На правах рукописи
Зиновьева Наталья Алексеевна
МИКРОКЛИМАТИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ ПРОВЕДЕНИЯ
ЗИМНИХ ОЛИМПИЙСКИХ ИГР «СОЧИ-2014»
Специальность: 25.00.30 – Метеорология, климатология, агрометеорология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук
Санкт-Петербург – 2010 3
Работа выполнена в государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»
Научный руководитель: доктор географических наук Пигольцина Галина Борисовна
Официальные оппоненты: доктор географических наук Безуглая Эмма Юрьевна, кандидат географических наук Мосолова Галина Ивановна
Ведущая организация: Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
Защита состоится « » 20 г. в часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 327.005.01 в ГУ «ГГО» по адресу: 194021, СанктПетербург, ул. Карбышева, д.7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ «ГГО»
Автореферат разослан « » 20 г.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций доктор географических наук А.В. Мещерская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Теоретические основы, методы и критерии мезо- и микроклиматической оценки территории разрабатывались в ГГО на протяжении нескольких десятилетий (Гольцберг И.А., Романова Е.Н., Мищенко З.А., Адаменко В.Н., Береснева И.А., Пигольцина Г.Б. и др.). В результате были получены обобщённые количественные значения микроклиматической изменчивости основных элементов климата для различных географических районов. Однако указанные исследования были выполнены в основном для холмистого рельефа и тёплого (вегетационного) периода.
Современные потребности различных секторов экономики выдвигают перед микроклиматологами новые задачи, решение которых требует дальнейшей разработки методов оценки микроклиматических условий конкретных территорий. К таким задачам в первую очередь относятся оценки пространственной изменчивости специализированных термических показателей зимы и характеристик снежного покрова в условиях горного рельефа.
Необходимость в решении этих вопросов возникла в связи с выполнением работ по микроклиматическому описанию и районированию территории проведения зимних Олимпийских игр «Сочи-2014».
Район проведения Зимних Олимпийских игр «Сочи-2014» расположен на южном макросклоне Большого Кавказа в сложных физико-географических условиях и представляет собой горный район, характеризующийся значительной неоднородностью подстилающей поверхности. В этих условиях на протяжении нескольких километров могут наблюдаться значительные изменения параметров климата под влиянием абсолютной высоты над уровнем моря и форм рельефа (ориентации и крутизны склонов, относительных превышений, ширины и формы долин и т.д.).
Несмотря на то, что Кавказ относится к наиболее изученным в климатическом отношении горным районам, сложное строение рельефа создаёт исключительное разнообразие мезо- и особенно микроклиматических условий в отдельных районах Кавказа, количественная оценка которых сопряжена с трудностями как информационного, так и методического характера.
Метеорологические станции, расположенные на территории со сложным (горным) рельефом, отражают микроклиматические условия того элемента рельефа, в котором они находятся, и являются репрезентативными только для аналогичных местоположений. Следовательно, на конкретных участках горного рельефа количественные значения микроклиматической изменчивости климатических характеристик без проведения специальных полевых наблюдений можно получить только косвенными методами.
В связи с этим для оценки пространственной (микроклиматической) изменчивости климатических характеристик в условиях горного рельефа исследуемого района потребовалось разработать новые методические подходы.
распределении основных элементов климата; микроклиматическая изменчивость и районирование расчётных зимних температур воздуха, радиационного баланса и продолжительности залегания снежного покрова горной территории проведения Зимних крупномасштабные карты пространственного распределения термических характеристик воздуха, построенные с использованием ГИС-технологий.
Одним из главных условий, определяющих возможность проведения зимних спортивных соревнований, является наличие и состояние снежного покрова, которые в свою очередь зависят от температуры воздуха. Высота размещения и производительность установок по искусственному оснежению спортивных трасс также напрямую связаны с температурой воздуха. Таким образом, весьма актуальной является задача детальной оценки микроклиматической изменчивости характеристик термического режима и снежного покрова в горном кластере района проведения Зимних Олимпийских Игр «Сочи-2014», позволяющая конкретизировать режимную гидрометеорологическую информацию для конкретных спортивных объектов.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы является детальная оценка микроклиматической изменчивости базовых и специализированных климатических показателей в горном кластере района проведения зимних Олимпийских Игр «Сочи-2014», микроклиматическое районирование территории с учётом строящихся олимпийских объектов и построение карт пространственного распределения климатических характеристик с использованием ГИС-технологий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработать методику расчёта базовых и специализированных климатических показателей в сложных условиях подстилающей поверхности при недостаточном метеорологическом освещении местности;
- выявить закономерности пространственной изменчивости климатических показателей в горном рельефе района проведения Олимпийских игр;
- оценить количественно микроклиматическую изменчивость наиболее важных (с точки зрения цели исследования) элементов климата;
- построить микроклиматические карты территории проведения Зимних Олимпийских игр «Сочи-2014» с учётом строящихся олимпийских объектов.
Методика исследований и исходная информация.
Для решения поставленных в диссертации задач применялись многомерные статистические методы исследования микроклимата; методы расчёта микроклиматической изменчивости метеоэлементов в сложном рельефе; методы микроклиматического районирования и картографический метод составления полей пространственного распределения климатических характеристик с использованием ГИС-технологии.
метеорологических и актинометрических станций, как средние многолетние, так и за отдельные годы. Кроме того, использовались современные данные автоматической регистрации температуры и влажности воздуха на различных высотах над уровнем моря на горнолыжных склонах хребта Псехако и данные маршрутных наблюдений за снежным покровом на хребте Аибга.
Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов обусловлена хорошим согласованием значений параметров, полученных расчётными методами, с данными наблюдений.
Представленная диссертационная работа является первым комплексным научным исследованием по установлению закономерностей микроклиматической изменчивости базовых и специализированных климатических характеристик в условиях горного рельефа и недостаточной метеорологической информации. При этом впервые:
- разработан метод объективной систематизации метеорологических станций по местоположениям в условиях сложного рельефа с применением кластерного анализа и принципы использования результатов кластерного анализа для формализации микроклиматических методов расчёта;
- разработан способ моделирования вертикального профиля инверсионного слоя воздуха в условиях горного рельефа;
- разработан метод оценки пространственной изменчивости продолжительности залегания снежного покрова в сложных условиях рельефа;
- установлены закономерности и получены количественные значения микроклиматической изменчивости основных климатических показателей в горном рельефе района Красной Поляны;
- выполнено микроклиматическое районирование горного кластера территории проведения Зимних Олимпийских игр в Сочи по расчётным зимним температурам воздуха и продолжительности залегания снежного покрова;
- построены крупномасштабные карты районов расположения олимпийских объектов по термическим характеристикам воздуха с использованием ГИС.
Практическая значимость.
микроклиматической изменчивости в условиях сложного рельефа определяет перспективность широкого использования полученных результатов при решении как научных, так и производственных задач.
Все разработки, осуществляемые при мезо- и микроклиматическом районировании, связаны с оценкой местоположения используемых метеорологических станций, поэтому анализ местоположений метеорологических станций исследуемого региона является необходимым звеном в изыскательских работах. В связи с этим, предложенный в данной работе способ разбиения станций по условиям местоположения с помощью кластерного анализа, позволяющий выполнить их объективную систематизацию, является фундаментом для микроклиматических исследований.
Предложенный способ моделирования вертикального профиля инверсионного слоя воздуха в условиях горного рельефа может применяться для оценки распределения термических характеристик с высотой в других регионах со сложным рельефом и недостаточным метеорологическим освещением местности, например, в Восточной Сибири, где в последние годы, в связи с интенсивным инвестиционным освоением Восточно-Сибирского региона, проблема оценки инверсионных условий конкретных районов, предназначенных для промышленного освоения, встала особенно остро.
Разработанный метод оценки пространственной изменчивости продолжительности залегания снежного покрова в сложных условиях рельефа может использоваться для характеристики снежного покрова при освоении территорий под горнолыжные курорты и их функционировании.
Полученные количественные значения микроклиматической изменчивости основных элементов климата и построенные микроклиматические карты необходимы для уточнения режимной гидрометеорологической информации для спортивных объектов.
Выявленные закономерности пространственного распределения климатических показателей могут быть использованы в качестве соответствующих микроклиматических блоков при создании ГИС-проектов данной территории.
Личный вклад соискателя.
Все представленные в работе результаты получены самим автором или при его участии.
Непосредственно автором предложен и реализован метод систематизации метеорологических станций по условиям местоположения с использованием кластерного анализа; подготовлены морфометрические основы и выполнено микроклиматическое районирование; выбрана ГИСпрограмма и построены карты пространственного распределения термических показателей;
выполнены расчеты по микроклиматической изменчивости рассматриваемых показателей.
Положения, выносимые на защиту.
1. Методика расчёта микроклиматической изменчивости базовых и специализированных климатических характеристик в сложных условиях подстилающей поверхности при недостаточном метеорологическом освещении местности.
2. Закономерности пространственной структуры радиационного режима склонов разной экспозиции и крутизны в зависимости от высоты над уровнем моря.
3. Результаты количественной оценки микроклиматической изменчивости расчётных зимних температур воздуха, радиационного баланса и продолжительности залегания снежного покрова для горного кластера района проведения олимпиады.
4. Микроклиматическое районирование территории проведения Зимних Олимпийских игр «Сочи-2014».
5. Использование ГИС-технологии для построения крупномасштабных карт районов расположения олимпийских объектов по термическим характеристикам воздуха.
Внедрение.
Результаты исследования по теме диссертации были использованы при выполнении:
- темы НИР «Микроклиматическое районирование территории проведения Зимних Олимпийских игр 2014 г. с учётом строящихся олимпийских объектов»;
- темы НИР «Научно-методическое сопровождение Технического проекта "Гидрометеорологическое обеспечение подготовки и проведения олимпийских игр, в том числе противолавинное. Общесистемные решения" в части гидрометеорологического обеспечения»;
гидрометеорологического обеспечения, мониторинга загрязнения окружающей среды и противолавинных работ в районе спортивных объектов зимних Олимпийских Игр «Сочи-2014»;
- в учебной программе курсов повышения квалификации по прикладной климатологии «Обеспечение современных потребностей различных категорий потребителей в климатической продукции и информации» в 2009-2010гг.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции «Современные проблемы климатологии», посвящённой 100-летию профессора О.А.Дроздова (2009г), на Учёном совете Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова (2008, 2009гг).
По результатам работы опубликовано 4 статьи, из них 3 статьи в реферируемых журналах, 1 статья сдана в печать.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объём диссертации составляет 132 стр., включая приложение, и содержит кроме основного текста 77 рисунков и 28 таблиц. Список использованной литературы насчитывает 85 наименований на русском, английском и немецком языках.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна и практическая значимость результатов исследования. Логика и результаты исследования представлены в главах диссертации.
В первой главе «Методика исследований и исходная информация» на основе литературных источников и результатов исследований, выполненных в настоящей диссертационной работе, даётся описание климата района проведения Олимпийских игр – Имеретинской низменности (Адлер) и горного кластера (Красная Поляна). Приведена характеристика используемой климатической и метеорологической информации. Разработан метод объективной систематизации метеорологических станций по условиям местоположения в сложном рельефе с применением кластерного анализа и принципы использования результатов кластерного анализа для формализации микроклиматических методов расчёта.
Западное Закавказье относится к зоне влажного климата с очень тёплым летом и мягкой зимой на побережье, с более прохладным летом и умеренно мягкой зимой в невысокой предгорной зоне и достаточно суровыми зимними условиями в высокогорной зоне.
Высокогорный район Олимпийских игр расположен в окрестностях п. Красная Поляна на склонах, прилегающих к долине реки Мзымта. Под влиянием мезомасштабных неоднородностей подстилающей поверхности формируются мезоклиматические условия, которые отличаются от зонального климата, т.е. от макроклимата. В рассматриваемом районе долина р. Мзымта разделяет территорию на два мезоклиматических района – северный и южный мезосклоны, которые в целом будут соответственно «холоднее» и «теплее» по сравнению с зональными климатическими условиями (рис. 1). В каждом из этих мезорайонов климатические показатели будут меняться под влиянием рельефа более мелкого масштаба (склоны разной экспозиции и крутизны, долины, вершины и т.д.).
Рис. 1. Картосхема горного района проведения Зимних Олимпийских игр Территория проведения Олимпийских игр в районе Красной Поляны расположена в разных условиях рельефа в пределах высот 500-2300м, поэтому для оценки микроклиматических особенностей территории необходимо учитывать изменение показателей как под влиянием абсолютной высоты над уровнем моря, так и под влиянием различных форм рельефа. Для количественной оценки микроклиматических условий горного кластера территории проведения Олимпийских игр, также как и при решении большинства микроклиматических задач, необходимо, прежде всего, выполнить анализ и систематизацию метеорологических станций по условиям местоположения.
Основным источником получения сведений об особенностях местоположения станций является «История и физико-географическое описание метеорологических станций и постов».
Процесс выбора станций с определённым местоположением по указанным описаниям, трудоёмкий, долгий и приводит к довольно субъективной систематизации метеорологических станций по условиям местоположения.
Оптимизировать проведение исследований и получить объективную систематизацию метеорологических станций по условиям местоположения в данной диссертационной работе предлагается с помощью метода кластерного анализа. Рассматривались 16 метеорологических станций, расположенных в условиях сложного (горного) рельефа Западного Кавказа.
Кластеризация проводилась по двум параметрам: высоте станций над уровнем моря (H, м) и среднему из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха (Тм,С). Выбор данного климатического показателя определяется тем, что Тм (как и другие минимальные температуры) является одной из наиболее чувствительных к условиям местоположения характеристик термического режима, которая изменяется в довольно широком диапазоне в зависимости от характера подстилающей поверхности, формы рельефа, относительных превышений местности, условий стока холодного воздуха.
Пошаговый процесс кластеризации производит последовательное объединение метеорологических станций в группы по степени воздействия микроклиматообразующих факторов на термический режим, которое позволяет получить информацию о местоположении станций на всех иерархических уровнях: от непосредственного локального воздействия (обособленные кластеры) до обобщённых типов микроклимата (объединённые и крупные кластеры). Таким образом, решается задача классификации станций и выявления соответствующей структуры в ней.
В отдельный объединённый кластер выделились репрезентативные по термическому режиму станции. Результаты кластеризации совпали с выбором репрезентативных станций вручную по физико-географическому описанию, что подтверждает правомерность применения кластерного анализа для систематизации метеорологических станций по местоположениям.
Результаты кластерного анализа позволяют формализовать известные закономерности микроклиматической изменчивости расчётных зимних температур воздуха в условиях сложного рельефа для рассматриваемой территории. Для выбранных с помощью кластерного анализа репрезентативных станций была получена зависимость среднего из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха (Тм) от высоты над уровнем моря (Н) и определены значения Тм на разных высотах (фоновые величины). Затем были вычислены отклонения Тм рассматриваемых станций от фоновых величин (на соответствующих высотных уровнях), которые по своим количественным значениям распределились согласно кластерному разбиению станций.
Известно, что для конкретных местоположений изменение среднего из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха (Тм) с высотой местности происходит по линейной зависимости, причём линии тренда различных местоположений располагаются параллельно линии тренда для репрезентативных станций.
Учитывая эту закономерность, была выполнена формализация микроклиматической изменчивости Тм для рассматриваемой территории (рис. 2). На рис. 2 линия 1 характеризует фоновое распределение Тм с высотой, полученное по данным репрезентативных станций.
Остальные линии показывают изменение Тм с высотой для местоположений, объединённых в обособленные кластеры.
Полученные результаты были использованы в данной диссертационной работе для расчёта микроклиматической изменчивости и районирования горного района территории проведения Зимних Олимпийских игр «Сочи-2014» по расчётным зимним температурам воздуха.
Рис. 2. Изменение среднего из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха (Тм) под влиянием местоположения в горах Западного Кавказа.
Условные обозначения: 1 – склоны гор с хорошим воздухообменом, открытые горные плато;
2 – нижние части склонов широких (3 - 4км) и котловинообразных долин, имеющих сток холодного воздуха; 3 – возвышенные места в нешироких (до 3км) и котловинообразных долинах с затруднённым стоком холодного воздуха; 4 – узкие (до 1км), извилистые долины;
5 – замкнутые части очень узких долин, котловины.
В Главе 2 «Микроклиматическая изменчивость базовых и специализированных термических характеристик воздуха в условиях сложного рельефа» изложена методика оценки микроклиматической изменчивости термических характеристик в сложных условиях подстилающей поверхности при недостаточном метеорологическом освещении местности.
Разработан способ моделирования вертикального профиля инверсионного слоя воздуха в горном рельефе. Выявлены и оценены количественно закономерности пространственной изменчивости базовых и специализированных показателей термического режима воздуха в рассматриваемом районе. Выполнено микроклиматическое районирование горного кластера территории проведения Зимних Олимпийских игр «Сочи-2014» по расчётным зимним температурам воздуха.
«