Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка современного климатического режима охотоморского региона по основным метеорологическим параметрам

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Пушкина, Елена Георгиевна, Владивосток

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕСИТЕТ

На правах рукописи УДК 551.583

ПУШКИНА ЕЛЕНА ГЕОРГИЕВНА

ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО КЛИМАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА ОХОТОМОРСКОГО РЕГИОНА ПО ОСНОВНЫМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Н. М. Пестерева

ВЛАДИВОСТОК - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОБЗОР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ИЗУЧЕНИЮ СОВРЕМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ КЛИМАТА 9

2. АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ КЛИМАТА ОХОТОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ ЗА ПЕРИОД ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ 29

2.1. Методика исследования и краткий анализ исходной информации 29

2.2. Статистические характеристики временных рядов основных метеорологических параметров климата 41

2.2.1. Температурный режим 41

2.2.2. Режим осадков 54

2.3. Анализ структуры рядов, выявление и оценка

климатических трендов 65

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ОЦЕНКА РЕГИОНАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО КЛИМАТА

И КЛИМАТА МОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ 92

3.1. Особенности климатического режима континентального

района России 92

3.2. Особенности климатического режима прибрежной

зоны Японского моря 101

3.3. Особенности климатического режима

северного побережья Тихого океана 111

3.4. Сравнительный анализ изменчивости климата на

региональном уровне 120

4. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ

КЛИМАТА ОХОТОМОРСКОГО РЕГИОНА 125

4.1. Теоретическое обоснование использования комплексных климатических характеристик 125

4.2. Климат охотоморского региона, как многолетний режим сопряженных комплексных характеристик 132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 167

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования изменений климата в наше время не вызывает сомнений. Климат - это, прежде всего, значительная доля ресурсов любой страны. Поэтому разработка методов предсказания изменений климата на годы, десятилетия, столетия сейчас и впредь приобрели первостепенную важность. Традиционное мнение о том, что колебания климата влияют только на продуктивность сельскохозяйственного производства, сейчас крайне устарело. С климатом тесно связаны все, без исключения, отрасли народного хозяйства. Изменения климата диктуют определенный режим хозяйствования, стратегию развития экономики на долгие годы.

Наиболее полная оценка изменений климата за последнее столетие приведена в докладе Межправительственной группы экспертов по изменениям климата (МГЭИК) [108]. Закономерности изменений глобального климата оказываются весьма сложными, а некоторые вопросы пока остаются без достаточно достоверных ответов. Вместе с тем для оценки возможных последствий изменений климата и их влияния на окружающую среду и экономику необходимы более полные данные для конкретных регионов, представляющих особый интерес.

Охотское море и его береговая зона являются одними из перспективных районов для совместного промышленного освоения сообществом стран Азиатско-Тихоокеанского региона, однако отличается своеобразными и суровыми погодно-климатическими условиями. Большая меридиональная протяженность территории Охотского моря создает исключительно большое разнообразие в климате его отдельных участков.

В свое время климат отдельных районов охотоморского региона был исследован Заниной А. А. [24], Храмцовой В. К. [63] и другими авторами. Эти исследования преимущественно были выполнены по данным до 1955 - 1965 годов. В них не использовалась информация по японским метеорологическим

станциям, что не позволило полностью «замкнуть» всю береговую линию Охотского моря.

В настоящее время возникла возможность создать наиболее полную базу данных как в пространственном, так и во временном разрешении. Это позволило нам исследовать и/или уточнить основные региональные особенности климата охотоморского региона в холодное (ноябрь - март) и теплое (апрель - октябрь) полугодия за период инструментальных наблюдений до 1996 г., используя данные о средней месячной температуре воздуха и месячном количестве осадков по всем гидрометеорологическим станциям, расположенным на побережье Охотского моря, включая северо-восточное побережье о. Хоккайдо.

Поэтому целью данной диссертационной работы является: исследование особенностей гидрометеорологического режима охотоморского региона; оценка регионального изменения климата исследуемого региона по основным метеорологическим параметрам: средней месячной температуре воздуха и месячным суммам осадков - за период инструментальных наблюдений; комплексная оценка современного климатического режима прибрежной зоны Охотского моря на основе исследуемых метеорологических величин, а также разработка новых комплексных показателей климатического режима на локальном или региональном уровнях.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- оценка качества исходной информации о средней месячной температуре воздуха (Т°С) и месячным суммам осадков (Я, мм);

- уточнение особенностей температурного режима и режима осадков на побережье Охотского моря, Татарского пролива и западной части Берингова моря с привлечением данных за последние десятилетия;

- исследование закономерностей пространственно-временной изменчивости средней месячной температуры воздуха и месячных сумм осадков;

- выявление и оценка трендов в ходе исследуемых метеорологических параметров;

- определение и оценка сопряженности в ходе тенденций ледовитости Охотского моря и средней месячной температуры воздуха в его прибрежной зоне;

- проведение сравнительного анализа изменчивости климата охотоморского региона на региональном уровне;

- исследование особенностей климата на локальном уровне, оценка экстремальных погодных и климатических ситуаций на основе двумерного распределения средней месячной температуры воздуха и месячных сумм осадков;

- разработка нового комплексного показателя регионального климата в аналитическом и графическом виде.

При решении поставленной задачи использовались в основном непараметрические подходы математической статистики применительно к климатическим исследованиям. Применялся достаточно обширный комплекс известных статистических показателей при оценке современного климатического режима и его изменчивости.

Все расчеты, численные эксперименты, графики, рисунки выполнялись на персональном компьютере с использованием специального программного обеспечения: Microsoft Word 97; Microsoft Excel 97; Photo Shop; Grapher. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе дается обзор исследований, посвященных оценкам изменения климата и выполненными отечественными и зарубежными учеными. Особое внимание при этом уделяется территории Дальнего Востока. Исследования по глобальному изменению климата выделены в две противоположные группы: одни связывают потепление последних лет с парниковым эффектом, другие - с проявлением автоколебаний в климатической системе.

Отмечено, что большинство авторов, говоря об изменении климата, ограничиваются изучением колебаний средней месячной температуры воздуха, в то время как комплексные климатические показатели наиболее полно характеризуют изменения, происходящие в погодно-климатической системе.

Во второй главе изложена методика исследования, проводится анализ пространственно-временной изменчивости рядов средней месячной температуры воздуха и месячных сумм осадков за период инструментальных наблюдений до 1996 г. включительно. К исследуемым рядам применяются статистические методы обработки, которые позволяют установить в большинстве случаев близость распределения средней месячной температуры воздуха к закону нормального распределения, а распределения месячных сумм осадков - к теоретическому, то есть к логнормальному или гамма-распределению. Выявляется наличие или отсутствие трендов путем аппроксимирования исходных временных рядов линейной функцией. Оценка линейных трендов на значимость проводится при помощи ^критерия Стьюдента. Проводится анализ распределения выделенных климатических тенденций по основным гидрометеорологическим параметрам во времени и пространстве.

В третье главе приводится результаты исследования и дается сравнительная характеристика региональных особенностей континентального климата и климата морского побережья.

На фоне современного глобального потепления представляет интерес сравнение особенностей климатического режима и его изменчивости прибрежной зоны Охотского моря и континентального района России, располагающегося приблизительно в том же широтном поясе, а также двух морских регионов (побережье Японского моря и северное побережье Тихого океана), непосредственно примыкающих к охотоморскому региону. Для этого была использована информация о средней месячной температуре воздуха и месячном количестве осадков за период инструментальных наблюдений по станциям континентального района Восточной Сибири, Японии, Южной Кореи и штата Аляска (США).

В четвертой главе дается теоретическое обоснование и исследуются особенности климата охотоморского региона с использованием естественных метеорологических комплексов. С целью выявления устойчивых погодно-

климатических экстремумов модифицированы и апробированы матрицы двумерного распределения аномалий средней месячной температуры воздуха и месячных сумм осадков по всем гидрометеорологическим станциям исследуемого региона во все месяцы года. Проводится типизация совместного распределения исследуемых метеорологических величин. Полученные результаты представляются как в табличном, так и в виде круговой диаграммы - "климатическая роза". Для оценки экстремальных типов "местных погод" предлагается использовать разработанный автором комплексный показатель регионального климата - ПЭЖК(т). Анализируется распределение этого показателя во времени и пространстве.

Выполненное исследование представляет собой на настоящий момент уточненную характеристику климатического режима охотоморского региона. Разработанные комплексный показатель регионального климата - ПЭЖК (т) и новый тип круговой диаграммы ("климатическая роза") могут быть использованы при оценке климатических режимов на региональном и локальном уровнях.

В заключение хотелось бы выразить благодарность профессору Хоккайдо-Токайского университета (Япония) X. Таккеде за предоставление данных о средней месячной температуре воздуха и месячных сумм осадков по японским метеорологическим станциям, С.М. Варламову и профессору H.A. Дашко за предоставление данных о месячном количестве осадков по отечественным гидрометеорологическим станциям за период 1947-1996 гг., профессору В.В. Плотникову за предоставление данных о ледовитости Охотского моря до 1996 г. включительно, а также J1.C. Чернышевой за консультации и полезные замечания, позволившие улучшить диссертационную работу.

1. ОБЗОР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ИЗУЧЕНИЮ СОВРЕМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ КЛИМАТА

Вопрос об изменении климата привлекает все возрастающее внимание как ученых всех стран, так и потребителей климатический информации. Это вызвано тем, что по мере увеличения масштабов хозяйственной деятельности зависимость различных отраслей производства и особенно сельскохозяйственного от меняющихся климатических условий не падает, а растет, причем растет вместе с ростом производства.

Заметное изменение климата потребует больших капиталовложений, чтобы обеспечить приспособление хозяйственной деятельности к новым климатическим условиям. Поэтому важную роль при планировании хозяйственных мероприятий на длительные сроки играет прогноз возможных климатических изменений в будущем. В связи с этим в США в 1991 г. на осуществление национальной программы по исследованию глобальных изменений климата выделено 1.034 млрд. долларов [69].

При прогнозе климата используют несколько подходов: принимают для оценок климатических параметров и их возможной изменчивости средние многолетние статистические характеристики, выявляют и экстраполируют на перспективу, определяют скрытые периодичности методом спектрального анализа, разрабатывают теоретические модели климата и реализуют по ним численные эксперименты, используют экспертные оценки при разработке сценария возможных изменений климата.

Как утверждает Будыко М. И. [5, 7], основной характеристикой, которая обычно используется для описания современных изменений климата, является средняя годовая (осредненная для всей планеты или всего северного полушария) температура нижнего слоя воздуха.

Первые оценки осредненных по большим площадям значений температуры воздуха были выполнены рядом ученых (Коллендер, 1961; Митчел, 1961;

Будыко, 1969). Наиболее фундаментальные исследования принадлежат Е.С. Рубинштейн и Л.Г. Полозовой, которые в [54] проанализировали ряды метеорологических наблюдений за 1881-1960 гг. на отдельных станциях и для северного полушария в целом. Анализ скользящих 10-летних средних годовых температур (до 1940 г.) показал наличие значительных колебаний, их согласованность и заметную тенденцию к понижению на большей части северного полушария. Анализ колебаний термического режима в отдельные месяцы для 54 пунктов северного полушария показал, что потепление в основном выявлено в январе, ноябре и декабре, кроме того, и амплитуда колебаний в зимние месяцы значительно больше чем в летние. Установлено отсутствие синхронности колебаний между районами Исландии, Западной Германии и СЗ СССР, несмотря на то, что именно в этих районах потепление было наиболее заметным^.

В настоящее время опубликовано ряд работ [11, 13, 77, 83^ по расчету среднегодовых приземных температур воздуха северного и южного полушарий. Исследования по северному полушарию дают сходные результаты, что вполне закономерно, т. к. основные источники информации одни и те же, и незначительные расхождения обусловлены некоторыми различиями рассмотренных территорий и методов расчета средних значений. Наиболее крупное изменение климата за время инструментальных наблюдений началось в конце XIX в. Оно характеризовалось постепенным повышением температуры воздуха на всех широтах северного полушария во все сезоны года, причем наиболее сильное потепление происходило в высоких широтах и в холодное время года.

Потепление ускорилось в 10-х годах XX в. и достигло максимума в 30-х годах, когда средняя температура воздуха в северном полушарии повысилась приблизительно на 0,6° по сравнению с концом XIX в [6]. В 40-х годах процесс потепления сменился похолоданием, которое продолжалось до середины 60-х годов. С 70-х годов средняя годовая температура вновь начала расти.

Совместный анализ данных для суши и океана привел к выводу о наличии осциллирующего тренда потепления в северном полушарии, составившего

0,4 - 0,6°С за 100 лет (типичное для суши похолодание 1940- 1970-х гг. проявляется в комбинированном массиве значительно слабее). Фрагментарные наблюдения в южном полушарии отображают тренд потепления климата около 0,3 - 0,7°С, начиная с 1900 г [34]. Сравнение данных о температуре северного и южного полушарий [18, 93], наряду со сходством общих тенденций изменений температуры в вековом ходе, указывает на определенное их различие: в южном полушарии потепление 1920-1940 гг. не столь ярко выражено, а похолодание 1960-1970 гг. нарушалось положительными аномалиями температуры в отдельные годы. Временные ряды глобальной температуры и температуры северного полушария в эти периоды более сходны между собой.

Следовательно, оценка глобального изменения климата производится в основном с помощью среднегодовой температуры воздуха над континентами северного полушария (Т°С); она в настоящее время растет, как полагает большинство климатологов, под влиянием парникового эффекта, возникающего за счет увеличения концентрации в атмосфере С02 и других малых парниковых газов.

Анализируя колебания среднегодовой температуры воздуха, в работе [19] выявлены месячные и сезонные флуктуации, сопоставлены и проанализированы результаты аналогичных исследований других авторов. Потепление северного полушария было максимальным в конце 1930-х г. в среднегодовых, весенних, летних и осенних значениях. Зимой потепление продолжалось до середины 1940-х гг. После этого максимума началось общее похолодание, которое продолжалось до 1960-х гг. в среднегодовых значениях и во всех сезонах, и до 1970-х в осенних температурах. Однако в течение этого периода отмечаются и промежуточные (около 10 лет) флуктуации: в частности, потепление в конце 1950-х, проявившееся во всех сезонах. В последние годы отмечено новое потепление, но время его наступления коле