Рис. 11.14. Многолетние ряды коэффициентов А1, А0 и параметра ASε (сверху вниз)
в каждом из четырех однородных районов по виду климатических изменений в речном стоке на севере ЕТР
можно отнести к классу стохастических. Для столетней климати- ческой составляющей определены вид изменения, его знак, ста- тистическая значимость и градиент. Полученные климатические «сигналы» разделены на одинаковые группы по виду и знаку клима- тического тренда. В результате ряды климатических трендов сред- негодовой температуры воздуха были разбиты на четыре основные группы со следующими свойствами:
–монотонный подъем с начала XX в.;
–подъем до середины 1930-х гг., затем падение и следующий подъем с начала 1990-х;
–отсутствие заметных изменений в первую половину века и подъем с начала 1960-х гг.;
–отсутствие изменений до начала 1980-х и затем падение тем- пературы.
Климатические тренды в рядах параметров B1, B0 и Sε были разделены на 3 класса. Для коэффициента B1 – это уменьшение, неизменность, подъем; для коэффициента B0 – подъем с 1950-х гг., подъем с 1970-х гг. и неизменность во времени; для параметра Sε – подъем, уменьшение и постоянство в последние несколько десяти- летий. Однако в связи с тем, что территориально одна и та же груп- па с отсутствием климатического тренда в рядах B1 и B0 разделена другими классами, для этих коэффициентов были выделено 4 одно- родных района.
Районирование территории Европы по виду климатических тенденций в рядах Тср, B1, B0 и Sε показано на рис. 11.15. Далее
возможны два пути пространственного обобщения в пределах од- нородных районов: осреднение или построение моделей, учитыва- ющих пространственные особенности поля. Пример осредненных рядов среднегодовой температуры для каждого однородного района приведен на рис. 11.16.
Вместе с тем, территориальные изменения среднегодовой температуры остаются достаточно существенными и составля- ют несколько градусов, что желательно описать с помощью про- странственной модели. Пример временных рядов вычисленных параметров пространственных моделей для каждого из четырех однородных районов с однотипными изменениями среднегодовой температуры воздуха приведен на рис. 11.17. Из рисунка следует, что для всех районов градиент пространственного поля (A1j) име-
ет тенденцию к уменьшению, и само поле становится со временем более однородным. Уровень поля (коэффициент A0j) имеет тен-
денцию к увеличению, то есть средняя региональная температура
72
Рис. 11.15. Районирование территории Европы по однотипным климатическим изменениям в: среднегодовой температуре
воздуха (Tav) и коэффициентах (В1 и В0) и параметрах (Se) сезонной функции
Рис. 11.16. Средние значения среднегодовой температуры воздуха в выделенных однородных районах (цифра – номер района)
Рис. 11.17. Коэффициенты пространственных моделей (A1, A0, ASe)
для четырех однородных районов с однотипными климатическими изменениями среднегодовой температуры воздуха
воздуха в целом увеличивается и стандарт погрешностей модели также увеличивается (параметр ASεj), что свидетельствует об уве-
личении внутренней неоднородности поля. Аналогичные простран- ственные модели в однородных районах были построены и для ко- эффициентов сезонной функции (B1, B0 и Sε).
Еще один вид полезной информации дают уравнения взаимос- вязи между параметрами моделей. Так, для коэффициента A1j поля
среднегодовой температуры воздуха имеют место следующие урав- нения связи с другими коэффициентами пространственных
моделей в каждом из четырех однородных районов:
74
1-й район: A1 |
= –0,0693A0 |
+ 1,000, R = 0,854; |
(11.2) |
2-й район: A1 |
= –0,0522A0 |
+ 1,000, R = 0,888; |
(11.3) |
3-й район: A1 |
= –0,0332A0 + 1,000, R = 0,716; |
(11.4) |
|
4-й район: A1 |
= –0,0571A0 |
+ 1,000, R = 0,953, |
(11.5) |
где R – коэффициент корреляции.
Анализ и интерпретация полученных территориальных законо- мерностей позволяет сделать следующие общие выводы.
А) Среднегодовая температура воздуха растет практически во всей Европе за исключением юго-восточной части (район 4, рис. 11.15). В Восточной Европе тенденция подъема монотонная и устойчивая (район 2), в Центральной и Западной Европе (район 3) существенный подъем температуры начался только в 1960–1970-е гг., а в Северной Европе (район 1) имел место спад температуры, а подъ- ем начался только с 1990-х гг.
Б) Амплитуда годового хода (коэффициент B1) значительно уменьшается в Восточной Европе и частично – в Северной и За- падной Европе (район 1). Объясняется это ростом зимней и неко- торым уменьшением летней температуры. На самом севере Европы (район 3) и в Южной и Центральной Европе (район 2) каких-либо изменений амплитуд сезонной функции не наблюдается. Отдельные территории (район 4) в морских и прибрежных районах на севере и юге континента характеризуются небольшим ростом годовой ам- плитуды температуры воздуха.
В) Районирование территории по коэффициенту B0 достаточ- но хорошо совпадает с районированием климатических тенденций в среднегодовых температурах, однако направленность тенденций более сглажена. Так, монотонный рост B0 имеет место также в Вос- точной Европе (район 2), а подъем с 1970-х гг. – в Центральной и Западной Европе (район 3). Вместе с тем в Северной и Южной Ев- ропе (районы 1 и 4) каких-либо изменений в положении сезонной функции не наблюдается.
Г) Климатические изменения в параметре синоптической ак- тивности (Sε) имеют хорошо выраженное широтное районирова- ние. В Северной Европе (район 1) наблюдается рост синоптической активности, что выражается в более частом прохождении цикло- нов северо-атлантического направления. В средней полосе Европы (район 2) синоптическая активность, наоборот, несколько снижает- ся, а в Южной Европе (район 3) она остается неизменной где-то с 1970-х гг.
Д) Градиенты пространственных моделей (A1j) имеют тенден-
цию к уменьшению для полей среднегодовой температуры возду- ха и практически неизменны во времени для параметров сезонной функции. Уровень пространственного поля (A0j) повышается для
среднегодовой температуры, неизменен или снижается в ряде рай- онов для амплитуды сезонной функции (B1), повышается или неиз- менен для положения сезонной функции (B0) и стабилен для интен- сивности внутригодовых синоптических процессов (Sε). Внутрен- няя пространственная неоднородность (АSε) увеличивается только для полей годовой температуры, а для полей параметров сезонной функции остается практически неизменной.
11.4. Оценка региональных климатических изменений
(на примере Костромской области)
Для статистического моделирования и оценки климатических изменений на территории Костромской области было выбрано 14 пунктов с наблюдениями за температурой воздуха и 32 пункта с наблюдениями за осадками, достаточно равномерно размещенных по территории, как следует из рис. 11.18 [24].
Для температуры воздуха средний период наблюдений в 63 года (при вариации от 61 до 74 для разных характеристик) был увеличен за счет процедуры восстановления пропусков и удлинения рядов до 85 лет (при вариации от 81 до 87 лет), или на 35 %. Осадки вос- станавливались несколько хуже, так как их пространственная свя- занность была ниже, причем ниже летом, чем зимой, но в среднем
а) |
б) |
Рис. 11.18. Расположение пунктов наблюдений за температурой воздуха (а) и осадками (б) на территории Костромской области
76
продолжительность рядов наблюдений была увеличена более, чем в 2 раза: с 32 до 80 лет. Особенность рядов твердых осадков заклю- чается в том, что смена измерительных приборов в 1950-х гг. суще- ственно повлияла на их однородность, и для моделирования осад- ков холодного периода года ряды рассматривались только начиная с 1960 г., когда они являлись однородными.
Исследование и моделирование наиболее продолжительного ряда наблюдений за температурой воздуха на метеостанции Костро- ма с 1842 г. показало, что с 1988 г. наблюдается ступенчатое увели- чение среднегодовой температуры примерно на 1,5 °С, что обуслов- лено аналогичным ступенчатым подъемом температур в феврале, марте и апреле (рис. 11.19). Причем наибольшее ступенчатое увели- чение температуры, составляющее около 4 °С, наблюдается в марте, а в другие месяцы оно было около 2 °С. В остальные месяцы года ряды температуры воздуха являются однородными и стационарны- ми за некоторым исключением ряда среднемесячной температуры июля, в котором имеет место выдающийся максимум 2010 г., связан- ный с аномальными погодными условиями, вызванными продолжи- тельным антициклоном и жаркой погодой.
Эффективные модели ступенчатых изменений установлены для среднегодовой температуры еще в шести метеостанциях на тер- ритории области и обусловлены аналогичными ступенчатыми изме- нениями, в основном в марте и апреле. Пространственное распреде- ление отклонений модели ступенчатых изменений от стационарной модели показано в рис. 11.20.
Результаты, приведенные на рис. 11.20, свидетельствуют о том, что проявление климатических изменений наблюдается в централь- ной и северной частях территории области, а на юго-западе оно пол- ностью отсутствует.
Для территории Костромской области были также построены статистические пространственные модели для каждой из 20 харак- теристик температурного режима: 12 среднемесячных, среднегодо- вая температура, 3 коэффициента функции сезонных изменений и сезонная температура. В качестве примера на рис. 11.21 приведены хронологические графики коэффициентов A1 и A0, параметра ASε, а
также коэффициентов корреляции (R) пространственной модели среднегодовой температуры воздуха.
Анализ графиков показывает следующее. Коэффициент A1, ха-
рактеризующий пространственный градиент, в среднем равен 1 и является стационарным, но его дисперсия существенно увеличи- лась с 1987 г. Это означает, что в одни годы поле температур имеет
Рис. 11.19 (начало). Хронологические графики температуры воздуха (среднегодовой, среднемесячной за февраль, март, апрель)
по метеостанции Кострома со ступенчатым ростом в конце 1980-х гг.
Рис. 11.19 (окончание). Хронологические графики температуры воздуха (среднегодовой, среднемесячной за февраль, март, апрель)
по метеостанции Кострома со ступенчатым ростом в конце 1980-х гг.
Рис. 11.20. Пространственное распределение отклонений нестационарной модели ступенчатых изменений от стационарной (Δст %)
для среднегодовой температуры воздуха
малый градиент и является практически ровным, так как значения температур близки между собой, как в 1994 г., когда A1 =
0,021, |
а в |
другие |
годы |
наблюдаются |
очень |
большие |
||||
пространственные |
градиенты, |
как в |
2007 г., |
когда A1 = 2,059. |
||||||
Поэтому можно |
говорить |
о нестабильности |
пространственного |
|||||||
градиента, |
начиная |
с |
конца |
1980-х гг. |
Коэффициент A0, |
|||||
характеризующий |
средний |
уровень |
поля |
или |
среднюю |
|||||
региональную температуру также не является стаци- |
онарным, но |
|||||||||
уже по средним значениям. С 1993 г. значения коэф- |
фициента A0 |
|||||||||
ступенчато увеличились, и его среднее значение стало 0,9 вместо 0, как за предыдущие годы. Резкое увеличение среднего значения поля связано со ступенчатым увеличением среднегодовых температур с конца 1980-х гг. практически на большей части тер- ритории, как следует из рис. 11.20. Параметр ASε, характеризую- щий внутреннюю однородность поля среднегодовой температуры, не является стационарным по дисперсии, которая существенно (в 2–3 раза) увеличилась с начала 1990-х гг., что свидетельствует об увеличении неоднородности пространственного поля среднегодо- вых температур. Рост дисперсии, хотя и в меньшей степени, наблю- дается и для коэффициентов корреляции пространственных моде- лей также с начала 1990-х. Если за предыдущий период в 57 лет ко- эффициенты R в среднем были равны 0,73 и число малых значений было невелико (всего 4 случая с R < 0,4), то за последний период в 19 лет среднее R уменьшилось до 0,59, а число случаев с R < 0,4 стало уже 7, то есть близко к половине. В 1994 г. R = 0,01, что и привело к экстремально низкому значению градиента поля. Таким образом, комплексный анализ динамики коэффициентов и параме- тров пространственной модели среднегодовых температур воздуха