CC BY
23
УДК 551.511
Р. М. Бисчоков
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ РЕЖИМА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ НА СЕВЕРНОМ КАВКАЗЕ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.М. КОКОВА», НАЛЬЧИК, РОССИЯ
R. М. Bischokov
FORECASTING CHANGES OF ATMOSPHERIC RAINFALL REGIME IN THE NORTH CAUCASUS FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION « KABARDINO-BALKARIAN STATE AGRARIAN UNIVERSITY NAMED AFTER. V.M. KOKOV» NALCHIK, RUSSIA
Руслан Мусарбиевич Бисчоков
Ruslan Musarbievich Bischokov кандидат физико-математических наук, доцент v rusbis@mail.ru
Введение. В работах [2, 3] приводятся результаты анализа изменений природно-климатических характеристик (режим атмосферных осадков и температурный режим воздуха в приземном слое атмосферы) степной и предгорной климатических зон Северного Кавказа. Исследования показали, что пространственно-временная трансформация этих характеристик, особенно режима осадков, носит достаточно сложный характер. Причем, оно происходит по-разному не только в различные сезоны года и в различных климатических зонах региона, но и в районах, находящихся в одной и той же климатической зоне на относительно небольшом расстоянии друг от друга. В связи с этим детальное исследование про-странственно-временной трансформации этих характеристик, а также прогноз их динамики должны быть составной частью проблемы поиска стратегии устойчивого развития регионов с учетом возможных последствий изменения климата.
Методика. Для прогнозирования динамики режима атмосферных осадков в степной и предгорной зонах Кабардино-Балкарской республики использованы данные 4 метеостанций (Прохладный, Терек, Нальчик и Баксан) о следующих метеопараметрах: суммарное количество атмосферных осадков, суточный максимум осадков и число дней с осадками 5 мм и более. Использовались данные о метеопараметрах за 1955-2016 гг. в различные сезоны года. Во временных рядах этих метеопараметров заключена практически вся информация о характере влияния на их динамику различных факторов. Изменение этих факторов во времени, как известно [4], носит циклический характер. В связи с этим при построении модели прогнозирования было предположено, что характеризующие режим осадков метеопараметры на рас-
Аннотация. Излагается метод прогнозирования временных рядов природно-климатических характеристик, основанный на использовании результатов анализа спектральной структуры временных рядов метеопараметров режима осадков в предгорной и степной зонах центральной части Северного Кавказа. Приводятся результаты прогнозирования динамики изменения метеопараметров методом конечных остатков ряда Фурье.
Ключевые слова: осадки, временные ряды, спектральная структура, прогнозирования, цикличность, квазилинии, фазовый портрет, сплайн-функция.
Abstract.The article presents the method of forecasting time series of natural climatic characteristics based on the results of the analysis of the spectral structure of time series of meteorological parameters of rainfall regime in the piedmont and steppe zones of central part of the North Caucasus. The predicting results of the change dynamics in the meteorological parameters by the method of F-series finite residues are shown.
Keywords: rainfall, time series, spectral structure, forecasting, cyclicism quasilines, phase portrait, spline function.
сматриваемом отрезке времени формируются под влиянием линейного и некоторой совокупности циклических факторов.
С учетом такого предположения модель изменения во времени метеопараметров в общем случае записывается в виде:
Иг
V / 2яt 2nt\
yit) =сс0+№ + 2^ (я, cos— + ft sin—J (1)
: = 1
где a0, p0 и щ, - соответственно коэффициенты линейной и циклических составляющих.
Из выражения (1) можно заметить, что количество циклических составляющих в модели равно к, а их интенсивности меняются с периодами, равными Ti.
Результаты. Построение модели (1) проведем в два этапа.
На первом этапе проводится анализ спектральной структуры временных рядов метеопараметров, в результате которого выделяются скрытые в них периодичности Ti. Для определения значений Ti были использованы фазовые портреты метеопараметров, при построении которых соответствующие временные ряды аппроксимировались кубическими сплайн функциями [1].
На рисунке 1 приведены фазовые портреты сезонных количеств осадков поданным метеостанции Нальчик, расположенной в предгорной климатической зоне на территории Кабардино-Балкарской республики. Они свидетельствуют о сложной структуре временных рядов метеопараметров.
Выделенные из них периодичности по квазилиниям приводятся в таблице 1.
Вестник Курганской ГСХА №1,2018 Сельскохозяйственные науки j 5
Рисунок 1 - Фазовые портреты количества осадков в различные сезоны года Таблица 1 - Периодичности, содержащиеся во временных рядах количества осадков
Сезон Период
Т2 т3 т4 т5 Т6 Т7 Т8 т9 т10 7» т12
Зимние 2,5 3,8 2,1 5,5 4,2 2,8 2 3,6 2,5 2 2,5
Весенние 3,7 2,7 4,1 3,3 2,1 2,2 3,1, 3,3 3,8 2 2,2
Летние 2,2 6,7 2 3,1 4 6,4 3,6 2,1 2,7 2,2 4,9 3,2
Осенние 2,2 3,4 3,1 1,7 3,5 1,9 2,9 3,7 3,4 3,6 4,8 2,5
Как известно, в результате такого анализа временных рядов метеопараметров можно выделить цикличности, периоды которых "П<Т/2, где Т - длина исходного временного ряда. Поэтому для повышения точности модели (1) возникает необходимость расширения полученного набора 71, получая другими способами.
На втором этапе, подставляя значения 71 в выражение (1), методом наименьших квадратов находились значения неизвестных коэффициентов а0, р0 и
Как известно, в результате такого анализа временных рядов метеопараметров можно выделить цикличности, периоды которых 7к7/2, где 7 - длина исходного временного ряда. Поэтому для повышения точности модели (1) возникает необходимость расширения полученного набора 71, получая другими способами.
На втором этапе, подставляя значения 71 в выражение (1), методом наименьших квадратов находились значения неизвестных коэффициентов а0) р0 и а;,Р;
7аким образом, для метеопараметров строились соответствующие функции у^) и для некоторой части исходного временного ряда метеопараметра строится аппроксимированный восстановленный (сглаженный) временной ряд, а для другой части прогнозировали. Эта операция повторялась для различных наборов 71, для которых
I =Ц1(У:-У1Г (2)
принимает наименьшее значение, где у^у, - фактические и прогнозные значения метеопараметра.
Эффективность изложенного подхода исследовалась с использованием данных метеостанций Нальчик. При этом на основе части (например, на первые 30 лет, т.е. 1956-1985 гг.) имеющегося временного ряда строилась модель прогнозирования (1), а оставшаяся его часть (1986-2016 гг.) прогнозиро-
120 1 05 90 75 60 45 30 1 5
0
1 956
ГОДЫ
1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 2016
350 п 300 -250 200 150 100 Н 50
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I годы 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016
350 -300 -250 -200 150 Н 100 50
~ГТ
1956
350 п
300 -250 200 -150 -100 -50 -О
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I ГОДЫ
1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016
1956
Рисунок 2
1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I
1960 1964 1963 1972 1976 1930 1934 1933 1992 1996 2000 2004 2003 2012 2016
ГОДЫ
а - зима, б - весна, в - лето, г - осень ■ Фактические (сплошная линия) и сглаженные значения (пунктирная линия) количества осадков в различные сезоны года в предгорной зоне КБР (МС г. Нальчик)
Вестник Курганской ГСХА №1,2018 Сельскохозяйственные науки
валась, и полученные результаты сравнивались с фактическими значениями.
Метод был использован для прогнозирования изменений следующих климатических характеристик режима атмосферных осадков: суммарное количество осадков, суточный максимум осадков и число дней с осадками 5 мм и более.
Остановимся на некоторых результатах прогнозирования динамики суммарного количества сезонных осадков в предгорной климатической зоне Кабардино-Балкарской республики. На рисунке 2 приводятся фактические и сглаженные значения количества осадков в различные сезоны года на интервале 1956-2016 гг., а также прогнозные значения, полученные с помощью выражения (1).
Как можно заметить на рисунке, тренд временного ряда данного метеопараметра меняется во времени сложным образом и характер его изменения существенно отличается от линейного закона. Таким же сложным образом меняются во времени и прогнозные значения метеопараметра.
В результате анализа исходного временного ряда метеопараметра было показано, что в динамике суммарного количества зимних осадков наметилась тенденция постепенного увеличения [2]. Такая тенденция, видимо, сохранится и в будущем. Как можно заметить на рисунке, на интервале упреждения имеет место некоторое увеличение среднего и минимального значений метеопараметра, максимальное значение осталось примерно на уровне исходного интервала времени.
Что касается весенних сезонов, то, исходя из приведенных на этом рисунке результатов, делать однозначные выводы об уменьшении или увеличении количества осадков стечением времени не представляется возможным. В результате анализа исходного временного ряда данного метеопараметра было обнаружено, хотя и слабое, но уменьшение его значений с течением времени [2]. Такая тенденция, видимо, сохранится и на интервале упреждения. Минимальное значение метеопараметра на этом интервале, хотя и не очень существенно, но меньше его значения в предыдущие годы. Максимальное значение на этом интервале также уменьшилось по сравнению с его значением на исходном интервале. В целом, количество осадков в весенние сезоны подвержено климатическим изменениям не очень сильно. Результаты анализа данных исходного временного ряда метеопараметра в предгорной зоне в летние сезоны показали увеличение количества осадков. Такая тенденция, видимо, сохранится и в будущем. Можно заметить, что среднее, минимальное и максимальное значения количества летних осадков на интервале упреждения заметно выше, чем на исходном интервале времени.
По результатам расчетов прогнозирования, количество осадков в осенние сезоны в будущем будет увеличиваться. На наличие такой тенденции в динамике данного метеопараметра указывали и результаты ма-тематико-статистического анализа временного ряда его значений [2, 3].
Количество осадков в осенние сезоны в предгорной зоне увеличивается, а в степной зоне незначительно уменьшится.
Для исследования этого вопроса на интервале упреждения были проведены также расчеты и для дру-
гих метеопараметров, характеризующих режим осадков: суточного максимума осадков и числа дней с осадками 5 мм и более.
В результате получено, что изменение количества осадков в зимние сезоны в предгорной зоне будет связано с изменением числа дней с осадками, а в степной зоне - в большей степени с изменением их интенсивности. В весенние сезоны количество осадков в предгорной зоне изменится незначительно, а в степной зоне, видимо, оно уменьшится. Количество осадков в летние сезоны в предгорной зоне будет увеличиваться, и такая тенденция будет связана с увеличением количества дней с осадками, в степной зоне оно не претерпит существенных изменений. Таким же образом в предгорной зоне будет иметь место увеличение количества осенних осадков, и связано оно будет с увеличением количества дней с осадками. В степной зоне количество осадков в эти сезоны либо останется без изменений, либо будет иметь некоторое его уменьшение
Выводы. Следует отметить, что по результатам анализа данных изменение количества осадков в различные сезоны года в предгорной зоне преимущественно связано с изменением числа дней с осадками 5 мм и более, а в степной зоне оно связано как с изменением данного метеопараметра, так и с изменением других климатических характеристик режима осадков.
Проведенные исследования показали, что изложенный метод работает весьма эффективно и может быть использован для прогнозирования динамики различных природно-климатических характеристик регионов.
Список литературы
1 АльбергДж., Нильсон Э., Уолт Дж. Теория сплайнов и ее приложения. М.: Мир, 1972. 316с.
2 Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. Климатические изменения режима атмосферных осадков на Северном Кавказе. Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2007. № 4 (8), С. 160-165.
3 Ашабоков Б.А., Бисчоков P.M., Деркач Д.В. Исследование изменения режима атмосферных осадков в центральной части Северного Кавказа. Метеорология и гидрология, 2008. № 2. С. 98-102.
4 Парниковый эффект, изменение климата и экосистема. Под ред. Б. Болина, Б. Дееса, Дж. Ягера, Р. Уорика. П.: Гидрометеоиздат, 1989. 558 с.
References
1 Alberg J., Nilsson E., Walt J. The theory of splines and its applications. - Moscow: Mir. 1972. 316 p. (in Russ.).
2 Ashabokov B.A., Bischokov R.M., Derkach D.V. Climatic changes of the atmospheric rainfall regime in the North Caucasus. The Kuban State Agrarian University works, 2007. № 4 (8). Pp. 160-165 (in Russ.).
3 Ashabokov B.A., Bischokov R.M., Derkach D.V. Investigation of the atmospheric rainfall regime change in the central part of the North Caucasus. Meteorology and hydrology 2008. № 2. P. 98-102 (in Russ.).
4 Greenhouse effect, climate change and ecosystem. Ed. B. Bolina, В. Deesa, J. Jaguar, R. Warwick. L.: Gidrome-teoizdat, 1989. 558 p. (in Russ.).
