CC BY
42
КОРОБОВ Владимир Борисович, доктор географических наук, начальник ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями». Автор 87 научных публикаций, в т.ч. монографии и учебно-методического пособия
СЕМКОВА Елена Сергеевна, инженер-программист ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями». Автор одной научной публикации
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ
Статистические характеристики, функция распределения, метеорологический режим
Климат оказывает заметное влияние на все без исключения процессы, протекающие на поверхности Земли. Перенос тепла и холода воздушными массами на огромные расстояния, перераспределение осадков, ветер — все это самым непосредственным образом влияет на растительный покров и животный мир, геологическую среду, условия жизне-обитания человека [8].
Изучение климата имеет не только сугубо научный интерес, что необходимо для лучшего понимания протекающих в природе процессов, но и немаловажное прикладное значение. Фундаментальные исследования в области климатологии направлены на изучение закономерностей пространствен-
но-временной изменчивости метеорологических полей для целей прогноза неблагоприятных тенденций, которые периодически возникают в природе. Немаловажное значение имеет и прикладная сторона влияния климата на экономику, поскольку атмосферные нагрузки на сооружения и транспортные средства вызывают необходимость расчета экстремальных метеорологических характеристик. По данным ООН, именно на атмосферные воздействия приходится основная часть природных катастроф (не менее 70%) [1]. Не случайно в нормативных документах, имеющих как общегосударственную силу, так и ведомственную принадлежность, большое внимание уделяется
метеорологическому режиму. Анализ нормативных документов показывает, что для обеспечения жизнедеятельности населения, проектирования жилых зданий и промышленных сооружений, линий электропередач, транспортных средств и других технических объектов основную роль играют температура воздуха и скорость ветра [5—7 и др.]. При этом для оценки теплопотерь, коэффициентов термического расширения конструкций, механических нагрузок в первую очередь требуется расчет экстремальных характеристик температуры воздуха и модуля скорости ветра.
Из множества измеряемых параметров
состояния атмосферы помимо температуры воздуха и скорости ветра также заслуживает внимания относительная влажность воздуха, по которой можно судить о вероятности наступления туманов, дымки и других погодных явлений, влияющих на безопасность движения всех видов транспорта и способствующих образованию смога в местах выбросов и накопления загрязняющих веществ.
Целью выполненных авторами в рамках данной работы исследований являлось изучение статистических характеристик перечисленных элементов современного метеорологического режима, необходимых для решения научных и прикладных задач.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Исследования статистических характеристик проведены по данным метеорологических станций «Индига», «Колгуев Северный» «Нарьян-Мар» (тундра), «Архангельск», «Койнас», «Карпогоры» (северная тайга) и «Котлас» (средняя тайга), на которых имеются надежные данные наблюдений за всеми элементами метеорологического режима. Выбор этих станций обусловлен за-
Материалы
дачей исследования широтной изменчивости климатических характеристик Архангельской области.
Для расчета статистических характеристик использовалась государственная база данных «КЫСОМ», в которой длительность и объем рядов метеорологических измерений по выбранным станциям следующие (табл. 1).
Таблица 1
наблюдений
№ Станция Период наблюдений Число значений
1 Архангельск 01.01.1966-31.12.2000 12 603
2 Индига 01.11.1976-31.10.1999 7 939
3 Карпогоры 01.01.1966-30.09.2002 13 298
4 Койнас 01.01.1966-31.08.2001 12 996
5 Колгуев Северный 01.11.1976-31.12.1999 8 064
6 Котлас 01.01.1966-31.12.2002 13 483
7 Нарьян-Мар 01.01.1966-31.12.1998 11 992
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Статистические характеристики. Для считывались следующие статистические ха-
выбранных элементов метеорологического рактеристики: среднее, медиана, мода,
режима по перечисленным станциям рас- стандартное отклонение, дисперсия, коэф-
фициент эксцесса, коэффициент асиммет- теристики элементов метеорологического рии, минимальное и максимальное значе- режима рассчитывались стандартными ме-ния. Перечисленные статистические харак- тодами (табл. 2—4).
Таблица 2
Статистические характеристики среднесуточной температуры воздуха по метеорологическим станциям Архангельской области
Характеристика Станция
Тундра Северная тайга Средняя тайга
Колгуев Северный Индига Нарьян-Мар Койнас Kарпогоры Архангельск Котлас
Среднее -3,17 -2,73 -3,51 -0,78 0,24 0,90 2,49
Медиана -2,01 -1,21 -1,99 0,43 0,86 1,40 2,78
Мода -1,56 6,45 0,65 2,70 0,34 8,40 1,67
Станд. отклонение 8,72 10,91 12,68 13,10 12,28 11,70 6,67
Дисперсия 76,03 119,13 160,78 171,64 150,79 136,80 44,45
Эксцесс -0,01 0,08 -0,23 0,10 0,00 0,00 0,18
Асимметричность -0,55 -0,60 -0,43 -0,60 -0,49 -0,50 -0,59
Минимум -31,76 -42,01 -43,91 -48,80 -44,86 -39,60 -23,89
Максимум 23,79 24,18 26,98 28,36 28,00 28,40 18,89
Таблица 3
Статистические характеристики скорости ветра по метеорологическим станциям Архангельской области
Характеристика Станция
Тундра Северная тайга Средняя тайга
Колгуев Северный Индига Нарьян-Мар Койнас Карпогоры Архангельск Котлас
Среднее 6,8 6,6 4,4 2,4 2,9 3,2 3,5
Медиана 6,5 6,1 4,3 2,3 2,8 3,0 3,4
Мода 5,5 5,5 3,4 1,8 2,5 3,0 2,6
Станд. отклонение 2,9 3,1 2,0 1,3 1,4 1,5 1,6
Дисперсия 8,4 9,4 4,0 1,7 2,0 2,1 2,6
Эксцесс 0,6 0,5 0,8 0,9 1,3 1,3 1,0
Асимметричность 0,7 0,8 0,7 0,8 0,8 0,9 0,7
Минимум 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Максимум 25,0 19,0 15,5 9,0 11,0 12,0 13,0
Таблица 4
Статистические характеристики относительной влажности воздуха по метеорологическим станциям Архангельской области
Характеристика Станция
Тундра Северная тайга Средняя тайга
Колгуев Северный Индига Нарьян-Мар Койнас Карпогоры Архангельск Котлас
Среднее 87,5 84,2 82,0 78,2 78,5 79,5 78,5
Медиана 88,6 85,4 83,0 80,5 81,0 81,9 80,8
Окончание табл. 4
Характеристика Станция
Тундра Северная тайга Средняя тайга
^лгуев Северный Индига Нарьян-Мар ^йнас Kарпогоры Архангельск Kотлас
Мода 93,0 87,5 84,0 78,8 83,8 84,6 84,8
Станд. отклонение 7,2 8,1 9,7 12,2 12,5 11,4 12,0
Дисперсия 51,8 65,6 94,1 148,8 156,3 130,7 144,0
Эксцесс 0,6 0,4 1,5 0,2 0,1 0,5 0,2
Асимметричность -0,8 -0,7 -1,0 -0,8 -0,8 -0,9 -0,8
Минимум 51,0 46,0 33,0 31,0 30,0 34,0 28,8
Максимум 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
В распределении среднесуточной температуры воздуха четко прослеживается широтная зональность: среднемноголетние значения увеличиваются строго с севера на юг, что обусловлено широтным поступлением солнечной радиации. Отметим, что такая же тенденция прослеживается и для максимальных температур. Однако для минимальных значений имеются отклонения от этой закономерности, обусловленные, по-видимому, влиянием моря.
Для ветра отмечается рост модуля скорости (в т.ч. и максимальных значений) в северо-западном направлении. Это объясняется влиянием подстилающей поверхности: над морской поверхностью коэффициент шероховатости ниже, и по мере перемещения барических образований над сушей трение воздуха в приземном слое увеличивается, что приводит к падению скорости перемещения воздушных масс. Кроме того, на морских станциях и станциях, расположенных невдалеке от побережья, регулярно отмечаются бризы, что также ведет к увеличению средней скорости.
Относительная влажность воздуха существенно выше на севере области, что обуславливается как деятельностью циклонов, приносящих влагу из океана, так и более низкими температурами воздуха.
Анализ статистических характеристик
элементов метеорологического режима позволяет выявить следующие закономерности. Средние значения среднесуточной температуры и влажности воздуха меньше значений медиан и мод. Для скорости ветра, наоборот, средние значения больше значений медиан и мод. Следовательно, кривые плотности распределения температуры воздуха и относительной влажности смещены вправо, а кривые распределения скорости ветра — влево.
Функции распределения. Теоретические законы распределения необходимы для построения математических моделей климатических характеристик и расчета на их основе максимальных значений, т.е. возможных один раз в заданное число лет. Вид закона распределения также определяет выбор соответствующих методов исследования данных. Так, при использовании некоторых моделей системного анализа (например, в канонической модели факторного анализа) требуется, чтобы исходные ряды подчинялись нормальному распределению.
При изучении эмпирических рядов распределения температуры, ветра и влажности были применены теоретические законы распределения, наиболее часто использующиеся в практике исследований метеорологического режима: нормальное (Гаусса), Грам-ма-Шарлье, логарифмическое нормальное,
гамма, Фреше, Вейбулла, Пуассона, геометрическое и гипергеометрическое распределения [3, 4].
С помощью критерия Пирсона подбирались функции распределения, которые наилучшим образом аппроксимируют температуру, влажность воздуха и скорость ветра по каждой станции. Из всего списка выбранных функций исследуемые выборки в наилучшей степени описываются тремя законами: Грамма-Шарлье (типа А), гамма и нормальным распределением; по критерию X2 получены существенно более низкие значения.
Распределение Грамма-Шарлье (типа А) или обобщенное нормальное (рис. 1), хорошо аппроксимирующее эмпирические ряды относительной влажности и в большинстве случаев температуры воздуха, имеет следующий вид [2]:
1 + —(к3 -Зи) + —(г/ -6м2 +3) 6 24
, (О
где и = (х- М)/а , 2и = {Му[2л)е “ п ; к - шаг, определяемый как разность между соседними градациями; <т — среднее квадратическое отклонение; А — асимметрия; Е — эксцесс; М— математическое ожидание.
Гамма-распределение (рис. 2), по которому описывается скорость ветра, имеет вид
[3]: , .
Ж
(2)
х — —
где а - —-, Л = ах, 0 < х < оо, х - математическое сг
ожидание; сг — среднее квадратическое отклонение; Г(Я)— гамма-функция, значения которой табулированы.
Рис. 2. Гамма-распределение модуля скорости ветра на станции «Индига» (гистограмма — эмпирический ряд; график — теоретическая зависимость)
Нормальное распределение (рис. 3), которому подчиняется температура воздуха на станциях «Индига» и «Колгуев Северный», имеет вид [2]:
Р(х) = -
1
(х-М)2
2 а1
гу[Ьг _{
с1х.
(3)
Рис. 1. Обобщенное нормальное распределение относительной влажности воздуха на станции «Индига» (гистограмма - эмпирический ряд; график — теоретическая зависимость)
Рис. 3. Нормальный закон распределения температуры воздуха на станции «Индига» (гистограмма — эмпирический ряд; график — теоретическая зависимость)
2010 1876 1742 1808 1474 1340 1200 1072 938 804 070 536 402 268 134 О
(4б;50] (50;55] (55;60] (60;65] (65;70] (70;751 (75:80)
(80;85]
(85;90)
(?0;95) (95:100]
Температура воздуха на пяти станциях (Нарьян-Мар, Архангельск, Койнас, Карпо-горы, Котлас) в наилучшей степени описывается обобщенным нормальным распределением, на двух станциях («Индига» и «Колгуев
Северный») — нормальным. Скорость ветра на всех станциях с достаточной степенью точности может быть описана гамма-распределением, а относительная влажность воздуха — обобщенным нормальным (табл. 5).
Таблица 5
Законы распределения характеристик метеорологического режима
ВЫВОДЫ
1. В распределении среднесуточной и максимальной температур воздуха четко прослеживается широтная зональность. Для минимальных значений имеются отклонения от этой закономерности. Для ветра отмечается рост модуля скорости, в т.ч. и максимальных значений, в северо-западном направлении. Относительная влажность воздуха существенно выше на севере области, что обуславливается как циклонической деятельностью, так и более низкими температурами воздуха.
2. Для среднесуточной температуры и влажности воздуха средние значения меньше
значений медиан и мод, а для скорости ветра — наоборот. Следовательно, кривые плотности распределения температуры воздуха и относительной влажности смещены вправо, а кривые распределения скорости ветра — влево.
3. Ряды температур воздуха на пяти станциях описываются обобщенным нормальным распределением, а на двух станциях — нормальным. Ряды модуля скорости ветра на всех станциях с достаточной степенью точности могут быть описаны гамма распределением, а относительная влажность воздуха — обобщенным нормальным.
Список литературы
1. Климатическая система и обеспечение гидрометеорологической безопасности жизнедеятельности России / А.И. Бедрицкий, А.А. Коршунов, Л.А. Хандожко, М.З. Шаймарданов // Всемирная конференция по изменению климата: тез. докл. (Москва, 2003 г.). М., 2003. С. 88—90.
2. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в упражнениях и задачах: учеб. пособие для студ. втузов: в 2 ч. 4-е изд. М., 1986. Ч. 2.
3. Кобышева Н.В. Косвенные расчеты климатических характеристик. Л., 1971.
4. Кобышева Н.В., Наровлянский Г.Я. Климатологическая обработка метеорологической информации. Л., 1978.
5. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения / Госстрой СССР. М., 1997.
6. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. М., 1988.
7. СП 11-103-97. «Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства» / Госстрой. М., 1997.
8. Чижевский А.Л. Земля в объятиях Солнца. М., 2004.
Korobov Vladimir, Semkova Elena
RESEARCH OF STATISTICAL CHARACTERISTICS OF ELEMENTS OF THE ARKHANGELSK REGION METEOROLOGICAL MODE
A research of statistical characteristics of mean daily air temperature, wind speed and relative air humidity is carried out according to the seven weather-stations of the Arkhangelsk Region data (Arkhangelsk, Indiga, Karpogory, Koinas, Kolguev Severny and Kotlas). Theoretical functions of distribution density are chosen and peculiarities of their spatial variability are revealed for these parameters.
Рецензент — Беляев В.В., доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
