Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временные закономерности распределения экстремальных температур на территории России и стран ближнего зарубежья

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временные закономерности распределения экстремальных температур на территории России и стран ближнего зарубежья"

3 ол

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ

ОКРУЖАЮЩЕЙ. СРЕДЫ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова

на правах рукописи УДК 551.52.521

КЛЮЕВА МАРИНА ВЛАДИМИРОВНА

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР ВОЗДУХА НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ И СТРАН БЛИЖНЕГО ЗАРУБЕЖЬЯ

11.00.09 - МЕТЕОРОЛОГИЯ, КЛИМАТОЛОГИЯ, АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ

■ АВТОРЕФЕРАТ ■ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ГЕОГРАФИЧЕСКИХ НАУК

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова

Научный руководитель - доктор географических наук,

профессор Н.В.Кобышева

Официальные оппоненты - доктор физико-математических

наук, профессор Л.Т.Матвеев

кандидат географических наук Т.П.Светлова

Ведущая организация - Военный институт Космических исследований им.А.Ф.Можайского

Зажита диссертации/состоится С/ 1994 г. в /с? ча-

сов на заседании Специализированного совета Д.024.06.01 при Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова по адресу 194018, Д Санкт-Петербург, ул.Карбышева,7, ГТО. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова Автореферат разослан "#££" 199 ^ода.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор географических наук, профессор

Н.В.Кобышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Для оценки неблагоприятных воздействий температурного режима на народное хозяйство представляют интерес, в первую очередь, экстремальные температуры воздуха, которые при определенных обстоятельствах могут наносить большой вред тем или иным хозяйственным объектам вплоть до создания чрезвычайных ситуаций.

Климатические показатели экстремальных температур входят в ряд нормативных документов. Так, годовые минимумы и максимумы температуры воздуха в виде нормативных параметров используются в строительном проектировании при планировании размещения и эксплуатации строительных объектов. В зависимости от назначения этих Объектов и их значимости в расчеты включаются экстремумы температуры воздуха с той или иной обеспеченностью. При строительстве особо ответственных сооружений, например атомных станций, устанавливается чрезвычайно высокий уровень обеспеченности, при котором период повторения экстремума равен 100 и более лет. Экстремальные температуры воздуха включены и в ряд ГОСТов, предназначенных для технических целей.

Разработка прямых и косвенных методов расчета климатических характеристик экстремальных температур, их определение для территории России и стран ближнего зарубежья, в том числе для районов, слабо освещенных в метеорологическом отношении, со сложной подстилающей поверхностью, является актуальной задачей. Нель и задача работы. Целью данной работы является получение на основе разработанной методики достоверных характеристик экстремальных температур воздуха с заданной обеспеченностью для территории СНГ по продленным до 1989 года климатическим рядам и исследование пространственно- временных закономерностей распределения экстремальных температур. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• - сбор и анализ материалов, создание специального банка данных экстремальных температур воздуха;

- разработка усовершенствованной методики обработки рядов экстремальных температур;

- выбор аналитической функции для аппроксимации распределений экстремальных температур воздуха на территории страны;

- оценка пространственно-временных закономерностей распределения экстремальных температур воздуха;

- исследование мезоклиматических закономерностей распределения среднего из абсолютных максимумов; •

- построение карт параметров выбранного распределения, включая горные области, с целью получения экстремумов с заданной обеспеченностью в районах, где отсутствуют исходные эмпирические данные.

Методика исследования и использованные материалы. Б работе использованы методы математической статистики и теории вероятности, а также общегеографические методы анализа климатических показателей и построения географических карт.

Создан банк данных по 1030 станциям для абсолютных минимумов температур за период 1891 - 1989 г.г. и по 998 станциям для абсолютных максимумам температур за период 1881 - 1989 г.г. Все расчеты реализорнвались на ЭВМ ЕС-1061 с помощью программ, разработанных автором для выполнения перечисленных выше задач.

Научная новизна. Впервые для всей территории страны осуществлен анализ эмпирических распределений абсолютных максимумов и минимумов температуры воздуха по продленным до 1989 года рядам метеорологических наблюдений; выделены районы применения того или иноп теоретического распределения, позволяющего экстраполировать эмпирические значения температур в области крайне редких повторяемостей. Установлены количественные поправки для среднего из абсолютных максимумов, которые используются для расчета максимумов в горных районах в зависимости от высоты и местоположения станции, а также получена зависимость второго момента распределения от высоты над уровнем моря. Построены карты параметров распределений и рассчитаны номограммы перехода от первого момента распределения к расчетным экстремумам с любым заданным периодом повторения, что позволяет определять их с достаточной точностью и при отсутствии метеорологических данных в исследуемом районе.

Практическая ценность, полученные результаты позволили

улучшить раздел Научно-прикладного справочника по климату СССР, содержащий экстремумы температуры воздуха и облегчают расчеты экстремумов с заданной обеспеченностью для выполнения прикладных работ. По теме диссертации опубликованы 3 научные работы автора. Результаты исследований обсуждались на научных семинарах отдела прикладной климатологии Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, списка литературы, содержащего 84 наименования, из них 16 иностранных.

Работа изложена на 138 с. машинописного текста, иллюстрирована 34 рисунками и 16 таблицами.

Содержание диссертационной работы. Во введении приводится обоснование актуальности исследования, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна и практическое значение, обозначены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с методикой подготовки рядов экстремумов температуры воздуха и выполнен анализ временных закономерностей распределения экстремальных температур на территории страны.

Для исследования режима экстремальных температур создан архив данных годовых значений максимумов и минимумов На технических носителях ЭВМ ЕС-1061 по 1000 станциям страны. Для обработки этого архива разработаны методики, позволяющие повысить точность расчета экстремальных температур по сравнению с точностью получения их характеристик для Справочника по климату СССР и подготовлен пакет программ, позволяющих выполнять расчеты климатических характеристик экстремальных температур на основа указанных методик.

В частности, в работе предложена методика восстановления рядов абсолютных максимумов за период отсутствия наблюдений по максимальному термометру. Оценено влияние количества пропусков в рядах на величину средних значений из абсолютных максимумов и минимумов и заполнены пропуски по методике Басса. (вшь V- м■ лЫ ^исМусс/т(гсСргосес1иг(з/¡у с/,та1о[ог;1са£¿¡На. разработанной с учетом местоположения станций, применительно к экстремальным температурам.

Выполнен тщательный контроль однородности рядов экстремальных температур. Показано, что замена будки Вильда на современную будку не сказалась на рядах и их с вероятностью 95% можно считать однородными.

В работе, также исследована целесообразность приведения в настоящее время рядов экстремальных температур к длинному периоду. Показано, что в районах со сложным рельефом и на побережьях приведение температур воздуха к длинному периоду при подготовке Справочника по климату СССР привело к занижению абсолютных минимумов температуры.

Исследование колебаний экстремальных температур воздуха на территории страны с помощью метода скользящих десятилетних средних позволило выделить 9 районов синхронных колебаний для минимальных температур и 10 районов для максимальных температур воздуха. Для выделения этих районов привлекались как длин-норядные станции, так и станции с периодом наблюдений 40-50 лот, что позволило уточнить границы районов.

Проведенный анализ связи изменений экстремальных температур во времени с преобладающими формами циркуляции позволяет в значительной степени объяснить их сменами форм циркуляции и свидетельствует о слабой зависимости этих изменений от антропогенных факторов.

Вторая глава посвящена исследованиям характера распределения экстремальных температур воздуха с целью выбора теоретической функции, адекватно описывающей эмпирическое распределение. Установление такой функции позволяет экстраполировать эмпирические значения в области крайне редких повторяемостей.

Дан анализ отечественной и зарубежной литературы, в которой затронуты проблемы определения расчетных значений экстремальных температур воздуха.

Для' определения расчетных экстремумов температуры воздуха заданной вероятности- в настоящее время используются 1 и Ш типы предельных и нормальное распределения. Каждому из указанных типов теоретических распределений соответствует определенное значение коэффициента асимметрии. В работе показано, что значения изменяются на территории страны в широком диапазоне, что не позволяет применять здесь какое-либо одно из упомянутых распределений.

А.Ф.ДжеНКИНСОН / The frequency díUn-SuCLcn cf airnvtf masiva,m safaer of meteoroCcgi.ca( elements. ÜJ8 , Шел-it Society, <?Л~< tí¡S, "-"-"¿V, HJ*s,t- Ш-tr//.

нашел теоретически общее реаекпо функционального уравнения 1 и третьего типа предельных распределений, каторое можно записать в следующем ряде: ,

где: ,

а, - наклон кривой распределения в точке у = 0;

/ - параметр кривизны кривой распределения;

у - приведенная переменная.

В работе проведено сравнение расчетных экстремумов температуры воздуха, полученных с использованием функций распределений нормального, 1 и И предельных и Дженкинсона. Сравнение позволило установить, что эмпирические распределения экстремальных температур наилучшим образом описываются функциональным уравнением Дженкинсона. Однако для расчета параметра А с необходимой точностью длина ряда должна составлять 60-70 лет. Показано также, что опенки, полученные при использовании распределения Дг.ен-кинсона, совпадают с опенками по одному из трех других тппоб распределений в зависимости от значений параметров / и . apir.

O.O^/í 0,2 и 0,1^^,^0,4 оценки экстремумов с периодом повторения = 1 раз в 50 лет и более, полученные при использовании для аппроксимации закона нормального распределения, оказывались заниженными, а 1 предельного распределения - завышен-ннми. В данной области эмпирическое распределение имеет наилучшее соответствие с распределением Дженкинсона. Однако расхождения между расчетными температурами, полученными при использовании для аппроксимации указанного распределения и первого типа предельного,невелики;

0,2^/^0,5 и Cv< 0,35 наилучшее соответствие расчетных и эмпирических экстремальных температур дает нормальное распре' деление. Именно в этой области имеет место завышение оценок по 1 типу, и занижение по Ш типу предельных распределений;

0,2^/^0,5 и Г„>0,35 эмпирические распределения соответствуют Ш типу распределений.

Нанесенные на карту СНГ значения / и <0- позволили выделить области применения 1 и И типов предельных и нормального распределений , параметры которых не требуют для определения таких длительных рядов наолюдений, как для-параметра Дженкинсона.

Рис.2 Районы применения первого п^дельного /1/ и нормального распределения для распгедчле^З /3/ абсолютных максимумов > 7сл.обозначения см.тк:с. 7

Для абсолютных максимумов выделены области применения 1 предельного а нормального распределений, а для абсолютных миниму--г-ов проведены границы областей для всех трех указанных распределений / рис.1-2 /.

¡Толучанн формулы для определения расчетных экстремумов с люб;::.: периодом повторения по параметрам 1 и Ш предельных инор-мального распределений. 'Таной подход позволяет,используя лишь первые два момента распределений, получать, в зависимости от решаемо" проектировщиком задачи, экстремумы с любым периодом повторяемости.

Составлены следующие выражения:

р* /у- ' ^ - Для 1 предельного рас' л °л- пределения

- - Для нормального рас' х пределения

/у///--) ~ КЛЯ 1:1 предельного рас-х / * пределения

где: X? - значение экстре;,'ума, возможное 1 раз в Т лет;

1 - среднее из абсолютных значение температуры воздуха;

С'у - коэффициент вариации; <-

г^ - корень уравнения нормального распределения, связанный с периодом повторения Т;

/ - параметр распределения, определяемый по .

Таким образом, расчетное значение температуры с заданным периодом повторения для всех указанных распределений есть функция величины этого периода и коэффициента рассеяния , Представлены номограммы / рис.3-5 / и таблицы для определения этих коэффициентов.

В третьей главе рассмотрены пространственные закономерности изменения первого и второго моментов распределений экстремумов температуры воздуха на территории страны. Так, изучены закономерности изменения среднего из абсолютных максимумов под влиянием широты и долготы места. Выполненные расчеты показали, что широтный градиент максимумов температуры изменяется по территории очень значительно, достигая на побережьях северных морей значений, почти в 10 раз превыиающих градиенты внутри кон-

Рис.3 Номограмма для определения коэффициента перехода от среднего значения экстремума температуры воздуха к экстремуму с заданным периодом повторения / по первому предельному распределению. X

0,3

-¿г г*<о г*5о т*мо пгою г--/оаоо

./о г,о

Рис.4 Номограмма для определения коэффициента перехода от

среднего значения экстремума температуры воздуха к экстремуму с заданным, периодом повторения по нормальному распределению

туры воздуха к экстремуму с заданным периодом повторения по третьему предельному распределению

тинента. Долготные градиенты максимумов, напротив, практически во всех рассматриваемых районах близки к 0°С, что говорит о широтном характере хода изотерм.

На величину среднего из абсолютных максимумов температуры воздуха большое влияние оказывают высота и рельеф. Чтобы выявить в чистом виде зависимость его от* высоты местности, станции были разделены на следующие группы согласно описанию их местоположения:

1. Вершины, гребни, перевалы, седловины.

2. Узкие долины'и котловины с застоем теплого воздуха.

3. Мкние, юго-западные и юго-восточные склоны.

4. Северные, северо-западные и северо-восточные склони.

5. Горные долины.

6. Высокогорные плато.

Были рассмотрены горные системы Большого и Малого Кавказа, Памира, Тянь-Шаня, Алтая и Саян. Для всех горных систем характерна нормальное безинверсионное падение максимальной температуры с высотой. Самые большие градиенты отмечаются на Кавказе для котловин и южных склонов: .примерно '-1°С/1С0 м. Для северных склонов и вершин градиент составляет -0,6°С/100 м, а для ровного места --0,7°С/100 м. В горах Средней Азии он находится примерно в тех же пределах: -0,8°С/Ю0 м для выпуклых форм рельефа и северных склонов и примерно -0,75°С/100 м для других их видов. В горах Алтая и Саян наиболее интенсивное падение температуры с высотой отмечается до уровня 600 м / -0,7°С + -С,8°С/100 м /, а затем падение замедляется для всех форм рельефа до -0,5°С/100 м.

Построенные по выделенным формам рельефа графики зависимости максимальных температур от абсолютной высоты над уровнем моря позволили получить поправки на местоположение в горах.

Таблица 1

Изменение среднего из абсолютных максимумов по сравнению с открытым ровным местом в горных системах страны

Горная система Южные склоны, котловины и узкие ущелья

Северные склоны, вершины, гребни, перевалы

Кавказ

3,071.8°* 4,5°

Панир и Тянь-Шань

Ллтьй и Саяны

2,5'

о

Примечание: Положительные величины означают повышение максимальных температур по сравнению с открытым ровным мгстом, отрицательные - понижение.

Анализ полученных поправок показал, что наибольшие их значения имеют место в замкнутых котловинах и на открытых южных склонах. Зависимость поправок от высоты выражена слабо, что позволяет одни и те же их значения использовать' вдоль всего склона. Исключение составляют горные районы Кавказа, где по мере увеличения высоты происходит уменьшение поправок в котловинах и на южных склонах.

В работе также рассмотрено влияние на распределение средних из абсолютных максимумов крупных водоемов. Представленные графики наглядно демонстрируют, что водоемы влияют на величину максимумов лишь при удаленности, не превышающей 1,5+2 юл.

Количественные оценки изменения среднего из абсолютных минимумов принимались согласно данным работы З.А.Мищенко /З.А.Ми-' щенко. "Абсолютные минимумы температуры воздуха." В кн."Микроклимат СССР". Глдрометеоиздат, 1978/. -

С учетом описанных закономерностей построены карты средних из абсолютных максимумов и минимумов. Изолинии проводились с учетом влияния общегеографических факторов, а закономерности изменения их в зависимости от местоположения данн в виде систем поправок.

Для построения карт среднего квадратического отклонения годовых экстремумов предварительно устанавливалось влияние на него высоты и форм рельефа. Показано, что влияние высоты проявляется лишь для абсолютных минимумов. На высотах до 1000 м градиент равен 0,3°С/100 м, на высотах 1000 - 2500 м он близок к 0,15°С на 100 м и, наконец, выше 2500 м влияние высоты перестает сказываться на величине среднего квадратического отклонения абсолютных годовых минимумов. Влияние форм рельефа как на так и на

незначительно.

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы и делаются следующие выводы:

1. Составлен банк экстремальных температур воздуха на базе ЭВМ ЕС-1061 по 1030 станциям для абсолютны* минимумов и 998 станциям для абсолютных максимумов. Рассмотрены особенности методов климатологической обработки рядов экстремальных температур с применением новых методик статистического анализа.

2. Показано с помощь» метода скользящих десятилетних средних, что экстремальные температуры, так же как и температуры большего временного разрешения, зависят от общециркуляционных факторов и связаны с преобладанием- определенных циркуляционных эпох. Выделены районы синхронных колебаний абсолютных максимумов и минимумов на территории России и стран ближнего зарубежья,

3. Установлено, что помещенные в Справочник по климату СССР и применяемые в расчетах проектировщиков абсолютные минимумы в ряде районов страны являются заниженными, что приводит к удорожанию проектируемых зданий и сооружений.

4. Показано, что распределения эмпирических совокупностей экстремальных температур хорошо описываются теоретическими функциями первого и третьего предельных и нормального распределений в зависимости от статистической структуры ряда. Выделены районы применения указанных распределений на территории России и стран ближнего зарубежья,

5. Подучены аналитические выражения для определения коэффициентов перехода от средних значений экстремальных температур воздуха к расчетным с заданной обеспеченностью в заЕпсикости от параметра рассеивания для всех выше указанных распредел'ений.

6. Выявлена зависимость изменения среднего из абсолютных максимумов от высоты и формы подстилающей поверхности. Показано, что вид формы рельефа оказывает значительное влияние на величину среднего из абсолютных максимумов. Рассчитаны поправки на местоположение в горах по сравнению с ровным открытым местом. Оценено влияние на величину средних из абсолютных максимумов температуры воздуха близости крупных водоемов. Показано, что на величину средних квадратических отклонений абсолютных максимумов не влияют ни высота ни форма рельефа, а среднее квадратичес-кое отклонение минимальных температур уменьшается с ростом высоты.

7. Составлены карты пространственного распределения средних из абсолютных максимумов и минимумов и средних квадратических отклонений экстремумов. Для сложных горных систем построены более крупномасштабные карты-врезки средних многолетних величин.

Представленные в работе карты и графики позволяют легко с достаточной точностью определять расчетные экстремумы температуры воздуха с любой обеспеченностью. Предложенная методика может быть внедрена в проектные документы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Методы анализа однородности климатологических рядов. // Труды ГГО. - 1984. - Вып.485. - с.29-34. /в соавторстве с Н.В.Кобшевой и Л.П.Наумовой/.

2. Об экстремумах температуры воздуха. - Деп. в ИЦ-ВНИИГМИ-МЦД, № 452 ГМ. - Обнинск, 1985. -10 с.

3. Расчетные зимние температуры воздуха. // Труды ГГО. -1988. - Вып.515. - с.66-70 / в соавторстве с О.Б.Пашиной //.

Ртп.ГГО.14.12.93.Зак.315.Т.100.Бесплатно.