CC BY
17
УДК 551.578.71
ПОЛУЭМПИРИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ ПО ДАННЫМ ОТДЕЛЬНЫХ ПУНКТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2007 г Л.Ж. Шугунов
The method of the meteorological parameters determination in the random point in which the measurements are not undertaken by the data of the other observation points in the presence of the high correlation between the parameters is developed. The received theoretical formulas are approved for the real experimental data of the precipitations and temperature in Kabardino-Balkaria territory.
В настоящей работе разработана методика определения значений метеорологических параметров в произвольном пункте, в котором не проводятся измерения, по данным пунктов наблюдений при наличии сильной корреляционной связи между параметрами. Это представляет практический интерес для проведения активных воздействий на гидрометеорологические объекты, поскольку необходимость воздействия на облака и переохлажденные туманы может возникнуть в пункте, в котором не проводятся регулярные метеорологические наблюдения.
В [1] приведены данные наблюдений метеорологических параметров в различных климатических зонах
Кабардино-Балкарской Республики. На их основе можно провести сравнительный анализ для выявления общих характеристик и связей между ними.
На рис. 1 приведены значения среднегодовой температуры в горной (пос. Каменномостское), предгорной (г. Нальчик) и степной (г. Прохладный) зонах республики.
Как видно из графиков, самая высокая температура воздуха в степной зоне, самая низкая - в горной, а в предгорной зоне она принимает промежуточные значения.
13 12 11 10 9 8 7 6
1946
1957 1968 1979 1990 -СРТЕМНЛЧ -- КМНТЕМ ------ ПРХТЕМ
2001 Год
Рис. 1. Среднегодовые значения температуры воздуха (1996-2001 гг.)
5
Анализ данных, полученных в остальных пунктах, показывает, что минимальная среднегодовая температура 6,1 °С тепла наблюдалась в пос. Каменномост-ском в 1956, 1976, 1977 гг., максимальная - +12,4 °С в г. Терек в 2001 г. Угловой коэффициент, характеризующий темп роста температуры, самый маленький у пос. Каменномостского - 0,012, а самый большой у г. Терека - 0,056. Отсюда температура в среднем ниже на 3-3,5 °С в пос. Каменномостском, чем в г. Тереке. Можно заключить, что в целом разница температур в горной и степной зонах достигает 4-7 °С (на расстоянии порядка 150 км). Высота над уровнем моря от степной зоны до горной изменяется приблизительно от 0,15 км до 1,1 км, что соответствует градиенту температуры в среднем 0,005-0,007 °С /м.
Эти результаты говорят о многообразии климатических условий на относительно небольшой территории республики, что необходимо учесть при планировании и решении различных народнохозяйственных задач.
Для определения взаимосвязей метеорологических параметров в различных климатических зонах рес-
публики в таблице (первые три столбца) приведены их основные характеристики.
Метеорологические параметры
Высота н. у. м., м Пункт наблюдения ti 0С ti 0с f1,MM f2,MM
793 Каменномостское 7,398 7,399 522,18 501,8
660 Заюково - 8,083 526,43 541,7
450 Нальчик 9,358 9,165 604,7 625,1
400 Баксан 9,74 9,31 562,55 547,4
212 Терек 10,7 10,549 524,5 507,1
181 Прохладный 10,2 10,33 471,5 494,4
Примечание. II и - фактические и расчетные значения среднегодовой температуры; и- фактические и расчетные значения осадков.
Из данных таблицы следует, что среднегодовая температура воздуха в рассмотренных пунктах (зонах) республики изменяется от 7,39 до 10,7 °С. Для определения связей между метеопараметрами в различных зонах республики было необходимо более
точно определить их среднии градиент по направлению изменения высоты над уровнем моря при переходе от одного пункта наблюдения к другому. Используя данные в различных зонах республики, проведены расчеты градиента среднегодовои температуры воздуха. Градиент температуры, рассчитанный по пунктам Прохладный - Каменномостское, равен 0,00458; по пунктам Нальчик - Каменномостское -0,0052; по данным пунктов Каменномостское - Терек -0,00568. Их среднее значение равно 0,00515 °С/м.
Рассмотрим методику оценки значений метеопараметров в произвольном пункте республики. В работе [2] предложен подход, позволяющий определить временные ряды метеопараметров в любом месте республики по результатам измерений в других пунктах наблюдений.
Уравнение баланса температуры в произвольном объеме приземного слоя воздуха можно записать в виде
¡dldv
V д t
где выражение
- ¡ TCdS
S
д T d
V д t
+ ¡e • dV ,
V
(1)
описывает изменение темпе-
ратуры воздуха в выделенном произвольном объеме V воздуха; первое слагаемое справа - поток температуры ТС через поверхность Б, ограничивающую выделенный объем; С - скорость потока; е - объемная плотность источников тепла, включая солнечную и земную радиации. Используя теорему Остроградско-го-Гаусса и учитывая, что выделенный объем произвольный, имеем
[ 3 Т /3г ] + Сп (ТС ) = е . (2)
Далее, используя соотношение СУ (ТС) = Т&уС + С§таЖТ и учитывая, что сИ\С = 0 , получим
(дТ/ дг)+и[дТ/ дх]+у[дТ/ ду]+а>[дТ/да] = е. (3)
С учетом постоянности температуры вдоль широты (ось у) имеем
(дТ/дг) + и[дТ/дх] + о[дТ/да] = е , (4)
где и, со - горизонтальная (вдоль меридиана) и вертикальная составляющие скорости воздуха. Интегрируя уравнение (4) от 0 до г, имеем
T = T0 + еи • t - (dT¡дх)) - (dT¡dz)) - ¡ e„dt,
(5)
где дх = и дг и Д7=ом; е = еи -еп - разность между объемной плотностью источника тепла, связанной с поступлением примесей (парниковых газов) в атмосферу (в основном в результате антропогенного воздействия), и объемной плотностью «поглощения» тепла в выделенном объеме воздуха в результате убыли примесей (парниковых газов) в рассматриваемом объеме воздуха. При интегрировании (4) учтено, что в рассматриваемом сезоне (весна, лето и т.д.) суммарный поток приходящей солнечной радиации за сезон (год) на земную поверхность зависит линейно от состава атмосферного воздуха, в котором находится исследуемый пункт.
Без учета влияния изменения состава атмосферного воздуха поток солнечной радиации за год (сезон) в данном пункте в первом приближении можно считать постоянным, поэтому связанное с ним длинноволно-
вое излучение земной поверхности за тот же период в данном пункте будет также постоянным. Изменение температуры воздуха в спокойной атмосфере в данном пункте будет зависеть от изменения состава атмосферного воздуха (без учета теплот фазовых переходов), особенно от содержания основных парниковых газов. Таким образом, состояние атмосферы определяется не только количеством поступивших в атмосферу примесей, но и ее составом, т.е. необходимо учитывать не только количество выбросов примесей в атмосферу, но и изменения, которые происходят с ними в атмосфере. Это в первую очередь касается парниковых газов, оказывающих значительное влияние на тепловой режим системы атмосфера - Земля. К важнейшим парниковым газам относятся СО2 , H2O и O3. Эти газы, попадая в атмосферу, претерпевают ряд сложных взаимодействий с атмосферным воздухом. Важнейшим параметром, определяющим состав и состояние атмосферы, является «время» жизни примеси в атмосфере.
Установлено, что за последнее столетие наблюдается повышение концентрации углекислого газа в атмосфере, связанное с развитием транспорта, теплоэнергетики, индустриализации и других антропогенных факторов.
Известно, что растения и животные участвуют в сложном процессе взаимодействия системы атмосфера - Земля, который приводит к изменению содержания парниковых газов в приземном слое атмосферы. Это взаимодействие носит в общем случае сезонный характер и зависит от биомассы растений и животных и т.д., которые могут периодически изменяться. Тогда поступление в атмосферу парниковых газов можно описать полиномом, что принято при интегрировании выражения (4), а содержание - более сложной функцией, которая будет оценена ниже. Градиенты температур можно определить по данным наблюдений, а последнее слагаемое - предлагаемым методом.
Регулярная часть рассмотренных временных рядов метеопараметров описывается моделью, состоящей из линейного тренда и циклической составляющей. Температура воздуха зависит от широты местности и высоты над уровнем моря. Учитывая это, оценку значений температуры т в любом пункте наблюдения можно определить по формуле
т = т0 + т1 • t -(ег/3z)Ax cosa-
t , \ к (6)
- (dT¡dz)hz + XcosWjt + bi sinait,
i= 1
где т0, T - параметры полиномиальной модели; (dT¡dz), (дт/dx) - вертикальный и горизонтальный градиенты температуры воздуха, определяемые по данным наблюдений; Ах - расстояние от пункта до экватора; a - угол между пунктом и меридианом, который изменяется в интервале [o;^J; o)¡ = — - циклическая частота ряда; N - длина ряда; Az - высота пункта над уровнем моря; k - число выделенных гармоник; ai, bi - коэффициенты преобразования Фурье. Сопоставляя формулы (5) и (6), получим
Ti • = ^и
(7)
t k
\епdt = - 2 ai cos a>it + hi sin cOjt.
0 i=1
Таким образом, характер поглощения определяется линейной комбинацией гармонических функций, т.е. его можно рассматривать как полигармонический процесс. Отсюда следует, что правая часть уравнения баланса содержит циклические компоненты, а значит, несмотря на то, что антропогенные источники загрязнения можно описать линейным трендом, содержание в атмосфере парниковых газов описываются циклическими процессами.
В приведенных формулах необходимо определить параметры для конкретного пункта неохваченного пунктами наблюдений. В частности, параметры линейного и циклического трендов временных рядов метеопараметров определяются по следующему алгоритму.
Пусть ближайшие пункты наблюдения имеют координаты Х1 и Х2 тогда, если точка наблюдения (с координатой) x<(X1+X2)/2, то выбираем параметры пункта Х1, в противном случае - пункта Х2. Если x=(X1+X2)/2, необходимо сравнить высоты над уровнем моря пунктов наблюдения с пунктом, для которого определяется значения метеопараметра.
Пусть Н1 и Н2 - высоты над уровнем моря (ближайших к рассматриваемому) пунктов наблюдения,
900 800 700 600 500 400 300 200 100
тогда при г<(Н1 +Н2)/2 выбираем циклы в первом пункте, в противном случае - во втором. При х=(Х1+Х2)/2 и при 2=(Н1+Н2)/2 можно выбрать тот пункт, который «ближе» к данному пункту по другим признакам, например, равнинная или холмистая местность и т.д.; если таких признаков нет, то можно выбрать любой из них. Последнее обстоятельство связано с тем, что в переходных областях выбор зоны является в некотором смысле условным. Например, если горная зона определена уровнем 600 м, то не будет большой ошибкой, если уровень со значением 603 или 597 будет отнесен к горной зоне или приграничной зоне. По полученным формулам можно провести расчеты температуры в различных пунктах республики.
В таблице приведены полученные по формуле (6) значения среднегодовой температуры г2 и их фактические значения г1. Из этих данных видно, что расчетные и фактические значения среднегодовой температуры находятся в хорошем согласии.
На рис. 2 приведены графики среднегодовых значений количества выпавших осадков в различных зонах КБР. Откуда следует, что в предгорной зоне в целом количество выпадающих осадков выше, чем в горной зоне, а меньше всего осадков выпадает в степной зоне.
1960 1 -СРОСНЛЧ
1976 1984 КМНОС ...... ПРХОС
Год
1000
Рис. 2. Среднегодовые количества выпадающих осадков (1944-2000 гг.)
Можно получить уравнения (аналогичные (6)) для количества осадков и влажности воздуха (следует отметить, что необходимы дальнейшие исследования для определения зависимости количества выпадающих осадков и влажности воздуха от широты местности и высоты над уровнем моря). Пренебрегая зависимостью метеопараметров от широты местности (в пределах республики этой зависимостью можно пренебречь), получим
P = P0 + P1t - (dpdz)z + 2 a¡ cos <o¡t + hi sin <o¡t; (8)
i=1
q = qо + q1t - (dq/dz)Дz + 2 ai cos wit + h¡ sin wit . (9)
i = 1
Определение параметров приведенных формул проводится аналогично параметрам температуры воздуха, что рассмотрено выше. Градиент количества осадков зависит от того, в какой зоне находится пункт наблюдения, так как количество осадков растет при переходе от горной зоны к предгорной и уменьшается при переходе от предгорной зоны к степной. В первом
случае среднее значение градиента равно 0,301 мм/м, во втором - 0,497 мм/м.
В таблице приведены результаты расчетов среднегодового количества выпадающих осадков (2) и их фактические значения (/)). Из сравнения фактических значений с расчетными следует, что они находятся в удовлетворительном согласии. Отсюда следует, что предлагаемый подход можно использовать для оценки значений количества осадков в любом пункте республики.
Аналогичные расчеты можно провести и для относительной влажности воздуха, однако для этого необходимо иметь данные этого параметра в степной зоне для определения градиента относительной влажности воздуха.
Из графиков, приведенных на рис. 1 и 2, видно, что в различных климатических зонах наблюдается неравномерное распределение тепла, осадков и влажности, несмотря на сравнительно небольшую территорию, занимаемую республикой. Анализ сезонных характеристик дает еще более изменчивую картину
распределения этих параметров. Это может (что действительно имеет место) привести к перенасыщению (избытку) одних районов осадками, тогда как в других районах испытывают их недостаток (дефицит). В связи с этим возникает проблема регулирования осадков в регионе. В качестве возможного пути ее решения предлагается разработанная методика исследования метеопараметров.
2.
Литература
Серебренников М.Г., Первозванский А.А. Выявление скрытых периодичностей. М., 1965. Шугунов Л.Ж., Шугунов Т.Л., Калов Х.М. Особенности климатических зон КБР и возможности регулирования осадков. Нальчик, 2006.
Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия
24 ноября 2006 г.
