CC BY
92
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
уДк 551524 И. В. КАРНАЦЕВИЧ
Омский государственный педагогический университет
ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА, ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ
Описаны приборы для измерения температуры воздуха, обсуждаются метрологические проблемы и методы обработки измерений. Существующие короткие (столетние) векторы температурных значений не позволяют судить с заявленной точностью о статистиках вариационных рядов температур.
Ключевые слова: температурные характеристики, приборы, точность измерений.
Температура воздуха косвенно характеризует тепловое состояние молекул смеси газов, паров воды и аэрозолей, из которых состоит воздух. В приземном слое тропосферы, где расположены метеорологические станции, температуру измеряют на стандартной высоте над земной поверхностью в метеорологических будках специальными приборами — термометрами: психрометрическими ртутными метеорологическими ТМ4, спиртовыми метеорологическими низкоградусными ТМ9, максимальным ртутным метеорологическими ТМ1 и спиртовыми метеорологическими минимальными ТМ2. Измерения мгновенных значений температуры производятся 8 раз в сутки в стандартные сроки: 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 час с точностью 0,1°. Среднюю суточную температуру вычисляют как среднее арифметическое из восьми срочных значений. Для характеристики теплового режи-
ма воздуха в фиксированной точке пространства — на метеостанции — используют три измеренных (наблюденных) величины — текущую, минимальную за сутки и максимальную за сутки температуры. На карты наносят средние месячные, средние годовые температуры, изаномалы и амплитуды температур, а также абсолютные минимумы и максимумы за период наблюдений.
Измерения температуры воздуха производятся в мире на тысячах метеорологических станций ежесуточно в течение нескольких десятков лет, а наиболее длинные ряды наблюдений насчитывают до 200 лет. Несмотря на такие, казалось бы, длинные ряды, существующие на начало XXI века материалы наблюдений не позволяют, по ряду причин, вычислить основные статистики вариационных рядов с достаточно высокой точностью, то есть со средними по-
Рис. 1. Наименьшие из минимальных суточных температур воздуха в Омске за каждые сутки первого полугодия (1916—2006 гг.)
20 -| 15
Рис. 2. Средние за 90 лет среднесуточные температуры воздуха в Омске в первом полугодии (1916—2006 гг.)
Рис. 3. Наибольшие за все годы (с 1924 по 2006 гг.) из максимальных суточных температур воздуха в Омске в первом полугодии
грешностями, не превышающими межгодовые приращения годовых или разности средних многолетних экстремальных температур соседних суток (2 — 3 градуса). Уже только поэтому при существующей информационной ситуации в метеорологии (короткие хронологические ряды наблюдений) нельзя пытаться устанавливать и распространять на будущее тенденции в колебаниях температурного режима за 100, 200 или даже 300 лет. В этом, например, нас убеждает сравнение экстремальных значений за соседние сутки наименьших из минимальных суточных или наибольших из максимальных суточных температур воздуха, полученных за 20-е столетие на любой метеостанции.
На рис. 1 — 3 приведены фрагменты графиков (гистограмм) наибольших, средних и наименьших суточных температур в Омске за период наблюдений
с 1916 до 2006 гг., полученных из базы данных [1]. При анализе гистограмм прежде всего обращают на себя внимание квазисинусоидальные огибающие выборок с щербинами и выступами. На графике (рис. 2) средних суточных температур, равных в первом приближении полусумме максимальных и минимальных суточных, истинная огибающая должна быть кривой, усредняющей отклонения в обе стороны, на гистограммах же экстремальных суточных температур (рис. 1, 3) при увеличении длины ряда огибающая a priori должна сдвигаться к крайним точкам выступов, все дальше отклоняясь от оси абсцисс, однако отдельные значения редкой повторяемости (выбросы) могут не войти в область, очерченную огибающей.
В настоящее время при длине ряда около 90 лет в Омске разности минимальных температур соседних
17271847
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Даты июля
0 -20 -40 -60
Даты января
Рис. 4. Графики ежесуточных экстремальных — в 89-летних рядах (с 1887 по 1977 гг.) — температур воздуха в Омске (максимальная из наибольших суточных в июлях каждого года и минимальная из наименьших ежесуточных в январях каждого года)
Ежедневная минимальная из наиболее низких и ежедневная максимальная из наиболее высоких температуры воздуха в Омске (выбраны из 89-летних рядов, полученных путем измерения за каждые сутки) [2]
Таблица 1
Число месяца (января и июля) Температура минимальная из наиболее низких за каждые сутки 89-летних рядов ежесуточных значений в январе Температура максимальная из наиболее высоких за каждые сутки 89-летних рядов ежесуточных значений в июле
1 40,1 -40,2
2 37,5 -45,2
3 33,6 -46,0
4 41,0 -48,8
5 35,6 -48,8
6 35,6 -41,4
7 36,0 -41,3
8 34,9 -41,5
9 32,6 -40,2
10 34,5 -43,3
11 35,0 -42,5
12 37,4 -43,6
13 35,2 -40,5
суток достигают 7 — 8 градусов — явное свидетельство недостаточного числа наблюдений, разности же средних суточных значений (рис. 2) чаще не превышают 1 — 2 градуса, хотя обширные щербины в первой половине января явно указывают на то, что 90-летний период наблюдений слишком короток для надежного усреднения данных измерений. Покажем это на примере материалов справочника «Климат Омска» [2]. В справочнике приведены за каждые сутки января и июля выбранные из многолетних 89-летних рядов (с 1887 по 1975 гг.) наименьшие из минимальных (в январе) и наибольшие из максимальных (в июле) температуры воздуха, а также средние ежесуточные значения температуры воздуха в эти месяцы в Омске (табл. 1).
Казалось бы, 89-летний ряд наблюдений является достаточно длинным для того, чтобы построить плавную огибающую суточных ординат и для того, чтобы можно было надежно определять средние и экстремальные значения суточной температуры воздуха на любую дату, однако это вовсе не так. Даже разности средних многолетних из среднесуточных за 89 лет температур за соседние сутки достигают иногда 2 градуса в январе при наиболее часто повторяющихся
разностях в 0,2—1,5 градуса, а в июле 4,2 градуса — то есть усреднение всего за 90—100 лет плохо сглаживает внутригодовой ход суточных норм. Экстремальные же значения температуры характеризуются, как выше было сказано, еще большими различиями для соседних суток (рис. 4). Поскольку значения статистик вариационных рядов двух соседних суток практически не могут заметно различаться, математические ожидания в этих рядах должны быть равны.
Ряды наблюдений за атмосферными осадками, температурой воздуха, уровнями воды в реках весьма коротки для надежного статистического анализа — это следует из основных положений теории ошибок. Например, для определения значения математического ожидания Х0 величины Х1 , то есть среднего значения за много лет, с точностью 1 % при значении коэффициента вариации ряда Ст = 0,5 требуется 2500 лет. Таких длинных рядов инструментальных наблюдений в современной гидрометеорологии ещё нет. Имеющиеся 50—150-летние ряды измеренных осадков, температуры, стока рек, к сожалению, вовсе неоднородны — с точки зрения метрологии и теории обработки материалов наблюдений [3]. Температурные ряды, например, распадаются на короткие однород-
ные выборки длительностью всего лишь в несколько десятилетий. Это объясняется тем, что в конце XIX века измерения проводили в разные сроки (часы суток) — утром, днем и вечером, затем, вплоть до 1935 г., стали производить замеры в определенные сроки — в 7, 13 и 21 часов. С 1936 года методика опять изменилась — стали измерять температуру в 4 срока (1, 7 , 13 и 19 часов), а, начиная с 1967 года измерения ведут через каждые 3 часа (8 стандартных сроков).
Точность измерений температуры по шкале прибора ТМ4 составляет 0,1°, но это не значит, что точность температурных данных, приводимых в климатических справочниках, такая же высокая. Профессор Я. А. Смородинский в книге «Температура» [4, с. 64] пишет: «При измерении температуры в обычных лабораториях допускают ошибку в несколько десятых процента. Температура, по-видимому, есть самая неточная величина из тех, с которыми мы встречаемся на каждом шагу». В метеорологии измерения производят не в лаборатории, а на открытом воздухе, на ветру, на морозе, в среде снежных бурь, приборами не всегда соответствующими требованиям метрологического контроля, не всегда аккуратно проверенными по образцовым термометрам. Далеко не все условия установки приборов соблюдаются точно так, как описано в наставлениях. Например, в соответствии с требованиями к устройству и эксплуатации метеорологической площадки и метеобудки, обязательными являются систематическая промывка будок теплой водой с мылом, скашивание травы до высоты 20 см и т.д. Точность считывания показаний термометров зависит в значительной степени не столько от навыков наблюдателей, сколько от их добросовестности и душевного состояния в разные дни недели. В учебнике [5, с. 193—199] на семи страницах описаны требования «Наставлений гидрометеорологическим станциям и постам по производству метеонаблюдений и первичной обработке данных» к правильной установке термометров, требования к производству измерений, к проверке исправности приборов, описаны правила технического обслуживания термометров. Для иллюстрации тонкостей в обращении с дорогостоящими и весьма капризными приборами приведем цитату из наставлений гидрометеорологическим станциям и постам.
«Измерения температуры, по термометрам трудности не представляют.. Однако следует учесть, что:
— при отсчете глаз располагают, так, чтобы линия визирования, была перпендикулярна капилляру и проходила через верхнюю (нижнюю) точку мениска столбика ртути (спирта);
— перед отсчетом необходимо проверить, нет ли отката ртути у максимального термометра и находится, ли. штифт, минимального термометра внутри спирта;
— встряхивать максимальный термометр следует одним, плавным, и. в конце резким, движением,, держа сам термометр ближе к концу, но так, чтобы верхняя, часть выступала примерно на 6—8 см. из ладони, при. этом, шкала термометра должна быть направлена вдоль плоскости встряхивания».
Воздушная масса, омывающая метеорологическую будку, по своим термодинамическим свойствам весьма неоднородна. На расстоянии нескольких десятков сантиметров температура и влажность не только различны, но и меняются непрерывно, поскольку всегда и везде происходит —в соответствии с законом Фурье — тепломассообмен между соседними элементарными объемами воздуха, имеющими
разные значения влажности и теплосодержания. Нет более безынерционных и нестабильных сред, чем газовые среды, а тем более воздушные массы, конвективно перетекающие в свободной атмосфере. Температура в разных областях атмосферы Земли на разных широтах из-за разного притока солнечной энергии всегда была и будет различной — от — 70 до +50 градусов.
В разные годы, сезоны и часы суток в разных областях атмосферы средняя температура может характеризоваться экстремальными для данной точки пространства значениями. В соответствии с этим градиенты давления, влажности и температуры в полях этих физических величин могут создавать не наблюдавшиеся до сих пор реализации. Число таких реализаций бесконечно, если учесть неоднородность поверхности планеты с учетом неоднородности и неповторимости облачных мозаик. Именно поэтому приходится вести метеорологические наблюдения непрерывно в течение столетий. Однако уже в конце XIX века климатологи сумели построить карты изотерм и изогиет, мало отличающиеся от современных карт. В фиксированной точке — метеобудке, как показал бы точный безынерционный термограф, температура воздуха в большинстве случаев, возможно, даже в безветренную ночь, меняется непрерывно — по крайней мере, с характерным временем в несколько минут из-за броуновского движения молекул и динамики потоков эффективного излучения. В летний день при переменной облачности через несколько секунд после считывания по шкале прибора точно в срок очередного наблюдения температура может измениться на 2 — 3 градуса.
Длинные ряды наблюдений за температурой (как правило, такие ряды имеются только у метеостанций, расположенных в крупных городах, столицах) неоднородны ещё и по другой причине. Рост городов в XIX — XX столетиях и рост энергопотребления, а следовательно и энерговыделения, во всех городах приводил и приводит постоянно к тому, что площадка метеостанции оказывается окруженной новыми промышленными и жилыми массивами города, излучающими в атмосферу длинноволновую антропогенную радиацию. Чтобы избежать тепловых влияний города на показания термометров, площадки неоднократно (2 — 3 раза за период инструментальных наблюдений) приходилось переносить за пределы городской черты, и каждый раз из-за этих переносов нарушалась однородность ряда.
Огромное большинство температурных рядов нерепрезентативно для больших прилегающих территорий с естественным ландшафтом, поскольку метеостанции всегда располагаются на окраине населенных пунктов, а населенные пункты, как правило, расположены в долинах рек, то есть в понижениях рельефа, а не на широких повышенных водораздельных пространствах.
Поиски примет начала изменений климата бесперспективны; напротив — удивление должен вызывать тот факт, что при ежегодных колебаниях температуры в течение года, например в Омске, на 60 — 70 градусов, а за 120 лет наблюдений от —48,8 до +41 градуса (амплитуда А1 = 90 градусов) средняя годовая температура остается практически постоянной даже с учетом волн межгодовых колебаний в 2 — 3 градуса! Ведь в Омске с 1888 по 2008 гг. средние годовые температуры воздуха колебались всего от +3,5 до — 1,4 градуса, вековая амплитуда колебаний равна 4,9 градуса, а среднее отклонение равно 2,4 градуса. На рис. 5 представлены отклонения от середины еже-
Рис. 6. Амплитуды колебаний температуры воздуха в Омске: в конкретные 5 суток 1969 г. (12 ординат— минмальные и максимальные суточные температуры с 5 по 10 февраля), в конкретные 5 суток 1987 г. (10 ординат с 23 по 27 июня), месячные нормы температуры за 120 лет (12 ординат) и средние годовые значения за 8 лет (1969 — 1976 гг.)
годных средних годовых температур, а на рис. 6 представлены гистограммы колебаний температуры воздуха в Омске за 5 суток февраля в 1969 г., за 5 суток июня в 1987 г., средние месячные нормы температуры воздуха в средний год и средние годовые температуры воздуха за 8 конкретных лет — с 1969 до 1976 гг.
Главная закономерность, выясняемая при подобном анализе данных любой метеостанции, заключается в уменьшении амплитуды колебаний температуры с увеличением числа измерений — основной закон поведения выборочных средних при удлинении ряда: их устремление к математическому ожиданию в колебательных процессах без трендов. При увеличении количества испытаний происходит закономерное затухание случайных влияний (информационного шума) на астрономически детерминированный процесс термических колебаний. Стабильность земного климата в современную эпоху гарантируется неизменностью солнечной постоянной, амортизирующим влиянием на температурный режим гигантских планетарных холодильников — холодных масс океанических вод (их объем равен 1 370 000 000 000 000 000 м3, а средняя температура составляет всего 3 — 4 градуса при средней температуре воздуха около 14 градусов) и ледников Антарктиды и Гренландии (35 000 000 000 000 000 м3 льда с температурой -24°).
Выводы
ние о том, что можно с большой точностью оценивать изменения в динамике теплосодержания атмосферы.
3. Следовало бы показывать в справочниках температурные данные с точностью не более 1-го целого градуса, а не впадать в самообман, исследуя фактически не колебания температуры воздуха с недостижимой в наши дни точностью в 0,1°, а колебания ошибок измерений и округлений при обработке данных.
4. Для многих практических целей человечество на основании многовекового опыта успешно эксплуатирует концепцию о неизменности климатических условий в масштабе столетий в целом на планете. Это позволяет использовать методы математической статистики в целях долгосрочных вероятностных прогнозов на ближайшие столетия.
5. Нельзя всерьез воспринимать рассуждения в современных публикациях о том, например, что за XX век глобальная температура повысилась на 0,8 градуса. Глобальную температуру измерить невозможно, тем более с такой фантастической точностью. Глобальный климат, как показывают геологические реконструкции, меняется, но с характерными периодами порядка нескольких десятков тысячелетий и не может меняться в масштабе столетий. Стабильность климата обеспечена неизменностью в масштабе тысячелетий солнечной постоянной, огромной тепловой инерцией холодных океанических масс, а также ледниковых куполов.
1. На основании имеющихся коротких и неоднородных рядов наблюдений нельзя судить о долгосрочных устойчивых тенденциях хода процесса колебаний температуры воздуха.
2. Установленная конструкцией шкал приборов точность оценки температуры воздуха на метеостанциях (0,1°) неоправданно высока — с точки зрения флуктуаций значений признака во времени на фоне редких стандартных сроков измерений. Эта «точность» не отражает реального термодинамического состояния весьма динамичной тропосферно-страто-сферной системы, но создает обманчивое представле-
Библиографический список
1. Сайт Роскомгидромета. — URL : http: // www.meteo.ru. Дата обращения: 2006-2008 гг.
2. Климат Омска / под ред. Ц. А. Швер. — Л. : Гидрометео-издат. — 1980. — 248 с.
3. Карнацевич, И. В. Некоторые аспекты проблемы изменений климата / И. В. Карнацевич // Омский научный вестник. Сер. Ресурсы Земли. — Омск, ОмГТУ. — 2007. — № 1(53). — С. 113—119.
4. Смородинский, Я. А. Температура / Я. А. Смородинский. — М. : Наука, 1987. — 192 с.
5. Городецкий, О. А. Метеорология, Методы и технические средства наблюдений / О. А. Городецкий, И. И. Гуральник, В. В. Ларин. — Л. : Гидрометеоиздат, 1991. — 336 с.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии Омского госу-
дарственного аграрного университета и кафедры физической географии Омского государственного педагогического университета. Адрес для переписки: e-mail: karnat@omgpu.ru
Статья поступила в редакцию 15.03.2010 г. © И. В. Карнацевич
УДК 551.524
И. В. КАРНАЦЕВИЧ Е. Б. БЕРЕЗИН Т. В. БЕРЕЖАНСКАЯ
Омский государственный педагогический университет
ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ПРОГНОЗЫ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР ВОЗДУХА НА ТЕРРИТОРИИ СИБИРИ
Учреждениям и предприятиям, строителям, проектировщикам, работникам аграрного комплекса, а также жителям данной местности и приезжим для планирования своей деятельности на конкретную декаду любого года следует иметь и творчески использовать количественные оценки экстремальных термических условий. В статье описана методика получения и результаты статистических прогнозов декадных минимальных и максимальных температур воздуха. Поскольку климат не меняется, эти оценки можно будет использовать в ближайшие столетия. Ключевые слова: экстремальные температуры, прогноз.
В любом виде деятельности люди почти непрерывно анализируют ситуации, на основе анализа делают вероятностный прогноз развития ситуации и, в соответствии с вероятностным прогнозом, принимают решения. Почти все прогнозы такого рода делаются подсознательно по аналогии с прошлыми ситуациями, но в математической статистике на основе теории вероятностей даются точные вероятностные количественные прогнозы любой вероятности превышения. В гидрометеорологии статистические прогнозы основаны на гипотезе неизменности, климата: по материалам наблюдений за прошлые десятки и сотни лет вычисляются статистики (численные характеристики частотных распределений) и значения эти без изменений, без поправок приводятся в климатических справочниках и используются для описания предстоящих ситуаций — на сотни лет вперед.
Приземная температура воздуха, например, измеряется в фиксированных точках на поверхности суши — на метеорологических станциях — стандартными приборами в стандартных условиях в стандартные сроки и характеризует функцию непрерывного изменения теплового состояния молекул воздуха в данной точке через каждые 3 часа в течение десятков лет. В климатологических справочниках приводятся в качестве численных характеристик будущих термических состояний воздуха значения средней температуры воздуха по срокам наблюдения, средней суточной, средней декадной, средней месячной, средней годовой — за каждый год, средней многолетней, а также (на основе ежесуточных измерений специальными стандартными максимальным и минимальным термометрами) — приводятся значения наибольшей и наименьшей температуры за сутки, за декаду,
за месяц, за каждый год, за все годы наблюдений. Эти значения используют в качестве прогнозных в своих расчетах планирующие организации, проектировщики, транспортники, военные.
На основе анализа динамики полей давления, влажности, температуры, осадков за текущие и предыдущие сутки и часы составляются синоптические (хронологические краткосрочные) генетические прогнозы, которые оправдываются не на 100 процентов, то есть, с точки зрения потребителя, они являются, в значительной степени, тоже вероятностными.
Во всем мире в последние два столетия проектирование и строительство всех сооружений осуществляется на основе статистического долгосрочного прогноза на 100 — 200— 1000 лет вперед, т.е. на расчетный срок службы сооружения. Например, при расчетах внеклассных плотин на крупных реках высоту плотины определяют по уровню прохождения катастрофического паводка повторяемостью 1 раз в 10 000 лет (обеспеченность 0,01 %), а высоту нижнего пояса ферм мостов 1-го класса — по максимальному расходу и наивысшему уровню воды в реке повторяемостью 1 раз в 1 000 лет (вероятность превышения, или обеспеченность 0,1 %). Никаких поправок на предстоящие изменения температуры воздуха и других метеоэлементов, стока рек и уровней воды никогда нигде в мире не вводится — это свидетельствует об уверенности инженеров в стабильности климата.
Итак, можно констатировать, что в мировой практической деятельности гипотеза неизменности климата работает последние сотни лет успешно и ни разу не подвергалась сомнению только потому, что практика эксплуатации сооружений не давала повода для каких-либо сомнений. Крайние ежесуточные темпе-
