Неопределенность в оценке погодно-климатических факторов на примере ХМАО - Югры Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК: 612-062 DOI: 10.12737/18475

НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ В ОЦЕНКЕ ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

НА ПРИМЕРЕ ХМАО-ЮГРЫ

С. Н. РУСАК, О.Е. ФИЛАТОВА, Л.М. БИКМУХАМЕТОВА

Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, проспект Ленина, 1, г. Сургут, Россия, 628400

Аннотация. Общепринято, что климат в долгосрочном аспекте и метеопараметры в краткосрочном, существенно влияют на функции организма человека. При этом возможно осложнение течения заболевания или даже выздоровления. В этой связи рассматриваются и обсуждаются результаты оценки долговременной динамики метеорологических факторов среды с позиций математической статистики и фазового пространства состояний в свете теории хаоса - самоорганизации на примере северной урбанизированной территории ХМАО - Югры (г. Сургута и Сургутского района). Очевидно, что резкие колебания метеопараметров способны провоцировать эпидемии и даже влиять на смертность населения. Обсуждается особенность хаотической динамики метеопараметров в период десятилетия в аспекте их влияния на заболеваемость населения Югры.

Ключевые слова: метеофакторы, хаотические квазиаттракторы, неопределенность

UNCERTAINTY IN POGODNOS ASSESSMENT - CLIMATIC FACTORS ON THE EXAMPLE OF KHANTY-MANSI AUTONOMOUS OKRUG - UGRA

S. N. RUSAK, O. E. FILATOVA, L.M. BIKMUKHAMETOVA

Surgut state university, Lenin Avenue, 1, Surgut, Russia, 628400

Summary. It is standard that climate in long-term aspect and meteoparameters in short-term, significantly influence functions of a human body. Thus complication of a course of a disease or even recovery is possible. In this regard results of an assessment of long-term dynamics of meteorological factors of the environment from positions of mathematical statistics and phase space of states in the light of the theory of chaos

- self-organization on the example of the northern urbanized territory of Khanty-Mansi Autonomous Okrug

- Yugra are considered and discussed (Surgut and the Surgut area). It is obvious that sharp fluctuations of meteoparameters are capable to provoke epidemics and even to influence mortality of the population. Feature of chaotic dynamics of meteoparameters during a decade in aspect of their influence on incidence of the population of Yugra is discussed.

Key words: meteofactors, chaotic quasiattractors, uncertainty.

Введение. В настоящее время вопросы, связанные с изменением глобального климата, стали выходить за рамки научной проблематики и привлекают к себе внимание и общественности, и различных управленческих структур. Это связно с тем, что климатические изменения оказывают непосредственное влияние на жизненные потребности населения и экономики в целом. В рамках научной проблематики это явление активно обсуждается как минимум в двух направлениях: во-первых, с точки зрения причин климатических изменений, а во-вторых, с точки зрения их последствий для природной среды и человека [1-5].

Любая биологическая система, как известно, может находиться в различных состояниях - как в состоянии покоя, т.е. стационарном состоянии,

так и динамических режимах. Стационарное состояние в математической интерпретации описывается достаточно просто, т.н. точкой покоя. Данное состояние имеет большое значение в биологии, экологии, медицине. Согласно принципов синергетики, любая система подчинена внешним условиям, или факторам формирования неопределенности и рисков, которые описываются в форме так называемых управляющих параметров. Как математически показано в синергетике, во многих случаях поведение системы, близкое к таким точкам неустойчивости, может зависеть от поведения очень немногих переменных, можно даже сказать, что поведение отдельных частей системы просто определяется этими немногими факторами [9-15].

Сложные БДС (биологические динамические системы) относятся к полностью неопределенным системам в рамках ТХС [4-6,8]. Чем сложнее система, тем меньше мы способны дать точные и в то же время имеющие практическое значение суждения о ее поведении. Переходные и динамические режимы, а особенно устойчивые колебательные, могут характеризовать микро - и макроизменения биологической динамической системы в фазовом пространстве состояний. В стохастическом же подходе задание начальных условий может как-то повлиять на функцию распределения системы. Именно это и является проблемой настоящего исследования.

Таблица 1

Матрица значений результата проверки статистической значимости различий на примере оценки набора метеорологических параметров (температура атмосферного воздуха, Т°К) за период наблюдений 1991- 2000 гг. с использованием критерия Вилкоксона (при расчёте критерия Вилкоксона уровень значимости, достаточный для отклонения нулевой гипотезы, принимали р<0,05)

период 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

1991 0,109 0,000 0,392 0,000 0,000 0,000 0,536 0,310 0,244

1992 0,109 0,000 0,475 0,000 0,000 0,003 0,179 0,574 0,756

1993 0,000 0,000 0,001 0,000 0,211 0,167 0,476 0,000 0,000

1994 0,392 0,475 0,001 0,500 0,002 0,000 0,002 0,000 0,000

1995 0,000 0,000 0,000 0,500 0,000 0,000 0,447 0,000 0,000

1996 0,000 0,000 0,211 0,002 0,000 0,040 0,001 0,084 0,031

1997 0,000 0,003 0,167 0,000 0,000 0,040 0,000 0,000 0,000

1998 0,536 0,179 0,476 0,002 0,447 0,001 0,000 0,000 0,000

1999 0,310 0,574 0,000 0,000 0,000 0,084 0,000 0,000 0,000

2000 0,244 0,756 0,000 0,000 0,000 0,031 0,000 0,000 0,000

Объекты и методы исследования. В работе представлена оценка динамики погодно-климатических условий г. Сургута, как представителя территории азиатского района Севера РФ.

Обработка временных рядов метеорологических показателей (температура, атмосферное давление, влажность атмосферного воздуха), исследование динамики метеопараметров производилось как с позиций классической математической статистики, так и методом идентификации параметров квазиаттракторов в фазовом пространстве (ФП) признаков в рамках теории хаоса-самоорганизации (ТХС), где в качестве системы рассматривалась модель 3-х - мерного фазового пространства: параллелепипед, внутри которого находится квазиаттрактор (КА) вектора состояния параметров метеорологических показателей среды. Информационной основой послужили фактические материалы наблюдений метеорологических показателей (температура, атмосферное давление и влажность атмосферного воздуха) за период 1991-2010 гг.

Результаты и их обсуждение. Как показали наши расчеты, сравнение динамики погодных условий (с позиций математической статистики) на примере двух 10-летних периодов наблюдений с использованием критерия Вилкоксона, характеризовалось межгодовой вариативностью сезонных значений для метеорологических переменных, т.е. статистически достоверные значимые различия между выборками комбинаций для метеопараметров демонстрировали их высокую долю (%). В

Таблица 2

Матрица значений результата проверки статистической значимости различий на примере оценки набора метеорологических параметров (температура Т°К; относительная влажность, Я % и давление атмосферного воздуха, Р мм рт. ст.) за период наблюдений 2001- 2010 гг. с использованием критерия Вилкоксона (при расчёте критерия Вилкок-сона уровень значимости, достаточный для отклонения нулевой гипотезы, принимали р<0,05)

период 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

2001 0,019 0,001 0,607 0,000 0,000 0,149 0,000 0,501 0,000

2002 0,019 0,010 0,000 0,000 0,000 0,002 0,000 0,000 0,000

2003 0,001 0,010 0,000 0,000 0,000 0,518 0,000 0,000 0,000

2004 0,607 0,000 0,000 0,034 0,000 0,000 0,000 0,147 0,004

2005 0,000 0,000 0,000 0,034 0,005 0,000 0,305 0,306 0,926

2006 0,000 0,000 0,000 0,000 0,005 0,000 0,077 0,019 0,725

2007 0,149 0,002 0,518 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

2008 0,000 0,000 0,000 0,000 0,305 0,077 0,000 0,007 0,662

2009 0,501 0,000 0,000 0,147 0,306 0,019 0,000 0,007 0,035

2010 0,000 0,000 0,000 0,004 0,926 0,725 0,000 0,662 0,035

табл. 1 и 2 показаны варианты парных значений (в виде матрицы) результата проверки статистической значимости для температурной изменчивости (по критерию Вилкоксона).

Видно, что число совпадений для парных комбинаций значений статистической значимости температуры атмосферного воздуха в период 1991-2010 гг., удовлетворяющих условию их принадлежности к однородной совокупности ряда данных, составило лишь 14 (табл. 1) и 10 (табл. 2) случаев совпадений, что можно охарактеризовать как принципиально разные ря-

ды значений, т.е. динамика температурного хода (как метеорологического параметра) для двух 10-летних периодов наблюдений принципиально отличалась.

Иными словами, динамика погодно-климатических параметров в течение 20-летнего периода для наблюдаемых метеофакторов по удельному весу (%) их статистически достоверных различий характеризовалась высокими значениями, что наглядно иллюстрируют графики на рис. 1-3.

лето

■ 1991-2000 " 2001-2010

Рис. 1. Удельный вес (%) статистически достоверных

различий по критерию Вилкоксона (р<0,05) при сравнении годовой динамики погодных условий на примере оценки метеорологических параметров: температура Т°К

Можно отметить, что наибольшие различия в поведении температуры атмосферного воздуха отмечались для весеннего сезона - 84,4% для 19912000 гг. и 82,2% для 2001-2010 гг., а наименьшие - в осенний сезон - 63,6,% для 1991-2000 гг. и 67,6% для 2001-2010 гг. соответственно. Однако, при сравнении между собой двух 10-летних периодов наблюдений за температурными колебаниями также прослеживались явные различия в преобладании статистически значимых различий (по долевому содержанию), что наглядно иллюстрирует динамика изменений температуры в летний период года: так для 1991-2000 гг. доля этих различий составляла 62,2%, а за период 2001-2010 гг. - различие в изменчивости температурного хода уже составило 82,2%.

Поведение атмосферного давления, как метеорологического фактора, в сравнении двух 10-летних периодов наблюдений также характеризовалось наличием высокой долей (%) статистических различий - от 66,7% в осенний сезон, (как для периода 1991-2000 гг., так и для 20012010 гг.), до 84,4% в летнее время.

лето

■ 1991-2000 ■ 2001-2010

Рис. 2. Удельный вес (%) статистически достоверных

различий по критерию Вилкоксона (р<0,05) при сравнении годовой динамики погодных условий на примере оценки метеорологических параметров: давление атмосферного воздуха, Р мм рт. ст.

Таким образом, с позиций традиционной математической статистики (непараметрические методы) оценка достоверных различий (по критерию Вилкоксона уровень значимости, достаточный для отклонения нулевой гипотезы, принимался р<0,05) во временной динамике метеорологических параметров (температуры, атмосферного давления и относительной влажности воздуха) иллюстрировала в целом их высокий удельный вес (в %).

В научной литературе в последнее время приводятся многочисленные свидетельства изменчивости хода метеорологических параметров, отмечаются тенденции положительного тренда температурных показателей атмосферного воздуха и снижение внутри - и межсуточных амплитуд, которые существенно разнятся для отдельных районов и территорий [6].

Рис. 3. Тенденции изменения среднегодового значения температуры в условиях территории г. Сургута

в динамике 1991 - 2010 гг. Здесь: по оси х - период наблюдения; по оси у - среднегодовое значение температуры, °С

К примеру, изменение среднегодовой температуры атмосферного воздуха в условиях г.

Сургута за период наблюдений 1991-2010 г.г. иллюстрирует тенденцию к потеплению, причем эти изменения статистически значимые. Анализ функций распределения среднегодовых температур (рис. 3.) показал, что, в среднем, за рассматриваемый промежуток времени 70% значений находились в зоне отрицательных среднегодовых температур, 14% - в зоне нулевых и 16% в зоне положительных значений.

Традиционно считается, что поведение природных хаотических систем протекает в рамках аттракторов состояний. Именно в таких КА находятся показатели метеофакторов -температуры, давления атмосферного воздуха, влажности или других экологических факторов [1-5]. В ряде работ, опубликованных нами ранее, по оценке долговременной динамики погод-но-климатических параметров с позиций биоинформационных методов и с использованием алгоритмов на основе ТХС, мы уже отмечали характер хаотичности для временного ряда метеорологических показателей [5-9]. В качестве системы нами рассматривалась модель трехмерного ФП: параллелепипед, внутри которого находится КА вектора состояния параметров метеорологических показателей среды, а характеристиками параметров динамической биологической системы являлись три метеорологические параметра, которые достаточно полно дают оценку ее погодно-климатических характеристик: температура Т°К (в градусах Кельвина), влажность К (относительная влажность, %) и давление атмосферного воздуха Р (мм рт. ст.).

Наши расчеты показали, что величина объема суммарных КА метеопараметров среды в разные сезоны года за период 1991-2010 гг. на примере территории г. Сургута значительно варьировала: в январе эти изменения находились в пределах значений: Уц=0,40404-3,39404 у.е., в апреле - Уц=0,82404-7,72404у .е.; в июле -Уц=0,24404-2,88404 у.е., в октябре - Уц 0,674042,73-104 у.е. Коэффициент асимметрии (гХц), количественно характеризующий степень разброса значений фактического распределения рассматриваемых величин, имел существенные различия - как в разные сезоны года, так и в динамике лет рассматриваемого периода. Так, для января диапазон колебаний гХ находился в пределах гХ=1,61-8,47 у.е.; в апреле - гХ =1,40-11,52 у.е.; в июле - гХ=1,40-9,33 у.е.; в октябре этот показатель имел диапазон колебаний гХ=0,69-8,41 у.е.

Для большинства природных объектов, которые относят к открытым динамическим системам, характерны процессы самоорганизации и хаотичности: самоорганизация проявляется в установлении стабильных и продолжительных изменений состояния параметров этих систем (ритмов или пульсаций), хаотичность - в усложнении характера этих изменений вплоть до их исчезновения. Смена относительно упорядоченных и хаотических состояний также происходит то ритмично, то беспорядочно [9-15].

В нашем случае, измерение размерности КА состояния метеопараметров среды, позволило определить степень детерминированности процесса: чем эта размерность была меньше, тем, очевидно, сильнее выражен процесс детерминированности [2-5].

В целом, заметны существенные контрасты в показателях объемов годовых КА фазового пространства для метеопараметров окружающей среды, так для периода наблюдений 19912000 г.г. этот показатель составил 2,02 у.е., а для 2001-2010 г.г. он был несколько ниже - 1,2 у.е.

Другими словами, годовой ход метеорологических показателей характеризовался существенными вариациями: например 1991 г., 1995 г., 1999 г. и 2003 года отмечены самыми высокими

значениями объемов КА (У у.е., годовое значение), а 1998 год - наименьшим. Такая динамика позволяет говорить о значительной хаотичности временного ряда для наблюдений 1991-2000 г.г., в то время как для периода 2001-2010 г.г. характерна более сглаженная кривая с межгодовыми различиями в показателях объемов метеопараметров от 1 % до 20 %, т.е. прослеживается детерминированная составляющая в годовом ходе изменения погодных параметров.

Полученные данные вполне согласуется с современными оценками усиления детерминированной составляющей в ходе температур в последние годы, в то время как для большинства временных рядов температуры, относящихся к 90-м г., признаки такой динамики отсутствуют. Вместе с тем, на наш взгляд, методы классического оценивания погодно-климатических показателей по разнообразным индексам и критериям не в полной мере адекватно отражает характер изменения (динамику) этих факторов, поскольку данные алгоритмы опираются на использование «нормальности» в распределении исследуемых величин (распределение Гаусса), которые ограничены правилом 3а!

Выводы:

1. Ежегодные вариации погодно-климатических изменений представляют определенные риски для комфортности проживания населения на определенной территории. Эти риски могут быть связаны с региональной или сезонной изменчивостью климата, к которым, естественно, проживающее население, и в том числе пришлое, будет вынуждено адаптироваться. Однако эффективная адаптация организма человека в этих условиях требует осведомленности об ожидаемых климатических

Литература

1. Адайкин В.И., Берестин К.Н., Глущук А.А., Лазарев В.В., Полухин В.В., Русак С.Н., Филатова О.Е. Стохастические и хаотические подходы в оценке влияния метеофакторов на заболеваемость населения на примере ХМАО-Югры // Вестник новых медицинских технологий. 2008. Т. 15, № 2. С. 7-9.

2. Добрынина И.Ю., Еськов В.М., Живогляд Р.Н., Чан-турия С.М., Шипилова Т.Н. Системный кластерный анализ показателей функций организма женщин с опг- гестозом в условиях Севера РФ // Вестник новых медицинских технологий. 2006. Т. 13, № 4. С. 61-62.

3. Еськов В.М., Живогляд Р.Н., Хадарцев А.А., Чанту-рия С.М., Шипилова Т.Н. Идентификация параметров порядка при женских патологиях в аспекте системного синтеза // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2006. Т. 5, № 3. С. 63-633.

4. Еськов В.М., Адайкин В.И., Добрынин Ю.В., Полухин В.В., Хадарцева К.А. Насколько экономически эффективно внедрение методов теории хаоса и синергетики в здравоохранение // Вестник новых медицинских технологий. 2009. Т. 16, № 1. С. 25-28.

5. Еськов В.М., Еськов В.В., Хадарцев А.А., Филатов М.А., Филатова Д.Ю. Метод системного синтеза на основе расчета межаттракторных расстояний в гипотезе равномерного и неравномерного распределения при изучении эффективности кинезитера-пии // Вестник новых медицинских технологий. 2010. Т. 17, № 3. С. 106-110.

6. Еськов В.М., Хадарцев А.А., Козлова В.В., Филатова О.Е. Использование статистических методов и методов многомерных фазовых пространств при оценке хаотической динамики параметров нервно-мышечной системы человека в условиях акустических воздействий // Вестник новых медицинских технологий. 2014. Т. 21, № 2. С. 6-10.

7. Пригожин И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М.: УРСС., 2003. 312 с.

8. Ревич Б.А., Малеев В.В. Изменения климата и здоровье населения России: анализ ситуации и прогнозные оценки. М.: ЛЕНАНД, 2011. 208 с.

9. Русак С.Н., Козупица Г.С., Буров И.Г., Митющенко Н.А. Хаотическая динамика метеофакторов в условиях азиатского Севера РФ (в условиях ХМАО-Югры) // Сложность. Разум. Постне-классика. 2013. № 3. С. 13-20.

10. Русак С.Н., Молягов Д.И., Еськов В.В., Филатова

рисках и понимание относительной значимости этих рисков.

2. В связи с этим, актуальными вопросами на сегодняшний день являются методологические аспекты оценки погодной изменчивости и их потенциальное влияние на комфортность проживания и здоровье населения в целом. Особенно это актуально для северных территорий, климатическая динамика которых отличается сложностью и непредсказуемостью долговременных прогнозов.

References

Adaykin VI, Berestin KN, Glushchuk AA, Lazarev BV, Polukhin VV, Rusak CN, Filatova OE. Stokhastiche-skie i khaoticheskie podkhody v otsenke vliyaniya me-teofaktorov na zabolevaemost' naseleniya na pri-mere KhMAO-Yugry. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2008;15(2):7-9. Russian. Dobrynina IYu, Es'kov VM, Zhivoglyad RN, Chanturiya SM, Shipilova TN. Sistemnyy klasternyy analiz pokaza-teley funktsiy organizma zhenshchin s opg- gestozom v usloviyakh Severa RF. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2006;13(4):61-2. Russian. Es'kov VM, Zhivoglyad RN, Khadartsev AA, Chantu-riya SM, Shipilova TN. Identifikatsiya paramet-rov po-ryadka pri zhenskikh patologiyakh v aspekte sis-temnogo sinteza. Sistemnyy analiz i upravlenie v bio-meditsinskikh sistemakh. 2006;5(3):63-633. Russian.

Es'kov VM, Adaykin VI, Dobrynin YuV, Polu-khin VV, Khadartseva KA. Naskol'ko ekonomicheski effektivno vnedrenie metodov teorii khaosa i si-nergetiki v zdravookhranenie. Vestnik novykh medi-tsinskikh tekhnologiy. 2009;16(1):25-8. Russian. Es'kov VM, Es'kov VV, Khadartsev AA, Filatov MA, Filatova DYu. Metod sistemnogo sinteza na osnove rascheta mezhattraktornykh rasstoyaniy v gipoteze ravnomernogo i neravnomernogo raspredeleniya pri izuchenii effektivnosti kineziterapii. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2010;17(3):106-10. Russian.

Es'kov VM, Khadartsev AA, Kozlova VV, Filatova OE.

Ispol'zovanie statisticheskikh metodov i metodov

mnogomernykh fazovykh prostranstv pri otsenke khao-

ticheskoy dinamiki parametrov nervno-myshechnoy

sistemy cheloveka v usloviyakh akusticheskikh

vozdeyst-viy. Vestnik novykh meditsinskikh

tekhnologiy. 2014;21(2):6-10. Russian.

Prigozhin I. Poryadok iz khaosa. Novyy dialog cheloveka s

prirodoy. Moscow: URSS; 2003. Russian.

Revich BA, Maleev VV. Izmeneniya klimata i zdoro-v'e

naseleniya Rossii: analiz situatsii i prognoz-nye otsenki.

Moscow: LENAND; 2011. Russian.

Rusak SN, Kozupitsa GS, Burov IG, Mityushchenko

NA. Khaoticheskaya dinamika meteofaktorov v uslo-

viyakh aziatskogo Severa RF (v usloviyakh KhMAO-

Yugry). Slozhnost'. Razum. Postneklassika. 2013;3:13-

20. Russian.

Rusak SN, Molyagov DI, Es'kov VV, Filatova OE. Go-