CC BY
10Раздел 4. Экологическая безопасность
УДК912.
ВТОРЖЕНИЯ АРКТИЧЕСКОГО ВОЗДУХА И СОВРЕМЕННАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР И СУММ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
В КРЫМУ
А. В. Холопцев, С. А. Подпорин, Л. Е. Курочкин
Севастопольское отделение ФГБУ «Государственный океанографический институт имени Н. Н. Зубова»., г.
Севастополь, ул. Советская, 61. E-mail: kholoptsev@mail.ru Севастопольский государственный университет. Севастополь, ул. Университетская, 33. E-mail: SAPodporin@sevsu.ru
Аннотация статьи. Предмет исследования - современные тенденции климатической изменчивости максимальных летних, минимальных зимних температур воздуха и сумм атмосферных осадков тех же сезонов в пунктах Крыма, где систематический мониторинг этих показателей ранее не производился, а также суммарной продолжительности (СП) вторжений арктического воздуха (ВАВ), при которых данный регион оказывается в области влияния блокирующего антициклона. Цель работы - установление и устранение причин несоответствия между оценками исследуемых характеристик по результатам определения СП ВАВ, а также по фактической информации метеостанций Крыма, а также изучение возможности выявления данных характеристик для пунктов Крыма, где метеонаблюдений не проводилось. Для ее достижения выявлены недостатки традиционной методики обнаружения ВАВ. Предложен альтернативный критерий их выявления, что позволяет полностью автоматизировать эту процедуру, а также применить при решении данной задачи реанализ NCEP/NCAR. Изучены законы распределения вероятности значений предложенного критерия для случаев, когда обнаруживаемые ВАВ над Крымом либо Западной частью Черного моря существуют, а также когда они отсутствуют. Это позволило выбрать порог обнаружения выявляемых процессов, а также оценить вероятности пропусков и ложных тревог при использовании усовершенствованной, а также традиционной методики. Доказано, что вероятности пропуска ВАВ при использовании предложенной методики существенно меньше, а вероятности ложной тревоги практически неизменны. Применение предложенной методики позволяет упомянутое несоответствие устранить и применить ее результаты для оценки современных тенденций изменчивости рассматриваемых характеристик метеоусловий в пунктах Крыма, где их наблюдений не производилось. Их целесообразно учитывать при проектировании для них различных объектов строительства, совершенствования систем водоснабжения, а также для оценки рисков при обеспечении безопасности судоходства в Черном и Азовском морях, Керченском проливе в условиях влияния экстремальных гидрометеорологических факторов.
Предмет исследования - современные тенденции климатической изменчивости максимальных летних, минимальных зимних температур воздуха и сумм атмосферных осадков тех же сезонов в пунктах Крыма, где систематический мониторинг этих показателей ранее не производился, а также суммарной продолжительности (СП) вторжений арктического воздуха (ВАВ), при которых данный регион оказывается в области влияния блокирующего антициклона.
Материалы и методы. В качестве фактического материала использован реанализ NCEP/NCAR среднесуточных значений приведенного к уровню Мирового океана атмосферного давления. Применены методы: сравнительный, статистический, корреляционный анализ, критерий Стьюдента.
Результаты. Выявлены недостатки традиционной методики обнаружения ВАВ. Предложен альтернативный критерий их выявления, что позволяет полностью автоматизировать эту процедуру, а также применить при решении данной задачи реанализ NCEP/NCAR. Изучены законы распределения вероятности значений предложенного критерия для случаев, когда обнаруживаемые процессы существуют, а также когда они отсутствуют, что позволило выбрать порог их обнаружения. Доказано, что вероятности пропуска ВАВ при использовании предложенной методики существенно меньше, а вероятности ложной тревоги практически неизменны. Применение предложенной методики позволяет упомянутое несоответствие устранить и применить ее результаты для оценки современных тенденций изменчивости рассматриваемых характеристик метеоусловий в пунктах Крыма, где их наблюдений не производилось.
Выводы. Причиной несоответствия между современными тенденциями изменений СП за зимний и летний сезон СВТ над Крымом, оцененных с использованием традиционной методики, а также фактической динамики экстремальных метеопараметров, которая наблюдалась на его метеостанциях в 1998-2017 гг., является неточность учета в данной методике априорной информации о свойствах этих процессов. Предложенная методика выявления СВТ, которая более точно учитывает эту информацию, обеспечивает практически такие же Рлт, но значения Рпр данных процессов, возникающих над Крымом и Западной частью Черного моря, при ее применении значительно меньше. В результате ее применения указанное несоответствие ликвидировано, что позволяет полученные с ее помощью оценки современных тенденций изменчивости СП СВТ применить для оценки тенденций динамики изучаемых процессов в пунктах Крыма, где их мониторинг не производился.
Ключевые слова: субмеридиональные воздушые течения, вторжения арктического воздуха, Крым, суммарная продолжительность, экстремальные температуры воздуха, суммы атмосферных осадков зимнего и летнего сезона.
ВВЕДЕНИЕ
Экстремальные (минимальные зимние и максимальные летние) значения температур воздуха, а также суммы атмосферных осадков зимнего и летнего сезонов, которые вероятны на той или иной территории в период эксплуатации проектируемых для нее зданий, сооружений, а также систем водоснабжения, являются значимыми параметрами ее местного климата, подлежащими обязательному учету. Поэтому совершенствование методик прогнозирования их изменчивости является актуальной проблемой не только климатологии, но также строительства и техногенной безопасности.
Значительный интерес решение данной проблемы представляет для регионов России, обладающих значительным рекреационным потенциалом, где в будущем вероятно расширение масштабов природоохранного и курортного строительства. Одним из них является Крым. Здесь систематические наблюдения за изменениями температур воздуха, а также интенсивности атмосферных осадков уже многие десятилетия осуществляются на метеостанциях Росгидромета: Симферополь, Симферополь (Аэропорт), Севастополь, Херсонесский маяк, Ишунь, Черноморское, Клепинено, Раздольное, Джанкой, Евпатория, Мысовое, Опасное, Заветное, Керчь, Владиславовка, Феодосия, Белогорск, Алушта, Ангарский перевал, Ай Петри и Ялта [1]. При этом в прочих его пунктах наблюдения если когда-либо и проводились, то нерегулярно.
Анализ упомянутой информации
свидетельствует о том, что в пунктах, где располагаются перечисленные метеостанции, экстремальные значения температур воздуха, в период с 1998 по 2017 гг. повышались, как и суммы атмосферных осадков зимнего сезона, однако для летнего сезона суммы осадков, приносимых в них циклонами и атмосферными фронтами, снижались[2]. Вместе с тем, параметры трендов указанных зависимостей для перечисленных пунктов существенно различались. Это не позволяет утверждать, что и в прочих пунктах Крымского полуострова проявляются те же закономерности, хотя рассматриваемая проблема, безусловно, является актуальной и для них.
Для таких пунктов прогнозирование тенденций изменчивости рассматриваемых метеорологических показателей возможно лишь с учетом факторов, оказывающих влияние сразу на всю территорию изучаемого региона (глобальных либо крупномасштабных).
Согласно современным представлениям о таких факторах [3-5], к важнейшим из них принято относить изменения суммарных
продолжительностей (СП) периодов
существования над регионом таких составляющих атмосферной циркуляции, как субмеридиональные воздушные течения (СВТ), инициированные
вторжениями арктического воздуха (ВАВ) [5]. Тем не менее, попытки разработки подобных прогнозов для пунктов Крымского полуострова, где они могут быть проверяемыми, до сих пор успеха не имели. Следовательно, выявление причин последнего, а также построение более совершенных их прогнозов привлекает внимание исследователей.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Вторжения арктического воздуха и связанные с ними СВТ уже многие десятилетия изучают отечественные ученые [6, 7]. Эти исследования начались еще до Великой Отечественной войны, но наибольший прогресс в понимании природы и свойств рассматриваемых процессов был достигнут уже в послевоенные годы. Основной вклад в их изучение в тот период внесли Б. Л. Дзердзеевский и ученые его школы [8].
Признавая роль СВТ в изменениях метеоусловий в регионах умеренных широт весьма существенной, ими было предложено использовать расположение в некоторые сутки полос повышенного атмосферного давления, которые возникают при этих процессах, в качестве одного из основных признаков, учитываемых при типизации макроциркуляционных процессов в Северном полушарии [6-8].
Основываясь на типизации по Б. Л. Дзердзеевскому, ведется Календарь [9], позволяющий для каждых суток с 1.01.1899 г. определить сектора данного полушария, в пределах которых происходили соответствующие СВТ. При его составлении применяется методика выявления изучаемых процессов, предполагающая осуществление анализа суточных карт погоды, отражающих распределение в Северном полушарии среднесуточных (либо
соответствующих некоторому сроку) значений приведенного к уровню моря атмосферного давления [3, 5,10].
Упомянутая методика была разработана в годы, когда вычислительной техники не существовало. Поэтому, в соответствии с ней, решение о существовании в каком-либо секторе и в некоторые сутки СВТ принимается, если между перифериями расположенного в нем компонента Арктического антициклона и соответствующего Субтропического антициклона в такие сутки выявлена полоса, где атмосферное давление превышало 1015 гПа. Подобная полоса, расположенная между подобными антициклонами субмеридионально, выявляется визуально, поскольку на карте погоды ее границы отображаются указанной изобарой. Ширина такой полосы, как правило, может составлять от нескольких сотен, до единиц тысяч километров, а конфигурация ее границ может быть весьма разнообразной. Такая барическая неоднородность может существовать от одних до нескольких десятков суток [6].
В соответствии с упомянутой методикой, выявление подобных полос возможно лишь «вручную». По этой причине она весьма трудоемка и не позволяет исключить антропогенные ошибки. Тем не менее, иной методики ныне не предложено, вследствие чего она применяется уже многие десятки лет [10].
Установлено, что указанные полосы образуются в результате нарушения устойчивости того или иного компонента Арктического циклона. Участвующий в них воздух перемещается настолько быстро, что практически за сутки достигает периферии соответствующего субтропического антициклона [6, 7]. В результате этого каждое СВТ является турбулентным, а в его пограничном слое происходит перемешивание участвующего в нем воздуха с окружающей воздушной средой. При этом воздух СВТ частично покидает его пределы, замещаясь воздухом, который вовлекается в него.
Поскольку СВТ направлено в низкие широты, воздух, вовлекаемый в это течение, всегда теплее, чем воздух, который его покидает. Подобный воздухообмен приводит к постепенному
повышению температур и влажности воздуха, участвующего в СВТ, который, тем не менее, остается гораздо холодней, суше и плотнее, чем воздух, встречающийся на его пути. По указанной причине на всех участках земной поверхности, над которыми проходит СВТ, повышается атмосферное давление, что и приводит к образованию упомянутой выше полосы, во всех пунктах которой среднесуточное атмосферное давление повышается практически синхронно.
Так как в пределах такой полосы, атмосферное давление выше, чем за ее пределами, пересечение подобной барической неоднородности любыми другими течениями тропосферы, которые располагаются субзонально (и потому содержат менее плотный воздух), невозможно.
Теплые и влажные воздушные массы, которые участвуют в Западном переносе, достигнув западной периферии рассматриваемой барической неоднородности, отклоняются к северу. При этом они охлаждаются, что приводит к выпадению на соответствующих участках земной поверхности атмосферных осадков [11].
Такая же область повышенного давления, включающая Крымский полуостров или акваторию Западной части Черного моря, на время своего существования блокирует поступление на его территорию воздушных масс и с Атлантики, и со Средиземного моря. При этом к востоку от нее накапливается воздух, поступающий с севера (сухой, холодный и плотный) и формируется блокирующий антициклон [12, 13].
В зимние месяцы это явление приводит к резкому усилению в любых пунктах Крыма морозов, которое сопровождается полным прекращением выпадения атмосферных осадков. В летние месяцы оно также вызывает прекращение выпадения в них фронтальных или циклонических
осадков, а температуры воздуха достигают максимальных уровней, что может спровоцировать засуху [14].
Чем больше СП СВТ, тем больше объем сухого и холодного воздуха, который доставляется данным процессом в рассматриваемый регион. Чем оно больше, тем зимой во всех его пунктах ниже соответствующие им минимальные температуры воздуха, а летом выше их максимальные уровни, тем меньше в любой сезон и суммы выпадающих атмосферных осадков [2, 5].
На Крымском полуострове выпадающие за зимний сезон атмосферные осадки являются основном источником водоснабжения всех его поверхностных и подземных водотоков. Минимальные зимние температуры и максимальные летние температуры в наибольшей мере влияют на безопасность жизнедеятельности населения любых его населенных пунктов и определяют оптимальные характеристики возводимых здесь зданий и инженерных сооружений [15].
Одной из характеристик природного процесса, учет которой необходим при его прогнозировании, является современная тенденция изменений его состояния. Ее количественной мерой может служить значение углового коэффициента соответствующего временного ряда [16]. Следовательно, изложенное дает все основания предполагать, что оценка значений данного показателя для временных рядов СП за зимний и летний сезоны СВТ, при которых блокирующие антициклоны располагаются и над территорией Крымского полуострова, позволило бы во многом решить рассматриваемую проблему. Тем не менее, ранее имевшие место попытки нахождения таких ее решений успеха не имели.
Поэтому целью данной работы является выявление причин подобных неудач, их устранение, а также оценка возможностей применения рассматриваемых связей при выявлении современных тенденций климатической изменчивости рассматриваемых процессов в пунктах Крыма, где метеорологических наблюдений ранее не проводилось.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для выявления тенденций изучаемых процессов необходимо располагать временными рядами их показателей, которые содержат максимально полную и достоверную информацию, а также охватывают достаточно продолжительный период времени. Поэтому логично предположить, что причиной упомянутых неудач является неточность информации об изменениях СП изучаемых СВТ, которая содержится во временных рядах, сформированных с использованием упомянутой методики.
Опыт применения данной методики свидетельствует о том, что ей свойственны
недостатки и более существенные, чем высокая трудоемкость и незащищенность от антропогенных ошибок.
Один из них состоит в невозможности с ее помощью выявлять СВТ над участками земной поверхности, где атмосферное давление при этих процессах повышается, но не достигает уровня 1015 гПа. Подобные «пропуски» возможны, если такие течения пересекают глубокие и обширные барические депрессии. В качестве примера, на
рисунке 1 (который построен с использованием метода триангуляции Делоне [17]) сопоставлены расположения участков земной поверхности, где 18.03.2010 г. среднесуточное атмосферное давление превышало 1015 гПа, с расположениями ее участков в зоне между параллелями 40° с.ш. и 70° с.ш., где в эти сутки оно было выше, чем в предыдущие.
А)
Б)
Рис. 1. Расположения участков земной поверхности, где 28.03.2010 г. среднесуточное атмосферное давление: (А) превышало 1015 гПа; (Б) в зоне между параллелями 40° с.ш. и 70° с.ш., оно было больше, чем в предыдущие сутки
Fig. 1. Areas of the earth's surface, where on March 28, 2010, the average daily atmospheric pressure: (A) exceeded 1015 hPa; (B) was higher than it was the day before in the zone between 40N and 70N
Из рисунка 1А видно, что 28.03 существовало три области, локализующие участки, где атмосферное давление (Р) в зоне между параллелями 40° с.ш. и 70° с.ш. превышает 1015 гПа. Одна из них связывает сегмент Арктического антициклона, расположенный над морем Лаптевых, с Монгольским антициклоном, вторая, - проходит через Карское море к Субтропическому антициклону, находящемуся над Средней Азией, а третья, буквально по единственному меридиану, соединяет Гренландский антициклон с Азорским максимумом. Очевидно, что при большем шаге по
долготе между узлами координатной сетки реанализа, третья область наверняка была бы быть пропущена.
В Южном полушарии аналогичных областей не выявлено, что противоречит выводам Б. Л. Дзердзеевского о симметрии соответствующих макроциркуляционных
процессов [18].
Из рисунка 1Б следует, что все те же области отображены на и нем, как участки земной поверхности, во всех пунктах которых 28.03.2010 г. среднесуточное атмосферное давление было выше,
чем накануне (т.е. Х>0). Из него видно также, что диапазон значений долготы, где в указанные сутки атмосферное давление между Гренландским антициклоном и Азорским повысилось, гораздо шире, чем на рисунке 1А. «Пропустить» столь обширную область, выявив две другие, невозможно.
Образование показанных на рисунке 1Б областей, во всех пунктах которых,
расположенных между параллелями 40ос.ш. и 70ос.ш., в рассматриваемые сутки Х>0, может быть следствием возникновения СВТ. А какова вероятность такого событья в результате случайного совпадения?
Для ответа на этот вопрос логично исходить из того, что повышение либо понижение атмосферного давления в любом пункте, которое происходит случайно, равновероятно и не зависит от его изменений в соседних узлах координатной сетки. Поэтому вероятность синхронного повышения среднесуточного атмосферного давления во всех 13 узлах координатной сетки, расположенных на одном меридиане, между 40ос.ш. и 70ос.ш., может быть вычислена как Р=(0,5)13=0,000122. Подвижных антициклонов, которые имели бы такую протяженность по широте и были бы способны перемещаться столь быстро, что подобное явление могло бы наблюдаться, не известно. Следовательно, вывод о том, что выявленная дополнительная область повышенного давления образовалась в результате СВТ, которое «было пропущено» традиционной методикой, достоверен с весьма высокой вероятностью.
Аналогичным образом установлено, что применение данной методики может приводить и к «ложным тревогам» - идентификации как СВТ некоторых других синоптических процессов. Последнее наиболее характерно над Сибирью зимой при распространении в высокие широты Сибирского максимума, который иногда соединяется с Арктическим антициклоном.
Вследствие указанных выше особенностей рассмотренной методики, временные ряды СП СВТ, которые получены с ее помощью, не могут быть признаны полными и вполне достоверными. Поэтому и получаемые с их помощью оценки современных тенденций изменчивости СП СВТ для летнего и зимнего сезона могут быть для условий Крыма не вполне адекватны.
Следовательно, для достижения указанной цели в данной работе необходимо решить следующие задачи.
1. Совершенствование рассмотренной методики выявления СВТ, обеспечивающее снижение вероятностей ложной тревоги (Рлт) и пропуска (Рпр) при их обнаружении в изучаемом регионе.
2. Для СВТ, при которых блокирующий антициклон располагается над Крымом или Западной частью Черного моря, формирование временных рядов их СП для летнего и зимнего сезона.
3. Оценка современных тенденций изменения СП рассматриваемых СВТ, определение по ним тенденций климатической изменчивости летних и зимних экстремальных температур и сумм атмосферных осадков в Крыму.
При решении указанных задач в качестве фактического материала использован реанализ среднесуточных значений приведенного к уровню моря атмосферного давления NCEP/ NCAR, в котором информация о значениях данного показателя представлена за период 1.01.1948 -31.12.2017 гг. для всех пунктов земной поверхности, соответствующих узлам
координатной сетки с шагом 2,5°х2,5° [18].
Так как одним из эффективных путей повышения качества методики обнаружения природных процессов является более полное и точное использование априорной информации об их свойствах, было решено пойти именно этим путем. Принималось во внимание, что при возникновении СВТ среднесуточное атмосферное давление в некоторых пунктах земной поверхности, которые расположены на его пути между параллелями 40° с.ш. и 70° с.ш., всегда увеличивается по отношению к его уровню в предыдущие сутки, но может не достигать уровня 1015гПа. Рассматривались СВТ, для которых СП составляло не менее 3 суток, так как менее продолжительные процессы существенного блокирующего эффекта на атмосферную циркуляцию не оказывают.
В качестве основных качественных характеристик методики обнаружения изучаемых процессов рассматривались вероятности их ложной тревоги (Рлт) и пропуска (Рпр) при ее применении.
Подтверждением наличия преимущества предлагаемой методики выявления СВТ по отношению к методике упомянутой выше может служить уменьшение при ее применении значений Рлт или Рпр, которые оценены за период 1.01.1948 -31.12.2017 гг.
Следовательно, для оценки значений этих показателей при решении первой задачи исследовались законы распределения вероятности того, что значения разности среднесуточного атмосферного давления в рассматриваемых пунктах в текущие сутки по отношению к его значению для предыдущих суток являются положительными либо при наличии над ними СВТ, либо при его отсутствии.
При этом, с применением традиционной методики, за период 1.01.1948 - 31.12.2017 гг. выявлены все отрезки времени
продолжительностью не менее 3 суток, в течении которых Крымский полуостров располагался на пути тех или иных СВТ или непосредственно к востоку от них.
Для всех суток, относящихся к этим отрезкам времени, с использованием [18] вычислены разности среднесуточного атмосферного давления в некотором пункте по отношению к значениям данного показателя в том же пункте для суток,
которые непосредственно предшествуют их началу. Подобные расчеты выполнены для всех пунктов, которые расположены на меридианах 27,5° - 35°в.д. и между параллелями 40° с.ш. и 70° с.ш. По полученным результатам построена гистограмма распределения вероятностей повышения атмосферного давления в любом из этих пунктов для случая, когда СВТ имело место. Таким же образом с использованием значений разностей атмосферного давления для тех же пунктов и суток, не относящихся к указанным отрезкам времени, построена гистограмма распределения вероятностей повышения атмосферного давления для случая, когда СВТ отсутствовало.
Для обоих случаев с использованием корреляционного анализа и критерия Стьюдента проверена адекватность гипотезы о том, что в различных изучаемых пунктах изменения разностей рассматриваемых показателей как в совпадающие сутки, так и в разные сутки, независимы.
В качестве ложной тревоги рассматривалось событие, при котором решение об обнаружении СВТ принималось при условии, что этот процесс в действительности отсутствовал. Как пропуск СВТ рассматривалось событие, при котором решение о его отсутствии принималось в случае, если данный процесс в действительности имел место.
При решении второй задачи значения СП СВТ вычислялись для каждого зимнего сезона (с 1 декабря до 1 марта) и каждого летнего сезона (с 1 июня до 1 сентября) годов 1948-2017. Учитывались СВТ, при которых среднесуточное атмосферное давление синхронно повышалось во всех рассматриваемых пунктах, расположенных на
меридианах 27,5° - 35°в.д. и оставалось повышенным в течение не менее трех суток.
При решении третьей задачи в качестве характеристики современной тенденции каждого изучаемого процесса оценено значение углового коэффициента линейного тренда соответствующего ему временного ряда СП СВТ. Учитывая представления [10] о смене периодов III циркуляционной эпохи для Северного полушария, это значение оценивалось за последние 20 лет (1998-2017 годы).
Решение о том, что в изменениях зимних экстремальных температур, а также сумм атмосферных осадков зимнего или летнего сезона в указанный период преобладала тенденция к их повышению, принималось, если оцененный за тот же период тренд СП соответствующих СВТ являлся убывающим. Для летнего сезона аналогичное решение в отношении экстремальных температур принималось, если тренд СП СВТ, происходивших в это время года, был возрастающим.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
При решении первой задачи установлено, что вывод о независимости случайных флюктуаций среднесуточных значений атмосферного давления в каких-либо пунктах Европейского сектора Северного полушария может быть признан адекватным с достоверностью не ниже 95%.
Гистограммы плотностей распределения вероятностей тех или иных значений разности атмосферных давлений в текущие сутки по сравнению с предыдущими сутками, в некотором пункте рассматриваемого региона, для случаев, когда СВТ над ним присутствует, а также когда его нет, представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Гистограммы распределений вероятностей разности атмосферных давлений в текущие сутки по сравнению с предыдущими сутками в некотором пункте рассматриваемого региона для случаев, когда СВТ над ним
присутствует, а также когда его нет
Fig. 2. Histograms showing distribution of probabilities of the atmospheric pressure differences for the current day as compared with the previous day at some point of the region in question for cases of both presence and absence of SAC over it
Из рисунка 2 следует, что при выборе в качестве порога обнаружения СВТ нулевого уровня повышения атмосферного давления Рпр = 0, а Рлт = 0,5. Поэтому при использовании в качестве критерия выявления СВТ условия о том, что среднесуточное атмосферное давление в каждые из трех последовательных суток больше, чем в предшествующие сутки, во всех пунктах, расположенных между 40° с.ш. и 70° с.ш. и, как
минимум, на одном меридиане Рлт = 1,815*10-12 и
Рпр = 0.
При оценке значений Рлт и Рпр для традиционной методики за фактические были приняты количества соответствующих событий, выявленных за период 1.01.1948 - 31.12.2017 гг., с использованием предложенной методики. Результаты подобных оценок представлены в таблице 1.
Таблица 1. Количества СВТ, влияющих на метеоусловия в Крыму, которые выявлены за период 1.01.1948 -31.12.2017 гг., с применением предложенной (А) и традиционной (Б) методик, а также значения Рлт и Рпр для
традиционной методики
Table 1. Numbers of submeridional air currents affecting the meteorological conditions in Crimea as identified during the period 1.01.1948 - 31.12.2017 using the proposed (A) and traditional (B) techniques, as well as the values of "False Alarm" probability and "Miss" probability for the traditional technique
Сезон А Б Рлт (Б) Рпр (Б)
Зима 205 103 0 0,497
Весна 175 80 0 0,543
Лето 148 69 0 0,534
Осень 168 66 0 0,607
Как видно из таблицы 1, применение предложенной методики позволяет выявить гораздо большее количество СВТ, которые в период 1.01.1948 - 31.12.2017 гг. влияли на метеоусловия в Крыму, чем традиционная методика. При этом все СВТ, выявляемые по традиционной методике, предложенная методика позволяет обнаружить. Следовательно,
предложенная методика, которая характеризуется существенно меньшими Рпр, в сравнении с традиционной методикой, а также практически такими же Рлт, в изучаемом регионе является более эффективной. Весьма существенным ее
достоинством является и возможность полной автоматизации процесса выявления СВТ (ВАВ), что позволяет исключить антропогенные ошибки.
С использованием предложенной методики сформированы временные ряды СП рассматриваемых СВТ, которые соответствуют зимнему и летнему сезону, которые описывают сложные колебания. Зависимости от года начала десятилетия средних за него значений СП, оцененных для различных частей Крымского полуострова и Западной части Черного моря (Болгария), приведены на рисунке 3.
Б)
Рис. 3. Зависимости от года начала десятилетия, средних за него значений СП, оцененных для различных частей
изучаемого региона А) Зимний сезон; Б) Летний сезон
Fig. 3. Dependences of SAC total duration average values on the first year of a decade, as estimated for different parts of the
region in question A) Winter season; B) Summer season
Из рисунка 2А следует, что для всей территории Крыма и акватории Западной части Черного моря, включая побережье Болгарии, СП СВТ зимнего сезона в современном периоде устойчиво снижаются. Рисунок 2Б показывает, что для изменений СП за летний сезон СВТ над территорией Крыма характерна тенденция к их увеличению. Из этого следует, что экстремальные температуры и зимнего, и летнего сезонов в Крыму повышаются, как и суммы осадков зимнего периода, однако суммы циклонических и фронтальных осадков летнего периода снижаются. Данный вывод полностью соответствует результатам наблюдений на метеостанциях Крыма. Это позволяет распространить его и на прочие пункты Крыма, где систематических метеонаблюдений не проводилось.
Одним из направлений практического применения предложенной методики может быть ее использование в целях обеспечения безопасности судоходства в Черном и Азовском морях. Это могут быть вопросы выработки рекомендаций по эксплуатации технических средств навигации в условиях экстре-мально высоких температур, оценка рисков и выработка предложений по учету гидрометеорологических факторов при плавании в Черном и Азовском морях, Керченском проливе и, особенно в районе Крымского моста, в условиях ледовой обстановки при экстремально низких температурах. Особый интерес вызывают те периоды возникновения СВТ над Крымом, когда непосредственно над полуостровом формируется спокойное барическое поле с хорошей погодой, характерной для антициклонов, но к западу (Западная часть Черного моря в ее Прибосфорском районе и у берегов Румынии и Болгарии) идут ливневые дожди, а зимой снегопады, что ухудшает видимость и может вызывать обледенение палубы, трапов, антенн.
ВЫВОДЫ
Результаты исследований позволяют сформулировать следующие выводы:
1. Причиной несоответствия между современными тенденциями изменений СП за зимний и летний сезон СВТ над Крымом, оцененных с использованием традиционной методики, а также фактической динамики экстремальных метеопараметров, которая наблюдалась на его метеостанциях в 1998-2017 гг., является неточность учета в данной методике априорной информации о свойствах этих процессов.
2. Предложенная методика выявления СВТ обеспечивает практически такие же Рлт, но при этом значительно меньшие значения Рпр для данных процессов, возникающих над Крымом и Западной частью Черного моря. Применение предложенной методики позволяет устранить указанное несоответствие и применить полученные с ее помощью оценки современных тенденций
изменчивости СП СВТ для оценки тенденций динамики изучаемых процессов в пунктах Крыма, где их мониторинг не производился.
3. Предложенная методика может быть использована для повышения безопасности судоходства в Черном и Азовском морях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дубинин М., Поспелов И. Источники метеорологических данных на территорию РФ по станциям/ [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://gis-lab.info/ga/meteo-station-soursis.html
2. Холопцев А. В., Продолжительные арктические вторжения в Атлантическом секторе и атмосферные осадки в Крыму./ А.В. Холопцев, Е.Н. Катунина, Т.Ю. Тимошенко //Ученые записки Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского. География, Геология. Том 3(69). -№2. -2017. С251-267.
3. Думанская И.О., Федоренко А.В. Анализ связи ледовых характеристик морей европейской части России с макроциркуляционными атмосферными процессами // Метеорология и гидрология. -2008. - № 12. - С. 82-94.
4. Кононова, Н.К. Особенности циркуляции атмосферы Северного полушария в конце ХХ -начале XXI века и их отражение в климате [Текст] / Н.К. Кононова // Сложные системы. - 2014. - № 2 (11). - C. 11-36.
5. Холопцев А. В. Арктические блокинги и поверхностные температуры на Европейской территории России. /А.В. Холопцев, Н.К. Кононова, Т.Ю.Тимошенко//Жизнь Земли. - 2017.-т.39. - №1. -С20-32.
6. Дзердзеевский, Б.Л. Циркуляционные механизмы в атмосфере Северного полушария в ХХ столетии // Материалы метеорологических исследований. изд. ИГ АН СССР и Междувед. Геофиз. Комитета при Президиуме АН СССР..М. -1968. - 240с.
7. Савина С.С., Хмелевская Л.В. (1984). Динамика атмосферных процессов северного полушария в ХХ столетии. Междуведомственный Геофизический. комитет при
Президиуме АН СССР. Материалы метеорологических исследований № 9. Москва, 146 с.
8. Дзердзеевский Б.Л., Курганская В.М., Витвицкая З.М. (1946). Типизация циркуляционных механизмов в северном полушарии и характеристика синоптических сезонов. Тр. н. -и. учреждений Гл. упр. гидрометеорол. службы при Совете Министров СССР. Сер. 2. Синоптическая метеорология; Вып. 21. Центральный институт прогнозов. М., Л., Гидрометиздат, 80 стр.
9. Колебания циркуляции атмосферы Северного полушария в ХХ - начале XXI века [Электронный ресурс] / Режим доступа: http ://www. atmo spheric-circulation.ru
10. Кононова Н.К. Классификация циркуляционных механизмов Северного полушария по Б. Л. Дзердзеевскому. //М. ИГ РАН.Воентехиниздат. - 2009. - 372с.
11. Sulby M. L. Fundamentals of Atmospheric Physics/ M. L. Sulby. - New York: Academic Press. -1996. -560p.
12. Шакина Н. П. Блокирующие антициклоны: современное состояние исследований и прогнозирование/ Н. П. Шакина, А. Р. Иванова// Метеорология и гидрология. - 2010.- №11. -С5-18.
13. Мохов И. И. Блокинги в Северном полушарии и Евро-Атлантическом регионе: оценки изменений по данным реанализа и модельным расчетам /И. И. Мохов, М. Г. Акперов, М. А. Прокофьева//Доклады Академии наук. -2013. -том 449. -№5. - С.1-5.
14. Семёнова И.Г. Роль процессов блокирования в формировании засух на Украине / И.Г. Семёнова // Труды ГГО им. Воейкова. - 2013. -Вып. 569. - С. 124-136.
15. Позаченюк Е. А. Современные ландшафты Крыма и сопредельных акваторий. Монография.// -Симферополь: Бизнес-информ. -2009. - 672с.
16. Айвазян С.А., Мхитарян В. С. Прикладная статистика и основы эконометрики. — М.:Юнити. -1998. - 1022 с..
17. Скворцов А. В. Триангуляция Делоне и ее применение/ А. В. Скворцов.- Томск: Изд-во Томского государственного университета. -2002. -128с.
18.Дзердзеевский, Б.Л. Сравнение главнейших закономерностей циркуляции атмосферы над Южным и Северным полушариями//Информ. бюл. Советской антарктической экспедиции. 1967. №65. С.58-68 (Б. Л. Дзердзеевский . Избр. Труды. М. Наука. -1975. -С149-158).
19. База данных. Результаты реанализа среднесуточных значений атмосферного давления. [Электронный ресурс]. Режим доступа: ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalisis.dailyavg s/level sea/
REFERENCES
1. Dubinin M., Pospelov I. Sources of meteorological data on the territory of the Russian Federation by stations / [Electronic resource]. Access mode: http://gis-lab.info/ga/meteo-station-soursis.html
2. Holoptsev A.V., Prolonged Arctic invasions in the Atlantic sector and atmospheric precipitation in the Crimea./A.V. Kholoptsev, E.N. Katunina, T.Yu. Timoshenko // Scientists notes of the Crimean Federal University. V.I. Vernadsky. Geography, Geology. Volume 3 (69). -№ 2. -2017. S251-267.
3. Dumanskaya I.O., Fedorenko A.V. Analysis of the relationship of the ice characteristics of the seas of the European part of Russia with macro-circulation atmospheric processes // Meteorology and Hydrology. -2008. - № 12. - P. 82-94.
4. Kononova, N.K. Peculiarities of the atmosphere circulation in the Northern Hemisphere at the end of the XX - beginning of the XXI century and their reflection in the climate [Text] / N.K. Kononov // Complex systems. - 2014. - № 2 (11). - C. 11-36.
5. Kholoptsev A.V. Arctic blocks and surface temperatures on the European territory of Russia. /
A.B. Kholoptsev, N.K. Kononov-va, T.Yu.Timoshenko // Life of the Earth. - 2017.-t.39. -№1. -C20-32.
6. Dzerdzeevsky, B.L. Circulating mechanisms in the atmosphere of the Northern Hemisphere in the twentieth century // Materials of meteorological research. ed. IG Academy of Sciences of the USSR and Between. Geophys. Committee at the Presidium of the Academy of Sciences of the USSR..M. -1968. - 240s.
7. Savina S.S., Khmelevskaya L.V. (1984). Dynamics of atmospheric processes
northern hemisphere in the twentieth century. Inter-household Geophysical. committee at
Presidium of the USSR Academy of Sciences. Materials of meteorological research № 9. Moscow, 146 p.
8. Dzerdzeevsky B.L., Kurganskaya V.M., Vitvitskaya Z.M. (1946).
Typification of circulation mechanisms in the northern hemisphere and
characteristic of synoptic seasons. Tr. N.-. institutions Ch. ex. hydrometeorol Service at the Council of Ministers of the USSR. Ser. 2. Synoptic meteorology; Issue 21. Central Institute of Forecasts. M., L., Gidrometizdat, 80 pp.
9. Atmospheric circulation oscillations in the Northern Hemisphere in the 20th - early 21st century [Electronic resource] / Access mode: http://www.atmospheric-circulation.ru
10. Kononova N.K. Classification of circulatory mechanisms of the Northern Hemisphere according to
B. L. Dzerdzeevsky. // M. IG RAS.Voentekhinizdat. -2009. - 372s.
11. Sulby M.L. Fundamentals of Atmos-pheric Physics / M.L. Sulby. - New York: Academic Press. -1996. -560p.
12. Shakina N. P. Blocking anti-cyclones: current state of research and forecasting / N. P. Shakina, A. R. Ivanova // Meteorology and Hydrology. - 2010.- №11. - C5-18.
13. Mokhov I. I. Blocking in the Northern hemisphere and the Euro-Atlantic region: estimates of changes according to reanalysis data and model calculations / And. I. Mokhov, M. G. Akperov, M. A. Pro-kofyeva // Reports of the Academy of Sciences. -2013. volume 449. -№5. - C.1-5.
14. Semenov I.G. The role of blocking processes in the formation of droughts in Ukraine / I.G. Semenov // Proceedings of the GGO. Voeikov. - 2013. - Vol. 569. - p. 124-136.
15. Pozachenyuk E. A. Modern Lands of the Crimea and adjacent waters. Mono-graphy. // -Simferopol: Business-inform. - 2009. - 672s.
16. Ayvazyan S.A., Mkhitaryan V.S. Applied Statistics and Basics of Econometrics. - M. : Unity. -1998. - 1022 s.
17. Skvortsov A.V. Delaunay triangulation and its application / A.V. Skvortsov.- Tomsk: Publishing house of Tomsk State University. -2002. -128s.
18. Dzerdzeevsky, B.L. Comparison of the main regularities of atmospheric circulation over the southern and northern hemispheres, Inform. bullet
Soviet Antarctic Expedition. 1967. No. 65. P.58-68 (B.L. Dzerdzeevsky. Fav. Works. M. Nauka. -1975. -C149-158).
19. Database. Results of reanalysis of average daily values of atmospheric pressure. [Electronic resource]. Access Mode:
ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalisis.dailyavg s/level sea /
INVASION OF ARCTIC AIR AND CURRENT CLIMATE VARIABILITY OF EXTREME TEMPERATURES AND TOTAL PRECIPITATION IN CRIMEA Kholoptsev A.V., Podporin S.A. , Kurochkin L.Ye.
Summary. The paper addresses current trends in climatic variability of maximum summer and minimum winter air temperatures, as well as total atmospheric precipitation during the same seasons, in those parts of Crimea where the above indicators have not been systematically monitored before. We also study total duration (TD) of Arctic air invasions (AAI), during which Crimean region was under influence of a blocking anticyclone. The objectives of our research include identification of causes of the appearing discrepancy between the estimates of the indicators in question, based on the results of AAI TD determination, and the actual information obtained from the Crimean meteorological stations, their elimination, and investigation of the possibility of identifying these indicators for those parts of Crimea where no meteorological observations have been conducted. To achieve the stated objectives, we have revealed the deficiencies of the traditional technique of AAI detection. An alternative criterion for their detection has been proposed, which allows to fully automate this procedure, as well as to apply NCEP / NCAR reanalysis in solving the problem. We have also studied probability distributions of the proposed criterion values for cases when AAI were detected over Crimea or the western part of the Black Sea, as well as for cases when they were absent. This allowed to choose the detection threshold for the processes in question, as well as to estimate probabilities of missing them and probabilities of false alarms when both the improved and the traditional techniques were used. We have proved that the probability of missing an AAI when using the proposed technique is much smaller, whereas the probability of false alarms is practically the same. The proposed technique allows to eliminate the mentioned discrepancy; its results can be used to estimate current trends in the variability of the meteorological conditions under consideration in those parts of Crimea where no observations have been carried out before. The results obtained in such a way are particularly of interest when planning various construction projects, as well as improving water supply systems in those localities of Crimea.
The subject of the research: current trends in climatic variability of maximum summer and minimum winter air temperatures, total atmospheric precipitation during the same seasons in those parts of Crimea where the above indicators have not been systematically monitored before, as well as total duration of the Arctic air invasions during which Crimean region was under influence of a blocking anticyclone.
Materials and methods: As the factual material, we used NCEP/NCAR reanalysis of the average daily values of atmospheric pressure reduced to the World Ocean level. The methods used included comparative method, statistical method, correlation analysis, and Student's test.
Results: We have revealed deficiencies of the traditional technique of AAI detection and proposed an alternative criterion allowing to fully automate this procedure and apply NCEP/NCAR reanalysis in solving the stated problem. We have also studied probability distributions of the proposed criterion values for cases when AAI were detected and also when they were absent, which allowed to choose a threshold for their detection. We have proved that the probability of missing an AAI when using the proposed technique is much smaller, whereas the probability of false alarms is almost the same. The proposed technique allows to eliminate the mentioned discrepancy while its results can be used to estimate current trends in the variability of the meteorological conditions under consideration in those parts of Crimea where no observations have been carried out before.
Conclusions: The cause of the discrepancy between the current trends of TD changes of submeridional air currents (SAC) during the winter and summer seasons over Crimea, as estimated using the traditional technique, as well as the actual dynamics of extreme meteorological parameters as observed at local meteorological stations in 1998-2017, is the inaccuracy of accounting for the a priori information pertaining to the properties of these processes. The proposed technique for detecting SAC, which more accurately accounts for this information, provides practically the same values of false alarm probability, however the values of "miss" probability of these processes over Crimea and the western part of the Black Sea are substantially smaller. As a result of applying this technique, the discrepancy has been eliminated, which allows to use the obtained estimates of current trends in the variability of TD of SAC for assessment of trends in the dynamics of the processes under consideration in those parts of Crimea where no observations have been carried out before.
Key words: submeridional air currents, Arctic air invasions, Crimea, total duration, extreme air temperatures, total atmospheric precipitation of summer and winter seasons
