ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2015, № 1, с. 77-86
ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ
УДК 551.5+556
ТРЕНДЫ В КОЛЕБАНИЯХ ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА
НА ПРИМЕРЕ БАШКИРИИ
© 2015 г. Д.Ю. Васильев*, |Ю.И. Ферапонтов) **
* Уфимский государственный авиационный технический университет Общенаучный факультет, кафедра физики, E-mail: vasilevdy@ugatu.su **Региональное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
Гидрометцентр РФ
Поступила в редакцию 24.02.2014 г.
Методами Фурье-фильтрации и регрессии обработаны среднегодовые и сезонные значения температур по данным метеостанций Башкирии за 80 лет. На основе этого анализа определены тренды в колебаниях приземной температуры атмосферного воздуха. Произведена оценка статистической значимости полученных уравнений и их коэффициентов. Для большинства метеостанций установлена тенденция снижения температуры за период от начала наблюдений до конца 1960-х гг., в дальнейшем переходящая в противоположную фазу роста температуры, которая продолжается вплоть до настоящего времени.
Ю.И. Ферапонтов
Введение. Температурный режим атмосферы определяется множеством факторов. Поэтому колебания приповерхностной температуры воздуха, определенные в период инструментальных наблюдений, являются неоднородными. Распознание характера температурного режима из-за его неоднородности является важной научной задачей, и к настоящему времени установлены несколько температурных трендов. Так, во многих исследованиях температурных рядов двадцатого столетия [2, 5, 12, 18] отмечались три фазы колебаний температур: 1910-1945 (потепление), 1946-1975 (похолодание) и 1976-2000 гг. (потепление). Проведено также большое количество работ, в которых предпринимались попытки осмысления эти цикличностей и установления связи их с известными климато-определяющими факторами. Так, показано, что на изменчивость параметров климата влияют как низкочастотные явления, такие, например, как медленные вращения Земли [15], так и быстротечные процессы, выявленные на основе данных с суточным разрешением [14]. Применение корреляционного анализа [11] помогло определить тесноту связи между осцилля-циями приземной температуры воздуха и индексом Североатлантического колебания. Результаты исследований [8, 19] показывают, что изменения температуры в нижней атмосфере зависят от усло-
вий распространения стационарной планетарной волны. Применение различных математических моделей, например, глобальной циркуляции (General Circulation Model) позволило объяснить причины флуктуаций температуры как следствие особенностей характера взаимодействия системы океан-атмосфера [17, 20].
Несмотря на большой объем проделанной за последние десятилетия исследовательской работы, до сих пор, однако, нет единого мнения относительно прогноза в поведении температуры воздуха, иными словами - ждет ли нас в обозримом будущем продолжение процесса потепления или же оно сменится очередным похолоданием климата. На примере Белоруссии, используя многомерный статистический анализ временных серий температуры и осадков, сделано заключение [13], что современное потепление климата проявляется как многоэтапный неоднородный стохастический процесс. При этом очень актуален вопрос влияния антропогенного фактора на температурный режим атмосферы. Действительно, большинство климатических моделей показывают высокую корреляционную связь "разогрева" атмосферы с увеличением концентрации углекислого газа, темпы роста которого за последние десятилетия, по всей видимости, могут быть обусловлены только
54° 56° 58°в.д.
Рис. 1. Расположение метеорологических станций: 1 - Янаул, 2 - Аскино, 3 - Чишмы, 4 - Тукан, 5 - Мелеуз, 6 - Баймак, 7 - Зилаир.
влиянием человеческой деятельности [6]. По данным других исследователей [1, 3, 9], в ближайшее время на Земле, скорее всего, наступит похолодание, а увеличение концентрации СО2 и СН4 носит временный характер, принимая во внимание геологический масштаб смены "ледниковых эпох".
Башкирия, вследствие своего специфического физико-географического расположения, представляет собой уникальную природную лабораторию по наблюдению за климатом. Действительно, территория Башкирии обладает сложным рельефом, включающем Уральские горы (основное препятствие для переноса воздушных масс с Запада), и находится близко к так называемой "оси Во-
ейкова", которая является разделом зон влияния Исландского минимума и Азорского максимума [4]. В данной работе приведены результаты анализа многолетних наблюдений за температурой воздуха на территории Башкирии. Основной целью исследования был расчет трендов колебаний приземной температуры воздуха исследуемого региона в разных пространственно-временных масштабах.
Физико-географические условия Башкирии.
Башкирия расположена на востоке Европейской части России, ее территория включает бассейны рек Белой и Урала и охватывает Южный Урал и широкую полосу западного Предуралья. Наи-
большее протяжение республики с юго-востока на северо-запад составляет 695 км, с юга на север -603 км, а с запада на восток - 423 км. Площадь Башкирии 143.6 тыс. км2.
По геологическому строению и рельефу Башкирию подразделяют на три области - Западную, Горную и Башкирское Зауралье. Западная принадлежит к восточной окраине Русской платформы и Предуральскому краевому прогибу. Горная область состоит из хребтов, возвышающихся до 1000 м над уровнем океана, и увалов. Отдельные хребты превышают 1500 м (Иремель - 1598, горный узел - Яман - Тау - 1656 м) и разделены горными долинами эрозионного, тектонического и смешанного генезиса. Башкирское Зауралье представляет собой неширокую полосу увалистых предгорий, переходящую в плоскую Западно-Сибирскую равнину (75-200 м абсолютной высоты).
Почвы Башкирии также разнообразны. Под горными лесами (верховья рек Белая и Юрюзань) находятся подзолистые почвы и подзолы, которые частью щебенчаты, а у подножий и по склонам высоких хребтов развиты болотные и подзолисто-болотные почвы. На севере Башкирии широкой полосой от востока к западу идут оподзоленные суглинки и супеси. В долинах рек, преимущественно Предуралья, развиты пойменные почвы. Зауралье Башкирии характеризуется преобладанием обыкновенного чернозема.
Климат Башкирии в целом относится к континентальному, поскольку сказывается существенная удаленность от Атлантического океана, относительная протяженность с севера на юг и влияние среднеазиатских теплых воздушных масс. Речная сеть Башкирии хорошо развита и включает в себя части бассейнов рек Волги, Урала и Оби. По мере продвижения от гор на юго-восток Зауральская лесостепь из-за уменьшения количества осадков превращается в степь, леса редеют, а луговая степь становится беднее разнотравьем и богаче сухолюбивыми растениями. В западном Предура-лье степи являются разнотравно-ковыльными, а лесостепь Зауралья характеризуется однообразием лесов (в основном почти исключительно березовые колки и очень редко сосновые боры).
Данные и методы обработки. Базой для анализа послужили среднегодовые значения температуры атмосферного воздуха по данным 7 метеорологических станций (МС), расположенных на территории Башкирии (рис. 1). Период наблюдений в среднем составил 80 лет: МС Янаул (1926-2012 гг.), МС Аскино (1918-2012 гг.), МС Чишмы (1913-2012 гг.), МС Тукан (1935-2012 гг.),
Время, годы
Рис. 2. Температура воздуха МС Чишмы: А - за июнь-август (открытые кружки); Б - декабрь-февраль (открытые треугольники); В - среднегодовая (открытые квадраты). Жирные линии на рисунках А-В отражают результаты сглаживания Фурье-фильтром с 5-летним окном.
Рис. 3. Периодограмма (сглаженный Фурье-спектр мощности) зимних температур МС Чишмы. Пунктирная линия показывает границу доверительного интервала.
МС Мелеуз (1933-2012 гг.), МС Баймак (19492012 гг.), МС Зилаир (1933-2012 гг.). Первоначально из данных ряда среднегодовых температур выделялись сезонные составляющие и вычислялись среднеарифметические значения температур по сезонам: лето (июнь-август), зима (декабрь-февраль), весна (март-май), осень (сен-
Время, годы
Рис. 4. Значения среднегодовой (А) и в зимний период (Б) температуры воздуха МС Чишмы после применения Фурье сглаживания с 5-летним окном (те же данные как на рис. 2) и сравнение их с числами Вольфа (В) за период времени с 1913 по 2012 годы (http// sidc.oma.be).
у = 1048.11489 - 0.52843*
л-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
1920 1940 1960 1980 2000 2020 Время, годы
Рис. 5. Температура воздуха МС Аскино в зимний период, сглаженная Фурье-фильтром с 5-летним окном (жирная линия). Тонкие пунктирные прямые показывают рассчитанные линейные тренды в периоды с начала времени наблюдения до конца 1960-х годов, затем с начала 1970-х до 2000-х годов и с 2000-х годов по настоящее время; уравнения линейных регрессий связаны с соответствующими регрессионными прямыми стрелками.
тябрь-ноябрь). Затем, для минимизации влияния локальных и экстремальных температурных аномалий, временные серии температуры сглаживались методом Фурье-фильтрации [16, 7] с пятилетним окном осреднения. Использование метода Фурье-преобразования было продиктовано прежде всего тем, что этот метод позволяет одновременно полно и детально рассмотреть анализируемый метеорологический ряд с любым частотным окном в реальном масштабе времени, что выгодно отличает его от других, часто используемых методов статистической обработки данных метеонаблюдений. Возможность работы в реальном времени позволяет гибко подбирать параметры Фурье-фильтра и наблюдать результат фильтрации с последующей коррекцией частотного окна. Выбор 5-летнего окна в данной работе определялся, прежде всего, необходимостью минимизации вклада годовых и межгодовых ос-цилляций температуры с целью выделения более низкочастотных циклично стей в исследованных температурных рядах. Сглаженные Фурье-фильтром метеоданные затем подвергались регрессионному анализу для того, чтобы выделить линейные тренды и получить соответствующие им линейные уравнения. Статистическая значимость коэффициентов уравнений и адекватность самой модели оценивалась с помощью критериев Стью-дента и Фишера, соответственно [10].
Резуль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.