CC BY
126
ми температуру, опущен знак «минус». При генерации температурного поля на карте возникают явные артефакты — системы замкнутых концентрических изолиний в равнинной местности. В электронной картографии и ГИС специалисты называют такие азональные образования «бычьими глазами». До 90 процентов рабочего времени в 2009 г. было затрачено на отбраковку данных полевым и корреляционными способами.
В климатических атласах и на картах в учебниках географии, метеорологии и климатологии составители обычно ограничиваются помещением только карт средней годовой, средних июльской и январской температуры воздуха, хотя для описания закономерностей динамики теплового режима таких больших территорий, как северо-восток Евразии, следует иметь представление о географическом распределении экстремальных температур воздуха по месяцам.
Практический интерес к такого рода информации можно проиллюстрировать на следующем примере. Московское радио «Эхо Москвы» 14 июля 2009 года в своей вольной манере сообщило: «...в Астрахани в ближайшие дни ожидается температура до 55 градусов.». Если у нас под рукой будет карта экстремальной температуры воздуха в июле (рис. 13), мы увидим, что максимум максиморум июльской температуры в Астрахани составляет 44 градуса — и это за многолетний период наблюдений, включающий 125 лет! Превышение самой высокой за 1000 лет температуры над 1%-ным максимумом чаще всего составляет 3-4 градуса, следовательно, в будущем в Астрахани с очень малой долей вероятности можно ожидать 48 градусов, но никак не 55 градусов. Следует к тому же иметь в виду и помнить мировые рекорды максимальной температуры воздуха: в Триполи — 58 градусов жары и в Долине Смерти в Калифорнии — 56,7 градуса. Скорее всего, «Эхо» отразило в своём сообщении «прогноз» кого-то из своих радиослушателей, но никак не научный официальный прогноз. В метеорологии и климатологии всегда речь идет о
температурах, полученных в стандартных условиях, — по точным, часто проверяемым специальным дорогостоящим термометрам, установленным на высоте 2 метра в метеорологической будке с жалюзийными решетками. В научных исследованиях не используют «температуру на солнце», то есть измеренную термометром, не защищенным от прямого воздействия солнечных лучей. Эта величина очень неустойчивая, зависящая в каждом конкретном случае от множества факторов. Стандартные условия метеобудки как раз и исключают влияние этих факторов.
На рис. 1 — 24 представлены 24 карты ежемесячных полей абсолютных максимумов и минимумов ежесуточных значений температуры воздуха (измеренных по максимальному и минимальному термометрам) за все годы наблюдений в данном месяце. Число лет измерений колеблется для разных станций от 60 до 120 в пределах периода с 1881 по 2006 гг. В среднем длина рядов наблюдений достаточно велика — составляет около 80 лет, а потому приведение рядов к одному периоду не выполнялось.
Библиографический список
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, профессор кафедры физической географии, доктор географических наук.
АБЛОВА Ирина Михайловна, доцент кафедры физической географии, кандидат географических наук. БЕРЕЗИН Евгений Борисович, ведущий специалист по защите информации.
ВОРОНКОВ Максим Геннадиевич, инженер-эколог НЭСР, г. Новосибирск.
644008, г. Омск, Институтская пл., 2.
Дата поступления статьи в редакцию: 02.09.2009 г.
© Карнацевич И.В., Аблова И.М., Березин Е.Б.,
Воронков М.Г.
УДК 551509 И. В. КАРНАЦЕВИЧ
Е. Б. БЕРЕЗИН
Омский государственный педагогический университет
НОВЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ИХ СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПРОГНОЗЫ
Предложено использовать композиционный массив ежегодных температурных данных за несколько суток (декаду) для статистического прогноза экстремумов на исследуемый интервал (декаду).
Ключевые слова: температура воздуха, территория СССР, ХХ век.
Земледельцам, транспортникам, строителям, Краткосрочные синоптические прогнозы погоды, геологам-поисковикам, военным важно знать, какая, сообщаемые ежедневно по телевидению, в наши дни например, минимальная температура воздуха может оправдываются уже примерно на 90 процентов — бла-быть во второй декаде апреля в Омске или Якутске. годаря, в значительной мере, космической технике.
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009
Оправдываются на 90, но не на 100 процентов! Один прогноз из десяти не оправдывается!
А среднесрочные прогнозы, которые выставляются в Интернете на неделю или декаду вперед, оправдываются немногим более чем на 50%. Пятьдесят процентов оправдываемости — что это значит? Это значит, что прогноза нет, достоверность его нулевая. Ведь можно поручить машине, например магнитофону, составлять ежедневный прогноз температуры воздуха для любой точки земного шара на любой день года в таком виде: «Завтра будет теплее, чем вчера». Проверка правильности такого прогноза за 365 суток любого года для любого пункта покажет, что оправ-дываемость равна 50% — ведь в течение весенне-летнего полугодия температура увеличивается вслед за увеличением продолжительности светлого времени суток и высоты Солнца, а в осенне-зимний сезон температурная квазисинусоида имеет нисходящую ветвь, почти симметричную весенне-летней.
Достоверным можно считать только прогноз, оправдывающийся значительно более чем на 50%. Но если оправдываемость оценивается, например, числом 56%, то, с точки зрения здравого смысла, это число мало отличается от 50 процентов. Даже оправдываемость в 60% невелика — ведь 40 % прогнозов не оправдаются! Миллиарды людей успешно пользуются прогнозами с оправдываемостью примерно 90%. Почему «примерно»? Потому что прогноз дается на основании синоптических карт, полученных по сотням метеостанций, то есть для большой территории, например, административной области, а не для точки на карте, не для отдельного дачного участка. Точная оценка оправдываемости любого метеорологического прогноза — сложный и дорогостоящий процесс, никто никогда не разрабатывал даже критериев такой проверки, не говоря уж о выполнении самой проверки.
Из-за неоднородности температурных полей, тем более полей атмосферных осадков с их пятнистостью (из-за выпадения ливней), данные измерений на метеостанции (в точке) часто оказываются нерепрезентативными (непредставительными) для участков
часто наблюдается, что сотни дачных участков бывают политы дождем, а несколько участков остаются сухими. По теории вероятностей, может возникнуть такое распределение пятен дождей, особенно ливневых, что за все лето на отдельные участки не попадет ни капли воды.
Чем больше у человека знаний о закономерностях природы, тем лучше он может планировать свою производственную деятельность. Каждое из живых существ руководствуется в своих действиях вероятностными прогнозами, то есть совершает поступки, основанные на оценках теории вероятностей. Если бы вероятность остаться в живых при переходе дороги у светофоров была равна 50%, едва ли мы стали пользоваться таким переходом. К счастью, на светофорных переходах риск столкновения с автомобилем невелик (например, около одной стотысячной процента). В Москве в начале 60-х гг. ХХ века на Садовом кольце у каждого перехода висели таблички со статистическими данными о количестве несчастных случаев на данном переходе за прошлый год. Зная интенсивность пешеходного движения в этом месте, можно было бы вычислить вероятность попасть под колеса на переходной зебре.
В практике метеопрогнозов принято ежедневно сообщать населению значения абсолютных минимума и максимума температуры на эту дату за весь многолетний период (точнее, интервал) инструментальных наблюдений, а этот 80 — 110-летний интервал для большинства длиннорядных станций 1-го разряда (как правило, это большие города) практически совпадает с продолжительностью 20-го столетия. Однако помимо этих весьма показательных и информативных значений немалый не только практический, но и теоретический интерес представляют аналогичные сведения, относящиеся не к суточным, а к декадным интервалам. Такого рода информация особенно заинтересовала бы людей, приезжающих на неделю-две в отдаленные от их места жительства края: бизнесменов, командировочных, туристов. Путников, впервые выезжающих из Москвы или Венеции в Якутск, больше заинтересовали бы статистические прогнозы
территорий, окружающих метеостанцию, а поэтому
Таблица 1
Фрагмент многолетнего массива измеренных минимальных температур воздуха в Омске в первой декаде января
Год Январь Наименьшая за декаду
1.01 2.01 3.01 4.01 5.01 6.01 7.01 8.01 9.01 10.01
2000 -30 -32 -34 -37 -30 -21 -28 -29 -31 -22 -37
2001 -27 -19 -17 -30 -36 -40 -34 -15 -20 -33 -40
2002 -6 -4 -5 -24 -28 -14 -14 -14 -13 -24 -28
2003 -22 -16 -20 -21 -16 -12 -10 -6 -17 -19 -22
2004 -7 -8 -15 -17 -22 -17 -18 -19 -27 -26 -27
2005 -27 -25 -14 -14 -14 -19 -20 -25 -16 -7 -27
2006 -29 -33 -29 -20 -15 -24 -29 -30 -32 -36 -36
Наим. -30 -33 -34 -37 -36 -40 -34 -30 -32 -36
Таблица 2
Наименьшие из минимальных суточных температур воздуха в Омске за 90 лет (1917-2006 гг.) за каждые сутки первой декады января
Дата 1.01 2.01 3.01 4.01 5.01 6.01 7.01 8.01 9.01 10.01 Наименьшая за декаду
Наим. -42 -44 -45 -38 -43 -40 -40 -41 -39 -39 -45
минимальных температур воздуха в 1-й декаде января, чем синоптические ежесуточные прогнозы в эти дни. Кроме того, помимо крайних измеренных значений за многолетний период наблюдений было бы полезно знать самые крайние значения температур за более широкий временной интервал, например за 1000 лет. Ведь в текущем году может реализоваться, по законам теории вероятностей, самая низкая или высокая температура, какая возникает один раз в 1000 лет, хотя вероятность её возникновения равна 0,1%, то есть одной тысячной из всех реализаций за 1000 лет.
Статистические прогнозы выглядели бы так: «В первой декаде января в Якутске минимальная температура воздуха чаще всего бывает около минус 470, но 1 раз за 10 лет опускается до минус 540, а 1 раз за 100 лет — до минус 590». Такова научная информация на
1-ю декаду января в Якутске, полученная в результате статистического анализа минимальных ежесуточных экстремумов за первые 10 суток января с 1891 до 2006 гг. — за 115 лет. Жители Якутии, как известно, повествуя жителям теплых стран о зимних морозах своей солнечной родины, обычно преувеличивают отрицательные зимние температуры: «У нас морозы каждую зиму бывают с температурой минус 60, а то и минус 70!» Анализ базы данных свидетельствует, что за 115 лет наблюдений самая низкая температура воздуха (-640) была в Якутске только один раз, а именно 5 февраля 1891 г.
Другой пример иллюстрирует малоответственные беседы об ожидаемой дикторами радиостанции «Эхо Москвы» максимальной температуре воздуха в Астрахани. 14 июля 2009 г. буквально было заявлено, что в Астрахани в ближайшие дни ожидается температура 55 градусов. В течение одной минуты нам удалось генерировать выборку максимальных температур воздуха в Астрахани за период с 1881 по 2006 гг. Максимальные температуры 40 и 41 градус наблюдались только в 7 годах из 115-ти! Во второй же декаде июля (число наблюдений 1220, то есть данные имеются за 122 года!) максимальная температура воздуха ни разу не превысила 40 градусов. Это значит, что один раз в 1000 лет максимальная температура может быть не более 43, но никак не 55 градусов! К тому же следует вспомнить мировые рекорды максимальной температуры воздуха: Триполи — 58 градусов, Долина Смерти в Калифорнии — 56,7 градусов. Так статистические прогнозы могут помочь обнаружить грубые ошибки в простонародных прогнозах.
Для того, чтобы неспециалисты могли правильно трактовать и сознательно использовать статистические прогнозы, нужны некоторые разъяснения и усилия для уяснения. Что значит прогнозная на этот месяц или декаду минимальная температура с вероятностью превышения 50%? Это значит, что, скорее всего, такую минимальную температуру и следует ожидать в этом месяце (декаде). Вероятность превышения Р =1% соответствует редкой (один раз за 100 лет — в среднем!) повторяемости реализации такого значения. В Якутске только 10 раз за ближайшую 1000 лет будет наблюдаться в первой декаде января минимальная температура минус 59 градусов или еще более низкая, но это не значит, что через каждые 100 лет будет отмечена такая температура. Может оказаться так, что два года или два дня подряд возникнет такое похолодание, а потом в течение 200 — 300 лет таких низких температур не будет зарегистрировано.
В наши дни благодаря компьютеру и Интернету стало возможным оперативно анализировать огромные массивы накопленных Гидрометеорологическими службами метеорологических данных за все годы
-36
-38
-40
-42
-44
-46
Рис. 1. Наименьшие из минимальных суточных температур воздуха за каждые сутки первой декады января в Омске за 90 лет
наблюдений. В Интернете на сайте [email protected] [1] опубликована база данных (БД), включающая ежесуточные данные измерения средней, наибольшей и наименьшей температуры воздуха и суточных сумм атмосферных осадков по наблюдениям 230 метеостанций территории СССР (России и сопредельных стран) за 20-е столетие и начало XXI века (в пределах периода с 1880 по 2006 гг.). БД содержит около 30 миллионов чисел и представляет исследователю богатейший первичный материал, характеризующий вектора и поля двух важнейших ресурсных метеорологических элементов. К сожалению, в массивах чисел имеются многочисленные пропуски (пробелы) и опечатки, часть которых — для абсолютных максимумов и минимумов температуры удалось устранить — в основном благодаря полевому анализу. С помощью фильтров, основанных на корреляционном анализе не только хронологических рядов (векторов), но и ежесуточных полей, можно найти и исправить подобного рода опечатки и в суточных значениях, однако эта задача не входит в рамки настоящей статьи.
В течение 2006 — 2009 гг. в Омске была создана СУБД, которая успешно используется в научноисследовательской работе по теме «Исследование закономерностей динамики теплоэнергетических и водных ресурсов на территории Сибири». Основная идея — анализ декадных данных о термическом режиме приземного воздуха — появилась в связи с необходимостью значительного удлинения существующих в настоящее время коротких столетних рядов наблюдений. В гидрологии давно используется метод удлинения коротких рядов, предложенный Г.А. Алексеевым [2], это метод годопунктов, основанный на постулате о том, что на небольшой территории статистические параметры рядов наблюдений за расходами воды, формирующимися на нескольких небольших водосборах, мало отличаются друг от друга и потому могут быть объединены в один вариационный ряд, статистические параметры которого можно определить эмпирически намного более надежно, так как, по теории ошибок, средняя квадратичная ошибка определения математического ожидания по среднему значению выборки обратно пропорциональна корню квадратному из длины ряда.
Рассмотрим статистические параметры и законы частотных распределений декадных выборок в многолетних вариационных рядах экстремальных температур воздуха на примере массива ежесуточных данных температурных измерений на некоторых метеостанциях Сибири. В табл. 1 показан фрагмент массива минимальных температур воздуха в Омске в первой декаде января.
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009
В последней строке таблицы 1 значения минимальных суточных температур за смежные сутки отличаются значительно (разности достигают 6 градусов). Казалось бы, при удлинении ряда наблюдений разности эти должны бы были уменьшиться. Однако при анализе всей таблицы минимальных температур воздуха в Омске за 1917 — 2006 гг. в последней строке получены следующие наименьшие за каждые сутки декады минимальные температуры за все 90 лет (табл. 2), которые для смежных суток дают не меньшие разности.
Анализ таблицы 2, в которой значения температур за смежные сутки отличаются иногда на 5 — 7 градусов (рис. 1), свидетельствует также о малой репрезентативности 90-летнего ряда наблюдений для генеральной совокупности (например, 1000-летнем ряде наблюдений). В последнем столбце таблицы 1 выписаны наименьшие за каждый год минимальные температуры воздуха, которые представляют для нас наибольший интерес. Статистический анализ много-
летних рядов этих наименьших за декаду значений и позволит выполнить вероятностные прогнозы декадных экстремумов.
Библиографический список
1. www.meteo.ru
2. Алексеев Г.А. Объективные методы выравнивания и нормализации корреляционных связей. — Л. : Гидрометео-издат, 1971. — 364 с.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, профессор кафедры физической географии, доктор географических наук.
БЕРЕЗИН Евгений Борисович, ведущий специалист по защите информации.
644008, г. Омск, Институтская пл., 2.
Дата поступления статьи в редакцию: 02.09.2009 г.
© Карнацевич И.В., Березин Е.Б.
УДК 551 583 И. М. АБЛОВА
Омский государственный педагогический университет
РАЗВИТИЕ КЛИМАТА
ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В XX ВЕКЕ_______________________________
В статье приводятся факты, подтверждающие циклическое развитие климата. На основе расчетов по данным метеорологических станций был дан анализ цикличного развития климата Западной Сибири в XX в.: температурного режима и условий увлажнения.
Ключевые слова: изменение климата, Западная Сибирь, XX в.
За последние несколько десятилетий внимание к вопросу климатических изменений значительно возросло, что подтверждает обзор работ российских и зарубежных ученых [1, 2, 3]. Климатические исследования касаются не только глобальных характеристик, но и проблем изменения климата на уровне регионов: происходившие, наблюдающиеся изменения, а также разработка прогнозов изменения климата на ближайшие десятилетия.
Климат Земли никогда не был постоянным. Изменения климата в прошлом были весьма значительными и иногда происходили относительно быстро. Гипотеза о циклических изменениях климата — чередовании «прохладно-влажных» и «тепло-сухих» периодов была предложена еще в конце XIX в. учеными Э.А. Брикнером и А.И. Воейковым. Впоследствии эти научные положения были развиты А.В.Шнитниковым [4] в виде теории о внутривековой и многовековой изменчивости климата. С этих позиции середина XIX в. расценена им как рубеж — окончания очередной «прохладно-влажной» эпохи и начала «тепло-сухой» эпохи, которая развивается по настоящее время. Проблема цикличного изменения климата и агроклиматических ресурсов южной части Западной Сибири разрабатывалась А.П. Слядневым [5], которым были выделены циклы различной продолжительности:
11-летний, 35-летний, вековой — длительностью 80 — 90 лет и многовековой (около 1800 — 1900 лет). Климатические циклы могут накладываться друг на друга, усиливая или понижая эффект колебаний.
Оценка изменений климата Западной Сибири в XX в. была основана на анализе данных длиннорядных станций: Омск, Тобольск, Ханты-Мансийск, Сургут. При оценке тенденции развития климатических изменений анализировались следующие значения: среднегодовые температуры воздуха, сумма положительных и отрицательных годовых температур, температурные экстремумы, годовое количество осадков, осадки зимнего и летнего периодов.
Анализ среднегодовой температуры по данным метеорологических станций (рис. 1) свидетельствует о наличии в развитии многолетних среднегодовых температур достаточно четко выраженных периодов. 20-40-е годы (первый период) характеризуются повышением температуры; во втором периоде (40-70-е годы) отмечается тенденция понижения среднегодовой температуры; третий период (с 70-х годов) характеризуется существенным повышением среднегодовых температур. При этом четко прослеживается современная волна потепления, вписывающаяся в колебательный ритм изменения климата с периодом 32 — 35 лет. Можно предположить, что
