CC BY
11НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №1 2014
УДК 551.51,551.582
Доктор геогр. наук В. С. Чередниченко * Доктор геогр. наук А. В. Чередниченко Канд. геогр. наук Алексей В. Чередниченко
О ПРОСТРАНСТВЕННОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ОСНОВНЫХ ЦИКЛОВ В РЯДАХ ОСАДКОВ
ЦИКЛЫ, ВРЕМЕННЫЕ РЯДЫ ОСАДКОВ, ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ДИНАМИКА КЛИМАТА
На основе спектрального анализа временных рядов годового количества осадков выделены основные циклы в рядах осадков и рассмотрено их пространственное распределение. Рассмотрена также устойчивость циклов в течение года. Результаты представляют интерес при рассмотрении динамики климата и построении сценариев его изменения на перспективу.
Проблема выявления циклов во временных рядах температуры и осадков стала особенно актуальной в связи с изучением изменения климата, хотя и ранее ей уделялось много внимания [1-10, 12-15]. Существенное расширение возможностей компьютеров придало изучению цикличности новый импульс. В работе [11] мы рассмотрели пространственное распределение и устойчивость в течение года циклов во временных рядах температуры. Здесь по результатам спектрального анализа временных рядов годовых сумм осадков мы рассмотрим особенности распределения циклов во временных рядах осадков по территории Казахстана и их устойчивость во времени.
Для удобства анализа нами построены карты пространственного распределения периодограммных значений (РУ) для некоторых наиболее выраженных длин волн (частот). Результаты представлены на рис. 1...5 и в таблице, причем значения даны в тысячах РУ.
Для цикла, близкого к 80 годам, характерна его хорошая выраженность в полосе Атырау - Джезказган - Астана - Павлодар (рис. 1). Над Западным Казахстаном к северу от Атырау выраженность этих циклов постепенно ослабевает (14,9 РУ в Атырау и 5,9 в Уральске). Над Северным
* КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы
Институт проблем экологии КазНУ им. аль-Фараби 16
Казахстаном ослабление циклов к северу происходит более интенсивно и в Кустанае и Петропавловске они не просматриваются.
Еще одна область хорошей выраженности цикла 80 лет находится на юго-востоке территории до Балхаша. В районе Алматы его величина около 12,9 РУ, в Талдыкоргане 10,5 РУ, а в Усть-Каменогорске и Шым-кенте 4,0 и 6,7 РУ соответственно.
В полосе Семипалатинск - Туркестан цикл в 80 лет наиболее слабо
сумм осадков.
Следующий 40-летний цикл лучше всего выражен над центральными и южными районами Республики, захватывая Астану - Караганду -Джезказган - Балхаш, и далее, сужаясь по долготе к югу - Тараз -Шымкент. В предгорных районах Заилийского Алатау и на юго-западе Республики, а также вдоль Иртыша этот цикл проявляется слабо (рис. 2). Для крайнего
сумм осадков.
17
26-летний цикл наиболее выражен над центральными районами северной части Республики с максимумом в районе Астаны, 32,6 РУ (рис. 3).
Граница между западной и центральной областью проходит примерно вдоль Уральских гор и можно предположить, что каждая из этих областей формируется под воздействием процессов западнее, т.е. над Европейской территорией России (ЕТР) и над Западной Сибирью [1-4, 11, 14].
Южнее пятидесятой широты 26-летний цикл в рядах осадков выражен слабо (рис. 3). Наиболее значим он в районе Алматы, 10,1 РУ. В этом тоже могут проявляться особенности циркуляции [15].
осадков.
Двадцатилетний цикл хорошо проявляется над северной частью Казахстана, в основном севернее пятидесятой широты. Эта территория распадается на три самостоятельные области. Самая западная находится в районе Уральска, где аналог дисперсии достигает 22,5 РУ. Самая восточная - в районе Алтая, здесь она опускается южнее пятидесятой широты, и ее центр находится в районе Усть-Каменогорска, 12,3 РУ (рис. 4).
сумм осадков.
18
Двадцатилетний цикл хорошо выражен на северо-западе и юго-востоке Республики, 44,5 и 31,2 РУ соответственно, а на северо-востоке и юго-западе располагаются области очень слабой выраженности этого цикла, мене 1,0 РУ. Небольшая область особенно большой выраженности 20-летнего цикла отмечается у предгорий Заилийского Алатау, в районе Ал-маты, 59,5 РУ.
Одиннадцатилетние циклы во временных рядах годовых сумм осадков хорошо выражены на всей территории Казахстана с минимумом над небольшими районами (рис. 5).
В необширном максимуме на юге в районе Тараза аналог дисперсии составляет 68,2 РУ. Он наибольший на всей территории Казахстана. Второй максимум имеет место на Алтае в районе Усть-Каменогорска, 47,7 РУ. Ещё один максимум - в районе Актюбинска, 28,3 РУ. В неширокой полосе Кок-четав - Джезказган - Туркестан наблюдаются пониженные величины дисперсии, не опускающиеся ниже 5,7 РУ в Петропавловске (рис. 5).
годовых сумм осадков.
Рассмотрим далее, сохраняются ли циклы, обнаруженные в рядах годовых сумм осадков, в сезонах. Для этого рассмотрим временные ряды осадков за срединные месяцы сезонов по некоторым станциям (табл.)
Восьмидесятилетний цикл в срединные месяцы сезонов часто выявляется только с помощью метода весов Хэмминга, т.е. есть проблемы с выделением. Мы в данном анализе не обращаем внимания на то, каким из методов выделен цикл.
Для Алматы характерна выраженность 80-летнего положительно цикла в годовом ходе, а также в апреле. Положительным (или отрицательным) мы условно называем 80-летний цикл, РУ которого больше (или меньше) чем РУ более короткого 40-летнего цикла). В январе 80-летний летний цикл в РУ выражен слабо, имеет минимальную дисперсию. Метод Хэмминга тоже не выделяет этот цикл.
19
ю о
Таблица
Циклы во временных рядах осадков некоторых метеостанций (РУ)
Метеостанция Цикл [. лет
>76 40 26.6 20 16 13 10...11 9 8...7.2
Алматы гол 12938 6365 59582 19867 66211
январь 83 152 180 1096 2469 1202
апоель 2350 796 4182 13951
июль -1518 3436 3156
октябоь -452 724 2391 3084 5221
Уральск гол -5924 31331 44542 21207 29967 24576
янваоь -276 848 1549 684 336 499
апоель 444 426 429 575 1267 386
июль -309 622 4994 1034 1658 3072
октябоь 1639 452 779 2394 5571 3525
Караганда гол -2804 31529 32626 21369 23173 26037
янваоь 225 41 458 392 988 918
апоель 331 182 778 1277 802 776 40
июль -1187 4745 6612 3620 4863 1655
октябоь -400 404 3085
Усть-Каменогорск гол -4080 7523 12307 20842 31180 47756
янваоь -38 634 576 516 791
апоель -283 368 2636 1662 1364 1138 1230
июль -1729 1905 3210 6323 4369
октябоь 950 882 3795 1464 2858
Костанай гол -48.4 7.0 17 14.4 16.4 20.0
янваоь 259 139 277 137 160 285
апоель -56 1303 504 127 315
июль -48 1075 5930 9433 2163 1421
октябоь -75 153 891 1552 1570
В апреле 80-летний цикл положителен. В июле и октябре этот цикл отрицателен, хотя доля его дисперсии довольно значительна.
В Караганде в годовом ходе осадков 80-летний цикл выражен слабо и он отрицателен. В январе и апреле он положителен, хотя и содержит небольшую долю дисперсии (225...331 РУ). В июле он отрицателен, но содержит большую долю дисперсии, 1187 РУ. В октябре он отрицателен.
Можно видеть, что в Караганде 80-летний цикл в своем проявлении по сезонам года подобен его проявлению в Алматы.
Севернее Караганды в Костанае годовой цикл отрицателен и очень слабо выражен, 48,4 РУ. В январе он положителен и имеет наибольшую дисперсию из всех сезонов, 259 РУ. В апреле, июле и октябре этот цикл отрицателен и слабо выражен. Следовательно, в отличие от Алматы и Караганды 80-летний цикл в Костанае отрицателен не только в июле, октябре, но также в апреле и содержит меньшую долю дисперсии во все сезоны.
На востоке территории в Усть-Каменогорске 80-летний цикл в ходе годовых сумм осадков отрицателен, 4080 РУ. Он отрицателен также в январе, апреле и июле, а в октябре положителен, 950 РУ.
На крайнем северо-западе, в Уральске, 80-летний цикл годовых сумм осадков отрицателен, 5924 РУ. По сезонам года он положителен в апреле и октябре, особенно в октябре, 1639 РУ, и отрицателен в январе и июле при небольших величинах дисперсии, около 300 РУ (табл.).
Отрицательные в нашем случае величины 80-летних циклов следует физически толковать так, что, они не выражены и их величина уменьшается. Следовательно, их использование при климатическом прогнозе проблематично. Возможно, что это результат ограниченных возможностей метода для циклов предельной длины. Вот по этой причине далее нами используется другой метод - метод периодичностей.
Сорокалетние циклы в ходе годовых сумм осадков хорошо выражены почти везде кроме севера Республики (Костанай).
В Алматы 40-летний цикл хорошо выражен во все сезоны кроме января, в Караганде - также, но в октябре этот цикл выражен слабее, чем в Ал-маты. В Костанае, несмотря на то, что сорокалетний цикл слабо выражен в ходе годовых сумм, он хорошо выражен в апреле и июле (1303 и 1075 РУ соответственно) и слабо - в январе и октябре (139 и 153 РУ соответственно).
На востоке в Усть-Каменогорске в ходе годовых сумм 40-детний цикл выражен хорошо, 7523 РУ. По сезонам года он тоже выражен хорошо, хотя в апреле доля дисперсии составляет 368 РУ.
На северо-западе 40-летний цикл в осадках выражен хорошо во все сезоны года.
21
В целом, по территории Казахстана, 40-летний цикл на юге и в центральных районах слабо выражен в январе, в центральных районах величина уменьшается, также в апреле. На остальной территории он имеет место во все сезоны (табл.).
26-летний цикл во временном ходе годовых сумм осадков присутствует только в Караганде и Усть-Каменогорске, однако он присутствует кое-где по сезонам года. Так, в Караганде он присутствует во все сезоны кроме октября, в Усть-Каменогорске - в январе и апреле, в Костанае в январе и июле, Уральске - в июле и октябре, в Алматы - в январе. Однако в Алматы в апреле, в январе в Костанае этот цикл выражен относительно слабо. В то же время в Костанае - в июле, Усть-Каменогорске - в апреле, в Караганде и Уральске - в июле, 26 летний цикл является основным или вторым по величине дисперсии (табл.).
Цикл в 20 лет выделяется в ходе годовых сумм осадков, однако на севере Казахстана он по сути не виден. На остальной территории он один из основных. По сезонам года он имеет место в октябре - в Алматы, Караганде, Усть-Каменогорске, в апреле - в Уральске, Усть-Каменогорске и в июле - в Уральске и Усть-Каменогорске. Таким образом, на северо-западе (Уральск) 20-летний цикл имеет место во все сезоны кроме октября.
16-летний цикл отсутствует в ходе годовых сумм осадков в Алма-ты, Уральске, Караганде, Костанае, но в ходе сезонных величин осадков имеет место на этих станциях в январе и июле, в апреле, в апреле и июле, в апреле и октябре соответственно. В Усть-Каменогорске 16-летний цикл присутствует в годовых величинах осадков, а также в апреле и июле, будучи очень хорошо выраженным через аналог дисперсии.
13-летний цикл появляется эпизодически. В Алматы он присутствует в ходе годовых величин, но не отмечен в сезонных рядах. В Уральске он появляется в ряду осадков за январь, в Караганде - в ходе годовых и январских величин осадков, в Усть-Каменогорске - в январских и апрельских рядах осадков. На севере Казахстана в Костанае этот цикл слабо присутствует в ходе годовых величин, 14,4 РУ, но сильно выражен в июльских - 9433 РУ (табл.).
10.11 летний цикл представляет особый интерес, поскольку он ассоциируется с солнечным 11-летним циклом.
В Алматы 11-летний цикл в ходе годовых величин не отмечен, но он значителен в январских, июльских и октябрьских рядах осадков, проявляясь, как основной цикл.
В Караганде 11-летний цикл выражен в ходе годовых и сезонных величин осадков, несколько ослабляясь только в июле, 2163 РУ. 22
Циклы продолжительностью 9 лет проявляются эпизодически, являясь, видимо, модификацией 11-летних циклов. Более короткие циклы 8,44 и 11,2 года проявляются почти везде и всегда и содержат значительную, а с более короткими циклами, - основную долю дисперсии. Однако применительно к нашей задаче они имеют второстепенное значение.
Для большей наглядности мы представили циклы в годовых количествах осадков в виде графиков для станций, расположенных на разных широтах (рис. 6).
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Период
Рис. 6. Циклы в годовых количествах осадков для станций, расположенных на разных широтах. 1 - Костанай, 2 - Караганда, 3 - Алматы.
Можно видеть, что вклад гармоник в общую дисперсию заметно меняется даже для близко расположенных станций. Это происходит, в первую очередь, за счёт разного вклада сезонных гармоник в годовые, как это видно из данных таблицы.
Общим остаётся только слабая выраженность вековой гармоники на всех широтах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байдал М.Х. Колебания климата Кустанайской области в XX столетии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 155 с.
2. Воейков А.И. Колебания климата и уровня озер Туркестана и Западной Сибири. // Метеорологический вестник. - №3. - 1901. - С. 16-27.
3. Гирс А. А. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долгосрочные метеорологические прогнозы. - Л: Гидрометеоиздат, 1971. - 280 с.
23
4. Дроздов О.А., Григорьева А.С. Многолетние циклические колебания атмосферных осадков на территории СССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 67 с.
5. Монин А. С., Вулис И. Л. О спектре долгопериодных колебаний геофизических характеристик. - М.: Наука, 1971. - 22 с.
6. Монин А.С. Прогноз погоды, как задача физики. - М.: Наука, 1969. - 184 с.
7. Оль А. И. Проявление 22-летнего цикла солнечной активности в климате Земли. // Труды ААНИИ. - Вып. 289. - 1969. - С. 5-21.
8. Рубашев Б.М. Проблемы солнечной активности. - М.: Наука, 1964. - 362 с.
9. Рубинштейн Е.С., Полозова Л. Г. Современное изменение климата. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 268 с.
10. Хромов С.П. Солнечные циклы и климат // Метеорология и гидрология. - №3. - 1973. - С. 93-110.
11. Чередниченко А.В., Чередниченко Алексей В., Чередниченко В.С., Кожахметова Э.П., Смирнова А.Ю. Распределение по территории Казахстана циклов в рядах температуры // Гидрометеорология и экология. - № 2. - 2013. - С. 7-17.
12. Шерстюков Б.Г. Региональные и сезонные закономерности изменений современного климата. - Обнинск: ГУ ВНИИГМИ-МЦД, 2008. - 300 с.
13. Шнитников А.В. Внутривековая изменчивость компонентов общей увлажненности. - Л.: Наука, 1969. - 244 с.
14. Шнитников А.В. Внутривековые колебания уровня степных озер Западной Сибири и Северного Казахстана и их зависимость от климата // Тр. Лаб. озероведения АН СССР. - 1950. - Т. 1. - 129 с.
15. Шнитников А.В. Изменчивость общей увлажненности материков Северного полушария. / Зап. Геогр. общество СССР.- М.-Л.: Изд-во АН СССР, Т. 16. - 1957. - С. 1-336.
Поступила 5.11.2013
Геогр. гылымд. докторы В. С. Чередниченко Геогр. гылымд. докторы А.В. Чередниченко Геогр. гылымд. канд. Алексей В. Чередниченко
ЖАУЫН-ШАШЫН ЦАТАРЛАРЫНДАГЫ НЕГ1ЗГ1 ЦИКЛДАРДЬЩ КЕЩСТ1КТЕГ1 ТАРАЛУЫ
Жауын-шашын мвлшер!нщ уацытша жылдыц цатарын спектральд1 талдау нег1зтде жауын-шашын цатарында нег1зг1 циклдерг жэне олардыц кец1стште таралуы аныцталды. Сонымен цатар жыгл ¡штде циклдерд1ц турацтылыгы царастырылды. Нэтижелер климат динамикасын жэне оныц болашацта взгеру сценарилер1н тургызуда цажетт тиг1зед1.
24
