Изменчивость климатических сезонов года и экстремальных характеристик температуры воздуха в Санкт-Петербурге и на территории Ленинградской области в условиях современных изменений климата




Скачать 409.22 Kb.
страница1/3
Дата03.04.2016
Размер409.22 Kb.
  1   2   3
На правах рукописи
Гурьянов Дмитрий Алексеевич

Изменчивость климатических сезонов года и экстремальных


характеристик температуры воздуха в Санкт-Петербурге и на территории


Ленинградской области в условиях современных изменений климата


Специальность 25.00.30 – Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук



Санкт-Петербург

2016

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики атмосферы федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" (РГГМУ)


Научный руководитель:

Малинин Валерий Николаевич

доктор географических наук, профессор, кафедра промысловой океанологии и охраны природных вод, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный гидрометеорологический университет»


Официальные оппоненты:

Мещерская Анна Васильевна

доктор географических наук, заведующая лабораторией расчетных методов метеорологических прогнозов отдела динамической метеорологии Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова.


Павловский Артём Александрович

кандидат физико-математических наук, начальник отдела градоэкологического обоснования развития территорий Санкт-Петербурга Управления инженерной инфраструктуры города Комитета по градостроительству и архитектуре Санкт-Петербурга


Ведущая организация:

Федеральное государственное казенное военное образовательное


учреждение высшего образования «Военно-космическая академия имени
А.Ф. Можайского» Министерства обороны Российской Федерации.

Защита диссертации состоится « » ___________ 2016 г. в __ часов___ мин. на заседании Диссертационного совета


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат диссертации разослан «__» __________ 2016 года.


Ученый секретарь

Диссертационного совета


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В течение нескольких последних десятилетий отмечается беспрецедентно высокая скорость роста изменений глобального климата, которая сопровождается резким увеличением количества опасных гидрометеорологических явлений, в том числе на территории России. В связи с этим в 2009 году была принята новая «Климатическая доктрина России», в которой зафиксирована стратегическая цель политики в области климата – обеспечение безопасного и устойчивого развития в условиях изменяющегося климата и возникновения соответствующих угроз. Одним из необходимых условий политики в области климата названо проведение фундаментальных и прикладных исследований в области климата и применение результатов исследований для оценки рисков и выгод, связанных с последствиями изменений климата, а также возможности адаптации к этим последствиям.

Во Втором оценочном докладе Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории России указывается, что средняя температура, осреднённая по территории России за период 1881 – 2014 гг., повысилась более чем на 2оС, причем временной промежуток с 1976 года характеризуется максимальной скоростью потепления, которая составила 0,48оС/10 лет. При этом скорость роста температуры в Северо-Западном федеральном округе еще выше – 0,51оС/10 лет.

За период инструментальных наблюдений (более 250 лет) средняя годовая температура воздуха в Санкт-Петербурге повысилась на 2оС, в зимний период – на 3,4оС, в летний – на 0,5оС. Наиболее значительными, причем неодинаковыми темпами в разные сезоны года происходил рост температуры с 1979 года. Это существенно сказывается на продолжительности климатических (естественных) сезонов и повторяемости экстремальных характеристик климата. В связи актуальность работы состоит в необходимости получения достоверных сведений и выявлении закономерностей изменчивости продолжительности климатических сезонов и экстремальных характеристик температуры воздуха, необходимых для рационального функционирования таких отраслей экономики, как энергетика, ЖКХ, сельское хозяйство и др.



Степень разработанности проблемы. Вопрос о выделении естественных климатических сезонов в Санкт-Петербурге (Ленинграде) был поставлен ещё в классических работах по климату Ленинграда и его окрестностей (Покровская, 1957; Покровская, Бычкова, 1967; Швер, 1982). Одной из наиболее фундаментальных работ по изменению современного климата Санкт-Петербурга является монография «Климат Санкт-Петербурга и его изменения», вышедшая в 2010 году в ГГО им. А.И. Воейкова. Однако в данных работах отсутствует единый подход к выделению естественных сезонов, не выполнены расчеты их продолжительности и соответственно не выявлены закономерности их межгодовой изменчивости, как для Санкт-Петербурга, так и для территории Ленинградской области.

Цель работы заключается в разработке комплексного метода определения границ климатических сезонов года, изучении закономерностей продолжительности климатических сезонов и выявлении особенностей распределения экстремальных характеристик температуры в Санкт-Петербурге и на территории Ленинградской области в условиях современных изменений климата.

Задачи исследования.

  1. Разработать комплексный метод определения границ климатических сезонов года на основе дат устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через заданные значения 0 и 15оС.

  2. Выявить временную изменчивость и пространственные особенности продолжительности климатических сезонов года в Санкт-Петербурге и на территории Ленинградской области.

  3. Разработать малопараметрические статистические модели оценки продолжительности климатических сезонов.

  4. Выявить изменчивость и пространственные особенности экстремальных температурных характеристик в Санкт-Петербурге и на территории Ленинградской области.

  5. Выявить особенности распределения экстремальных характеристик климатических сезонов по территории Ленинградской области.

Материалы и методы. В качестве исходного материала для проведения данной работы были использованы данные о максимальной, минимальной и средней температуре приземного воздуха суточного временного разрешения в Санкт-Петербурге и на станциях Ленинградской области. Данные хранятся в архивах ВНИИГМИ-МЦД и находятся в открытом доступе в сети Интернет. Использованные в работе данные на станции Санкт-Петербург охватывают период с 1881 по 2015 годы, данные остальных станций характеризуют температурный режим за период 1950 – 2015 гг. Для решения поставленных задач использовался комплекс методов статистического анализа, теории случайных функций, вейвлет-анализ, а также методы интерполяции при построении карт.

Научная новизна работы.

  1. Предложен комплексный метод определения дат устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через заданные значения 0 и 15оС в условиях неопределённости, вносимых продолжительными оттепелями и заморозками в зимний период, а также периодами потепления и похолодания в весенне-летний и летне-осенний периоды.

  2. Впервые для Санкт-Петербурга и территории Ленинградской области по среднесуточным данным о температуре воздуха выделены за многолетний период естественные климатические сезоны и выявлены закономерности их временной изменчивости.

  3. Впервые для территории Ленинградской области и Санкт-Петербурга разработаны малопараметрические регрессионные модели оценки продолжительности климатических сезонов года, предикторами для которых использовались данные о продолжительности предыдущего сезона года и дата начала искомого сезона.

  1. На основе срочных данных выявлена пространственно-временная изменчивость экстремальных температурных характеристик по территории Ленинградской области. Установлено, что с начала 1980-х годов резко ускорился рост положительных экстремумов и уменьшение отрицательных, причём уменьшение отрицательных экстремумов более чем вдвое превосходит рост положительных.

  2. Впервые для территории Ленинградской области и Санкт-Петербурга выявлены экстремальные характеристики продолжительности климатических сезонов года: их начало, завершение, а также средней для сезонов температуры воздуха.

Положения, выносимые на защиту.

  1. Комплексный метод определения дат устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через заданные значения.

  2. Закономерности временной изменчивости продолжительности климатических сезонов в Санкт-Петербурге и на территории Ленинградской области.

  3. Малопараметрические статистические модели оценки продолжительности климатических сезонов

  4. Пространственно-временные особенности изменчивости экстремальных температурных характеристик по территории Ленинградской области.

Теоретическая значимость работы. Предложен комплексный метод определения дат устойчивого перехода температуры через заданные пределы, основанный на среднесуточных данных о приземной температуре воздуха в Санкт-Петербурге и на станциях Ленинградской области. Данный метод позволяет выполнить однозначное выделение границ климатических сезонов. Получены новые знания о закономерностях временной изменчивости продолжительности климатических сезонов года. Разработаны малопараметрические регрессионные модели оценки продолжительности климатических сезонов года. Установлены пространственно-временные особенности изменчивости экстремальных температурных характеристик по территории Ленинградской области.

Практическая значимость работы. Достоверные сведения о продолжительности климатических сезонов и экстремальных характеристиках температуры воздуха могут быть востребованы Правительством Санкт-Петербурга и Администрацией Ленинградской области в целях более эффективного планирования работ в таких отраслях экономики, как энергетика, ЖКХ, сельское хозяйство и др. Полученные результаты использованы при подготовке лекционного курса «Математические методы в географии» на географическом факультете в РГПУ им. А.И. Герцена.

Личный вклад автора. Постановка задач исследования, подготовка архивов информации, проведение статистических расчетов, выполнение необходимых графических построений, обобщение и анализ результатов.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертация соответствует паспорту специальности 25.00.30 Метеорология и климатология согласно п. 14 Микроклимат природных объектов, микроклимат мегаполисов.



Апробация работы и публикации.

Сделаны доклады:

- на Международной научно-практической конференции LXVI Герценовские чтения, посвящённой 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского: "География: инновации в науке и образовании", проходившей в 2013 году в Герценовском университете, Санкт-Петербург.

- на конференции "Нерешённые проблемы климатологии и экологии мегаполисов" в рамках международного форума "Экология большого города", проходившем 20 марта 2013 года в Санкт-Петербурге.

- на расширенном семинаре кафедры физической географии и природопользования РГПУ им. А.И. Герцена 09.10.2015.

Стал победителем:

- конкурса персональных грантов 2014 года для аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, организованном Правительством Санкт-Петербурга и проведённом Комитетом по науке и высшей школе Санкт-Петербурга в рамках реализации комплексной программы "Наука. Промышленность. Инновации" на 2012 – 2015 годы.

- конкурсов (в 2013 и 2014 годах) грантовой поддержки публикационной активности аспирантов и молодых научно-педагогических работников РГПУ им. А.И. Герцена.

Участие в качестве исполнителя в гранте РФФИ "Генезис межгодовой изменчивости характеристик увлажнения Европейской территории России в условиях современных изменений климата" (грант 14-05-00837).

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 5 из них в рецензируемых журналах по перечню ВАК.



Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц, включая 29 таблиц и 52 рисунка, 1 приложение. Список литературы составляет 105 наименований.



СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы, приведены результаты апробации диссертационного исследования.

В первой главе «Особенности температурного режима Санкт-Петербурга и Ленинградской области в условиях современных изменений климата» делается обзор современных климатических изменений, указывается, что важнейшей характеристикой состояния атмосферы и глобального климата является приповерхностная температура воздуха (ПТВ), описываются глобальные архивы информации о ПТВ и иллюстрируется её межгодовой ход. Даются оценки трендов ПТВ за разные промежутки времени: указывается, что наибольшие оценки скорости роста ПТВ характерны для периода 1976-2005 гг., причём для Северного полушария (0,25оС/10 лет) она почти вдвое превосходит для Земли в целом (0,18оС/10 лет). Даётся представление о неравномерности современных изменений ПТВ: на протяжении ХIX – ХХ века наблюдались эпохи потепления и похолодания. Причём, последнее потепление ещё продолжается, хотя интенсивность его упала почти до нуля. На территории России потепление идёт ускоренными темпами. Коэффициент линейного тренда в целом по территории России с 1976 года по настоящее время составил 0,43оС/10 лет, что в 2,5 раза превышает скорость роста глобальной температуры полушарии. А в целом за этот период потепление составило 1,33оС.

В разделе 1.2 приводится физико-географическая характеристика Ленинградской области. Исследуемый регион находятся в зоне умеренного климатического пояса, переходного от океанического к континентальному, с умеренно мягкой зимой и умеренно теплым летом. Территориальное расположение в северной части умеренных широт вблизи полярного атмосферного фронта обуславливает основную особенность климата - непостоянство погоды. На климат Ленинградской области и прилегающих территорий оказывают влияние также соседние территории – Западная Европа и Северная Азия и Атлантический и Северный Ледовитый океаны. Круглый год здесь преобладает западный перенос воздушных масс. За холодное время года из различных частей Атлантики на территорию Восточно-Европейской равнины приходит от 8 до 12 циклонов, большая часть из которых проходит над Ленинградской областью. С приходом юго-западных (атлантико-средиземноморских) циклонов с юга вторгается тёплый воздух субтропических широт, способствующих сильному потеплению и наступлению оттепелей в зимний период. С приходом циклонов из северной Атлантики и юго-западной Арктики связано вторжение холодного воздуха.

В разделе 1.3 даётся представление о среднемноголетнем температурном режиме Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Указывается, что температурный режим исследуемой территории в целом типичен для умеренного климата с отепляющим влиянием приморского географического положения. Различия в годовом ходе средней температуры по станциям области зависят от географического положения. Станции можно разделить на 2 типа: с положительными и с отрицательными отклонениями от средних значений по области.

Пространственная дифференциация среднегодовой температуры воздуха по Ленинградской области имеет свои особенности (Рис. 1).


c:\users\дмитрий\desktop\диссер\карты\средняя температура.bmp

Рис. 1. Среднегодовые значения приземной температуры воздуха на территории
Ленинградской области за период 1950 – 2014 гг.

В разделе 1.4 приводятся сведения о межгодовой изменчивости температуры воздуха в Санкт-Петербурге (1881 – 2014 гг.) и Ленинградской области (1950 – 2014 гг.). Показано, что в среднем за весь период инструментальных наблюдений за температурой в Санкт-Петербурге прослеживается повышение среднегодовой температуры воздуха на 2оС, причём с 1979 года температура повысилась на 1,7оС.

Рост температуры на исследуемой территории согласуется с ростом средней температуры как на Земном шаре в целом, так и в Северном полушарии. Причём, на Европейской территории России потепление продолжается ускоренными темпами – за последний период с 1970-х годов скорость потепления по разным данным составляла от 0,48оС/10 лет до 0,55-0,56оС/10 лет, что почти в два раза превышает аналогичный показатель для Северного полушария. Безусловно, потепление климата проявляется далеко не однозначно: в пределах Северного полушария есть области, характеризующиеся как стремительным увеличением приземной температуры, так и области, где температурные тренды практически отсутствуют. На Рис. 2 приводятся графики межгодового хода аномалий температуры в Санкт-Петербурге за период времени 1881 – 2014 гг. (а) и в Ленинградской области за период времени 1950 – 2014 гг. (б). Временной ряд по Ленинградской области получен путём осреднения данных с восьми станций, расположенных в разных районах области и приграничных районах других субъектов России для тех районов, где отсутствуют станции с продолжительным периодом наблюдений.

Рис. 2. Межгодовой ход средних годовых аномалий приземной температуры воздуха в Санкт-Петербурге (а) (за период 1881 – 2014 гг.) и в Ленинградской области (б) (за период 1950 – 2014 гг.). Жирная линия – 11-летнее осреднение, пунктир – квадратичный тренд.


Во второй главе «Исходные данные и статистические
методы их анализа»
приводятся сведения об исходных данных для проведения исследования и методах их обработки. За исходные данные были приняты среднесуточные значения температуры воздуха, а также их максимальные и минимальные значения за сутки. Сбор исходной информации был произведён за период с 1950 по 2014 год для семи станций: Гогланд, Выборг, Тихвин, Гдов, Вытегра, Сортавала, Белогорка. Для станции Санкт-Петербург в работе использованы данные за 1881 – 2014 гг. Архив данных о температуре воздуха на перечисленных метеостанциях находятся в открытом доступе в сети Интернет на сайте ВНИИГМИ-МЦД по адресу http://meteo.ru/data/162-temperature-precipitation. Затем кратко излагаются методы статистической обработки данных, включая первичный анализ, множественную линейную регрессию, методику выделения и анализа трендовой составляющей временного ряда и основы вейвлет-анализа.

В третьей главе «Выявление продолжительности 
климатических сезонов и их межгодовая изменчивость» даётся понятие о климатических сезонах года и методике их выделения. Поскольку календарные сезоны года обычно не совпадают с сезонной ритмикой природных процессов, то возникает необходимость выделения климатических сезонов года. В работах (Покровская, 1957; Покровская, Бычкова, 1967; Швер, 1982) предложено несколько вариантов выделения климатических сезонов в Санкт-Петербурге (Ленинграде). Критериями их выделения являются: установление устойчивого снежного покрова и периода устойчивых морозов для зимы, установление безморозного периода для переходных сезонов, периоды без заморозков для лета и т.п. Однако все критерии носят качественный характер и не доведены до конкретных расчетов за продолжительные промежутки времени. Вместе с тем, очевидно, что наиболее точным индикатором смены климатических сезонов является температура воздуха (Т). Установление устойчивых отрицательных температур, очевидно, соответствует зимнему периоду. За границу летнего периода предлагается принимать промежуток времени со среднесуточной температурой выше 15оС по нескольким причинам. Во-первых, в настоящее время отсутствует единая точка зрения, каким образом выделять летний сезон, что позволяет определять собственные границы в целях исследования. Во-вторых, именно в это время на рассматриваемой территории не регистрируются заморозки, либо такие случаи единичны. В-третьих, этот период соответствует времени наиболее активной вегетации растительности, а также создаются необходимые температурные условия для произрастания теплолюбивых сельхозкультур. Периоды между 0 и 15оС, соответственно, составляют переходные сезоны - весну и осень. Существуют различные способы оценки даты устойчивого перехода Т через 0оС, однако ни один вычислительный алгоритм не в состоянии обеспечить однозначное выделение границ сезонов, т.к. многочисленные переходы температуры через заданные границы формируют в течение года «бесконечное» множество вариантов отклонений температуры от этих значений, которое не поддается количественной систематизации, а, следовательно, и алгоритмизации. 

В данной работе для оценки границ климатических сезонов предложен комбинированный подход, состоящий из нескольких последовательных этапов. При этом за границу климатического сезона принимался такой устойчивый переход среднесуточной Т воздуха через 0 или 15оС, после которого отклонения Т в противоположную сторону уже не являются возвратом к предшествующему сезону. Первоначальное выделение границ осуществляется экспертным путем, суть которого состоит в следующем. Каждый случай перехода Т через граничные значения рассматривается с учетом ее последующих и предыдущих значений. При необходимости рассчитываются суммы градусов дней мороза и тепла в обе стороны от точки перехода. Кроме того, принимается во внимание характер синоптических ситуаций и т.п.

После этого выполняется сверка всех переходов и для экстремальных границ проводится дополнительное уточнение. В качестве критерия точности может быть принято условие, что даты переходов по среднемноголетней кривой температуры воздуха должны соответствовать среднему значению переходов, вычисленных для каждого года (Табл. 1). Результаты таких переходов практически совпадают. Кроме того, была выполнена дополнительная проверка, согласно которой для каждого временного ряда переходов температуры рассчитывались линейные тренды. По уравнениям тренда несложно вычислить его значения на любой день года, которые соответствуют средним многолетним условиям за рассматриваемый период времени. Из Табл. 1 следует, что вычисленные таким образом значения тренда почти в точности совпадают с аналогичными оценками переходов температуры воздуха через 0 и 15оС, определенными другими способами.
Таблица 1. Сопоставление определенных разными способами дней среднего многолетнего перехода температуры воздуха через 0 и 15оС для Санкт-Петербурга за период 1881–2014 гг.


Переход температуры воздуха через …

День среднего многолетнего перехода

По данным среднемноголетней кривой

По данным осреднения переходов за каждый год

Рассчитанный по линейному тренду

0оС весной

89 (30 марта)

88,9

88,4

15оС весной

165 (14 июня)

164,9

164,8

15оС осенью

237 (27 августа)

237,6

237,8

0оС осенью

321 (18 ноября)

321,4

321,7

  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница