Научная статья на тему 'Туманы на территории юго-востока западной Сибири'

Туманы на территории юго-востока западной Сибири Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
538
107
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТУМАН / ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА / FOG / BASIC CHARACTERISTICS / SPATIAL STRUCTURE

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Журавлёв Георгий Георгиевич, Задде Геннадий Освальдович, Ахметшина Анна Сергеевна

Рассмотрены основные характеристики и пространственная структура числа дней с туманом на территории юго-востока Западной Сибири. Материалом для исследования послужили данные метеорологических ежемесячников за период с 1966 по 2008 г. по 124 станциям юго-востока Западной Сибири (территории Томской, Новосибирской, Кемеровской областей и Алтайского края). Для оценки пространственного распределения числа дней с туманом на территории юго-востока Западной Сибири был использован модуль геостатического анализа GA (Geostatical Analyst) гис-программы ArcGis 9.3.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Журавлёв Георгий Георгиевич, Задде Геннадий Освальдович, Ахметшина Анна Сергеевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

In the given article the basic characteristics and spatial structure of the number of days with fogs in the southeast of Western Siberia are considered. Sustainable economic development in different climatic conditions requires a careful study of natural resources, one of which is climate. Fog is one of the most dangerous atmospheric phenomena for all types of transport. Meteorological monthly journals from 1966 till 2008 serve as a material for research. The study was conducted on 124 stations in the south-east of Western Siberia (Novosibirsk, Tomsk, Kemerovo, Altai regions). The basic climatic characteristics of fogs are the number of days with fog per month, season and year, the average and greatest numbers of days with fog, the probability of various numbers of days with fog for separate months. To estimate the spatial distribution of the number of days with fog in the southeast of Western Siberia the module of geostatic analysis GA (Geostatical Analyst) of the ArcGis 9.3 GIS-program has been used. Using the measured values in reference points, by means of the Geostatistical Analyst module it is possible to interpolate values in other points within the given territory where measurements were not taken. The basic conclusions are as following: 1. The highest average number of days with fog observed at the stations were Kondoma (98,4), Ust-Kabyrza (95.8), Mezhdurechensk (68.3), Kuzedeevo (61.6), Maslyanino (51.3 days), Turochak (49.5 days), Katanda (42.7 days) and Kyzyl-Ozek (37.6 days) 2. In most parts of Tomsk and Altai regions the number of days with fog is 10-20 days. The same is observed in the central and western part of Novosibirsk region, in the western part of Kemerovo region 3. In the north-eastern part of Tomsk region the number of days with fog decreases: Vanzhil-Kynak 4.7 days, Baturino and Maisk 7.9 days 4. A small average of days with fog is observed in the south of Altai region, near the station Zmeinogorsk (7.8), Krasnoshchekovo (8.1) and Shipunovo (8.8), and also in the western foothills of the Altai Republic: Kara Tureck (0.7) and Ak-Kem (4) 5. The greatest number of days with fog is observed at stations Kondoma (4233), Ust-Kabyrza (4119), Mezhdurechensk (2935), Kuzedeevo (2648). The smallest number is observed at the station Kara Tureck (28) 6. The tendency to decrease in the number of fogs, marked in Tomsk region, is not observed at all stations. At many stations, there is an increase in the number of fogs per year 7. Fogs of 1-6 days long have the greatest repeatability, except for some stations where fogs up to 30 days long (station Ust-Kabyrza) can be observed. 8. As it was expected, the distribution of probability of absence of fog on the territory shows that the least probabilities of fog practically coincide with the areas with the greatest average of days with fog.

Текст научной работы на тему «Туманы на территории юго-востока западной Сибири»

Г.Г. Журавлёв, Г.О. Задде, А.С. Ахметшина

ТУМАНЫ НА ТЕРРИТОРИИ ЮГО-ВОСТОКА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Рассмотрены основные характеристики и пространственная структура числа дней с туманом на территории юго-востока Западной Сибири. Материалом для исследования послужили данные метеорологических ежемесячников за период с 1966 по 2008 г. по 124 станциям юго-востока Западной Сибири (территории Томской, Новосибирской, Кемеровской областей и Алтайского края). Для оценки пространственного распределения числа дней с туманом на территории юго-востока Западной Сибири был использован модуль геостатического анализа GA (Geostatical Analyst) гис-программы ArcGis 9.3.

Ключевые слова: туман; основные характеристики; пространственная структура.

Устойчивое развитие экономики в различных природно-климатических условиях требует тщательного изучения природных ресурсов, одним из которых является климат. Ресурсный подход к изучению климата позволяет учитывать климатические факторы при функционировании многих отраслей народного хозяйства. В частности, к основным специализированным показателям климатических ресурсов для автомобильного и железнодорожного транспорта относят число дней с метелями и туманами [1].

Туман является одним из наиболее опасных атмосферных явлений для всех видов транспорта [2, 3]. Наличие туманов снижает мощность электростанций, работающих на солнечной энергии, а увлажнение туманами конструкций ведет к их коррозии, утечкам и пробоям в электро- и радиоаппаратуре и т.п.

Рассматриваемая территория занимает три ландшафтные зоны с большим разнообразием физикогеографических условий, различными формами рельефа, режимом увлажнения и теплообеспеченности.

Лесные районы находятся в зоне избыточного увлажнения, где в теплые месяцы года коэффициент увлажнения больше единицы, что при большом естественном испарении и малых скоростях ветра создает высокую влажность в нижних слоях воздуха. В конце лета наблюдаются общее падение температуры воздуха и увеличение суточных амплитуд. Все названные факторы создают благоприятные условия для образования радиационных и адвективно-радиационных туманов.

На данной территории наблюдаются радиационные, адвективно-радиационные и адвективные туманы. Наиболее часто радиационные туманы возникают в ночное время перед восходом солнца при малооблачной погоде, слабом ветре и повышенной влажности воздуха. К радиационным туманам относятся также туманы вымораживания. Радиационные туманы чаще возникают в низких местах (котловина, долина, низина) или на болотах и на местности обычно лежат пятнами. Адвективнорадиационные и адвективные туманы связаны с адвекцией в Западную Сибирь теплого и влажного воздуха, особенно в холодное время года. Они образуются в теплых секторах циклонов, смещающихся из Казахстана или из центральных районов ETC [4].

Следует отметить, что наблюдения за атмосферными явлениями (в том числе и за туманами) ведутся визуально и всегда содержат элемент субъективности, методика наблюдений неоднократно менялась. Все эти причины сказываются на качестве исходного материала и затрудняют обработку [5].

Материалом для исследования послужили данные метеорологических ежемесячников за период с 1966 по

2008 г. по 124 станциям юго-востока Западной Сибири (территории Томской, Новосибирской, Кемеровской областей и Алтайского края).

В обработку были включены: туманы (т), туманы, просвечивающие (тп), туманы ледяные (тл), туманы ледяные просвечивающие (тлп), туманы поземные (тз), туманы ледяные поземные (тлз) и туманы в окрестности станции (тос).

Включение туманов в окрестности станций вызвано тем фактом, что при размещении и строительстве различных объектов, на режим работы которых отрицательно влияет туман, большое значение приобретает вопрос образования тумана не только в районе самого объекта, но и возможного выноса тумана ветром из прилегающей к объекту местности. Днем с туманом считается день, в течение которого отмечен хотя бы один из перечисленных видов тумана.

Основными климатическими характеристиками туманов является число дней с туманом за каждый месяц, сезон и год, среднее и наибольшее число дней с туманом, вероятность различного числа дней с туманом для отдельных месяцев.

Для оценки пространственного распределения числа дней с туманом по территории юго-востока Западной Сибири был использован модуль геостатического анализа GA (Geostatical Analyst) гис-программы ArcGis 9.3. Используя измеренные значения в опорных точках, с помощью модуля Geostatistical Analyst можно интерполировать значения в других точках в пределах данной территории, для которых измерения не проводились. Инструменты исследовательского анализа пространственных данных, включенные в модуль Geostatistical Analyst, применяются для оценки статистических свойств данных, таких как изменчивость пространственных данных, их зависимость и глобальные тренды. Гео-статистический анализ данных происходит в два этапа: 1) моделирование вариограммы или ковариации для анализа свойств поверхности; 2) кригинг.

В модуле Geostatistical Analyst возможно использование целого ряда методов, основанных на кригинге, включая методы ординарного, простого, универсального, индикаторного, вероятностного и дизъюнктивного кригинга.

При построении карты использовался геостатиче-ский метод интерполяции - ординарный кригинг. Этот метод, как интерполятор, не выдвигает к данным требования нормальности распределения. Но для создания карт вероятности и карт квантилей подчинение данных этому закону является обязательным, поэтому была проведена проверка нормальности распределения данных.

Анализ исходных данных показал, что распределение соответствует логнормальному. Для приведения данных к нормальному виду было использовано логарифмическое преобразование. На рис. 1 показана гистограмма распределения исходных данных до и после

их преобразования, а также нормальный график КК (квантиль-квантиль), который показывает, что после преобразования большинство точек расположено близко к прямой линии, соответствующей нормальному распределению.

Рис. 1. Гистограмма исходных данных до и после преобразования

Часто в исходных данных присутствует тренд, представляющий собой неслучайную (детерминистскую) составляющую поверхности, которая может быть описана какой-либо математической формулой. Рассмотрим аддитивную модель [6]:

Z(s) = m(s) + e(s), (1)

где Z(s) - исходная переменная; m(s) - некоторая детерминистская поверхность (тренд); e(s) - случайная пространственно коррелированная ошибка.

Символ s в формуле указывает на положение точки (её координаты - долгота и широта). Тренд может быть простой константой либо функцией пространственных координат, где тренд представлен полиномом второй

степени и является регрессиеи пространственных координат х, у:

да(^) = Ь0 + Ь1х + Ь2у + Ьзх2 + ЬУ + Ь5ху. (2)

Метеорологическим примером тренда может быть наблюдаемое постепенное изменение какой-либо метеорологической величины в зависимости от широты или долготы. Наблюдения для каждого конкретного дня отражают локальные отклонения, которые возникают вследствие различных причин (движения фронтальных масс, различий свойств подстилающей поверхности и т.п.), являющихся трудно предсказуемыми. Следовательно, локальные отклонения моделируются как автокоррелирующие.

Рис. 2. Проверка данных на наличие тренда

Проверка данных с помощью инструмента анализа тренда вЛ показала, что в них присутствует пространственный тренд. На рис. 2 показаны данные, спроецированные в трехмерном изображении. Координаты исходных точек нанесены на плоскость х, у. В каждой опорной точке высотой отрезка является значение среднегодового числа дней с туманом. Значения спроецированы на боковые поверхности х, 2 и 2, у. Тренд представлен полиномом второй степени.

При интерполяции учитывалось наличие тренда, а также было использовано логарифмическое преобразование данных. Была построена карта-схема среднего числа дней с туманом за год на рассматриваемой территории (рис. 3).

При построении изолиний территория Республики Алтай (из-за большой неоднородности территории по рельефу) была исключена из выборки (среднее число дней с туманом для данной территории на карте обозначено в цифровом виде рядом с обозначением станций).

Анализ изменения числа дней с туманом показал, что они довольно значительны: стандартное отклонение для станций Томской области менялось в пределах от 4,8 до 8,4 дней (Ср. Васюган), для Новосибирской области - от 4,3 до 21 дня (Сузун), в Кемеровской области этот диапазон еще шире: 4,1-28 (Усть-Кабырза). На территории Республики Алтай и Алтайского края стандартное отклонение находится в пределах от 1,8 до 21,3 (Кызыл-Озек).

Рис. 3. Среднее число туманов за год

Анализ распределения среднего числа туманов за год по территории юго-востока Западной Сибири показывает, что оно крайне неравномерно и зависит от многих причин: синоптических условий, свойств подстилающей поверхности, близости водоемов и населенных пунктов, рельефа, экспозиции склонов.

На карте выделяются районы с максимальным числом туманов: Горная Шория и западные предгорья Са-лаирского кряжа, где ежегодно отмечается более 3040 дней с туманом. Наибольшее среднее число дней с туманом на станциях Кондома (98,4), Усть-Кабырза

(95.8), Междуреченск (68,3) и Кузедеево (61,6).

Второй очаг с высоким числом дней с туманом отмечен в районе станции Маслянино (51,3 дня). Также большое число дней зафиксировано на станциях Турочак (49,5 дня), Катанда (42,7 дня) и Кызыл-Озек (37,6 дня).

Повышенное среднее число дней с туманом (2030 дней) наблюдается и в Барабинской степи, на правобережье Оби до предгорий Кузнецкого Алатау.

На большей части Томской области, Алтайского края число дней с туманом находится в пределах 1020. Такое же среднее число дней с туманом наблюдается в центральной и западной частях Новосибирской области, в западной части Кемеровской области.

В северо-восточной части Томской области количество дней с туманом уменьшается и составляет на станции Ванжиль-Кынак 4,7 дня, на станции Батурино - 7,9 дня, такое же значение отмечено и на станции Майск.

Небольшое среднее число дней с туманом зафиксировано на юге Алтайского края, в районе станций Змеиногорск (7,8), Краснощеково (8,1) и Шипуново

(8.8), а также в западных предгорьях Республики Алтай: Кара-Тюрек (0,7) и Ак-Кем (4).

Также были рассчитаны суммы дней с туманом за период с 1966 по 2008 г. и построена карта распределения суммы дней с туманом. Распределение сумм аналогично распределению среднего числа дней с туманом, поэтому карта распределения не приводится. Наи-

большие суммы дней с туманом наблюдаются на станциях Кондома (4233), Усть-Кабырза (4119), Междуреченск (2935), Кузедеево (2648). Наименьшая сумма наблюдается на станции Кара-Тюрек (28).

Годовой ход туманов зависит от физико-географических условий исследуемой территории. При исследовании годового хода числа дней с туманом какой-либо территории необходима их типизация. Одна из первых типизаций годового хода предложена в работе [7]. Она была создана для территории СССР, в ней условно были выделены четыре типа. Ввиду обширности территории страны эта типизация часто модернизировалась, в нее вводились новые подтипы [8]. Районирование Б.П. Алисова было использовано в работе [9] при исследовании пространственно-временного распределения туманов на территории всей Сибири за период с 1936 по 1965 г.

В работе была использована типизация, основанная на особенностях годового хода для станций исследуемого района с использованием современных данных.

Были построены графики годового хода для каждого пункта наблюдений; в зависимости от особенностей распределения числа дней с туманом по месяцам была произведена их условная классификация. В таблице приведены типовые графики для станций рассматриваемого района.

Для первого типа характерным является один максимум в летнее время (август). Второй тип характеризуется двумя максимумами: весной (март) и летом (август), летний больше весеннего. Третий тип характеризуется тремя максимумами, из которых наибольшую величину имеет весенний (март); летний (август) и осенний (ноябрь) имеют несколько меньшее значение. У четвертого типа два максимума, весенний (март) -больший и осенний (ноябрь) - меньший. Для пятого типа характерно наличие двух максимумов, большего осеннего (сентябрь) и зимнего (декабрь). Шестой тип имеет один зимний максимум в январе. Седьмой тип имеет два максимума, весной (май) и осенью (август).

Тип

График годового хода

Тип

График годового хода

Месяц

6 7 Месяц

1-й тип — один максимум в летнее время (август);

2-й тип - два максимума: весной (март) и летом (август), летний больше весеннего;

3-й тип - три максимума, наибольшую величину имеет весенний (март), летний (август) и осенний (ноябрь) имеют меньшее значение;

4-й тип - два максимума, больший - весенний (март) и меньший - осенний (ноябрь);

5-й тип - два максимума, больший - в сентябре, меньший -в декабре;

6-й тип - один зимний максимум в январе;

7-й тип — два максимума, весной (май) и осенью (август)______

1

2

3

4

5

6

7

В горных районах пространственно-временное распределение имеет сложную картину, трудно выделить ареалы с однотипным годовым ходом, как уже отмечалось, определенную роль играет местная циркуляция воздуха, экспозиция склонов, высота, расположение станций в котловинах, долинах [9], поэтому на этой территории наблюдаются самые разные типы годового хода.

Для характеристики территории по виду годового хода с использованием предложенной типизации была построена карта-схема распределения типов по территории (рис. 4).

На всей территории Томской области отмечается одинаковый тип годового хода с одним максимумом в августе. На территории других областей картина распределения годового хода более разнообразна, особенно различаются типы годового хода в горных районах, что обусловлено большой неоднородностью территории.

В Новосибирской области встречаются 1, 2, 3 и 4-й типы, наибольшую повторяемость имеет 2-й и 1-й типы. В Кемеровской области встречаются 1, 2, 5-й типы, преобладающим типом также является 1-й тип. В Ал-

тайском крае встречаются 1, 2, 3-й типы и 4-й, повторяемость которого довольно значительна. В Республике Алтай наблюдаются типы 1, 3, 5, 6 и 7-й.

Изучение динамики изменения числа дней с туманом показало, что в последние годы (по отношению к периоду 1966-1990 гг.) среднее число дней с туманом в год на территории Томской области уменьшилось повсеместно. На рис. 5 приведена динамика для станции Томск, на рис. 6 - для станции Ванжиль-Кынак.

Как видно из рис. 5, для станции Томск среднее число дней с туманом в год за период 1966-1990 гг. составляло 17,5 дня, а в 1991-2008 гг. - 16 дней. Особенно это заметно для станции Ванжиль-Кынак, где среднее число дней с туманом за период 1966-1990 гг. составляло 7,6 дня, а с 1991 по 2008 г. - 1 день.

Анализ динамики числа дней с туманом за год на других станциях рассматриваемой территории показал, что тенденция к уменьшению, отмеченная в Томской области, в других областях обнаруживается не на всех станциях. На многих станциях наблюдается рост числа туманов за год. На рис. 7 приведена карта-

схема, на которой показаны тенденции изменения нение причины таких различий требует дополнитель-

числа дней с туманом на различных станциях. Выяс- ных исследований.

Рис. 4. Характеристика территории по типу сезонного хода

11ІІІІ1ІІІ11ІІІ

Годы

Рис. 5. Динамика числа дней с туманом за год. Томск (1966-2008 гг.)

0 I........ ...е£о^Уоо соїо^о^^-ЗЗоГвЕо^юноно ,

ІІІІІІ1ІІІІІІІІ

Годы

Рис. 6. Динамика числа дней с туманом за год. Ванжиль-Кынак (1966-2008 гг.)

В связи с большой изменчивостью числа дней с туманом представляло интерес рассмотрение повторяемости различного числа дней с туманом по градациям. Повторяемость числа дней с туманом на станциях Томской области представлена на рис. 8.

Вероятность отсутствия тумана (градация 0) меняется от 81,3% на станции Ванжиль-Кынак до 44,4% на станции Томск, вероятность градации 1-2 дня составляет 2,2-13,4%, 3-4 дня - 0,2-8,2%, 5-6 дней - 0,23,9%, 7-8 дней - 0-2,3%.

Рис. 8. Повторяемость числа дней с туманом в Томской области (1966-2008 гг.), %

Распределение числа дней по градациям для других станций аналогично за исключением станций: Междуре-ченск, Кузедеево, Кондома, Таштагол, Усть-Кабырза (Кемеровская область), Маслянино, Сузун, Убинское, Кре-

щенка (Новосибирская область), Турочак, Кызыл-Озек, Катанда (Республика Алтай), для которых графики повторяемости сильно вытянуты в сторону больших градаций (до 30 дней на станции Усть-Кабырза), рис. 9.

Число дней

Рис. 9. Повторяемость числа дней с туманом в Кемеровской области (1966-2008 гг.), %

Таким образом, на большей части рассматриваемой территории наибольшую повторяемость имеют туманы продолжительностью от 1 до 6 дней за исключением некоторых станций, где могут наблюдаться туманы продолжительностью до 30 дней (станции Усть-Кабырза).

Исходя из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Наибольшее среднее число дней с туманом зафиксировано на станциях Кондома (98,4), Усть-Кабырза (95,8), Междуреченск (68,3), Кузедеево (61,6),

Маслянино (51,3 дня), Турочак (49,5 дня), Катанда (42,7 дня) и Кызыл-Озек (37,6 дня).

2. На большей части Томской области, Алтайского края, в центральной и западной частях Новосибирской области, в западной части Кемеровской области число дней с туманом находится в пределах 10-20.

3. В северо-восточной части Томской области количество дней с туманом уменьшается и составляет на станции Ванжиль-Кынак 4,7 дня, на станции Батури-но - 7,9 дня, такое же значение отмечено и на станции Майск.

4. Небольшое среднее число дней с туманом зафиксировано на юге Алтайского края, в районе станций Змеиногорск (7,8), Краснощеково (8,1) и Шипуново

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(8,8), а также в западных предгорьях Республики Алтай: Кара-Тюрек (0,7) и Ак-Кем (4).

5. Наибольшие суммы дней с туманом наблюдаются на станциях Кондома (4233), Усть-Кабырза (4119), Междуреченск (2935), Кузедеево (2648). Наименьшая сумма наблюдается на станции Кара-Тюрек (28).

6. Тенденция к уменьшению числа туманов, отмеченная в Томской области, в других областях обнаруживается не на всех станциях. На многих станциях наблюдается рост числа туманов за год.

7. Наибольшую повторяемость имеют туманы продолжительностью от 1 до 6 дней за исключением некоторых станций, где могут наблюдаться туманы продолжительностью до 30 дней (станция Усть-Кабырза).

ЛИТЕРАТУРА

1. Энциклопедия климатических ресурсов Российской Федерации / Под ред. Н.В. Кобышевой и К.Ш. Хайруллина. СПб.: Гидрометеоиздат,

2005. 320 с.

2. Дробышев А.Д., Кошинский С.Д., Корулина Л.Г., Лучицкая И.О. Опасные явления погоды на территории Сибири и Урала. Ч. 1. Л.: Гидроме-

теоиздат, 1979. 382 с.

3. БёерВ. Техническая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 292 с.

4. Справочник по климату СССР. Облачность и атмосферные явления. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. Вып. 20. 324 с.

5. Дроздов О.А., ВасильевВ.А., КобышеваН.В. и др. Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 568 с.

6. Джонсон К., Хоеф Д.М., Криворучко К., Лукас Н. ArcGis Geostatical Analyst. Руководство пользователя. М.: ДАТА +, 1998. 278 с.

7. ПастухВ.П., Анапольская Л.Е. Некоторые особенности годового хода туманов на территории СССР // Труды ГГО. 1960. Вып. 113. С. 3-5.

8. Алисов Б.П. Климат СССР. М.: Высшая школа, 1969. 104 с.

9. Приходько Л.Г. Пространственно-временное распределение туманов на территории Сибири // Труды ЗСРНИГМИ. 1975. Вып. 16. С. 114-121. Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 1 марта 2011 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.