Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Месячные аномалии температуры воздуха на Дальнем Востоке

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Ушакова, Раиса Николаевна, Владивосток



4 V

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ РЕГИОНАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

УШАКОВА РАИСА НИКОЛАЕВНА

МЕСЯЧНЫЕ АНОМАЛИИ ТЕМГ^АТУРЫ ВОЗДУХА НА ДАЛЬНЕМ ВОСТОКЕ: ИХ ДИАГНОСТИКА И ВОЗМОЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДОЛГОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА

Специальность 11.00.09 - 'Метеорология, климатология, агрометеорология"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор НА.Дашко

Владивосток - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................. 5

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ИЗУЧЕНИЮ РЕЖИМА СРЕДНЕЙ МЕСЯЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ПРОГНОЗУ 15 ЕЕ АНОМАЛИЙ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ........

2. КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНОМАЛИЙ СРЕДНИХ МЕСЯЧНЫХ ТЕМПЕРАТУР ВОЗДУХА..... 38

38

2.1 Использумые материалы и методика исследования.....

2.2. Географические особенности ^^определения аномалий средних месячных температур воздуха по сезонам............45

2.3. Статистические особенности полей средних месячных

температур воздуха................................^

2.4. Изменчивость аномалий средних месячных температур воздуха на станциях Дальнего Востока............. 61

2.5. Распределение норм и аномалий средней месячной температуры воздуха......................... . 69

2.6. Повторяемость (%) норм и аномалий средней месячной температуры воздуха по градациям.................

70

2.7. Вероятность сохранения знака аномалии в течение

нескольких месяцев подряд......................

80

2.8. Экстремальные значения средней месячной температуры воздуха на станциях................................

85

3 ОСОБЕННОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ АНОМАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА НА

93

ДАЛЬНЕМ ВОСТОКЕ.........................

3.1.Характеристика крупных по площади аномалий средних

месячных температур воздуха................... 93

3.2. Типизация аномалий средних месячных температур воздуха по территории в зависимости от величины и

знака аномалий........................................................104

4 ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ И АНОМАЛИИ СРЕДНИХ МЕСЯЧНЫХ ТЕМПЕРАТУР ВОЗДУХА..... т

4.1. Общая циркуляция атмосферы над Дальним Востоком и особенности формирования крупных аномалий средних месячных температур воздуха....................................114

4.2. Постоянные и сезонные центры действия атмосферы и их воздействие на формирование аномалий средних

125

месячных температур воздуха...................

4.3. Роль циркуляционных факторов в формировании полей крупных аномалий средних месячных температур воздуха.................................

5 ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА..................... 167

5.1. Изменчивость климата на основе изменчивости средней

167

месячной температуры воздуха....................

6 СИНОПТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ

83

ПРОГНОЗА АНОМАЛИИ СРЕДНИХ МЕСЯЧНЫХ ТЕМПЕРАТУР ВОЗДУХА.......................

6.1. Выбор предикторов для прогноза средних месячных

1 оэ

температур воздуха..........................

6.2. Построение схем прогноза аномалий средних месячных температур воздуха с различной заблаговременностью. 194

6.3. Описание схемы прогноза аномалий средних месячных температур воздуха по станциям Дальнего Востока.....

6.4. Анализ оправдываемости схем прогноза.............

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................211

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................217

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................................234

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..........................................................239

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..........................................................245

ВВЕДЕНИЕ

Климатические условия формируются, прежде всего, за счет термического режима, который является важнейшим фактором для целого ряда областей народно-хозяйственной деятельности. Основные закономерности

пространственно-временного распределения средней месячной температуры воздуха, полученные по данным, имеющим надежный, непрерывный и длительный период наблюдений могут быть использованы во многих направлениях, начиная с решения прикладных задач, связанных с обеспечением различных отраслей хозяйства справочной информацией, так и для решения научных проблем, среди которых важнейшими на сегодняшний день являются изучение мониторинга климата и создание надежных прогнозов.

Накопление данных по непрерывным рядам наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками за более чем вековой период позволило обнаружить в их долговременной изменчивости циклы, выходящие за пределы сезонов и синоптических эпох. В многолетнем ходе погоды стали проявляться трендовые составляющие. Причем, такие проявления цикличности были установлены и в периоды раннего развития цивилизаций. Это заставило многих специалистов усомниться в концепции только антропогенных воздействий на природную среду.

Следует констатировать, что в метеорологических науках закончился период, когда климат рассматривали как статистически стационарное явление, уделяя основное внимание накоплению длинных рядов репрезентативных данных, обобщая характеристики климатического режима и вычисляя небольшой набор простых многолетних характеристик, показывающих пространственное распределение, межгодовую изменчивость и сезонные циклы.

На современном этапе стали понятны следующие факторы: -климат не является стационарным явлением, помимо антропогенных изменений ему присуща естественная изменчивость, временные масштабы которой измеряются десятилетиями, столетиями и более длительными периодами;

-влияние изменения климата на жизнеобеспечение человека прежде всего будет выражаться через ярко проявляемые экстремальные явления, такие, как засухи, наводнения, штормы и значительные волны тепла и холода. В качестве

примеров стихийных погодных аномалий здесь можно упомянуть засухи в Сахели, исключительно сильные наводнения на реках Миссисипи и Рейне, весенние паводки в Якутии и Архангельской области (весна 1998г.) и т. д.;

-главной задачей современных метеорологических служб является предоставление климатических услуг, связанных с мониторингом, изучением и прогнозом климатической изменчивости и ее последствий, с развитием консультативных услуг в этой области.

Климатическое обслуживание имеет большое значение в деле планирования мероприятий по борьбе со стихийными бедствиями, при разработке схем устойчивого энергоснабжения, в вопросах обеспечения устойчивого развития городов и других человеческих поселений. Самый актуальный вопрос среди метеорологов многих стран стал вопрос о влиянии климата на социально-экономическую структуру региона или страны. Впервые такая мысль прозвучала в выступлении д-ра Роберта Уайта на Первой Всемирной климатической конференции, которая состоялась в 1979г. Здесь же было принято решение о создании в рамках Всемирной климатической программы нового раздела, задачами которого являлись бы оценки влияния климата и стратегии развития общества.

Проведение климатологических исследований в самых разных прикладных научных направлениях предполагает наличие баз данных и соответствующего опыта в области статистического анализа. Длинные, надежные и содержащие необходимую информацию ряды непрерывных данных представляют собой превосходный материал для статистических исследований.

Когда возникло понимание того, что на климат влияет гораздо большее число факторов, чем на погоду, появилась необходимость в климатическую статистику помимо средних многолетних величин и изменчивости включать еще набор таких характеристики непрерывных рядов, как скользящие средние, трендовые составляющие, экстремальные значения и амплитуды, эксцесс и асимметрия, повторяемость аномалий и другие более сложные параметры. В соответствии с новыми задачами по обслуживанию потребителей климатологической информацией необходимость изучения изменений климата по указанным параметрам обусловливается также потребностями исследований долгопериодной изменчивости атмосферных процессов и использования этих свойств при разработки месячных прогнозов погоды.

Термический режим Дальневосточного региона, расположенного на границе между Евразией и Тихим океаном подвержен большой изменчивости. Объясняется это, прежде всего, наличием здесь муссонной циркуляции, значительной активностью дальневосточной ветви планетарной высотной фронтальной зоны, непериодическими зимними арктическими вторжениями воздушных масс, процессами блокинга, тайфунной деятельностью и т.д. В результате на Дальний Восток проникают воздушные массы от полярного бассейна и до тропиков, что обусловливает значительные колебания полей температуры во времени и в пространстве.

Чрезвычайная сложность и разнообразие процессов формирования температурных аномалий приводят к тому, что многие методики долгосрочного прогноза погоды, успешно работающие в первом естественном синоптическом районе, на Дальнем Востоке имеют низкую оправдываемость.

В настоящее время назрела необходимость более глубокого изучения и уточнения особенностей формирования и оценки состояния термического режима дальневосточного региона с учетом современного периода развития хозяйственной деятельности на этой территории. С момента получения количественных характеристик средней месячной температуры воздуха, а также внедрения в практику разработанной для Дальнего Востока долгосрочной методики ее прогноза, прошло по меньшей мере двадцать лет. За это время объем исходной информации о температуре значительно увеличился и в настоящее время составляет от 60 до 90 лет и более. Это дает возможность обновления полученных ранее характеристик, а также расчета новых количественных климатических показателей, и, в частности, позволяет оценить происшедшие изменения термического режима и проанализировать наблюдающиеся тенденции изменения регионального климата по данным длиннорядных станций.

Появились совершенно новые возможности доступа к климатической информации, обобщения материала и построения автоматизированных прогностических методик на основе оперативной информации, поступающей по каналам связи.

Изучение термического режима в работе произведено по районам Дальнего Востока, имеющим значительный удельный вес в экономике азиатско-тихоокеанского региона (в частности, по Приморскому краю, Сахалину, Камчатке

и охотскому побережью). Эти районы занимают достаточно прочное место в хозяйственном механизме, формирующем новую рыночную инфраструктуру России. И во многом развитие экономики здесь зависит от состояния климатической системы и улучшения прогнозирования погоды.

Вопросам изучения климатического режима и созданию прогностических методик по средней месячной температуре воздуха на Дальнем Востоке посвящены работы Е.А.Аксариной и А.И.Новской (1959г.), Г.В.Свинухова(1977г.), Р.Я.Жежко(1977г.)В.С. Калачиковой, Е.В. Николаевой и Л.К. Улисковой(1979г). Как видно, эти исследования выполнены более двадцати лет назад и могут быть существенно дополнены. Они уже не отвечают современному уровню знаний, запросов потребителей и состоянию климатической системы в целом.

Цель и задачи диссертационной работы. На основе исследования пространственно-временной структуры и условий формирования средней месячной температуры воздуха и ее аномалий получить новые количественные показатели термического режима применительно к гидрометеорологическому обеспечению отраслей экономики Дальневосточного Региона. Для чего последовательно решались следующие задачи:

1) Определить единый базовый период для расчета показателей термического режима с учетом имеющихся инструментальных наблюдений;

2) Рассчитать статистические показатели средних месячных температур воздуха, проанализировать их структуру и выявить географические пространственно-временные закономерности изменчивости;

3) Произвести классификацию исходных рядов средней месячной температуры воздуха по степени аномальности и выявить крупные аномалии, характерные для Дальнего Востока;

4) Выявить синоптические особенности формирования крупных аномалий и оценить преемственность величины и знака аномальности для центральных месяцев календарных сезонов;

5) Проанализировать долгопериодные температурные колебания и определить имеющиеся тенденции изменения термического режима;

6) Реализовать процедуру автоматизированного прогноза полей аномалий средней месячной температуры воздуха с различной заблаговременностью на базе региональной автоматизированной информационно-справочной оперативной

системы анализа и прогноза погоды «Аралия», разработанной в отделе долгосрочных прогнозов погоды ДВНИГМИ.

Впервые для станций Дальнего Востока систематизированы и обобщены данные по средней месячной температуре воздуха в виде непрерывных рядов за наиболее продолжительный период наблюдений с учетом последних лет (с 1930 по 1995 гг. включительно), что позволило:

1) получить наиболее полный и репрезентативный набор характеристик, описывающих статистическую структуру средней месячной температуры воздуха, включающий выборочные средние многолетние показатели, изменчивость, медиану, моду, асимметрию и эксцесс, экстремумы;

2) выявить закономерности пространственно-временной изменчивости температуры воздуха и определить условия формирования крупных температурных аномалий, их повторяемость и вероятность сохранения знака течение нескольких месяцев подряд;

3) произвести классификацию полей аномалий средней месячной температуры воздуха с помощью параметра аномальности Н.А. Багрова как по величине аномалий, так и по географическому расположению основного аномального очага, что позволило выявить месяцы с крупными аномалиями, характерными только для прибрежной полосы Дальнего Востока;

4) определить долгопериодные колебания в многолетнем ходе средней месячной температуры воздуха на длиннорядных станциях и обнаружить тенденции изменения термического режима;

5) показать вклад макроциркуляционных факторов как всего северного полушария, так и характеристик второго естественного синоптического района, в том числе, центров действия атмосферы азиатско-тихоокеанского региона, в формирование межгодовой изменчивость температуры воздуха на Дальнем Востоке;

6) использовать возможности региональной автоматизированной информационно-справочной оперативной системы анализа и прогноза погоды «Аралия» для построения схемы долгосрочного прогноза средней месячной температуры воздуха с различной заблаговременностью.

В работе использовался архив средних месячных температур воздуха по станциям Восточной Сибири и Дальнего Востока отдела долгосрочных прогнозов

погоды ДВНИГМИ за период 1885-1995 гг. Исходными данными для его создания служили метеорологические таблицы (ТМ-1) и метеорологические ежемесячники. В настоящее время пополнение этих данных осуществляется с использованием информационно-справочной системы «Аралия», разработанной в отделе долгосрочных прогнозов погоды ДВНИГМИ. Система программно связана с оперативной информацией, поступающей по каналам связи Приморского УГКС (анализы и прогнозы в коде ГРИД, передаваемые основными прогностическими центрами, а также метеорологическая информация на 97 станциях Дальнего Востока).

В обобщении использованы также данные, опубликованные в климатических справочниках по Приморском краю, Камчатской области, Сахалинской области, Хабаровскому краю. Изучение характеристик циркуляции, определяющих особенности формирования полей температуры воздуха и ее аномалий осуществлялось с помощью средних месячных полей приземного давления и Н500 над северным полушарием за период 1949-1995 гг., сборно-кинематических карт естественных синоптических периодов над вторым естественным синоптическим районом, имеющихся в архивах Гидрометеорологического центра Приморского УГКС, календарей форм атмосферной циркуляции на уровне Н500 по O.K. Ильинскому, форм циркуляции Г.Я. Вангенгейма, A.A. Гирса и индексов зональной циркуляции E.H. Блиновой, поступающих из Гидрометцентра России.

Метод исследования — синоптико-статистический. Для выяснения особенностей пространственно-временного распределения средней месячной температуры воздуха для каждой метеорологической станции рассчитаны выборочные оценки основных климатических показателей и определены критерии их точности и вековые изменения временных рядов. Выбор информативных предикторов и построение методики автоматизированного прогноза осуществлялось с использованием корреляционного и регрессионного анализов.

Практическая значимость работы. В результате решения поставленных в работе задач получены новые объективные показатели пространственно-временного режима средних месячных температур воздуха на станциях Дальнего Востока, за однородный период инструментальных наблюдений с учетом данных за последние двадцать пять лет, не вошедших ни