Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Сравнительный комплексный анализ и прогноз режима осадков в различных климатических зонах юга России

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Сравнительный комплексный анализ и прогноз режима осадков в различных климатических зонах юга России"

На правах рукописи

Пшихачева Ирина Нашировна

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ И ПРОГНОЗ РЕЖИМА ОСАДКОВ В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ЮГА РОССИИ

Специальность 25.00.30 - Метеорология, климатология и

агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Нальчик - 2014

1 5 ! -ДП 2014

005547907

Диссертация выполнена в Федеральном Государственном бюджетном учреждении «Высокогорный Геофизический Институт» Росгидромета РФ

Научный руководитель: Ташилова Алла Амарбиевна,

кандидат физ.- мат. наук, доцент, ФГБУ «ВГИ»

Официальные оппоненты: Шугунов Лион Жамбулатович,

доктор физ,- мат. наук, профессор ФГБОУВПО

«Кабардино-Балкарский государственный университет» им. Х.М. Бербекова, г. Нальчик

Марченко Павел Евгеньевич

доктор технических наук, главный ученый секретарь Президиума КБНЦ РАН, заведующий центра географических исследований (ЦГИ), г. Нальчик

Ведущая организация: Южный математический институт

Владикавказского научного центра РАН и PCO — Алания, г. Владикавказ

Защита состоится 24 июня 2014 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 327.001.01 на базе ФГБУ «ВГИ» адресу: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГБУ «ВГИ» адресу: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

Автореферат разослан «23» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат геогр. наук, доцент А<? Н.В. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Изменение климата стало в настоящее время фактором, оказывающим существенное влияние на атмосферные процессы и, таким образом, на природно-климатические характеристики практически всех регионов нашей планеты. Этим можно объяснить и то, что исследование изменений природно-климатических характеристик регионов, их прогноз, а также четкое определение возможных их последствий для окружающей среды и в различных областях человеческой деятельности стали в настоящее время научными проблемами, которые привлекают большое внимание исследователей. К таким проблемам можно отнести анализ и прогноз изменений режима осадков, рассмотренные в настоящей работе для различных климатических зон юга России.

В климатической доктрине Российской Федерации, утвержденной 17 декабря 2009 года, говорится, что «...пополнение знаний о климатической системе является необходимой предпосылкой формирования и реализации независимой, научно и социально обоснованной политики в области климата. Систематические наблюдения за климатом, фундаментальные и прикладные исследования, связанные с его изменениями, обеспечивают повышение осведомленности органов государственной власти, субъектов экономики, научной общественности, средств массовой информации, населения о происходящих и будущих изменениях климата и об их последствиях, о возможностях адаптации к этим изменениям и мерах по их смягчению, а также принятие соответствующих решений».

Цель работы:

Целью работы являются анализ (1961 -2011 гг.) и прогноз (2014-2018 гг.) пространственно-временного распределения режима осадков по данным девятнадцати метеостанций на территории европейской части юга России, выявление тенденций их изменения, определение общих черт и характерных особенностей сезонной и годичной динамики режима осадков.

В рамках достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен статистический анализ сезонных и годовых сумм осадков и максимальных суточных осадков за период 1961 - 2011 гг. с выявлением экстремальных значений для каждого ряда и сравнением с помощью Т-теста средних значений метеопараметров с соответствующей климатической нормой (1961 - 1990 гг.); получены линейные тренды, характеризующие современные изменения режима осадков; проведен сравнительный анализ с результатами работ других исследователей;

- исследованы фрактальные свойства и трендоустойчивость временных рядов атмосферных суточных максимумов, сумм осадков в равнинной,

предгорной и горной зонах на юге России с помощью метода нормированного размаха; уточнена градация показателя Херста для определения трен-доустойчивости ряда;

- систематизированы и уточнены изменения режима атмосферных осадков в различных климатических зонах юга России на основе сравнительного анализа данных разных авторов;

- получены прогнозные значения сезонных и годовых сумм осадков на период с 2014 по 2018 гг. с помощью метода спектрально-сингулярного анализа («Гусеница» - Б8А).

Научная новизна:

В диссертационной работе получены результаты, обладающие научной новизной:

- для каждого сезонного и годового ряда сумм осадков и максимальных суточных осадков по данным 19 м/станций (всего 190 рядов), посчитаны 16 статистических характеристик, в том числе экстремальные значения. Определено количество экстремальных значений, приходящихся на 1961 - 1990 гг. (базовый период) и на 1991 - 2011 гг. (современный период) для каждой из зон; с помощью Т-теста определена статистическая разница (или равенство) средних значений рядов суммы осадков и суточных максимумов и соответствующих климатических норм для каждой станции.

- в результате анализа 190 рядов получена уточненная градация для определения трендоустойчивости ряда, позволяющая определить продолжительность сохранения тенденции увеличения или уменьшения режима осадков. Для персистентного ряда интервал для показателя Херста 0,5<Н<1 был разбит на два подинтервала:

1) 0,5<Н<0,7 и 2) 0,7<Н<1. В первом случае тенденция изменения устойчива в течение 4-10 лет; во втором случае тенденция устойчива от 10 лет и до длины изучаемого периода.

- впервые получены прогнозы для 90 рядов сумм осадков (сезонные и годовые) непараметрическим методом спектрально-сингулярного анализа «Гусеница-БвА» на 2014 - 2018 гг. Качество прогноза проверено Т-тестом, который с 95%-ным доверительным интервалом подтверждает равенство средних исторического ряда (2002 - 2011 гг.) с прогнозными значениями на этот же период.

Практическая значимость работы:

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные закономерности изменения динамики режима осадков в сезонах и году в равнинной, предгорной, горной климатических зонах юга России, а также прогноз метеопараметров до 2018 г. могут быть использованы:

- в агропромышленном комплексе республик и краев юга России;

- для решения задач, возникающих в курортном кластере юга России;

- результаты исследования используются для работы по теме 1.3.1.1.«Мониторинг изменений современного климата Российской Федерации, ее регионов и федеральных округов (субъектов РФ)», по разделу ФГБУ «ВГИ» «Оценки изменений климата в горных районах Кавказа для Ежегодного доклада о состоянии климата России»;

- для создания базы данных отчетов международных организаций, работающих по вопросам изменения климата.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменения режима средних и экстремальных атмосферных осадков в различные сезоны за период с 1961г. по 2011 гг. в различных климатических зонах юга России;

2. Результаты анализа исследования трендоустойчивости временных рядов, характеризующих режим осадков в различных климатических зонах юга России;

3. Результаты сравнительного анализа данных изменения режима атмосферных осадков в различных климатических зонах юга России;

4. Результаты прогнозирования атмосферных осадков на период с 2014 по 2018 гг., выполненные с помощью метода спектрально-сингулярного анализа («Гусеницал-SSA).

Апробация работы:

Основные результаты работы были доложены и опубликованы в материалах следующих конференций:

1. Международный симпозиум «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели» КБНЦ РАН, Нальчик, Россия, 28июня - 3 июля 2013 г.

2. Конференция, посвященная 100-летию рождения Сулаквелидзе Г.К., ФГБУ «ВГИ», Нальчик, апрель, 2013г.

3. Международная научная конференция с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», 23 - 26 сентября 2013 г.

4. Выполненная диссертационная работа явилась одним из индикаторов заданий по Гранту Минобрнауки в рамках Соглашения № 8323 от 16 августа 2012 г.

Личный вклад автора. Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Подготовка информации, расчеты с помощью программных средств: статистического пакета SPSS 15.0, программы Caterpiller 3.4, метода нормированного размаха, "анализ изменений временных рядов сумм осадков и максимальных суточных осадков в различных климатических зонах региона, а также прогноз этих метеопараметров осуществлены соискателем самостоятельно. Выводы и заключения по работе проведены совместно с научным руководителем.

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 работах, из них 2 основные в реферируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы (без приложения) составляет 168 страниц машинописного текста, включая 43 таблицы, 102 рисунков, список используемой литературы из 64 работ, приложение из 51 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, поставлена цель работы и сформулированы задачи, решенные в рамках достижения цели исследования. Во введении также сформулирована научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены сведения об апробации работы, основных публикациях и структуре диссертации.

В первой главе диссертационной работы сделан обзор по материалам докладов отчетов МГЭИК и статей ведущих российских и зарубежных исследователей по исследованию глобального изменения климата, в том числе режиму осадков. Актуальность выбранной темы подтверждена цитатами из Климатической доктрины Российской Федерации (КД РФ от 17 декабря 2009 г.).

Во второй главе проведен детальный анализ режима осадков на территории юга России (равнинная, предгорная и горная зоны) по данным 19 метеостанций за период 1961 - 2011 гг., Исследованные 19 м/станций (равнинные, предгорные, горные) представлены в таблице 1 .

Таблица 1

Метеостанции равнинной, предгорной и горной территории юга России

№ п/п Метеостанция Район расположения Высота н.у.м, м

Равнинные станции (<500м н.у.м.)

1 Сочи Краснодарский край 57

2 Краснодар Краснодарский край 26

3 Изобильный Ставропольский край 194

4 Моздок PCO (Алания) 126

5 Прохладная Кабардино-Балкария 198

6 Ростов-на-Дону Ростовская область 64

7 Дербент Дагестан 30

8 Кизляр Дагестан -17

9 Махачкала Дагестан 173

10 Изберг (Избербаш) Дагестан 21

Предгорные станции (500-1000м н.у.м.)

11 Ставрополь Ставропольский край 540

12 Майкоп Краснодарский край, Адыгея 532

13 Черкесск Карачаево-Черкесия 526

14 Кисловодск Карачаево-Черкесия _ 819

15 Нальчик Кабардино-Балкария 500

16 Владикавказ PCO (Алания) 680

17 Буйнакск Дагестан 560

Горные станции (>1000м н.у.м.)

18 Теберда Карачаево-Черкесия 1335

19 Ахты Дагестан 1281

С помощью статистического пакета программ SPSS 15.0 посчитаны следующие статистики: среднее (стандартная ошибка), доверительные интервалы среднего (при 95%-ном уровне), медиана, стандартное отклонение, минимум, максимум, размах, коэффициент асимметрии, коэффициент эксцесса, климатическая норма (1961 - 1990 гг.), экстремальные значения (выбросы и экстремумы), тест Колмогорова - Смирнова на нормальность кривой распределения, Т-тест на сравнение равенства среднего с климатической нормой. Построены временные ряды, линейные тренды с уравнениями, гистограммы с нормальной кривой распределения, коробчатые диаграммы с выбросами и экстремумами, графики накопленных отклонений для сумм осадков и максимальных суточных осадков.

Поведение линейных трендов исследовалось на устойчивость с помощью метода нормированного размаха (величины показателя Херста): получены данные о достаточно сложном изменении режима осадков по сравнению с устойчивым увеличением температуры. Большое количество исследованных временных рядов (для суммы осадков и для максимальных суточных осадков 190 сезонных и годовых рядов) позволил уточнить градацию для критерия устойчивости тренда: 1) 0,5<Н<0,7 и 2) 0,7<Н<1. В первом случае тенденция изменения накопленных отклонений устойчива в течение 4-10 лет; во втором случае тенденция устойчива от 10 лет и до длины изучаемого периода.

На рисунке 1а представлен график зимних сумм осадков и накопленные отклонения с трендами для м/станции Сочи, показатель Херста Н=0,578. При 0,5<Н<0,7 увеличение и уменьшение накопленных отклонений имеет периодичность от четырех до десяти лет. На рис.16 видно, что при 0,7<Н<1 увеличение и уменьшение накопленных отклонений имеет форму параболы с двумя ветвями, делящими временной ряд на два подин-тервала- с тенденцией уменьшения накопительных отклонений и тенденцией увеличения накопительных отклонений. Для станции Прохладная с

1961 года по 1991 год накопленные отклонения имели тенденцию стойкого уменьшения, начиная с 1991 года отклонения превосходят среднее значение и накопленные отклонения увеличиваются и, как следствие этого, дают высокое значение показателя Херста Н=0,8.

а) Зимние суммы осадков и накопленные отклонения с трендами, Сочи, Н=0,578

400 300 200 100 О -100 -200 -300 -400 -500 -<500 -700

1961 1971 1981 1991 2001 2011

у = 1,7068х-3286,6 Н=0,802

б) Осенние суммы осадков и накопленные отклонения с трендами, Прохладная, Н=0,802

Рисунок 1

Все статистические характеристики для каждой станции были сведены в таблицы (таблица 2). На примере предгорной метеостанции Буйнакск рассмотрим использованные методики для анализа сезонных и годовых сумм осадков, а также сезонных и годовых максимальных суточных осадков.

Таблица 2

Статистические характеристики режимов осадков, Буйнакск

п/п Статистики Режим осадков Зима Весна Лето Осень Год

1 Среднее (ст. ошибка), X , мм а) сумма осадков 58,51 (2,7) 117,53 (6,1) 173,06 (9,8) 121,69 (6,9) 470,92 (13,2)

б) макс. 12,27 24,16 35,75 27,22 42,27

суточные (0,8) (1,8) (2,4) (1,9) (2,3)

2 Доверит, интер- а) 5-64 105 - 129 153 - 193 108-135 444 - 497

вал среднего *, мм б) 11-14 20-28 31-41 23-31 37-47

Медиана, т, а) 60 106 156 1 ¡4 470

мм б) 11 21 34 25 40

4 Стандартное а) 19,5 43,4 70,4 49,4 94,3

отклонение СУ , мм б) 5,7 13,3 17,4 14,2 16,5

5 Минимум, Min, а) 14 40 60 43 228

мм б) 4 7 13 4 21

6 Максимум, Мах, а) 103 225 354 298 702

мм б) 33 64 92 81 92

7 Размах, R, а) 89 185 294 255 474

мм б) 29 57 79 77 71

8 Коэфф. а) 0,169 0,396 0,563 1,282 0,150

асимметрии As б) 1,14 1,14 1,373 1,277 1,231

9 Коэфф. эксцесса а) -0,394 -0,090 -0,239 2,627 -0,017

Е б) 1,914 1,914 2,598 2,77 1,958

10 Нормальность распределения, Р > 0,05 а) 0,157 >0,05 Нормальн. 0,062 >0,05 Нормальн. 0,185 >0,05 Нормальн. 0,001 <0,05 Не норм. 0,20 >0,05 Нормальн.

б) 0,008<0,05 0,000<0,05 0,184>0,05 0,024<0,05 0,048<0,05

Не норм. Не норм. Нормальн. Не норм. Не норм.

11 Климатическая а) 57 117 177 114 464

норма (19611990гг.) N, мм б) 12 24 37 27 44

12 Т-тест на равен- а) 0,359 >0,05 0,962>0,05 0,767>0,05 0,272>0,05 0,603>0,05

ство среднего и нормы При Sig.>0 ,05 равны равны равны равны равны равны

б) 0,732>0,05 равны 0,933>0,05 равны 0,609>0,05 равны 0,914>0,05 равны 0,459 >0,05 равны

13 Экстремумы, мм а) нет нет нет 5 экстр. > 206мм нет

б) 1 экстр. > 33мм 6 экстр. > 48мм 2 экстр. > 92мм 1 экстр. > 81мм 3 экстр. >81мм

14 Угловой к-т а) 0,26 0,27 -0,46 0,50 0,51

линейного трен- б) 0,06 0,14 -0,03 -0,02 -0,06

да, ai мм/год

15 Показатель а) 0,588 0,641 0,535 0,608 0,572

Херста, Н б) 0,594 0,423 0,609 0,562 0,575

*- границы даны при 95%-ном доверительном интервале

Буйнакск расположен в Дагестане, юго-восточной части Терского хребта, 560 м н.у.м. На рисунке 2 представлены графики сезонных годовых сумм осадков с уравнениями линейных трендов.

График суммы осидкин с i |i«-'h;ui-\iii 11(1 се'шнил] и в К|,1\ (1961-201 1 ГГ., bviÍHMKCK)

ÍILM.I v — l>, I Тх 1 54.Ь'6У

г _ . 1

500 Л / 1 . /\- Т А . . Дй ¿У"1...... -Весла >' — 0.2У9>; 4 1 Í0.03

ё too 300 200 - ЬЛ л Г и WV л .Л i « . . К Ь. г\ . . « • -'lelo у — -0,455.4 4- ] :>'4.!1 Осень V— n.499fix ¡ IOS "-2

100 - Год у - 0.51243! 1 457.5 1

1 6 и 1й И .ilS 41 4« М 1461- 2011 гг.

Рисунок 2. Графики сезонных годовых сумм осадков с трендами

Режим суммы осадков и максимальных суточных Буйнакска имеет ярко выраженный сезонный характер - с максимальным значением летом и затем по убыванию осенью, весной и минимальным значением зимой (таблица 2). Среднее значение суммы осадков в зимние периоды 1961-2011 гг. составляет 58,51 мм со стандартным отклонением 19,526 мм, нижняя и верхняя границы среднего при 95%-ном доверительном интервале имеют значения соответственно 53,02 мм и 64 мм.

Изменение климата определяется в «Глоссарии терминов» Третьего оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата, 2001 г., как «статистически значимое изменение либо среднего состояния климата, либо его изменчивости на протяжении длительного периода времени (обычно несколько десятилетий)». Используя Т-тест, выясним можно ли объяснить имеющееся различие между средним значением 58,51 мм за исследуемый период 1961-2011гг. от климатической нормы 57 мм за период 1961-1990 гг., рекомендуемый Всемирной метеорологической организацией (ВМО), в последнем случае говорят о значимом различии. Проведенный Т-тест показал уровень значимости р = 0,359>0,05, то есть средние значения суммы зимних осадков от нормы отличаются статистически незначимо. Для всех остальных сезонов и года средние значения сумм осадков, суточных максимумов и их нормы статистически равны.

Из уравнения линейного тренда для зимних сумм осадков (рисунок 3) следует, что тенденция изменения осадков положительна с угловым коэффициентом линейного тренда а, = 0,26 , что говорит об их увеличении на 0,26 мм каждый год. На вопрос об устойчивости этой тенденции ответит

метод нормированного размаха и величина показателя Херста с учетом новой градации. На рисунке 3 представлен график накопленных отклонений текущих значений суммы зимних осадков от их среднего, вычисления которых являются одним из этапов для получения показателя Херста Я. Из графика видно, что с 1966 по 1976 гг. наблюдалась тенденция к увеличению накопленных отклонений, то есть имело место превышение текущих значений осадков над их средним, затем с 1976 по 1982 гг. было уменьшение и, наконец, с 1982 по 2011 гг. - стойкое увеличение, что в целом и нашло подтверждение в показателе Херста Н=0,588.

Чпмнне суммы осадков и накопленные отклонения с лпнейнммп трендами,

Буйнакск

у-0.2635х- 464.8 у = 0,435бх-922.12

1961 1966 И)"! 19"« 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011

Рисунок 3. Графики режима зимних сумм осадков и накопленные отклонения

Из таблицы 2 видно, что имеется одно экстремальное значение (выброс) максимума суточных осадков со значением 33 мм (1972 г.). Для нахождения экстремальных значений строится ранжированный ряд, разбивается на квантили (отрезки по 25%, 50%, 75%) , находится разница между 75% и 25% квантилями. Значения, удаленные более чем на полторы разницы, являются выбросами. Значения, превышающие более чем на три разницы 75%-ый квантиль, являются экстремумами.

Имеется 1 выброс, удовлетворяющий условию Х; > 29мм, для п=12 - это максимальные суточные зимние осадки 33 мм в 1972 году. Аналогично рассчитываются экстремумы ниже 25% квантиля, но такие для зимних осадков метеостанции Буйнакск не наблюдались. Поскольку показатель Херста равен Н=0,59, то имеется вероятность дальнейшего увеличения зимних суточных максимумов на 0,03 мм в год с охранением тенденции от 4 до 10 лет.

Средние значения и климатические нормы сумм и суточных максимумов для всех сезонов и года в целом статистически значимо не отличаются, что является следствием того, что не было значительных изменений в режиме осадков после базового периода для определения нормы, с 1991 по 2011 гг. Полное описание остальных сезонных и годовых характеристик Буйнакска и восемнадцати станций приведено в диссертационной работе.

Рассмотрим станции, в которых некоторые характеристики значительно отличаются от средних характеристик режима осадков: Моздок, Ставрополь, Прохладная.

Станция Моздок находится в Северной Осетии (Алания), на стыке Тер-ско-Кумской низменности и Терского хребта, 126 м н.у.м. Моздок выделяется из всех станций очень большими коэффициентами асимметрии и эксцесса для сезонных суточных максимумов, особенно для лета (As=3,174; Е=14,369) и осени (As=4,639; Е=26,902), что является следствием больших экстремальных значений. Экстремальные значения имеются для всех сезонов и года в целом, но выделяются лето и осень: лето - 1 экстремум и 2 выброса > 66 мм (1966 г. - 78 мм; 1972 г. - 66 мм; 2010 г. - 140 мм); осень -1 экстремум и 2 выброса > 40 мм (1975 г. - 122 мм; 2010 г. - 49 мм; 2011 г. -40 мм). При анализе исходных рядов летних и осенних суточных максимумов осадков, видно, что большие значения асимметрии и эксцесса являются результатом двух экстремальных явлений - в сентябре 1975 года (122 мм осадков в сутки) и в июне 2010года (140 мм осадков в сутки). Это опасные стихийные явления (обильные ливневые дожди) для данной станции, разброс остальных значений составляет от 3 мм до 49 мм в 1975 году (при норме 20 мм) и от 4 мм до 66 мм в 2010 году (при норме 35 мм).

Ставрополь расположен на Ставропольской возвышенности, 540 м н.у.м. Весенние суммы осадков Ставрополя представляют собой единственный случай за период 1961 - 2011 гг., когда имеется нижний экстремум (выброс), чье значение меньше нижнего порога < 23 мм (2003г. - 23 мм). В 2003 году весенняя сумма осадков в Ставрополе составила 23 мм (март - 2 мм, апрель - 17 мм, май - 4 мм), что значительно меньше среднего значения для весенней суммы осадков 146,82 мм и климатической нормы 141 мм и позволяет охарактеризовать эту весну как экстремально засушливую.

Станция Прохладная, Кабардино-Балкария, расположена на стыке Терско-Кумской низменности и Терского хребта, 198 м н.у.м. Отличается тем, что для осеннего сезона имеется статистически значимая разница между климатической нормой 84 мм и средним значением ряда суммы осадков 102,10 мм (Sig=0,04<0,05), с большим превышением средних сумм осадков над нормой на 18%, имеющееся увеличение осенних сумм осадков на 1,70 мм/год продлится долго - от 10 лет и более, поскольку показатель Херста высок Н=0,802 (рисунок 1 б).

По индивидуальным характеристикам метеопараметров (годовая сумма осадков в году, преобладание летних сумм над зимними) возможно объединение предгорных и горных станций в одну группу. На предгорных (горных) станциях: Ахты, Буйнакск, Ставрополь, Теберда, Майкоп, Черкесск, Нальчик, Кисловодск, Владикавказ разброс годовой суммы осадков невелик и находится в пределах 406-937мм. Для всех станций этой группы летние суммы осадков превышают зимние суммы осадков (рисунок 4 а).

Минимальная сумма осадков в Ахты - 406 мм; максимальная сумма осадков во Владикавказе 937 мм.

На равнинных станциях разброс сумм годовых осадков очень большой и составляет от 275 мм до 1640 мм. Минимальная сумма годовых осадков в Изберге (Дагестан) - 275 мм; максимальная сумма осадков в Сочи (Краснодарский край) -1640 мм (рисунок 4 б).

Зимние и летние суммы осадков для станций предгорной зоны

450 400 350 300 s 250 s 200 150 100 50

¿У J? л?

■е J>

^ * У

Станция ^ ф

В Зима □ Лето

а) зимние и летние суммы осадков предгорной (горной) зоны

Зимние и летние суммы осадков для станций равнинной зоны

Станция

б) зимние и летние суммы осадков равнинной зоны

Рисунок 4. Диаграммы сумм осадков м/станций предгорной (горной) зоны.

По индивидуальным характеристикам (сумме годовых, летних и зимних осадков) равнинные станции (<500м н.у.м.) можно разделить на следующие группы:

1. Изберг, Кизляр, Махачкала, Дербент (Прикаспийское побережье) -разброс годовых сумм осадков составляет 275 - 400 мм, зимой осадков немного больше, чем летом, за исключением Кизляра.

2. Моздок, Прохладный, Ростов-на-Дону, Изобильный, Краснодар (степная зона), сумма годовых осадков 475 - 800 мм.

В Моздоке, Изобильном и Прохладной большое количество летних осадков, превышающих зимние.

В Ростове-на-Дону, Краснодаре — зимних осадков больше, чем летних.

3. Сочи (Черноморское побережье) — максимальная сумма годовых осадков - 1640 мм, с превышением зимних сумм осадков над летними (большое количество дней), но с тенденцией их уменьшения.

Как отмечалось в «Резюме для политиков Специального доклада по управлению рисками экстремальных явлений и бедствий для содействия адаптации к изменению климата» (МГЭИК, 2012) следствием изменения климата могут стать экстремальные явления, которые можно обнаружить по изменениям в распределении рядов. Поскольку экстремальные значения достаточно редкое явление и достоверный статистический анализ для каждой станции провести не представляется возможным, обобщим сезонные экстремумы по суммам осадков и суточным максимумам за два периода: 1961-1990 гг. (базовый) и 1991-2011 гг. по климатическим зонам и по всей территории юга России. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Количество сезонных экстремумов

Количество экстремумов, Количество экстремумов,

1961-1990гг. (базовый 1991-2011гг. (современный

Сезоны период) период)

Сумма Суточные Сумма Суточные

осадков максимумы осадков максимумы

1.Равнина

Причерноморье

Зима, Весна, Лето, Осень 1, 0,0, 1 1, 1, 1, 1 0 ,0,0,0 0,1,1,0

По всем сезонам 2 4 0 2

Степная зона

Зима, Весна, Лето, Осень 0,1,1,1 3,6,8,3 3,5,3,6 5,5,4,12

По всем сезонам 5 20 17 26

Прикаспийская зона

Зима, Весна, Лето, Осень 2, 3, 3, 5 6,6,9, 8 4,2, 1, 7 4,4, 7,8

По всем сезонам 13 29 14 23

II, Предгорная зона

Зима, Весна, Лето, Осень 3,2, 1, 1 6, 11, 4, 5 4, 1„„„, 3, 6 3, 6, 6, 6

По всем сезонам 7 26 14 21

Ш.Горная зона

Зима, Весна, Лето, Осень 3,1 ,0, 1 1,3, 1, 0 3, 4, 0, 1 1,4,2, 0

По всем сезонам 5 5 8 7

В Причерноморской зоне в период 1991 - 2011 гг. не наблюдалось увеличения количества экстремумов (6:2). В степной зоне количество экстремумов сумм осадков увеличивается более чем в три раза (с 5 до 17), при этом количество экстремумов суточных максимумов также возрастает с 20 до 26. Из таблицы видно, что это увеличение имеет место за счет осеннего сезона, где наблюдается значительный рост количества экстремумов для сумм осадков (с 1 до 6) и для суточных максимумов (с 3 до 12). В Прикаспийской зоне количество экстремумов сравнимо для двух периодов. Предгорная зона по динамике изменения количества экстремумов сумм осадков следует за степной зоной, они выросли в 2 раза (7:14), основной вклад осенних экстремумов (1:6). В горной зоне основной вклад в увеличение количества экстремумов по суммам и суточным максимум (10:15) вносят весенние экстремумы (4:8).

В Высокогорном геофизическом институте за период 1998 - 2011 гг. были выполнены работы, посвященные исследованию климатических изменений на территории юга России следующими авторами: монографии Б.А.Ашабокова, Л.М. Федченко, Х.М.Калова и соавт., докторские работы Л.Ж Шугунова., А.М Малкаровой, А.А.Аджиевой, канд. работы Д.В.Деркач, Н.ИЛитовка, А.Х.Хавцукова, Ф.М. Ашабоковой и др. В диссертационной работе дано сравнительное описание изменения режима осадков по данным исследований разных авторов. В таблице 4 в качестве примера приведены результаты сравнения поведения линейных трендов сумм осадков станции Сочи различных авторов с указанием исследованных временных интервалов и сезонов (года).

Таблица 4

Сравнительный анализ результатов исследования сезонных и годовых

тенденций изменений сумм осадков по данным разных авторов

Авторы, метеостанции, годы Тенденции изменения суммы осадков

зима весна лето осень год

I. Равшшная территория ( <500 и н.у.м.) Причерноморская зона

Деркач Д.В., Сочи, 1956-200S гг. Слабое увеличение Увеличение Выраженный рост Увеличение Заметный рост

АшабоковаФ.М., Сочи 1956-2005гг. - - Устойчивое увеличение - -

Малкарова A.M., КТ| террит. Причерноморья, 1958-2008 гг. Устойчивое увеличение

Пшихачева 11.11. Сочи, 1961-2011г.. Уменьшение (снижение интенсив.) Устойчивое увеличение Устойчивое увеличение Увеличение Устойчивое увеличение

Как видно из таблицы 4 результаты исследования изменения сезонного и годового режимов осадков в Сочи по данным четырех авторов совпадают, исключение составляет зимний сезон. Слабое увеличение сумм

зимних осадков в период 1956 - 2005 гг. (Деркач Д.В.) сменяется на устойчивое уменьшение на 0,21 мм/год в период 1961 - 2011 гг. Для уточнения современной тенденции изменения режима осадков был построен линейный тренд для периода 1991 - 2011 гг. (1961 - 1990 гг. - базовый для определения нормы). Тенденция уменьшения зимних осадков усилилась до 3 мм/год. Следовательно, отрицательный тренд зимних сумм осадков для м/станции Сочи характеризует современное изменение режима осадков. Устойчивое уменьшение зимних осадков происходило как за счет уменьшения количества дней с осадками не менее 20 мм, так и за счет снижения суточного максимума осадков.

Сравнительный анализ по всем остальным станциям приводится в диссертационной работе.

В главе 3 представлен прогноз сезонных и годовых сумм осадков на 2014-2018 гг.

Прогнозом, полученным на основе статистических свойств системы (предсказуемость 2-го рода) можно пользоваться как климатическим справочником, трактуя прогностические значения как соответствующие характеристики за некоторый достаточно продолжительный период. На примере станции Буйнакск осуществим прогноз годовых сумм осадков на период 2014-2018 гг. методом «Гусеница-ЗБА», позволяющий раскладывать временной ряд на аддитивные составляющие, такие как тренд (в частности, линейный или экспоненциальный), периодические компоненты и шум, а затем прогнозировать интерактивно.

На рисунке 5 представлена периодограмма сумм годовых осадков за исследуемый период, по которой можно определить максимальные мощности, соответствующие наиболее значительным периодам ряда - это 3 года, 7 лет, 5 лет и 2 года.

Рисунок 5. Периодограмма суммы годовых осадков за 1961 - 2011 гг., Буйнакск

Воспользуемся шириной окна, предложенной программой по умолчанию Ь=26, и выберем восемь главных компонент для группировки (8ГК). Суммируя матрицы внутри каждого набора и затем, переходя от результирующих матриц к ряду, получаем восстановленный ряд из адди-

тивных слагаемых, состоящих из тренда 1ГК, периодики 1-8ГК и шума 9-26ГК или на сумму низкочастотной и высокочастотной составляющих.

Определим коэффициенты для линейно-рекуррентной формулы, описывающей восстановленный ряд. Воспользуемся таблицей 5 с комплексно -сопряженными корнями.

Таблица 5

Комплексно-сопряженные корни характеристического полинома

Яе 1т МосУе РЫ Репой Сотр1ех !

1 -0,513709 0,806486 1,013439 2,221279 2,8286336 1]

2 -0,88638 0,489068 1,012352 2,6374 2,382341 1

3 1,000577 0 1.000577 0 1.00Е+100 Ц

4 0,655978 0,754651 0,999903 0,855234 7,3467429 1

5 0,341053 0,894525 0,957336 1,206543 5,2075941 1!

6 -0,22562 0,916823 0,944176 1,812091 3,467367 1!

7 0,021436 0,937845 0,93809 1,547943 4,0590538 1

8 0,799726 0,484015 0,93479 0,544253 11,544602 1

9 0,88689 0,255444 0,922944 0,280432 22,405348 1

10 -0,888903 0 0,888903 3,141593 2 0

11 -0,847239 0,21323 0,873659 2,895037 2,1703299 11

12 -0,525325 0,649576 0,835413 2,250832 2,7914946 Я

13 0,309577 0,648777 0,718852 1,125579 5,5821813 1

14 -0.104388 0 0.104388 3.141593 2 0:

1-2 строки соответствуют комплексно-сопряженным корням, порождающим гармоники с периодами, равными 2,8 года (= 3 года), 2,4 года (~2 года), модуль>1, следовательно, амплитуды возрастает;

3-я строка соответствует вещественному корню с модулем 1,0001 (периода нет).

4-5 строки соответствуют гармоникам 7,3 года и 5,2года, их амплитуда уменьшается (модуль 0,999<1 и 0,957<1, модуль амплитуды убывает).

Остальные корни (6-14строки) являются побочными. Как видно, все полученные комплексно-сопряженные корни соответствуют гармоникам, представленным на периодограмме - 2 года, 3 года, 5 лет и 7 лет (рисунок 8). Используя коэффициенты из таблицы комплексно-сопряженных корней (рисунок 9), получим формулу для ряда, управляемого минимальной ЛРФ:

/„= С/1,00057" + С21,013"со5(27Сп/2,8+<р2)+ С31,012исо8(27т/2,4+ф3)+ С4 0,999"соз(2лп/7,3+(р4)+ ОД957"со5(2лп/5,2+<р5) (1)

Коэффициенты С^ и <р ; определяются начальными данными.

После восстановления и аппроксимации ряда проведем прогнозирование ряда (синяя ломаная). Исходный ряд имеет длину N=51, начало прогноза установим с 2002 года. Построим прогнозный ряд от 2002 до 2011 гг., сравним его с исходным рядом (Т-тест) и продолжим прогноз на последующие семь точек до 2018 г. (2012 - 2018 гг.). Вертикальная черная линия отделяет начало прогноза от реальных данных (рисунок 6). Результаты прогноза представлены на рисунке бив таблице 6.

Рисунок 6. Прогноз суммы годовых осадков на 2002 - 2018 гг., Буйнакск.

Таблица 6

Прогноз и периоды суммы годовых осадков, Буйнакск

№ п/п Годы Исходный ряд, мм Прогнозный ряд Точность прогноза Периоды изменения ряда за 1961-2011гг.

1 1961 470 - - 3 года, 7 лет, 5

- Стандартное лет и 2 года.

42 2002 575 641 отклонение

43 2003 537 509 37,478

44 2004 582 631 Максимальное

45 2005 610 557 отклонение

46 2006 396 425 65,964

47 2007 449 430

48 2008 403 415

49 2009 484 454

50 2010 415 410

51 2011 543 574

средние 499,4 504,6 0,860

52 2012 390 Т-тест

53 2013 596 51й=0,860 >0,05,

54 2014 616 Средние реального

55 2015 358 и прогнозируемого

56 2016 618 равны 499,4 мм = 504,6 мм (2002-2011 гг.)

57 2017 321

58 2018 491

Прогноз рекуррентным способом с указанными параметрами является наиболее точным. С высоким уровнем значимости 81§=0,860>0,05 среднее значение реального ряда годовых сумм осадков 499,4мм статистически равно среднему значению суммы осадков прогнозируемого ряда 504,6мм. Следовательно, структура ряда при параметрах Ь=35 и 14ГК восстановлена максимально точно и в 2014 г. и 2016 г. следует ожидать значительное увеличение суммы годовых осадков для м/станции Буйнакск. Аналогично прогнозы для всех сезонов станций Буйнакск и Нальчик приведены в главе 3 диссертационной работы. Сезонные и годовые прогнозы для остальных станций приведены в таблицах и графиках в ПРИЛОЖЕНИИ к главе 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. На основе статистических характеристик рядов сезонных и годовых сумм осадков и максимальных суточных осадков за период с 1961 по 2011 гг. по данным 19 метеостанций был дан анализ современного изменения режима осадков для пяти территориальных зон юга России: Причерноморская, степная, Прикаспийская, предгорная и горная:

— в Причерноморской зоне (Сочи) сезонные и годовые суммы осадков максимальные и составляют в среднем 1640 мм в год. Количество зимних осадков преобладает над количеством летних осадков, при этом наблюдается устойчивое уменьшение сумм зимних осадков за счет снижения интенсивности суточных максимумов осадков с сохранением этой тенденции от 4 до 10 лет. В весенний, летний и осенний сезоны происходит увеличение сумм осадков за счет увеличения суточных максимумов и количества дней с интенсивными осадками не менее 20 мм. Количества экстремумов по сумме осадков и суточным максимумам в современный период 1991 — 2011 гг. не увеличилось по сравнению с базовым 1961 - 1990 гг.

Среднесезонные и среднегодовые суммы и суточные максимумы осадков статистически равны с соответствующими климатическими нормами:

— в степной зоне годовые суммы осадков колеблются от 475 мм до 800 мм в год. Количество летних осадков в основном преобладает над количеством зимних осадков. Осень в степной зоне выделяется

наиболее устойчивым увеличением как сумм осадков, так и суточных максимумов. Осенние суммы осадков для станций Прохладная и Ростов-на-Дону отличаются высокой персистентностью ряда (Н=0,8) с сохранением тенденции увеличения осадков от 10 до 50 лет. В степной зоне количество экстремумов сумм осадков увеличивается более чем в 3 раза в современный период (1991 -2011 гг.) по сравнению с базовым (1961 - 1990 гг.)., при этом количество экстремумов суточных максимумов также возрастает. Основной вклад в увеличение вносят осенние экстремумы.

Между средними значениями сумм осенних осадков и их климатическими нормами имеется статистически значимая разница у Прохладной (средние осенние суммы осадков на 18% превышают норму) и Ростова-на-Дону (средние осенние суммы осадков на 14% превышают норму). Все остальные средние значения осадков статистически равны с климатическими нормами.

— в Прикаспийской зоне сезонные и годовые суммы осадков минимальные из всех зон и колеблются от 275 мм до 400 мм в год. Количество зимних осадков в основном превышает количество летних осадков. В Прикаспийской зоне наблюдается повсеместное увеличение сумм осадков с устойчивостью от 4 до 10 лет, за исключением весны в Дербенте, лета в Кизляре и Махачкале (уменьшение). Средние значения статистически равны с климатическими нормами, за исключением Махачкалы, где среднегодовое значение суммы осадков превышает климатическую норму на 8% с устойчивым сохранением увеличения осадков на период более 10 лет(Н=0,8)..

Имеется небольшое увеличение количества экстремумов сумм осадков в современный период, сопровождающееся снижением количества суточных максимумов за период 1991 -2011 гг.

— в предгорной зоне годовые суммы осадков колеблются от 564 мм до 937 мм в год. Для всех станций этой группы летние суммы осадков превышают зимние суммы осадков. В целом году на всех девяти предгорных станциях, за исключением Ставрополя, имеется устойчивое увеличение сумм осадков и суточных максимумов с сохранением тенденции до 10 лет. В Ставрополе наблюдается небольшое, но устойчивое (с сохранением тенденции >10 лет) уменьшение годовых сумм осадков за счет уменьшения количества дней с осадками не менее 5мм. За последние 20 лет количество экстремумов сумм осадков выросло в 2 раза по сравнению с 30-летним базовым периодом, а количество экстремумов суточных максимумов почти сравнялось.

Среднегодовые значения сумм осадков статистически равны с нормами, за исключением Кисловодска и Черкесска, где среднегодовые суммы осадков на 12% превышают соответствующие климатические нормы.

— В горной зоне годовые суммы осадков колеблются от 406 мм до 800 мм в год. Количество летних осадков значительно преобладает над количеством зимних осадков. На горных станциях преобладает увеличение осадков, более устойчивое в Теберде (с сохранением этой тенденции от 10 лет и более) и менее устойчивое в Ахты (с сохранением тенденции не более 10 лет). Количество экстремумов по суммам и суточным максимумам в современный период немного превысил их количество за базовый период.

Средние сумм осадков и суточных максимумов двух горных станций статистически равны с нормами для всех сезонов и года в целом.

2. По результатам сравнительного анализа были уточнены современные тенденции изменения режима осадков на станциях Сочи, Нальчик, Прохладная, Ставрополь.

3. По результатам анализа временных рядов сезонных осадков с помощью метода нормированного размаха получено, что в осенний сезон для всех станций без исключения наблюдается устойчивое увеличение (Н=0,7) как сумм осадков, так и суточных максимумов с сохранением тенденции на период от 10 до 50 лет; на осень также приходится максимальное количество экстремумов сумм осадков и суточных максимумов.

4. Проведено прогнозирование значений сезонных и годовых сумм осадков на период с 2014 по 2018 гг. с помощью метода спектрально-сингулярного анализа. Устойчивость и надежность прогноза подтверждено Т-тестом, а также значениями стандартного отклонения и максимального отклонения прогнозных значений от реальных.

Полученные сезонные и годовые прогнозные значения до 2018 г. сохраняют тенденции исходного ряда и могут быть использованы как справочные величины.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК Минобрнауки России

1. Пшихачева И.Н., Ташилова A.A., Кешева Л.А., Балкарова С.Б., Шо-генова М.М., Таубекова З.А. Структурный анализ и прогноз зимних осадков методом «Caterpillar»-SSA. Журнал (реферируемый) «Доклады АМАН», № 1, 2013 г., стр.103-106.

2. Пшихачева И.Н., Ташилова A.A., Кешева Л.А., Таубекова З.А. Анализ динамики режима суммарных и максимальных суточных осадков по данным метеостанции Буйнакск (1961-2011гг.).- Известия ВУЗов СевероКавказский регион. Естественные науки (апрель, № 2,2014 г.).

Другие публикации

1. Пшихачева И.Н., Дугарлиева М.К.Изменение режима осадков в предгорной зоне КБР, Наука и устойчивое развитие, МАТЕРИАЛЫ VI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, Нальчик - 2012 г., стр. 28-30.

2. Пшихачева И.Н., Кешева Л. А., Таубекова З.А. Анализ многолетних изменений высоты снежного покрова по данным метеостанции Владикавказ II Международный симпозиум «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели» КБНЦ РАН, Нальчик, Россия, 28июня-3 июля 2013 г.

3. Пшихачева И.Н., Балкизова А.Х. Основные этапы и задачи проблемы адаптации аграрного сектора к изменению климата// Международный симпозиум «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели» КБНЦ РАН, Нальчик, Россия, 28июня-3 июля 2013 г.

4. Пшихачева И.Н., Ташилова A.A., Кешева Л. А., Балкизова А.Х. О результатах анализа проблемы адаптации АПК к изменению клима-та//Конференция к 100-летию Сулаквелидзе.

5. Пшихачева И.Н., Ташилова A.A., Кешева Л.А., Таубекова З.А. Возможности прогнозирования временного климатического ряда с помощью метода «Гусеницал-SSA // Международная конференция Ставрополь, сентябрь 2013 г.

Подписано в печать 22.04.2014 г. Бумага офсетная. Формат 84x108 '/з2. Гарнитура Тайме. Объем 1.0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 12

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Пшихачева, Ирина Нашировна, Нальчик

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

04201 459*104

Пшихачева Ирина Нашировна

Сравнительный комплексный анализ и прогноз режима осадков в различных климатических зонах юга России

Специальность 25.00.30 «Метеорология, климатология, агрометеорология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук доцент А. А. Ташилова

Нальчик 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА.....................7

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ РЯДОВ СУММ ОСАДКОВ И МАКСИМАЛЬНЫХ СУТОЧНЫХ ОСАДКОВ НА ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА ЗА ПЕРИОД 1961-2011 ГГ..................................................14

2.1 Введение.....................................................................................................14

2.2 Климатообразующие факторы для Северного Кавказа............................................17

2.3 Закономерности изменения режима осадков на метеостанциях европейской части юга России за период 1961-2011 гг................................................................................18

2.4 Систематизация метеостанций по индивидуальным характеристикам и экстремальным значениям рядов осадков....................................................................................100

2.5 Сравнительное описание изменения режима осадков по данным разных авторов.........103

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗ СЕЗОННЫХ И ГОДОВЫХ СУММ ОСАДКОВ НА ПЕРИОД 20122018 ГГ. МЕТОДОМ «ГУСЕНИЦА»^ А................................................................117

3.1 Краткий обзор теории сингулярно-спектрального метода «Гусеницал-ББА................117

3.2 Прогнозирование сезонных и годовых сумм осадков метеостанции Буйнакск на период 2014-2018 гг....................................................................................................123

3.3 Прогнозирование сезонных и годовых сумм осадков метеостанции Нальчик на период

2014-2018 гг......................................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................151

Библиографический список использованной литературы............................................154

Приложение 1 (сводная таблица сравнительного анализа динамики сумм осадков по данным

разных авторов)..............................................................................................159

Приложение 2 (таблицы и графики результатов прогноза суммы осадков для 17 метеостанций).................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования:

Изменение климата стало в настоящее время фактором, оказывающим существенное влияние на атмосферные процессы и, таким образом, на природно-климатические характеристики практически всех регионов нашей планеты. Этим можно объяснить и то, что исследование изменений природно-климатических характеристик регионов, их прогноз, а также четкое определение возможных их последствий для окружающей среды и в различных областях человеческой деятельности стали в настоящее время научными проблемами, которые привлекают большое внимание исследователей. К таким проблемам можно отнести анализ и прогноз изменений режима осадков, рассмотренные в настоящей работе для различных климатических зон юга России.

В климатической доктрине Российской Федерации, утвержденной 17 декабря 2009 года, говорится, что «...пополнение знаний о климатической системе является необходимой предпосылкой формирования и реализации независимой, научно и социально обоснованной политики в области климата. Систематические наблюдения за климатом, фундаментальные и прикладные исследования, связанные с его изменениями, обеспечивают повышение осведомленности органов государственной власти, субъектов экономики, научной общественности, средств массовой информации, населения о происходящих и будущих изменениях климата и об их последствиях, о возможностях адаптации к этим изменениям и мерах по их смягчению, а также принятие соответствующих решений».

Цель работы:

Целью работы являются анализ (1961-2011 гг.) и прогноз (2014-2018 гг.) пространственно-временного распределения режима осадков по данным девятнадцати метеостанций на территории европейской части юга России, выявление тенденций их изменения, определение общих черт и характерных особенностей сезонной и годичной динамики режима осадков.

В рамках достижения поставленной дели были решены следующие задачи:

- проведен статистический анализ сезонных, годовых сумм осадков и максимальных суточных осадков за период 1961-2011 гг. с выявлением экстремальных значений для каждого ряда и сравнением с помощью Т-теста средних значений метеопараметров с соответствующей климатической нормой (1961-1990 гг.); получены линейные тренды,

характеризующие современные изменения режима осадков; проведен сравнительный анализ с результатами работ других исследователей;

- исследованы фрактальные свойства и трендоустойчивость временных рядов атмосферных суточных максимумов, сумм осадков в равнинной, предгорной и горной зонах на юге России с помощью метода нормированного размаха; уточнена градация показателя Херста для определения трендоустойчивости ряда;

- систематизированы и уточнены изменения режима атмосферных осадков в различных климатических зонах юга России на основе сравнительного анализа данных разных авторов;

- получены прогнозные значения сезонных и годовых сумм осадков на период с 2014 по 2018 гг. с помощью метода спектрально-сингулярного анализа («Гусеница»-88А).

Научная новизна:

В диссертационной работе получены результаты, обладающие научной новизной:

- для каждого сезонного и годового ряда сумм осадков и максимальных суточных осадков по данным 19 м/станций (всего 190 рядов), посчитаны 15 статистических характеристик, в том числе экстремальные значения. Определено количество экстремальных значений, приходящихся на 1961-1990 гг. (базовый период) и на 1991-2011 гг. (современный период) для каждой из зон; с помощью Т-теста определена статистическая разница (или равенство) средних значений рядов суммы осадков и суточных максимумов и соответствующих климатических норм для каждой станции;

- в результате анализа 190 рядов получена уточненная градация для определения трендоустойчивости ряда, позволяющая определить продолжительность сохранения тенденции увеличения или уменьшения режима осадков. Для персистентного ряда интервал для показателя Херста 0,5<//<1 был разбит на два подинтервала:

1) 0,5<Н<0,7 и 2) 0,7<//<1. В первом случае тенденция изменения устойчива в течение 4-10лет; во втором случае тенденция устойчива от 10 лет и до длины изучаемого периода.

- впервые получены прогнозы для 90 рядов сумм осадков (сезонные и годовые) непараметрическим методом спектрально-сингулярного анализа «Гусеница~88А» на 20142018 гг. Качество прогноза проверено Т-тестом, который с 95%-ным доверительным интервалом подтверждает равенство средних исторического ряда (2002—2011 гг.) с прогнозными значениями на этот же период;

Качество прогноза подтверждено Т-тестом, который с 95%-ным доверительным интервалом подтверждает равенство средних исторического ряда (2002—2011 гг.) с прогнозными значениями на этот же период.

Практическая значимость работы:

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные закономерности изменения динамики режима осадков в сезонах и году в равнинной, предгорной, горной климатических зонах юга России, а также прогноз метеопараметров до 2018 г. могут быть использованы:

- в агропромышленном комплексе республик и краев юга России;

- для решения задач, возникающих в курортном кластере юга России;

- как часть исследования по теме 1.3.1.1 «Мониторинг изменений современного климата Российской Федерации, ее регионов и федеральных округов (субъектов РФ)», по разделу ФГБУ «ВГИ» «Оценки изменений климата в горных районах Кавказа для Ежегодного доклада о состоянии климата России»;

- для создания базы данных отчетов международных организаций, работающих по вопросам изменения климата.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменения режима средних и экстремальных атмосферных осадков в различные сезоны за период 1961-2011 гг. в различных климатических зонах юга России;

2. Результаты анализа исследования трендоустойчивости временных рядов, характеризующих режим осадков в различных климатических зонах юга России;

3. Результаты сравнительного анализа данных изменения режима атмосферных осадков в различных климатических зонах юга России;

4. Результаты прогнозирования атмосферных осадков на период с 2014 по 2018 гг., выполненные с помощью метода спектрально-сингулярного анализа («Гусеница»—Б Б А).

Апробация работы:

Основные результаты работы были доложены и опубликованы в материалах следующих конференций:

1. Международный симпозиум «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели». Россия, Нальчик, КБНЦ РАН, 28 июня-3 июля 2013 г.

2. Конференция молодых ученых, посвященная 100-летию профессора Г.К.Сулаквелидзе, ФГБУ «ВГИ», Нальчик, 22-23 мая 2013г.

3. Международная научная конференция с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», 23—26 сентября 2013 г.

4. Выполненная диссертационная работа явилась одним из индикаторов заданий по Гранту Минобрнауки в рамках Соглашения № 8323 от 16 августа 2012 г.

Личный вклад автора:

Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Подготовка информации, расчеты с помощью программных средств: стат. пакета SPSS 15.0, программы Caterpiller 3.4, метода нормированного размаха, анализ изменений временных рядов сумм осадков и максимальных суточных осадков в различных климатических зонах региона, а также прогноз этих метеопараметров осуществлены соискателем самостоятельно. Выводы и заключения по работе проведены совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертации:

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы (без приложений) составляет 158 страниц машинописного текста, включая 40 таблиц, 86 рисунков, списка используемой литературы из 64 работ и двух приложений на 55 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

В Климатической доктрине Российской Федерации (утверждена Распоряжением Президента РФ 17 декабря 2009 года, №861-рп, п.29) говорится, что изменение климата является одной из важнейших международных проблем XXI века, которая выходит за рамки научной проблемы и представляет собой комплексную междисциплинарную проблему, охватывающую экологические, экономические и социальные аспекты устойчивого развития Российской Федерации [1].

В 1988 году совместно с Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) и Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) была учреждена Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) для того, чтобы объединив усилия 130 стран, всесторонним, объективным и открытым образом дать оценку имеющейся научно-технической и социально-экономической информации для содействия пониманию научной основы риска изменения климата, вызванного деятельностью человека, его потенциальных последствий и возможностей адаптации и смягчения воздействий. МГЭИК подготовила ряд оценочных докладов (1990 г., 1996 г., 2001г., 2007 г.), в которых содержатся результаты комплексного исследования климатических изменений, их причин и возможных последствий, а также оценка потенциала по принятию адаптационных мер и снижению антропогенного воздействия на климатическую систему, как на глобальном, так и на региональном уровнях.

Существует довольно много определений «климата». В Глоссарии терминов, содержащихся в Третьем оценочном докладе, подготовленном Межправительственной группой экспертов по изменению климата в 2001 г., приведена следующая формулировка: «Климат в узком смысле этого слова обычно определяется как "средний режим погоды" или, в более строгом смысле, как статистическое описание средней величины и изменчивости соответствующих количественных параметров в течение периода времени, который может варьироваться от нескольких месяцев до тысяч или миллионов лет. По определению Всемирной метеорологической организации (ВМО), классическим периодом считается 30 лет. Соответствующими количественными параметрами наиболее часто являются такие переменные на поверхности Земли, как температура, осадки и ветер» [2].

Климат нашей планеты никогда не был постоянным, он заметно менялся на протяжении последних сотен тысячелетий при полном отсутствии антропогенных воздействий. Определение вариаций климата стало возможным определить при современном уровне инструментальных исследований.

В статье О. Каттани и соавт. «Орбитальные и тысячелетние изменения антарктического климата в последние 800 ООО лет» описываются изменения климата Арктики за последние 800 ООО лет, полученные на основе изотопного анализа дейтерия 5В1СС из ледяного керна, взятого с глубины 3259,7 м [3]. По меняющемуся профилю дейтерия были восстановлены вариации средней температуры за период 800 000 лет, из которых следует, что имелось, по крайней мере, восемь квазипериодов изменения антарктической температуры.

Естественные вариации климата были также очень заметными и за последние 2000 лет [4]. Как пишет Кондратьев К.Я., «...по-видимому, потепление климата в Северном полушарии, наблюдавшееся в 20 веке, было самым значительным за последнюю тысячу лет» [5]. В Глоссарии терминов было дано общее определение «изменения климата»: «Изменение климата - это изменение в состоянии климата, которое может быть определено (например, с помощью статистических испытаний) и (или) изменчивость его свойств и которое сохраняется в течение длительного периода, обычно несколько десятилетий и больше» [2]. В монографии Г.В. Груза, Э.В. Раньковой «Наблюдаемые и ожидаемые изменения климата Российской Федерации: температура воздуха» авторы уточняют понятие термина «климата» применительно к задаче анализа климата и климатической изменчивости по данным наблюдений меняющегося климата: «...климатическая изменчивость-от трех недель до нескольких десятилетий. Изменчивость этого масштаба, принятого нами за внутренний временной масштаб климатической системы, характеризует внутриклиматические колебания, или климатическую изменчивость, или флуктуации климата» [6].

Изменение климата стало в настоящее время фактором, оказывающим существенное влияние на атмосферные процессы и, таким образом, на природно-климатические характеристики практически всех регионов нашей планеты. Этим можно объяснить и то, что исследование изменений природно-климатических характеристик регионов, их прогноз, а также четкое определение возможных их последствий для окружающей среды и в различных областях человеческой деятельности становились в разные времена научными проблемами, которые привлекали и привлекают большое внимание исследователей [7-33].

Потепление климата, которое происходит сейчас, никак не вписывается в естественные циклы, к тому же процесс происходит чрезвычайно стремительно: ведь речь идет не о тысячелетиях, а о сотнях и даже десятках лет. Никогда еще средняя температура планеты не изменялась с такой невероятной скоростью. В статье «Результаты Российских исследований климата в 2007-2010 гг.» И.И. Мохов пишет, что «...средняя глобальная приповерхностная температура в 2001—2010 гг. была на 0,46 °С больше, чем в 1961—1990гг., и на 0,2 °С больше, чем для предыдущего десятилетия 1991 - 2000 гг. В свою очередь,

последнее десятилетие XX века было теплее предыдущих десятилетий (на 0,13 °С больше, чем в 1981-1990 гг., и на 0,30 °С больше, чем в 1971-1980 гг.)» [8].

Такая беспрецедентная скорость не характерна для естественных циклических процессов и ставит остро проблему биологическим видам и экосистемам на приспособление к столь быстрым климатическим изменениям. В связи с изменением климата встает проблема адаптации жизнедеятельности человека к сложившимся условиям. Поскольку проблема адаптации жизнедеятельности человека к существующим климатическим условиям стояла всегда, тем более на ранних этапах общества, этой проблеме также посвящено много исследований [9-14].

В монографии Е.П. Борисенкова, В.М. Песецкого «Экстремальные природные явления в русских летописях XI-XVII вв.» дается характеристика климата второго тысячелетия, как на Европейском континенте, так и на всем Северном полушарии, сопоставляется миграция, развитие и направления деятельности различных народов в зависимости от условий климатического периода на данном этапе [14]. Акупин Б. в книге «Часть Европы. История Российского государства. От истоков до монгольского нашествия» (2014 г.) пишет, что «...история становления Российского государства - это история последствий расселения русо-славян в зависимости от изменения кли�