CC BY
35
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: [email protected]
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-
ратуры воздуха за средний год описывают область реализаций значений температуры в будущем и широко используются в качестве расчетных характеристик при проектировании сооружений и составлении проектов производства работ на строительстве.
В жарких странах, где температура воздуха колеблется в очень узком диапазоне (например, в экваториальных широтах в морском климате — от 25 до 28 градусов — и летом, и зимой), отпадает проблема прогнозов температурных режимов в разные месяцы года. В этих странах неактуален прогноз выпадения осадков, так как атмосферные осадки выпадают практически каждый день или только в определенные месяцы сезона дождей или летнего муссона — все жители знают, какая будет погода завтра и послезавтра с большой точностью.
Однако в холодных странах проблема учета наивысших и наименьших, то есть экстремальных температур воздуха является самой актуальной. Например,
в Якутске температура воздуха колеблется от +35 градусов летом до —60 градусов зимой, то есть амплитуда колебаний температуры воздуха в году достигает 95 градусов, а в Омске в любой день января температура может быть около нуля, а может оказаться равной минус 40 градусов.
В целях информирования потребителей о возможных экстремальных температурных ситуациях в конкретной местности в наши дни, в начале XXI века следовало бы шире использовать не только значения максимальной и минимальной температур воздуха, имевших место в прошлом, но также иметь расчетные прогнозные значения температур, полученные путем математической интерполяции и экстраполяции эмпирической кривой вероятностей превышения значений признака за весь многолетний ряд наблюдений (кумулятивной частотной кривой).
Синоптические прогнозы погоды составляются в мире ежесуточно на основании десятков тысяч изме-
Таблица 1
Наблюденные и прогнозные экстремальные суточные температуры воздуха в Омске за 82-87 лет наблюдений по декадам А. Прогнозный лист. Станция ОМСК. Декады четырех летних месяцев
1я05 — это первая декада мая (с 1 по 10 число)
Декада Начальный год выборки Конечный год Число лет наблюдения N Наибольшая температура Дата Средняя температура Т 1 0 Обеспеченность Р %
0,1 1 10 50
1я05 1924 2006 82 33 10.05.1968 15,9 33 30 25 16
2я05 1924 2006 82 36 16.05.2004 18,3 36 32 27 18
3я05 1924 2006 82 35 24.05.1980 20,5 35 33 29 20
1я06 1924 2006 83 37 06.06.1939 22,3 37 34 30 22
2я06 1924 2006 82 38 20.06.1931 24,3 38 35 32 25
3я06 1924 2006 82 40 30.06.1936 24,8 40 36 32 25
1я07 1924 2006 83 36 01.07.1948 25,3 36 35 32 25
2я07 1924 2006 83 40 18.07.1940 25,1 40 35 30 25
3я07 1924 2006 83 39 22.07.1948 24,8 39 35 30 25
1я08 1924 2006 82 38 01.08.1929 23,6 38 33 29 24
2я08 1924 2006 82 35 13.08.1952 22,8 35 33 29 23
3я08 1924 2006 82 37 26.08.1952 20,3 37 31 27 20
В. Прогнозный лист. Станция ОМСК. Декады пяти зимних месяцев
1я11 — это первая декада ноября
Декада Начальный год выборки Конечный год Число лет наблюдения N Наименьшая температура Дата Средняя температура Т 1 0 Обеспеченность Р %
50 90 99 99,9
1я11 1917 2005 86 -33 07.11.1953 -8,5 -7 -18 -29 -33
2я11 1917 2005 86 -34 18.11.1960 -11,4 -10 -22 -32 -34
3я11 1917 2005 86 -41 27.11.1952 -15,1 -14 -28 -37 -41
1я12 1917 2005 87 -45 09.12.1968 -17,8 -17 -29 -39 -45
2я12 1917 2005 86 -44 11.12.1929 -19,8 -19 -32 -40 -44
3я12 1917 2005 85 -43 22.12.1976 -21,4 -21 -33 -41 -43
1я01 1917 2005 85 -45 03.01.1931 -21,5 -21 -33 -40 -45
2я01 1917 2005 85 -44 12.01.1940 -22,1 -22 -33 -40 -44
3я01 1917 2005 85 -44 21.01.1969 -22,8 -23 -33 -41 -44
1я02 1917 2005 89 -46 03.02.1931 -22,9 -23 -34 -41 -46
2я02 1917 2005 89 -42 14.02.1923 -21,5 -22 -31 -38 -42
3я02 1917 2005 89 -43 28.02.1930 -20,1 -20 -30 -38 -43
1я03 1917 2005 88 -41 01.03.1930 -18,3 -19 -28 -34 -41
2я03 1917 2005 87 -36 19.03.1958 -15,1 -15 -24 -30 -36
3я03 1917 2005 87 -31 22.03.1958 -10,4 -10 -20 -28 -31
Таблица 2
Наблюденные значения экстремальных декадных температур воздуха в Омске за интервал наблюдений с 1917 до 2005 гг. (для зимних месяцев — минимальные суточные, для летних — максимальные суточные)
Месяц Декада Темп. Дата Месяц Декада Темп. Дата
1 -33 07.11.1953 1 33 10.05.1968
Ноябрь 2 -34 18.11.1960 Май 2 36 16.05.2004
3 -41 27.11.1952 3 35 24.05.1980
1 -45 09.12.1968 1 37 06.06.1939
Декабрь 2 -44 11.12.1929 Июнь 2 38 20.06.1931
3 -43 22.12.1976 3 40 30.06.1936
1 -45 03.01.1931 1 36 01.07.1948
Январь 2 -44 12.01.1940 Июль 2 40 18.07.1940
3 -44 21.01.1969 3 39 22.07.1948
1 -46 03.02.1931 1 38 01.08.1929
Февраль 2 -42 14.02.1923 Август 2 35 13.08.1952
3 -43 28.02.1930 3 37 26.08.1952
1 -41 01.03.1930
Март 2 -36 19.03.1958
3 -31 22.03.1958
Абсолютный минимум температуры воздуха —46 °С 03.02.1931 Абсолютный максимум температуры воздуха 40 °С 18.07.1940
Таблица 3
Прогнозные значения экстремальных декадных температур воздуха в Омске
(для зимних месяцев — минимальные суточные, для летних — максимальные суточные)
Месяц Декада 99.9 % 99 % 90 % Месяц Декада 0.1 % 1 % 50 %
1 -33 -29 -18 1 33 30 16
Ноябрь 2 -34 -32 -22 Май 2 36 32 18
3 -41 -37 -28 3 35 33 20
1 -45 -39 -29 1 37 34 22
Декабрь 2 -44 -40 -32 Июнь 2 38 35 25
3 -43 -41 -33 3 40 36 25
1 -45 -40 -33 1 36 35 25
Январь 2 -44 -40 -33 Июль 2 40 35 25
3 -44 -41 -33 3 39 35 25
1 -46 -41 -34 1 38 33 24
Февраль 2 -42 -38 -31 Август 2 35 33 23
3 -43 -38 -30 3 37 31 20
1 -41 -34 -28
Март 2 -36 -30 -24
3 -31 -28 -20
рений значений метеорологических элементов на метеостанциях, а также на основе спутниковых измерений и съемок. Оправдываемость краткосрочных прогнозов погоды в начале 3-го тысячелетия весьма высока (скорее всего, до 90 процентов и выше). Однако среднесрочные и долгосрочные прогнозы погоды имеют гораздо меньшую оправдываемость; достоверность их мала.
Учреждениям и предприятиям, строителям, проектировщикам, работникам аграрного комплекса, а также жителям и приезжим для планирования своей деятельности на любую декаду года следует иметь и творчески использовать при планировании и проектировании (например, в проектах производства работ) количественные оценки экстремальных термических условий. При этом с вероятностью около 50 %
можно ориентироваться на нормы месячных или декадных температур воздуха с бытовой точностью (5—10 градусов), что обычно и осуществляется на практике. Например, в Омске в июне температура воздуха бывает чаще всего около 20°, но колеблется (скажут наблюдательные жители Омска) от 10 до 30 градусов. Однако, согласно теории вероятностей, в любой год могут реализоваться температурные режимы очень редкой повторяемости — как результат случайного взаимодействия факторов, определяющих температуру воздуха. Поэтому следует также знать, какие наихудшие термические условия могут возникнуть в интервале конкретной декады любого года в будущем и какова вероятность их реализации. При этом потребителю прогнозной информации не важно, на какие дни декады приходятся экстремаль-
Рис. 1. Наименьшая из минимальных суточных температур воздуха в 1-й декаде января повторяемостью 1 раз в 1000 лет
Рис. 2. Наибольшая из максимальных суточных температур воздуха в 1-й декаде июля повторяемостью 1 раз в 1000 лет
ные расчетные температуры, но количественная вероятностная оценка возникновения (появления) такой ситуации может оказаться весьма необходимой для некоторых потребителей.
Наиболее информативны в практических целях вероятности превышения прогнозных значений температуры воздуха 1, 10, 50, 90 и 99 %, причем первые три числа относятся к максимальным температурам — и летом, и зимой, а последние три числа — к минимальным температурам (измеренным специальным минимальным термометром). Повторяемость в многолетии расчетных значений, соответствующих этим пяти градациям обеспеченностей (так называют вероятности превышения в гидрометеорологии), следующая: 1 раз в 100 лет, 1 раз в 10 лет (наибольшие), 1 раз в два года (в среднем!), 1 раз в 10 лет и 1 раз в 100 лет (наименьшие).
Приведем пример трактовки статистического прог-ноза максимальных температур воздуха в первой декаде июня в Омске. Максимальная суточная температура вероятностью превышения 1 % (1 раз в 100 лет) равна 34 градусам; 1 раз в 10 лет максимальная температура воздуха в Омске в первой декаде июня достигает 30 градусов. В средний год, то есть повторяемостью 1 раз в 2 года (Р = 50 %) максимальная температура в первой декаде июня равна 22 градусам. Эти прогнозные значения получены в результате статистической обработки 83-летних вариационных рядов максимальных суточных температур (полученных измерениями по максимальному термометру) за каждые из 10 суток первой декады июней (830 значений).
По описанной в [1] методике в настоящее время создается электронная книга-справочник, в которой
можно найти ближайшую к району проектирования или строительства метеостанцию и получить результаты статистического прогноза экстремальных температур на любую декаду года. Статистический прогноз температурных экстремумов - ценная информация для миллионов людей и сотен производственных организаций и учреждений при условии грамотного вероятностного толкования полученного прогноза. Уровень математического мышления в XXI веке достаточно высок даже у большей части населения для быстрого осмысливания элементарных понятий из области теории вероятностей. Поэтому следует шире использовать в расчетах и прогнозах новую ёмкую метеорологическую характеристику -декадную композитную температуру воздуха.
В табл. 1-3 приведены шаблоны представления результатов массовых расчетов декадных экстремальных композитных температур, а на рис. 1 и 2 — карты прогнозных экстремальных температур воздуха в Сибири: минимальной температуры воздуха вероятностью превышения 99,9 % (то есть самой низкой за 1000 лет) в первой декаде января (рис. 1) и максимальной температуры воздуха вероятностью превышения 0,1 % (самой высокой в данной местности за 1000 лет) в первой декаде июля (рис. 2).
Преимущества карт изолиний перед точечными результатами измерений на метеорологической станции и их табличными представлениями заключаются в том, что, во-первых, при визуализации поля изолиний физической характеристики для обширной
территории сразу же обнаруживаются ошибки наблюдений или базы данных, отбраковываются или исправляются явно ошибочные данные, во-вторых, с помощью карты изолиний (карта равных значений) можно путем интерполяционных построений определить значение признака для любой точки поверхности, а не только для мест расположения метеостанций.
Библиографический список
1. Карнацевич, И. В. Новые расчетные характеристики температуры воздуха и их статистические прогнозы / И. В. Карнацевич, Е. Б. Березин // Омский научный вестник. - 2009. - № 1 (84). - С. 79-82.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии Омского государственного аграрного университета и кафедры физической географии Омского государственного педагогического университета (ОмГПУ). Адрес для переписки: e-mail: [email protected] БЕРЕЗИН Евгений Борисович, ведущий специалист по защите информации ОмГПУ. БЕРЕЖАНСКАЯ Татьяна Валерьевна, студентка 32-й группы географического факультета ОмГПУ.
Статья поступила в редакцию 15.03.2010 г. © И. В. Карнацевич, Е. Б. Березин, Т. В. Бережанская
уДК 551 524 И. В. КАРНАЦЕВИЧ
Е. Б. БЕРЕЗИН Т. В. БЕРЕЖАНСКАЯ
Омский государственный педагогический университет
АНАЛИЗ И ИСПРАВЛЕНИЕ ОШИБОК В МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ БАЗЕ ДАННЫХ_
Базы метеорологических данных обычно содержат ошибки, которые можно обнаружить и исправить несколькими описанными способами. Произведено сравнение экстремальных температур воздуха, полученных по наблюдениям до 2006 г. и по старым картам 1905 г. Сравнение показывает, что климат не меняется. Ключевые слова: экстремальные температуры, Сибирь, исправление ошибок.
Изучение динамики полей теплосодержания приземного воздуха на территории России и сопредельных стран в ХХ веке было начато в 2006 г. в рамках продолжающихся многолетних исследований закономерностей динамики теплоэнергетических и водных ресурсов на территории Сибири. Это стало возможным только благодаря тому, что в Интернете были выставлены на сайте [1] Всероссийского НИИ гидрометеорологии (г. Обнинск) ежесуточные измеренные на метеорологических станциях территории царской России, затем СССР и, наконец, Российской Федерации и соседних государств значения температуры воздуха и атмосферных осадков за все годы наблюдений до 2006 г.
База метеоэлементов насчитывает около 27 миллионов чисел - ежесуточных значений средних, минимальных (измеренных специальным минимальным термометром) и максимальных (измеренных специальным максимальным термометром) температур и осадков для 223 метеостанций территории.
Метеорологические станции в царской России были организованы и начали работать в разные годы. Наиболее длинные ряды наблюдений в БД имеют станции: Архангельск (1881), Астрахань (1881), Великие Луки (1881), Верхоянск (1885), Вильнюс (1890), Гурьев (1893), Елатьма (1891), Казань (1890), Киев (1881), Кизыл-Арват (18910, Киров (1891), Кишинев (1891), Махачкала и Минск (1892), Нижний Новгород (1893),
