ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 5, с. 652-663
УДК: 551.52434:551.465.4(262.5)
МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕРМИЧЕСКИХ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ (1935-2007 гг.)
© 2009 г. О. И. Прокопов
Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН 353467 г. Геленджик, Краснодарский край E-mail: prok-oleg@yandex.ru Поступила в редакцию 11.04.2008 г., после доработки 09.09.2008 г.
Рассматривается схема выделения фактических сезонов в границах замкнутого годового цикла. Зимняя и летняя модификации фактических сезонов, или базовые периоды, выделяются по положению на календарной шкале года трехмесячных интервалов с экстремальными, в границах годового цикла, значения средней температуры. Весенняя и осенняя модификации сезонов вводятся как промежутки между базовыми периодами. Эта модель более гибко, чем стандартная процедура деления годового цикла на сезоны, учитывает эпизоды воздействия на структуру вод Черного моря относительно холодных или теплых воздушных потоков. В рамках альтернативной модели сезоны приобретают свойства, нехарактерные для их календарных аналогов.
ВВЕДЕНИЕ
Данные о сезонной и межгодовой изменчивости термических атмосферных условий (ТАУ) необходимы для решения ряда прикладных задач в агрометеорологии, океанологии и экологии [1-5]. Точность оценок ТАУ в значительной степени зависит от режима обработки экспериментальных данных: выбора интервала осреднения суточных значений температуры воздуха, модели выделения границ сезонов и меры центральной тенденции [2-4, 6-10].
Очевидно, что режим прогрева воздушных масс в районе Черного моря не подчиняется датам Григорианского календаря. Одно из следствий этого тезиса - устоявшаяся практика выделения начала сезонов трехмесячной длительности по календарным датам (зима - 1 декабря, весна - 1 марта, лето -1 июня, осень - 1 сентября) не отражает реальных сроков их наступления. Ниже эти сезоны вводятся как календарные [11, 12]. Термические условия календарных сезонов (исходная модель) оцениваются по параметру (7), средней за сезон температуре воздуха, рассчитанной при помесячном осреднении данных [13 - 19]. Однако исследование особенностей эволюции ТАУ в границах сезонов возможно при интервале осреднения данных не более чем в одну декаду, т.е. по значениям подекадной температуры (7)д [2-5].
В соответствии с положениями альтернативной модели [2-5, 9, 10] границы сезонов определяются сроками наступления периодов ежегодных относительных похолоданий или потеплений. Временны е рамки этих периодов определяются режимом вторжения относительно холодных или теплых воздуш-
ных потоков в район Черного моря и выделяются по экстремальным, в границах годового цикла, значениям (7) для трехмесячных периодов наблюдения. Ниже эти периоды рассматриваются как фактические зимние и летние (базовые) сезоны. Термин "базовые" отражает возможность их выделения по надежным признакам экстремальности ТАУ и использования промежутков между ними для ввода весеннего и осеннего фактических сезонов. Последние, отражая характер эволюции ТАУ между базовыми сезонами, объединяются термином "переходные" [2, 5, 10]. В рамках альтернативной модели сроки начала базовых сезонов год от года меняются и, как следствие, варьируются сроки начала и длительность как годовых циклов (от начала зимы до начала зимы следующего года), так и переходных сезонов. Изменчивость временных рамок фактических сезонов приводит к отличию их оценок ТАУ от термических условий в границах календарных аналогов. Термины "базовый" и "переходной" ниже переносятся и на календарные сезоны.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В этой работе решались задачи выделения выборок календарных и фактических сезонов из многолетней хронологической последовательности значений подекадной температуры воздуха, разработки комплекса характеристик термических условий для элементов выборок, сопоставления однотипных оценок для фактических и календарных сезонов, исследования характера распределения сезонов по градациям термических условий.
ПЕРВИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКА ИХ ОБРАБОТКИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В РАЙОНЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования ТАУ ориентировались на анализ их воздействия на структуру вод Черного моря [1, 3, 4, 12, 13, 15]. Этой задаче отвечали уменьшение интервала дискретности до декады (обычная длительность периода сильных штормов) и выбор в качестве базового массива данных наблюдений на прибрежной метеостанции "Геленджик" (северовосточная часть бассейна). Хронологическая последовательность значений (Т)д охватывала 72-летний период наблюдений.
Ниже календарные сезоны вводятся подстрочным индексом р. Для зимнего, весеннего, летнего и осеннего сезонов этот показатель заменяется индексами Щп, Бр, Бш и Аь Отдельные сезоны вводились как отрезки временной шкалы Ьрк (к = 1, 2, 3, . . . ш) для последовательности из т годовых циклов, ТАУ в их границах оценивались по средней температуре {Т)Рк. Сезонные выборки объединялись в массивы Мр. Элементы массивов Мр для весны, лета и осени соотносились с хронологическим индексом О - последними двумя цифрами даты соответствующего календарного года, 12-месячного периода, начинающегося 1 января. При этом интервалы изменчивости индекса О "35"-"99" и "00"-"07" отражали периоды наблюдений с 1935 по 1999 гг. и с 2000 по 2007 гг.
Индекс О для зимы (массив Мш) включал две последние цифры на стыке календарных лет: зимние сезоны для этих же интервалов изменчивости вводились индексами "35/36"-"99/00" и "00/01 "-"06/07". Хронологический индекс служил признаком и годового цикла, в границах которого велись наблюдения, и сезонов данного годового цикла, и оценок временны х рамок конкретного сезона, и характеристик ТАУ в границах этих временны х рамок.
Оценки фактических сезонов выделяются надстрочным индексом "*". Часть показателей (О*, М*, Ь*к, и (Т*)рк) совпадает по виду и смысловой нагрузке с характеристиками их календарных аналогов. Временные рамки фактических сезонов (сроки начала и длительность йЬ*) позволяли учесть нерегулярный характер их размещения на календарной шкале года и возможность вариаций длительности [10]. Первый параметр (£* = ш|п) определял позицию начальной декады. Здесь значения ш и п отражали порядковые номера календарного месяца (ш = 1, 2, 3, ..., 12) и декады (п = 1, 2, 3) в границах этого месяца. Второй (йЬ*) - длительность переходных сезонов в декадах.
Общий характер эволюции ТАУ внутри сезонов исследовался по характеристикам прямой линейной регрессии. Эти прямые строились по сезонной вы-
борке подекадных температур (7)д и их характеристики вводились подстрочным индексом "Я". Коэффициент регрессионного соотношения определял здесь среднюю скорость изменения температуры
У*Я в °С/декаду. Знак этого параметра отражал направленность изменения температуры в границах сезона. Для переходных сезонов положительные значения У*Я служили признаком весны, отрицательные - осени. Величина стандартного отклонения БО*р определяла разброс точек вблизи прямой линейной регрессии.
На первом этапе обработки данных формировался хронологический ряд значений (7)д [5, 10]. На втором - определялось положение на календарной шкале года границ зимних и летних фактических сезонов [2-4, 10]. По интервалу между ними выделялись весенние и осенние фактические сезоны [5, 10]. На этом же этапе в сезонных выборках подекадной температуры ее значения ранжировались и определялась медиана соответствующих рядов. На третьем этапе формировались выборки значений параметров и йЬ*к, {Т)рк и <Т%, ТМрк, У*Рк и БО*рк. Расчет значений (Т)рк отвечал здесь задаче сопоставления, при одном и том же (подекадном) интервале осреднения температуры, оценок ТАУ фактических и календарных сезонов. Каждая из оценок соотносилась с хронологическим индексом О*. На четвертом этапе индексы О* группировались по срокам начала сезонов и их длительности, а также по пяти основным градациям значений параметров ТМР, У*р и БО*Р. На пятом - для каждой из характеристик фактических сезонов строились гистограммы ([...]) распределений индексов О*: [] и [йЬ* ], [ТМР ], [ У *р ] и [ БО*р ].
Для решения ряда прикладных задач массивы одной градации ТАУ [4, 5, 10, 15, 18] обычно подбирались по значениям (Т) [15, 18]. При использовании этого параметра необходима реализация малой степени различия трех показателей одновременно: средней величины, стандартного отклонения и угла наклона прямой линейной регрессии, построенной по экспериментальным данным [10]. Поэтому (Т), как единичная оценка ТАУ сезонов, представляется неполной, а сопоставление однотипных сезонов по значениям этого параметра - недостаточно достоверным. Недостоверность оценки возрастает с усилением тренда температуры в границах сезонов переходной модификации.
Применение операции подекадного осреднения к данным многолетних наблюдений повысило точность определения границ фактических сезонов и позволило использовать для оценки ТАУ медиану Тм выборки значений (Т)д. Использование медианы Тм отвечает, во-первых, условию оценки ТАУ сезо-
нов одним параметром. Во-вторых, задаче исключения влияния тренда экспериментальных данных на оценку термических свойств сезона. В-третьих, требованию выявления своеобразия конкретной выборки данных. В-четвертых, условию уменьшения зависимости оценок ТАУ от концевых значений элементов ряда, где наиболее сильно сказывается влияние термических свойств смежных сезонов. В-пятых, задаче уменьшения суммарной ошибки при замене элементов ряда значением медианы [6-8].
Минимальные значения температуры воздуха в районе исследований наблюдались при ветрах северной четверти горизонта. С этих направлений поступали холодные полярные (реже арктические) воздушные массы. Наиболее значительный вклад в процесс снижения Та вносили ветры северо-восточных направлений: их повторяемость достигала 35-36% при средней скорости до 9 м/с [13, 15, 18, 19]. Летний период отличался почти равной повторяемостью циклонического и антициклонического типов циркуляции с преобладанием антициклонической в первой половине лета [11]. В это время повторяемость (27%) и средняя скорост
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.