Исследование изменения и прогноз режима осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы прибрежной и степной зон Краснодарского края тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Деркач, Дмитрий Васильевич

• Деркач, Дмитрий Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Деркач, Дмитрий Васильевич

Введение.

1. Климат Земли: факторы, влияющие на него, возможные последствия его изменения.

1.1. Климат Земли и основные факторы, определяющие его.

1.2. О влиянии изменения природно-климатических характеристик на растительность и сельское хозяйство.

1.3. О проблеме адаптации сельского хозяйства к изменению температурного режима воздуха и количества осадков.

2. Анализ изменения природно-климатических характеристик степной и прибрежной зон

Краснодарского края.

2.1. Методы анализа временных рядов природно-климатических характеристик.

2.2. Анализ изменения режима температуры в приземном слое воздуха.

2.3. Результаты анализа изменения режима атмосферных осадков

3. Результаты прогнозирования средней приземной температуры воздуха и количества осадков.

3.1. Метод прогнозирования изменений природно-климатических характеристик.

3.2. Результаты прогнозирования средней приземной температуры воздуха.

3.3. Результаты прогнозирования количества осадков.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование изменения и прогноз режима осадков и температуры воздуха в приземном слое атмосферы прибрежной и степной зон Краснодарского края»

Проблемы анализа и прогноза изменений температурного режима воздуха в приземном слое' атмосферы, режима атмосферных осадков и других природно-климатических характеристик регионов, связанных с глобальным потеплением климата, а также исследование возможных последствий этих изменений в различных областях человеческой деятельности в последние годы приняли острый характер. Связано это с тем, что эти изменения могут привести к изменению термического и гидрологического режимов обширных районов земного шара, что может оказать значительное влияние на социально-экономическую и политическую ситуацию в масштабах не только отдельных стран, но и всей планеты. Этим и обусловлено то, что эти проблемы привлекают большое внимание исследователей, и к настоящему времени в различных направлениях получены существенные результаты. Тем не менее, есть еще много серьезных вопросов, которые не до конца поняты и требуют дальнейшего исследования. Но, несмотря на такую незавершенность данной проблемы, по мнению многих исследователей, уже необходимо принимать меры для поиска эффективных путей адаптации социально-экономического развития регионов к изменениям их природно-климатических характеристик.

О важности данной проблемы говорит тот факт, что она уже длительное время находится в поле зрения Всемирной метеорологической организации (ВМО). По инициативе этой организации регулярно проводятся Всемирные конференции, на которых обсуждаются различные вопросы, связанные с изменением климата и его последствиями (такая конференция состоялась в 2003 году и в г. Москве). Еще в 1992 году была принята конвенция ООН по изменению климата, а в 1997 году она была дополнена протоколом, одобренным при участии представителей 159 стран на Международной конференции в Киото. Отметим, что к настоящему моменту этот круг стран заметно расширился.

Изменения климата имели место и в прошлом, но они были связаны с естественными природными процессами. В последние десятилетия существенное влияние на климат Земли стали оказывать процессы антропогенного характера, особенно увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере. Следует отметить, что изучение изменений климата и их последствий -чрезвычайно сложная и, многосторонняя проблема и требует решения многих в разной степени взаимосвязанных между собой задач. Одна из этих задач заключается в установлении тенденции изменения природно-климатических характеристик. Эта задача должна быть решена для каждого региона из-за того, что изменения этих характеристик могут быть различными даже для соседних регионов. Основной информацией, используемой при решении этой задачи, являются многолетние измерения различных метеорологических параметров, характеризующих природно-климатические характеристики регионов. Что касается методов анализа этих данных (временных рядов метеорологических параметров), то основными из них остаются математико-статистические методы. Но использование этих методов требует в некоторых случаях определенной осторожности и в связи с этим их желательно дополнить и другими методами.

К важнейшим задачам исследования изменений климата также относится прогнозирование динамики природно-климатических характеристик регионов. Очевидно, что чем выше точность прогнозирования и чем больше период упреждения, тем большую ценность представляют результаты прогнозирования для принятия различных решений. В связи с этим и требования к методам прогнозирования должны быть достаточно высокими. Поэтому модели прогнозирования должны быть построены с учетом особенностей динамики природно-климатических характеристик и, тем самым, с учетом особенностей влияющих на них факторов, к которым можно отнести наличие цикличностей в динамике этих характеристик.

Таким образом, с точки зрения устойчивого развития регионов в изменяющихся условиях природной среды представляет интерес анализ динамики режима осадков и температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы, а также построение модели и прогнозирование их изменений на предстоящие годы.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключается в исследовании изменений режима атмосферных осадков и режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы в прибрежной и степной зонах Краснодарского края, а таюке в прогнозировании динамики этих характеристик на предстоящие годы.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1) анализ линейных трендов временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в приземном слое атмосферы и режим атмосферных осадков в различные сезоны года;

2) анализ сглаженных значений временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры и режим атмосферных осадков в различные сезоны года;

3) математико-статистический анализ временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим температуры в приземном слое атмосферы и режим атмосферных осадков в различные сезоны года;

4) проведение анализа спектральной структуры временных рядов метеорологических параметров;

5) построение модели прогнозирования временных рядов различных метеопараметров;

6) исследование трендоустойчивости временных рядов метеопараметров методами фрактального анализа;

8) прогнозирование динамики средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы, а также количества осадков в отмеченных климатических зонах Краснодарского края в различные сезоны года.

Научная новизна. В результате проведенных исследований в диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

1) закономерности изменения метеорологических параметров, характеризующих температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года в степной и прибрежной зонах Краснодарского края;

2) закономерности изменения метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков в различные сезоны года и за год в тех же районах Краснодарского края;

3) прогнозные значения (на предстоящий 10 летний период времени) метеорологических параметров, характеризующих режим температуры воздуха в приземном слое атмосферы;

4) прогнозные значения (на этот же период времени) метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков;

5) спектральные структуры и фрактальные свойства метеопараметров, характеризующих режим осадков и температурный режим воздуха.

В качестве метеорологических параметров, характеризующих режим температуры воздуха в приземном слое атмосферы, использовались минимальная, средняя и максимальная температуры воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года, а в качестве метеорологических параметров, характеризующих режим атмосферных осадков, были использованы количество осадков и число дней с осадками также в различные сезоны года.

Практическая ценность работы:

- получены закономерности изменения режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы в различных климатических зонах Краснодарского края; получены закономерности изменения режима атмосферных осадков в этих же климатических зонах Краснодарского края;

- проведен прогноз динамики температурного режима воздуха на период до 2015 года;

- проведен прогноз динамики режима атмосферных осадков на тот же период времени.

Полученные результаты могут быть использованы для определения трансформации агроклиматических ресурсов степной и прибрежной зон Краснодарского края, что необходимо для решения задачи адаптации производства сельскохозяйственной продукции.

Также эти результаты могут быть использованы при определении стратегии устойчивого развития региона с учетом влияния глобального потепления климата на природно-экологические и социально-экономические процессы.

Результаты исследования могут быть приложены для подготовки и проведения в 2014 г. Зимних олимпийских игр в г. Сочи.

Использованные в работе методы исследования и прогноза изменений климатических характеристик, разработанные для проведения вычислительных работ программные средства могут быть использованы для проведения таких же исследований для других регионов.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Закономерности изменения температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы в различные сезоны года в степной и прибрежной климатических зонах Краснодарского края.

2. Закономерности изменения режима атмосферных осадков в различные сезоны года в тех же климатических зонах края.

3. Фрактальные свойства и спектральная структура временных рядов метеорологических параметров, характеризующих режим осадков и температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы.

4. Результаты прогноза динамики режима температуры воздуха в приземном слое атмосферы.

5. Результаты прогноза динамики режима атмосферных осадков.

Личный вклад автора. Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Сбор метеорологической информации, разработка алгоритмов и программных средств для анализа и прогноза изменений температурного режима в приземном слое воздуха и режима атмосферных осадков, проведение расчетов и анализ полученных результатов осуществлены автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции молодых ученых в Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (2005 г.); на Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2005); на объединенном семинаре в Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (2006 г.); на общегеофизическом семинаре в Высокогорном геофизическом институте (2008 г.); на конференциях в Армавирском государственном педагогическом университете, посвященных дню науки (2007 г., 2008 г.); на пятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г.).

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 145 наименований. Общий объем работы составляет 143 страницы компьютерного текста, включая 11 таблиц и 32 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Деркач, Дмитрий Васильевич

Основные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Проведено исследование изменения температурного режима воздуха в приземном слое атмосферы в степной и прибрежной климатических зонах Краснодарского края в районах метеостанций г. Армавир и г. Сочи. Исследование проводилось на основе анализа изменений физико-статистических характеристик временных рядов метеопараметров (1956-2005 гг.), характеризующих температурный режим воздуха (средняя, максимальная и минимальная температуры воздуха в приземном слое атмосферы) в различные сезоны года. В результате проведенных исследований получено, что в отмеченных районах края происходит изменение температурного режима воздуха.

Средняя температура воздуха во все сезоны года в степной зоне Краснодарского края на рассматриваемом отрезке времени изменилась незначительно. Более заметно она повысилась лишь в весенние сезоны (на 0,43°С) и снизилась летом (на 0,39°С). Максимальная температура воздуха практически не подвержена климатическому изменению. Что касается минимальной температуры воздуха, то наблюдается ее постепенное повышение во все сезоны года. Наиболее заметное ее повышение наблюдается зимой (на 4,64 С), в весенние сезоны (на 1,38°С) и летом (на 1,23°С). Осеннее увеличение минимальной температуры самое маленькое (0,13°С).

В прибрежной зоне края средняя температура воздуха весной и осенью практически не меняется на рассматриваемом отрезке времени. Отмечается ее снижение (на 0,68°С) в зимние месяцы и рост (на 0,17°С) в летние месяцы. Минимальная температура воздуха на рассматриваемом отрезке времени изменилась незначительно в летние и осенние сезоны. Наиболее ярко выражена тенденция снижения весенней минимальной температуры (на 0,52°С), а в зимние месяцы отмечается некоторый ее рост (на 1,12°С). Что касается максимальной температуры воздуха, то в рассматриваемом районе края наблюдается, хотя и медленное, но стабильное снижение ее значений зимой (на 1,2°С), весной (0,16°С) и летом (на 1,09°С). В осенние сезоны этот метеопараметр на рассматриваемом отрезке времени изменился мало.

2. Проведено исследование изменения режима осадков в степной и прибрежной климатических зонах Краснодарского края в районах метеостанций г. Армавир и г. Сочи. Исследование проводилось на основе анализа изменений физико-статистических характеристик временных рядов метеопараметров (1956-2005 гг.), характеризующих режим осадков в различные сезоны года и за год (количество осадков, число дней с осадками). В результате проведенных исследований получено, что в отмеченных районах края во все сезоны года происходит изменение режима осадков.

В степной зоне Краснодарского края, по данным метеостанции г. Армавир, количество осадков заметно снижается в зимние месяцы: их стало меньше на 23 мм (20%). Чуть медленнее убывает количество осадков в летние месяцы: количество летних осадков уменьшилось на 15 мм (9%). Отмечено быстрое увеличение (около 40% - 48 мм) количества осенних осадков. В весенние месяцы явно выраженной тенденции изменения количества осадков не выявлено. Годовое количество осадков в данном районе Краснодарского края несколько снижается в последнее время, хотя не стало меньше, чем в начале рассматриваемого отрезка времени, а даже превышает его на 20 мм (3,5%), но тенденция снижения сохранится в будущем.

Число дней с осадками в степной зоне края зимой и весной не меняется, а летом и осенью возрастает. Это говорит о том, что уменьшение количества зимних и летних осадков связано с ослаблением процессов осадкообразования, а вот увеличение количества осенних осадков определяется, в том числе, и ростом количества дней с осадками осенью.

В прибрежной зоне Краснодарского края по данным метеостанции в г. Сочи в зимние и весенние месяцы явно выраженной тенденции в изменении количества осадков не наблюдается, они остаются на уровне многолетней средней. Заметная тенденция роста количества осадков отмечается летом: увеличение составило 65 мм (22%). В осенние месяцы также отмечена тенденция роста количества осадков, основной прирост которых произошел еще до конца 70-х годов, после чего темпы роста заметно снизились: суммарное увеличение составило 70 мм (17%). Увеличение количества осадков в прибрежной зоне края по сезонам привело к заметному росту годового количества осадков примерно на 7,5% (120 мм).

Число дней с осадками в различные сезоны года в прибрежной зоне Краснодарского края, в районе метеостанции г. Сочи, меняется мало, поэтому отмеченное увеличение количество осадков по сезонам связано с интенсификацией процессов осадкообразования.

3. Методами фрактального анализа проведено исследование перси-стентных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы и режим осадков. Рассчитанный показатель Херста для всех рядов близок к единице, что говорит о достаточной трендоустойчивости указанных временных рядов.

4. Методом построения и анализа фазовых портретов проведен анализ спектральной структуры временных рядов метеопараметров. Результаты использовались в модели прогнозирования временных рядов, эффективность которой проверена на тестовых и реальных временных рядах.

5. Проведено прогнозирование изменений средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы и динамики количества осадков в различные сезоны года в районе метеостанций, расположенных в степной и прибрежной зонах Краснодарского края до 2015 года. На промежутке упреждения (10 лет) сохраняются тенденции, выявленные в результате статистического анализа.

Результаты диссертационного исследования могут найти применение для разработки плана устойчивого развития края с учетом изменения природно-климатических его территорий, в частности, для решения задачи адаптации развития сельскохозяйственного производства к изменению климата.

Дальнейшие исследования по проблемам, затронутым в диссертационной работе, будут направлены на расширение районов Краснодарского края, для которых будут проведены анализ и прогноз изменений природно-климатических характеристик. Планируется также разработка модели и решение задачи оптимизации производства сельскохозяйственной продукции с учетом изменений агроклиматических ресурсов региона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Деркач, Дмитрий Васильевич, 2008 год

1. Александров В., Эйтцингер И. Уязвимость и оценка возможностей адаптации сельского хозяйства Центральной и Юго-Восточной Европы к изменениям климата // Всемирная конференция климата: тезисы докладов. -Москва, 2003.-С.282.

2. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г., Бибикова Т.Н. и др. Технические аэрозоли и их роль в образовании облачности и изменениях климата // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменениям климата. Москва, 2003.-С.455.

3. Алисов Б.П. Климат СССР. М.: Высшая школа, 1969. - 104 с.

4. Альберг Дж., Нильсон Э., Уолт Дж. Теория сплайнов и ее приложения. -М.: Мир, 1972.-316 с.

5. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов. — М.: Мир, 1976. -755 с.

6. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физ-матгиз, 1969. - 915 с.

7. Анисимов О,А., Поляков В. Информационная система для оценки последствий изменения климата в области криолитозоны // Криосфера земли. 1998.-№3. - С.91-95.

8. Ахсалба А.К. Физико-статистические характеристики режима осадков и температуры, их влияние на наземные экосистемы Абхазии: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2007. — 25 с.

9. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. Исследование изменения режима атмосферных осадков в центральной части Северного Кавказа // Метеорология и гидрология. -2008. -№2. С.98-102.

10. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. Климатические изменения режима атмосферных осадков на Северном Кавказе // Труды КубГАУ. -2007.-№4(8).-С.160-165.

11. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. О климатических изменениях температурного режима воздуха на Северном Кавказе // Труды Куб-ГАУ,- 2007.- №4(8). -С.173-178.

12. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Калов Х.М. Анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик центральной части Северного Кавказа // Материалы Международной конференции «Погода и биосистемы». — С-Петербург, 11-14 октября 2006. С.57-58.

13. Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Калов Х.М. О проблеме адаптации сельского хозяйства к изменениям климата в центральной части Северного Кавказа // Материалы Международной конференции «Погода и биосистемы». С-Петербург, 11-14 октября 2006. - С.90.

14. Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Калов Х.М., Бисчоков P.M., Богачен-ко Е.М. Анализ и прогноз изменения климата в Кабардино-Балкарской республике. Нальчик: КБСХА, 2005. - 150 с.

15. Безручко Б.П., Смирнов Д.А. Математическое моделирование и хаотические временные ряды. Саратов: ГосУНЦ «Колледж», 2005. - 320 с.

16. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов: прогноз и управление (Вып. 1,2). -М.: Мир, 1974.

17. Болин Б. Климат и наука, знание и понимание, необходимые для действия в условиях неопределенности // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата. Москва, 29 сентября - 3 октября 2003. - С.9-13.

18. Борисенков Е.П. Климат и деятельность человека. М.: Наука, 1982. -128 с.

19. Будыко М.И. Изменение климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 325 с.

20. Будыко М.И. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 472 с.

21. Бютнер Э.К., Захарова O.K. Моделирование углеродного цикла с использованием метода дробных производных // Метеорология и гидрология. -1983. №4. - С.14-20.

22. Вагер Б.Г. Применение сплайн-функций в метеорологии и гидрологии // Обзорная информация, ВНИИГМИ МОД.- 1981. Вып.1. - 35 с.

23. Василенко В.А. Теория сплайн-функций. Новосибирск: НГУ, 1978. -65 с.

24. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1998. - 576 с.

25. Вербицкий М.Я., Чаликов Д.В. Моделирование системы ледники-океан-атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 133 с.

26. Володин Е.М., Дианский Н.А. Моделирование изменений климата в XX-XXI столетиях с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. -Т.42, №3. - С.291-3.06.

27. Глобальный климат / Под ред. Дж. Т. Хотона. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-552 с.

28. Гмурман В.Е. Введение в теорию вероятностей и математическую статистику. М.: Высшая школа, 1963. - 238 с.

29. Гренджер К., Хатанака М. Спектральный анализ временных рядов в экономике. — М.: Статистика, 1972. 352 с.

30. Груза Г.В., Апасова Е.Г. Климатическая изменчивость месячных сумм осадков северного полушария // Метеорология и гидрология. 1981. — №5. - С.5-16.

31. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Колебания и изменения климата на территории России // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. - Т.39, №2. - С.166-185.

32. Губанов В.А., Ковальджи А.К. Выделение сезонных колебаний на основе вариационных принципов // Экономика и математические методы. -2001. Т.37, №1. - С.91-102.

33. Дергачев В.А. Космические лучи и климатическая изменчивость // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменениям климата. — Москва, 2003.-С.463.

34. Деркач Д.В. Анализ и прогноз динамики природно-климатических характеристик Краснодарского края. Ставрополь: Ставропольское книжное издательство, 2008. - 112 с.

35. Деркач Д.В. Исследование изменения режима атмосферных осадков в западной части Северного Кавказа // Вестник АГПУ. Естественные и технические науки 2007 - №1. - С.73-78.

36. Деркач Д.В. Результаты прогноза температурного режима в Армавире до 2015 года // Вестник АГПУ. Естественные и технические науки 2007. -№2. - С.88-92.

37. Дзюба А.В., Панин Г.Н. Механизм формирования многолетних направленных изменений климата в прошедшем и текущем столетиях // Метеорология и гидрология. 2007. - №5. - С.5-26.

38. Дымников В.П. Моделирование климата и его изменений // Избранные труды государственной научно-технической программы России «Глобальные изменения климата». Москва, 1997. - С.216-231.

39. Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М. Проблемы моделирования климата и его изменений // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. — 2006. Т.42, №5. - С.618-636.

40. Жуков В.А., Святкина О.А. К вопросу адаптации сельского хозяйства центра Европейской России к возможным изменениям климата // Метеорология и гидрология. 2002. - №4. - С.85-92.

41. Жуков В.А., Святкина О.А. Стохастическое моделирование и прогноз агроклиматических ресурсов при адаптации сельского хозяйства к региональным изменениям климата на территории России // Метеорология и гидрология. 2000. - № 1. - С.100-109.

42. Загайтов И.Б. Способ минимальных отклонений и прогнозирование // Тезисы докладов III Всероссийской Конференции «Применение математической статистики в экономике сельского хозяйства». Рига, 1972. -С.40-43.

43. Загайтов И.Б., Расскин В.Г., Яновский Л.П. О прогнозировании тенденций в изменении урожайности зерновых культур // Тр. Воронежского СХИ. Воронеж, 1979. - Т. 107. - С. 107-114.

44. Захаровская Н.Н., Ильинич В.В. Метеорология и климатология. М.: КолосС, 2005. - 127 с.

45. Зоидзе Е.К. О системе оценки агроклиматических ресурсов Российской Федерации // Метеорология и гидрология. 2002. - №3. - С.90-100.

46. Зоидзе Е.К. Перспектива использования агроклиматической информации при экономическом обосновании цен продажи, аренды или сдачи в залог земель // Новые тенденции в агрометеорологии. 2000. — Вып.5. - С.44-60.

47. Зоидзе Е.К., Шостак З.А. Об оценке использования агроклиматических ресурсов в России // Метеорология и гидрология. 1996. - №10. - С.88-102.

48. Иванов В.В. Периодические колебания погоды и климата // Успехи физических наук. 2002. - Т. 172, №7. - С.777-811.

49. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. Киев: Техника, 1975. - 312 с.52