Климатические показатели термического режима теплого периода года и их современные тенденции для юга Западной Сибири

Актуальность работы. Мониторинг термического режима в условиях меняющегося климата находится в поле зрения отечественных и зарубежных климатологов. Значительная часть территории России находится в области максимального как наблюдаемого, так и прогнозируемого потепления. В большинстве работ, посвященных этой теме [4, 10, 16, 20−28 и др.], рассматриваются изменения температуры воздуха, осредненной за год или за длительные отрезки годового цикла (полугодие, сезон, месяц) в целом для Северного полушария или для крупных географических областей и экономических районов. Оценки изменения сроков перехода температуры через заданные пределы, такие как 0, 5, 8, 10, 15 °C, являющихся границами так называемых, теплого, вегетационного и отопительного периодов, а также длительность переходов и продолжительность периодов с указанными температурами, по территории Западной Сибири до настоящего времени детально не рассматривались. Для выделенного региона с его развитым топливно-энергетическим и аграрным сектором, продолжительным отопительным периодом данная проблема особенно актуальна.

Для предвидения возможных климатических изменений необходимо, как один из важных этапов, изучение истории климата, выяснение роли различных физических механизмов в его формировании. Особый интерес представляет выявление факторов, вызывающих его естественные колебания, одним из которых остается атмосферная циркуляция [5].

Погодообразующие процессы, определяющие климат конкретного района, представляют сложную систему, формирующуюся под влиянием циркуляции нижней и верхней атмосферы, подстилающей поверхности. Множество обуславливающих факторов делаю, т невозможным подобрать две абсолютно идентичные синоптические ситуации. В то же время, макросиноптические процессы обладают определенной общностью, и наблюдаются в течение продолжительных периодов времени то в одном, то в другом районе и обуславливают, в результате, длительные и хорошо выраженные аномалии температурного режима. Такая аномальность погоды определяется, в первую очередь, интенсивностью и географической локализацией южных и северных потоков воздуха в тропосфере в конкретный период времени, т. е. характером проявления меридиональных и зональных процессов.

Долгосрочная и качественная оценка метеорологических явлений, влияющих, на народно-хозяйственный комплекс и жизнедеятельность человека, зависит от уровня количественных зависимостей, установленных для конкретной территории в определенном временном масштабе. В результате появляется возможность эффективного реагирования на заранее предвиденные погодные изменения и использования их для собственной пользы. ,.

Климатическая составляющая сельскохозяйственного производства во многом определяется метеорологическими условиями начала вегетационного периода, основными характеристиками которого являются даты устойчивого перехода температуры воздуха через 0, 5, 10, 15 °C, а также продолжительность периодов установления этих температур.

Статистический анализ этих характеристик и сопутствующих циркуляционных условий является необходимым этапом для поиска зависимостей для их прогноза.

Цель и задачи работы. Целью работы являлось исследование климатических характеристик термического режима теплого периода года и сопутствующих им циркуляционных условий, а так же оценка роли погодного фактора вегетационного периода в урожайности зерновых культур. Для достижения поставленных целей решались следующие основные задачи:

1. Исследовать динамику основных климатических характеристик теплого периода года и его подпериодов на юге Западной Сибири;

2. Оценить циркуляционные процессы в период установления устойчивых среднесуточных 5 °C температур в исследуемом регионе;

3. Исследовать зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от погодообразующих процессов.

Материалы и методика исследования. Исходными данными для расчетов в работе послужили значения среднесуточной температуры воздуха, сумм осадков для 14 гидрометеорологических станций Томской, Новосибирской, Кемеровской областей и Алтайского края за период с 1961 по 2005 гг. Для исследования циркуляционных условий переходных сезонов привлекались характеристики планетарной высотной фронтальной зоны (ПВФЗ), информация об элементарно-циркуляционных механизмах (ЭЦМ) по типизации Б. Л. Дзердзеевского, данные по урожайности зерновых культур Алтайского края и Томской области за период с 1970 по 2005 гг.

Для автоматического и объективного определения дат переходов температуры через заданные пределы был реализован алгоритм на базе Fox Pro (Приложение 5), с помощью которого также были найдены суммы температур и осадков за устойчивые периоды. Кроме того, использовались пакеты программ (Excel, Statistica, Surfer), включающие в себя стандартные методы обработки рядов наблюдений на основе математической статистики, с использованием корреляционно-регрессионного, гармонического, кластерного анализов, графических методов. Значимость полученных оценок проверялась путем расчета стандартных критериев.

Научная новизна.

1. Разработан и практически реализован алгоритм расчёта по методике Д. А. Педя дат перехода температуры через заданные пороговые значения, с помощью которого также рассчитаны суммы температур и осадков за выделенные периоды.

2. Впервые за период с 1936 по 2005 гг. были получены базовые агроклиматические характеристики (даты перехода температуры через 0, 5, 10, 15 и 20 °C, продолжительность периодов и длительность перехода через 0 и 5 °C, суммы температур и осадков за периоды перехода температуры через О, 5, 10, 15 и 20 °С) и характеристики динамики временных показателей термического режима (средние по пятилетним периодам, отклонения от средних многолетних значений и интегрально-разностные кривые продолжительности, сумм температур и осадков за периоды перехода температуры через указанные пределы) для юга Западной Сибири.

3. Выявлены эпохи положительной направленности смещения отклонений от среднего по интегрально-разностным кривым для продолжительности, сумм температур и осадков за периоды перехода температуры через заданные пределы, начиная с 1980;1990 гг.

4. Проведена классификация дат переходов температуры через 0 и 5 °C с привлечением в признаковое поле данных о состоянии ПВФЗ и типах ЭЦМ по типизации Б. Л. Дзердзеевского для выявления роли циркуляционных процессов в режиме длительности перехода • температуры через заданные пределы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что в последние десятилетия в теплый период года на юге Западной Сибири отмечается положительная динамика сумм температур, сумм осадков и продолжительности периодов перехода температуры через 0, 5, 10,15 °С.

2. Определена принципиальная возможность классификации дат и длительности устойчивых переходов температуры через 0 и 5 °C на юге Западной Сибири по данным о пространственно-временном положении ПВФЗ в указанном регионе.

3. В границах выделенных классов для дат и длительности устойчивых переходов температуры через 0 и 5 °C на юге Западной Сибири выявлена зависимость урожайности зерновых культур Алтайского края и Томской области от режимов формирования погодных условий в весенний период.

Практическая значимость работы.

Результаты данного исследования позволяют глубже и детальнее понять динамику и структурные особенности начала безморозного периода, который имеет множество прикладных аспектов (начало сезона повышенной пожароопасности, вегетационного сезона, окончание активного отопительного сезона и др.) на юге Западной Сибири. Кроме того, выявленные крупномасштабные циркуляционные процессы, формирующие различные режимы переходных периодов, могут быть использованы для уточнения долгосрочных прогнозов режимов для данной территории. Оценка режимов формирования погодных условий в весенний период может применяться в качестве корректировки в процессе принятия решений потребителем метеорологической информации, в частности, для выработки агрономической политики на полевой сезон. Отдельные разделы работы могут быть использованы в теоретических и практических курсах «Агрометеорология» и «Агроклиматология».

Апробация работы и публикации.

Результаты исследований докладывались на Всероссийских конференциях и симпозиумах: в 2007 г.' - Всероссийская научная конференция «Современные проблемы гидрологии» в ТГУ, в 2009 г. -Всероссийская конференция «Современные проблемы климатологии», посвященная O.A. Дроздову в Санкт-Петербургском государственном университете, Всероссийская конференция «VIII Сибирское совещание по климатоэкологическому мониторингу» в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (г. Томск), в 2010 г. — VII i.

Всероссийский симпозиум «Контроль окружающей среды и климата» в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (г. Томск), в 2010 г. — Всероссийская молодёжная научная конференция «Актуальные вопросы географии и геологии» (ТГУ).

По результатам научных исследований опубликовано 13 научных статей, две работы находятся в печати. Две статьи опубликованы в журналах, входящих в список ВАК: «Вестник Томского государственного университета», «Оптика атмосферы и океана». Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и ряда приложений. Объем диссертации составляет 180 страниц, включая 71 рисунок, 20 таблиц, 5 приложений.

Список литературы

насчитывает 108 наименований.

Данные выводы хорошо согласуются с результатами работ по данной тематике, проводимых по территории России и мира [38, 60, 66, 91−94, 97], а так же по территории Западной Сибири [41, 82, 93]. В частности, В. М. Мирвис и И. П. Гусева [59] выявили, что на юге исследуемого в данной работе региона, в большей степени, чем в других, сохраняется относительно устойчивая тенденция увеличения продолжительности теплого периода.

Вместе с тем, О. Д. Сиротенко и И. Г. Грингоф [93], оценивая влияние ожидаемых изменений климата на сельское хозяйство Российской Федерации, в Западно-Сибирском экономическом регионе не выявили масштабных проявлений засушливости климата. Это говорит о благоприятных последствиях влияния современных изменений климата на агропромышленный комплекс юга Западной Сибири.

4 Исследование дат перехода температуры через 0 и 5 °C и сопутствующих циркуляционных условий.

Исследование изменений климата и их’воздействия на окружающую среду и хозяйственную деятельность человека — одна из важнейших задач современной науки. Для предвидения возможных климатических изменений необходимо, как один из важных этапов, изучение истории климата, выяснение роли различных физических механизмов в его формировании. Особый интерес представляет выявление факторов, вызывающих его естественные колебания, одним из которых остается атмосферная циркуляция.

Погодообразующие процессы, определяющие климат конкретного района, представляют сложную систему, формирующуюся под влиянием циркуляции нижней и верхней атмосферы, подстилающей поверхности. Множество обуславливающих факторов делают невозможным подобрать две абсолютно идентичные синоптические ситуации. В то же время, макросиноптические процессы обладают определенной общностью, и наблюдаются в течение продолжительных периодов времени то в одном, то в другом районе и обусловливают, в результате, длительные и хорошо выраженные аномалии температурного режима [6−8, 75]. Такая аномальность погоды определяется, в первую очередь, интенсивностью и географической локализацией южных и северных потоков воздуха в тропосфере в конкретный период времени, т. е. характером проявления меридиональных и зональных процессов [32].

Долгосрочная и качественная оценка метеорологических явлений, влияющих, на народно-хозяйственный комплекс и жизнедеятельность человека, зависит от уровня количественных зависимостей, установленных для конкретной территории в определенном временном масштабе. В результате появляется возможность эффективного реагирования на заранее предвиденные погодные изменения и использования их для собственной пользы.

Климатическая составляющая сельскохозяйственного производства во многом определяется метеорологическими условиями начала вегетационного периода, основными характеристиками которого являются даты устойчивого перехода температуры воздуха через 0 и 5 °C, а также продолжительность периодов установления этих температур. I.

Статистический анализ этих характеристик и сопутствующих циркуляционных условий является необходимым этапом для поиска наилучших прогностических зависимостей.

4.1 Классификация дат перехода методами математической статистики.

Для настоящего исследования были использованы данные о среднесуточных температурах станций Томск, Колпашево и Барнаул за период с 1961 по 2005 гг. Выбранные станции имеют климатически и I статистически однородные ряды данных. По массивам среднесуточных температур были определены даты устойчивого перехода температуры воздуха через 0 и 5 °C с использованием методики Д. А. Педя [77]. Кроме даты перехода, анализировалась длительность перехода, т. е. период времени от первого появления положительных температур (либо температур выше 5 °С) до даты устойчивого перехода к соответствующей температуре. Анализ климатических условий периодов перехода через 0 и 5 °C по выбранным станциям приведен в главе 3.

Введем следующие обозначения: даты перехода через 0 и 5 °C — До и Д5.

I соответственно. Длительность перехода через 0 и 5 °C — По и П5 соответственно.

Среднемноголетние значения характеристик для каждой станции представлены в таблице 4.1, где Хсреднее, Хи=Х±0,5сг — норма, а — стандартное отклонение.

Станция Характеристика По П5 ' До д5.

Барнаул X 12 18 03.04 22.04 х&bdquo- 6−18 12−24 • 31.03−7.04 17.04−27.04.

Томск X 19 19 13.04 02.05 х&bdquo- 13−25 13−25 8.04−18.04 28.04 -7.05.

Колпашево X 25 19 19.04 07.05 х&bdquo- 17−33 13−25 13.04−25.04 01.05−13.05.

Средняя величина П0 для Барнаула составляет 11−13 дней, Томска — 1820 дней, Колпашево — 24−26 дней. Минимальное П0 для всех станций составляет 1 день, максимальное По — 42 (Барнаул), 59 (Томск) и 71 (Колпашево) день.

Кроме того, для всех станций выделяется 2002 год, в котором наблюдался один из наиболее затяжных переходов (более 1 месяца), 1961 и 1964 годы — наоборот, наиболее коротких (менее недели).

Средняя величина П5 имеет меньший разброс по территории и составляет для Барнаула 16−18 дней, для Томска — 20−22 дня, для Колпашево — 18−20 дней, т. е. период окончательной весенней перестройки поля температуры практически одинаков для всего региона. Минимальное количество дней П5 для всех станций также составляет 1 день, а максимальное распределяется следующим образом — для Барнаула 46 дней, для Томска 49 дней, для Колпашево — 51 день.

Исследование связи между Д0 и Д5 показало отсутствие значимой линейной зависимости между ними (г<0,2).

Из анализа П0 и П5 по отдельным пятилетиям (табл. 1 прил. 4) отметить следующее. В период перехода температуры через 0 °C По принимает значения от 7 дней на станции Рубцовск (1956;1960 гг.) до 61 дня на станции Колпашево (2001;2005 гг.). Необходимо также отметить, что некоторые экстремальные значения По наблюдаются в пятилетия с экстремальными значениями дат перехода весной и осенью, продолжительности периода и сумм температур. Так, например, пятилетие 1956;1960 гг. на станции Рубцовск характеризуется абсолютным минимумом (по всем станциям) По, минимальными значениями продолжительности периода и сумм температур, наиболее поздним переходом весной и ранним переходом осенью. Очевидно, что в данное пятилетие сложились условия для быстрого, но позднего перехода к безморозному периоду с наименьшей продолжительностью. В пятилетие 2001;2005 гг. на станции Барнаул наблюдается обратная картина: медленный переход (43 дня) к безморозному периоду с его поздним окончанием и максимальными суммами температур. В период перехода температуры через 5 °C величина П5 принимает значения от 3 дней на ст. Рубцовск (1946;1950 гг.) до 31 дня на ст. Колпашево (1971;1975 гг.). пятилетие 1941;1945 гг. на ст. Томск характеризуется быстрым (7 дней) и ранним переходом к вегетационному периоду с его поздним окончанием и наибольшей продолжительностью. В пятилетие 1971;1975 гг. на ст.

Колпашево, наоборот, отмечается медленный переход (31 день) к периоду 5 °C с его ранним окончанием, минимальной продолжительностью и суммами температур.

На следующем этапе исследования с помощью методов объективного статистического анализа была проведена предварительная классификация дат и периодов, методически приближенная к применяемой в долгосрочных прогнозах погоды [79] (норма (Х±0,5а) — н, аномально (Х±а) ранняя/поздняя — арД/апД, экстремально (X ±1,25 а) ранняя/поздняяэрД/эпД, аномально быстрый/долгий — абП/адП, экстремально быстрый/долгий — эбП/эдП), т. е. аномальность определяется как ±-0,5а, а экстремальность как ±-1,25о.

Для проведения классификации использовались методы, изложенные в главе 2. При их применении к материалу данного исследования объектами расчетной матрицы для объективного статистического анализа характеристик периодов перехода температуры воздуха через 0 и 5 °C выступали годы наблюдений, в качестве признакового пространства определены периоды длительности перехода и даты устойчивого перехода через выбранные значения температуры воздуха. В результате классификации выделено 9 устойчивых классов, характеристики режимов и динамики которых (для станций Барнаул, Томск, Колпашево) представлены на рисунках 4.1−4.6. Количество классов определено с помощью рекомендуемого факториала качества (по минимизации внутриклассовых расстояний) [96].

Рисунок 4.1 — Комплексный график характеристик классов на станции Барнаул.

На рисунке 4.1 в левой его части показаны классы 1−4, которые характеризуются П5, значительно превышающими По. При этом До в этих классах находятся ниже нормы, а Д5 — выше нормы. Другими словами, имеет место быстрое и раннее наступление О °С и медленное и позднее наступление 5 °C. Однако, 3 класс не входит в эту подгруппу, поскольку все его характеристики находятся в пределах нормы. В правой части рисунка показаны классы 5−9, которые, наоборот, имеют П0, превышающие П5. Для классов 7 и 9 До находятся выше нормы, Д5 — ниже нормы. Это означает, что установление устойчивого О °С происходило медленно и в более поздние сроки, при этом переход к 5 °C произошел рано и быстро. Для 6 класса характерно нормальное наступление О °С, быстрый переход к 5 °C, при этом До и Д5 находятся в пределах нормы. Классы 5 и 8 отмечаются тем, что они складываются из сочетания П5, Д5 и До, находящихся в пределах нормы, и П0 — выше нормы.

Рисунок 4.2 — Динамика По и П5 на ст. Барнаул, цифрами отмечены номера выделенных классов.

На рисунке 4.2 для ст. Барнаул выделяются годы с высокими значениями П5, при этом значения По могут быть как высокими, так и низкими (в том числе и минимальными). В первую группу попадают 5 и 9 классы, во вторую — 4 класс. Класс 7, наоборот, характеризуется минимальным значением П5. В динамике величин П0 и П5 можно отметить 35-летние колебания.

Рисунок 4.3 — Комплексный график характеристик классов на станции Томск.

Рисунок 4.3 для ст. Томск построен аналогично рисунку 4.1. В 9 классе все характеристики находятся в пределах нормы. Классы 2 и 6 подобным сочетанием, кроме П5 во 2 классе и П0 в 6 классе, лежащих выше нормы.

Рисунок 4.4 — Динамика П0 и П5 на ст. Томск, цифрами отмечены номера выделенных классов.

На рисунке 4.4 для ст. Томск можно выделить годы с П5 выше нормы, П0 при этом может быть как выше нормы, так и в ее пределах. В первом случае — это классы 2, 5 и 6. Во втором — 4, 8 и 9. Классы 7 и 9 (1987, 1988 гг.) характеризуются нормальным П5 и П0 ниже нормы. Класс 1 выделяется низким П0 и превышающим норму П5.

Колпашево.

Рисунок 4.5 — Комплексный график характеристик классов на станции Колпашево.

Для станции Колпашево (рис. 4.5) классом со всеми характеристиками, лежащими в пределах нормы, является 8 класс. Для классов 4 и 5 характерно наличие До и Д5 в пределах нормы, однако 4 класс выделяется ранним переходом через О °С и нормальным наступлением 5 °C, в 5 классе наблюдается обратная ситуация. Классы 2 и 3 характеризуются экстремально долгим переходом к О °С, однако Д0 и Д5 находятся в пределах средних значений, представленных в таблице 4.1.

Рисунок 4.6 — Динамика По и П5 на ст. Колпашево, цифрами отмечены номера выделенных классов.

Для станции Колпашево (рис. 4.6) характерно наличие классов с П0 и П5 в пределах нормы (8, 6, 5 и 4, 7 классы соответственно) — выше нормы: По — 2, 3, 9 и П5 — 1, 2, 3, 6, 8, 9 классыниже нормы: П0 — 1, 4, 7 классы.

На корректность классификации указывает наличие волн (рис. 4.2, 4.4, 4.6) в многолетней динамике периодов перехода через 0 и 5, а также данные спектрального анализа. Выделяются устойчивые, статистически значимые, колебания с периодами в 3 и 5 лет.

В таблице 4.2 представлено содержание выделенных классов для станции Барнаул, которое выглядит следующим образом:

1 класс состоит из весен с сочетаниями аномально поздних Д0 и Д5, при этом П0 и П5 находятся в пределах нормы, обеспеченность (Pi) класса составляет 7%;

2 класс характеризуется ранним и быстрым переходом через О °С, однако наблюдается долгий переход к 5 °C при близкой к норме Д5;

3 класс включает аномально ранние Д0 и Д5 и П5 в пределах нормы, хотя П0 не определен из-за наличия большой дисперсии;

4 класс характеризуется экстремально ранним и быстрым переходом через О °С и аномально поздним и экстремально долгим переходом через 5.

5 класс содержит весны с сочетанием Д0, Д5 и П5 в пределах нормы и экстремальным По;

6 класс включает аномально поздний и быстрый переход через О °С и в пределах нормы переход через 5 °C;

7 класс характеризуется аномально поздним и экстремально долгим переходом через О °С и, наоборот, экстремально ранним и быстрым переходом через 5 °C;

8 класс состоит из весен с сочетанием экстремально поздней и близкой к норме До, П0 и Д5 в пределах нормы, но с аномально быстрым П5;

9 класс имеет то же содержание, что и 5 класс, но Евклидово расстояние до центров этих классов разное, имеются особенности их наполнения. Объединение этих классов нарушило бы разбиение, поскольку факториал качества при разбиении на 9 классов был лучше, чем на 8 или 6 классов. I.

Заключение

.

В заключении можно сказать, что при исследовании климатических показателей термического режима теплого периода года и их современных тенденций впервые были получены средние характеристики и характеристики динамики временных показателей термического режима для юга Западной Сибири, на основании аналрза которых можно сделать следующие выводы:

1. Для всех периодов перехода температуры через заданные пределы наблюдается тенденция роста в последние десятилетия продолжительности, сумм температур и сумм осадков, начиная с 1980, 1990;х годов. На данную закономерность указывает так же начинающаяся в эти годы эпоха роста на построенных интегрально-разностных кривых изучаемых характеристик. Подобный факт подтверждается данными исследования этих характеристик по пятилетиям.

2. Период перехода температуры через 20,°С имеет достаточно большие значения продолжительности (до 45−75 дней) и на юге исследуемой территории выделяется практически в каждом году. Имеет место так же возрастающая повторяемость появления периода, что наиболее заметно для северных станций, начиная с 1990;х годов. Этим обусловлена необходимость выделения периода 20 °C, обладающим пожароопасным и засушливым характером.

3. Подтверждена принципиальная возможность проведения классификации дат устойчивого перехода температуры через 0, 5 °C, длительности перехода с привлечением данрых о состоянии ПВФЗ. По анализу скорости осуществления переходов П5 было выполнено разделение на группы (быстро, норма, медленно). Так, ПВФЗ занимает наиболее северное положение в группе «медленного перехода». Томская область находится под влиянием процессов активной циклонической деятельности с затоками холодных воздушных масс в тыловых частях циклонов, с прохождением фронтальных разделов. Такие условия погоды не способствуют активному прогреванию подстилающей поверхности и, соответственно, приземного слоя воздуха. При «быстром переходе» (группа 1), наоборот, наблюдается максимально южное положение ПВФЗ. В этой ситуации прогрев приземного слоя связан с особенностями преобладающих над рассматриваемой территорией антициклональных процессов.

4. Для уточнения природы выделенных групп привлекалась типизация атмосферных процессов по Дзердеевскому Б. Л. Для класса нормального перехода характерна наибольшая повторяемость 8 и 12 ЭЦМ, которые относятся к меридиональной северной группе и характеризуются вторжением на Азию арктических воздушных масс через Таймыр на бассейн Оби и Урал, либо от Новой Земли на бассейн Енисея. Нередко создается блокировка западного переноса смыканием Арктического антициклона с гребнем Сибирского. Полученные закономерности, характеризующие процессы, протекающие в группах, согласуются с выявленным положением ПВФЗ.

5. Проведенное исследование установления конкретных погодных условий весной в границах выделенных классов имеет практический интерес. Оценка режимов формирования погодных условий в весенний период может быть использована в качестве корректировки в процессе принятия решений потребителем метеорологической информации, в частности, для выработки агрономической политики на полевой сезон.

Выявленные крупномасштабные циркуляционные процессы, формирующие различные режимы на юге Западной Сибири, могут быть использованы для уточнения долгосрочных прогнозов на вегетационный сезон для данной территории, которые даются Гидрометцентром России.