На правах рукописи

Кошкин Дмитрий Александрович

ДИНАМИКА ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

НА ТЕРРИТОРИИ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

25.00.30 – метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Иркутск 2012

Работа выполнена в Институте географии им. В.Б. Сочавы Сибирского отделения Российской академии наук кандидат географических наук, доцент

Научный руководитель:

Кочугова Елена Александровна доктор географических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Воробьев Валерий Игоревич кандидат географических наук Мирвис Виктория Михайловна Федеральное государственное бюджетное

Ведущая организация:

учреждение «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится 14 марта 2012 г. в 11 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 327.005.01 при федеральном государственном бюджетном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова» по адресу: 194021, г. Санкт-Петербург, ул. Карбышева, д. 7, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова».

Автореферат разослан «10» февраля 2012 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, Мещерская А.В.

доктор географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение климатических изменений целесообразно проводить для экстремальных явлений погоды и даже для аномальных лет и сезонов, которые в совокупности с изменением средних величин можно рассматривать как естественные модели климатических ситуаций. Непосредственно наблюдаемые погодные и климатические экстремумы являются более информативными, чем средние характеристики. Средние нуждаются в дополнительной интерпретации: в учете соотношения периода осреднения, оценке дисперсий и т.п. Хотя экстремальные явления погоды и связаны с малыми вероятностями, они обладают большей изменчивостью, и нередко с ними связан ощутимый социально-экономический ущерб. Ущерб, наносимый экстремальными гидрометеорологическими явлениями, по оценкам ООН, составляет 70 % суммарного ущерба от воздействия природных катастроф и стихийных бедствий (Оценочный доклад…, 2008). Значительная часть от этих сумм приходится на атмосферные стихийные явления в России.

Вклад естественных наук в изучение стихийных бедствий и природных катастроф состоит в углубленном исследовании экстремальных состояний природной среды. В разных географических районах климатические экстремумы проявляются по-разному. В одно и то же время в одних регионах можно наблюдать сильнейшую засуху, тогда как в других – обильные осадки. И даже в пределах одного региона климатические изменения проявляют себя по-разному в различные сезоны года.

Для лучшего понимания механизмов климатических изменений на региональном уровне необходимы более детальные оценки тенденций различающихся по чувствительности к разным факторам климатических характеристик во времени и их пространственные обобщения.

Цель работы – исследование региональных проявлений изменения климата на территории Иркутской области, оцениваемых по значениям трендов индексов экстремальности приземной температуры воздуха и осадков.

Основные задачи и этапы исследования Составить перечень экстремальных климатических показателей. Выбрать статистические методы исследования для оценки состояния и изменения климата.

Сформировать базу данных индексов экстремальности климата, привлекая данные наблюдений и материалы архива NCEP/NCAR Reanalysis.

Исследовать тенденции изменения индексов экстремальности во времени.

Обобщить по пространству показатели временной динамики индексов экстремальности.

Показать возможные причины изменений во времени отдельных климатических индексов экстремальности.

Научная новизна работы Впервые описано пространственное распределение особенностей межгодового и сезонного изменения климатических показателей экстремальности температурного режима и режима осадков на территории Иркутской области.

В рамках рассматриваемых временных периодов (19471976 гг. и гг.) с учетом характеризующей их различной скорости потепления обнаружена территориальная неоднородность поля долговременного тренда показателей экстремальности температуры воздуха и осадков в Иркутской области.

Впервые показаны региональные изменения отдельных климатических показателей экстремальности температуры воздуха на территории Иркутской области в связи с изменениями циркуляции атмосферы, в том числе Азиатского антициклона, с количественной оценкой их вклада в изменение климатических показателей экстремальности.

Предложена авторская компьютерная программа расчета доли экстремально холодного и теплого времени года.

Основные положения, выносимые на защиту База данных климатических показателей экстремальности.

Пространственно-временные закономерности изменений климатических показателей экстремальности на территории Иркутской области за период с 1947 по 2006 гг.

Оценка вклада Арктической осцилляции и Азиатского антициклона в изменения минимальных температур воздуха на рассматриваемой территории.

Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть полезны при оценке вклада региональной составляющей как части глобальных климатических изменений. Полученная в работе база данных по климатологии индексов экстремальности может быть применена в качестве обновленных справочных материалов при климатических описаниях территории области, для анализа наиболее холодных и наиболее теплых периодов года. Автоматизированная методика расчета доли экстремально холодного и теплого времени года внедрена в работу отдела метеорологических прогнозов, а также отдела климата Иркутского ГМЦ. Изложенные в диссертации теоретические и методические положения использованы в учебном процессе при подготовке метеорологов в Иркутском государственном университете в рамках курса «Региональная климатология».

Достоверность результатов расчетов, представленных в работе, подтверждается большим объемом и качеством используемого фактического материала данных наблюдений и архива NCEP/NCAR Reanalysis, оценками статистической значимости результатов, а также их апробацией на различных конференциях и семинарах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

Научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Ресурсы Байкальского региона: освоение, состояние, экологические проблемы» (Иркутск, ИГУ, 2005 г.);

Научно-теоретическая конференция молодых ученых (Иркутск, ИГУ, 2006 г.);

VII сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2007 г.);

XIII научное совещание географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, ИГ СО РАН, 2007 г.);

International Conference on environmental observations, modeling and information systems "Enviromis" (Tomsk, 2008);

III Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2010 г.);

Семинар на заседании Ученого совета Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН (Иркутск, 2010 г.);

Всероссийская конференция с международным участием «Физика окружающей среды» (Томск, 2011 г.);

Семинар отдела прикладной климатологии ФГБУ «ГГО» (Санкт-Петербург, 2011 г.);

Семинар кафедры климатологии и мониторинга окружающей среды СПбГУ (Санкт-Петербург, 2011 г.);

Результаты также докладывалась на семинарах в Ливерпульском университете (Великобритания) (Liverpool University, Faculty of Science and Engineering), где автор прошел обучение в магистратуре по направлению «Изменения окружающей среды и климатические изменения» («MSc in Environment and Climate Change») в 20082009 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, сборе, обработке материала, расчетах и интерпретации полученных результатов. Автор является разработчиком компьютерной программы расчета доли экстремально холодного и теплого времени года.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 199 страниц, 57 рисунков, 27 таблиц и 41 приложение. Библиографический список включает 130 наименований (в том числе 32 – иностранных).

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность научному руководителю Елене Александровне Кочуговой, к.г.н., доценту кафедры метеорологии и охраны атмосферы Иркутского государственного университета, без поддержки и неоценимой помощи которой работа была бы невозможна. Многолетнее и плодотворное сотрудничество с Еленой Александровной вдохновило автора на научный и творческий поиск, позволило подготовить и выпустить в свет ряд совместных работ и докладов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются основные цели и задачи диссертации, актуальность выбранной темы, научная новизна, практическая ценность работы, выдвинуты основные положения, выносимые на защиту, приведены другие сведения о работе, ее объеме и структуре.

В первой главе приведен подробный литературный обзор современных работ о пространственно-временной структуре климатических показателей экстремальности в ХХ веке на земном шаре и территории РФ, в частности ряда отечественных (Булыгина, Груза, Киктев, Шмакин, Попова, Платова, Шерстюков и др.) и зарубежных климатологов (Alexander, New, Folland, Karl и др.).

Во второй главе, посвященной материалам информационного обеспечения и методам решения задач, описаны фактические базы данных климатологической информации, полученные в процессе работы над кандидатской диссертацией для территории Иркутской области. Использовался банк данных по температуре приземного воздуха и осадкам суточного разрешения для 6 станций с периодом наблюдений с 1936 по 2006 гг., созданный во ВНИИГМИ-МЦД (http:/www.cliware.meteo.ru/). Этот массив исходных данных был дополнен архивом NCEP/NCAR Reanalysis для максимальных и минимальных температур за период с 1950 по 2007 гг. (Kalnay et al., 1996). Данные суточного разрешения за этот период снимались с регулярной сетки банка NCEP/NCAR Reanalysis (шаг сетки массива данных – 1,875° по широте и 3,75° по долготе). Использовались данные в узлах регулярной сетки, ближайших к 15 отобранным станциям (http://www.esrl.noaa.gov/). Данные месячного разрешения за инструментальный период наблюдений по экстремальным температурам и осадкам 30 метеорологических станций Иркутской области взяты из таблиц метеорологических станций ТМС архивного фонда Иркутского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Также дана подробная физико-географическая карта-схема расположения метеорологических станций; показано, что Иркутская область с резко континентальным климатом вызывает особый научный интерес с позиции исследования экстремальных климатических показателей. Приведено описание ряда индексов атмосферной циркуляции, в том числе Азиатского антициклона, введены определения рассматриваемых климатических показателей, включая индексы экстремальности климата, описана методика их расчета.

Рассмотрены методы статистической обработки полученных временных рядов и оценки достоверности результатов. Для определения уровня значимости и угловых коэффициентов описан и применен тест Манна-Кендалла (MannKendall test) и непараметрический метод оценивания наклона Сена (Sen slope estimator). Эти методы являются надежными с точки зрения резко выделяющихся значений (всплесков) и отсутствующих данных (лакун) и не требуют нормального распределения данных. Так как тренды в рядах экстремальных значений метеовеличин практически всегда оцениваются на базе скудной статистики, вопросы робастности и статистической значимости результатов приобретают здесь особое значение.

Циклические колебания во временных рядах метеорологических параметров исследовались с применением Фурье-анализа. Кроме того, в работе использовалось вейвлет-преобразование (wavelet analysis). В отличие от преобразования Фурье вейвлет-анализ более соответствует специфике нестационарных явлений.

В настоящей работе использовались климатические показатели экстремальности (как характеристики экстремальных свойств климата на годовом отрезке времени), разработанные в 1999 г. и рекомендованные экспертной группой по обнаружению климатических изменений, мониторингу и индексам при Комиссии по климатологии ВМО (http://www.clivar.org/) (табл. 1).

Описание климатических показателей экстремальности (Karl et al., 1999) TXx Годовой максимум темпе- Ежегодно наблюдаемая предельно высокая °C TNx Максимальное значение Верхний предел суточной минимальной °C летнего минимума темпе- температуры воздуха летом; самая теплая TNx зимнего минимума темпе- температуры воздуха зимой, самая теплая зимнего максимума темпе- температуры воздуха зимой; самый холодратуры воздуха ный зимний день в году TXn летнего максимума темпе- температуры воздуха летом, самый холодратуры воздуха ный летний день TNn Годовой минимум темпе- Ежегодно наблюдаемая предельно низкая °C TN10p Повторяемость холодных Годовая доля суток с минимальными тем- % TX10p Повторяемость холодных Годовая доля суток с максимальными тем- % TN90p Повторяемость теплых но- Годовая доля суток с минимальными тем- % TX90p Повторяемость теплых Годовая доля суток с максимальными тем- % WSDI Индекс продолжительно- Годовое количество последовательных (6) дни сти экстремально теплых теплых дней, когда держалась экстремальпериодов но жаркая погода, включающая значения CSDI Индекс продолжительно- Годовое количество последовательных (6) дни сти экстремально холод- холодных ночей, когда держалась экстреных периодов мально холодная погода, включающая значения минимальной температуры TNn ниже 10 % процентиля DTR Амплитуда суточного хода Суточная разница максимальной и мини- °C GSL Продолжительность веге- Годовое число дней между первым перио- дни