ .Л - 1,21

БЕСПЛАТНО

ЗАКАЗ 605 ТИРАЖ 100

УОП ГРУЗГИДРОМЕТА, ТБИЛИСИ пр. ДАВИДА АГМАШЕНЕБЕЛИ 150