Реферат: Визуальные методы оценки цикличности в ходе метеоэлементов
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... 3
1.<span Times New Roman"">
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫМНОГОЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА....................................................... 41.1<span Times New Roman"">
Факторы изменения климата……………………………………... 41.2<span Times New Roman"">
Обзор исследований многолетнихколебаний температурывоздуха….................................................................................................................2. ВИЗУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЦИКЛИЧНОСТИ В ХОДЕМЕТЕОЭЛЕМЕНТОВ
2.1 Метод n-летних скользящих средних
2.2 Метод разностных интегральных кривых
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБИЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Проблеме измененияклимата уделяется очень большое внимание ввиду ее важности и актуальности.Колебания температуры воздуха, суммы осадков, а также других метеорологическихвеличин, оказывают огромное влияние на деятельность человека (сельскоехозяйство, экономика). Климат меняется постоянно, но в последние столетия онстал более нестабильным по сравнению с предшествующим периодом, в результатечего встал острый вопрос о мониторинге, наблюдениях за тенденциями в измененииклимата.
Внесли свой вклад вразвитие этого направления такие ученые, как М.И. Будыко, Е.С. Рубинштейн, Г.В.Груза, Э.Я. Ранькова, А.Н. Афанасьев. В этой области работают представителиКазанской школы: Ю.П. Переведенцев, М.А. Верещагин, К.М. Шанталинский. Крометого, глобальным климатическим изменениям посвящена обширная научнаялитература.
Цель данной работы заключаетсяв том, чтобы охарактеризовать визуальные методы оценки цикличности в ходеметеорологических величин, а также познакомить потребителя с некоторыми последнимиисследованиями ряда ученых. Задачи были сформулированы так, чтобы в достаточнопростой и сжатой форме показать преимущества и недостатки этих методов.
Данная работа даетпонять, насколько в настоящее время развились представления о климатическойсистеме в целом и об ее закономерностях и изменениях в частности.
СОВРЕМЕННОЕСОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МНОГОЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА
Факторыизменения климата
Археологическиеисследования однозначно доказывают, что климат планеты Земля изменялсядостаточно резко. Для объяснения причин этого существует множество гипотез,учитывающих астрономические и геофизические факторы.
К.Я. Кондратов и Е…Борисенков пришли к выводу, что климат планеты сохранится неизменным, если неизменится расстояние Земли от Солнца, орбита Земли вокруг Солнца, скорость еедвижения и суточного вращения и угол наклона оси вращения Земли к плоскостиэклиптики.
По мнению М.О. Френкеля,с начала 40-х гг. прошлого столетия начался период общего потепления. В этовремя, влияние антропогенных факторов только начинало проявляться, так чтоповышение температуры скорее носило естественный характер. Однако, с 70-х гг.естественное потепление усилилось влиянием деятельности человека и в итогестало более значимым.
Климатическая системаЗемли испытывает воздействие ряда факторов как внешних, так и возникающих в самой системе. Из внешних факторов наиболее четкопроявлялись колебания прозрачности атмосферы вулканогенного характера, а извторых – взаимодействие океанов и льдов, а также разных частей океанов междусобой. При этом указанные факторы налагаются один на другой, усиливаясь присовпадении фаз и ослабевая при их различии.[3]
Одним из важнейшихзвеньев в проблеме солнечно – атмосферных связей является стратосфера, которойотводится роль триггерного (спускового) элемента, обеспечивающего передачувозмущений в нижние слои атмосферы. В стратосфере происходит поглощениеультрафиолетовой радиации Солнца, и в периоды усиления солнечной активноститепловой баланс стратосферы существенно меняется: увеличивается ее приходнаячасть, что сказывается на температурном режиме и ее циркуляции. Н.В. Исмагиловвыявил положительную асинхронную связь между уровнем солнечной активности в11-летнем цикле и датами весенних перестроек циркуляции.
Астрономические факторыопределяют количество энергии излучения Солнца, приходящей к данному участкуверхней границы атмосферы за данный период времени (поток солнечной энергии,инсоляция). Этот суммарный по всем длинам волн поток на среднем расстоянииЗемли от Солнца называется солнечной постоянной и равен в среднем 1370 Вт/м2.
К внешним геофизическимфакторам относятся масса и состав атмосферы, скорость вращения Земли,расположение материков и океанов на поверхности Земли, вулканическиеизвержения. Скорость вращения Земли отчасти определяет интенсивность и характерциркуляции атмосферы, разные радиационные и теплоемкостные характеристикиповерхности суши и океана, влияет на радиационный режим, теплообмен междуатмосферой и подстилающей поверхностью, на муссонные эффекты. Очертания океановопределяют направление и характер течений, переносящих тепло из тропической зоныв высокие широты. Во время крупных взрывных вулканических извержений встратосферу выбрасываются большие массы аэрозолей и газов, рассеивающих ипоглощающих Солнца и ИК радиацию Земли и атмосферы.
Внутренние естественныефакторы возникают и действуют внутри какой-либо составляющей климатическойсистемы или, зарождаясь в одной из составляющих, действуют на другую. К нимотносятся излучение и поглощение энергии атмосферой и океаном, атмосфернаяциркуляция, криосфера (ледники и подземные льды вечной мерзлоты), биосфера, уменьшающаяальбедо подстилающей поверхности.
Можно назвать ещенесколько антропогенных факторов, воздействующих на глобальный климат, такихкак: антропогенное увеличение содержания в атмосфере газов, создающих в нейпарниковый эффект ( в первую очередь СО2), острова тепла в городах ипромышленных зонах, хозяйственная деятельность человека (строительствоводохранилищ, орошение земель, вырубка лесов и др.) [4]
К числу основных факторови причин, определяющих эволюцию глобального климата Земли авторы [7] относятся следующие:
1)<span Times New Roman"">
Изменения потоков солнечной радиации,связанные с изменением излучения Солнца2)<span Times New Roman"">
Изменения в распределении суши иморя, определяемые тектоникой плит, и связанные с эти процессами измененияорографии суши, циркуляции океана и его уровня3)<span Times New Roman"">
Изменения газового состава атмосферы,в первую очередь – концентрация углекислого газа и метана4)<span Times New Roman"">
Изменения планетарного альбедо5)<span Times New Roman"">
Изменения орбитальных параметровЗемли6)<span Times New Roman"">
Изменения катастрофического характера– земного и космическогоОбзорисследований многолетних колебаний температуры воздуха
Температура воздухаявляется одним из основных климатических показателей. Благодаря изучениюпространственной и временной изменчивости температурного режима диагностируютсяизменения климата в масштабах от локального и регионального до глобального. [7]
М.А. Верещагин, Ю.П.Переведенцев, К.М. Шанталинский, В.Д. Тудрий, С.Ф. Батршина и А.И. Лысая,используя архив аномалий средних годовых температур воздуха, созданного вуниверситете Восточной Англии, выполнили анализ векового хода и межгодовойизменчивости глобального приземного термического режима за 142 года (1856-1997гг.). [2] Оценки текущего состояния климата существенно расходятся, а числодискутируемых вопросов со временем растет. В связи с этим предпринятый анализбыл направлен, прежде всего, на получение независимых уточняющих оценок. Сутьполученных ими основных результатов состоит в следующем:
1.<span Times New Roman"">
Берущий начало с середины XIXвека процесс глобального потепленияпродолжается, что уже привело к повышению средней глобальной температуры на 0,59°С. Около 90 % этой величины объясняется вариациями CO2и прозрачностью атмосферы.2.<span Times New Roman"">
Внутривековые изменения среднихгодовых температур воздуха на полушариях имели волнообразную природу ихарактеризовались заметной обособленностью, что объясняется различиями физическогосостава и условий функционирования климатической системы на полушариях.Осредненные по Северному полушарию ежегодные значения средних годовыхтемператур воздуха в течение всего исследуемого периода неизменно превышали ихзначения для Южного полушария; средняя величина разностей средних годовыхтемператур воздуха между полушариями составила 1, 28°С.Однако волны тепла наЮжном полушарии имели большую продолжительность, а волны холода были короче,чем на Северном полушарии при характерной их продолжительности в 25-30 лет (за142 года указанные разности уменьшились почти на 0, 06°С)
3.<span Times New Roman"">
Темпы потепления на Земле и вСеверном полушарии в годы появлений волн тепла неуклонно возрастали и, начинаяс 1970-х гг., достигли наибольших значений (0, 184 и 0, 229°С/10 лет – соответственно).Последнее, вероятно, подтверждает гипотезу о частично антропогенном характерепотепления последних десятилетий, на Южном полушарии, — напротив, начиная с1950-х гг., проявилось заметное «отставание» темпов потепления (0, 104°С/10лет), было связано с ростом затрат тепла, обусловленных таянием материковогольда и тепловым расширением океана, большая часть массы которого находиласьздесь.4.<span Times New Roman"">
Ускорение темпов потепления последнихлет в Северном полушарии сопровождалось мощным всплеском межгодовойизменчивости средних годовых температур воздуха (МИ СГТВ). В то же время вполных рядах МИ СГТВ линейный тренд отсутствует.Были рассчитаныхарактеристики линейного тренда (Ю.П. Переведенцев, М.А. Верещагин, К.И.Шанталинский) [6] и, с целью подавления высокочастотного климатического шума,проведено сглаживание рядов температуры низкочастотным фильтром Поттера (L> 3 лет) в ряде метеорологическихстанций, в частности Перми:
Таблица 1
Характеристики линейного тренда, определенного по средним суточным исрочным значениям температуры воздуха за период 1966-1990 гг.
Время
Температура
а °С/год
p
R2
Сутки
0, 065
0, 000
0, 001
00 час
0, 070
0, 000
0, 002
12 час
0, 055
0, 006
0, 001
В таблице приведеныпоказатели линейного тренда и дана оценка статистической значимости ( a– коэффициент наклона линейноготренда, p– уровень значимости его определения, R2– коэффициент детерминации, показывающий вкладлинейного тренда в общую дисперсию исследуемого ряда).
Анализ результатоврасчетов позволил сделать вывод, что наблюдается рост значений температуры врядах средних суточных значений, а также значений температуры в 00 и 12 часов висследуемый период. При этом обнаруживается колебательный характер ходатемпературы.
Таким образом,региональное проявление глобального потепления заметно сказывается на структуревременных рядов температуры.
Было показано, чтотерриториальное распределение средней месячной температуры исреднеквадратических отклонений (СКО) особенно в холодный период (1958-1977)определяется в первую очередь географическими особенностями района – наличиемхолодных поверхностей Арктики и Гренландии, теплых – Атлантики, юга Европы иСредиземноморья. Береговая линия способствует формированию контрастов втемпературных полях. Северные районы отличаются повышенными значениями СКО,достигающими 7, 5<span Tahoma",«sans-serif»">°
С. Процесс неоднороден и повертикали: если вблизи земной поверхности имеет место рост температуры, то вверхней тропосфере и нижней стратосфере, наоборот, падение.ВИЗУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЦИКЛИЧНОСТИ В ХОДЕ МЕТЕОЭЛЕМЕНТОВ
Метод скользящих n-летних средних кривых
Методкрайне субъективен и результаты сглаживания очень подвержены влиянию длиныпериода сглаживания. С одной стороны при небольших периодах не удается выявитьтрендовую компоненту сильно зашумленного процесса, при больших же периодахпроисходят значительные потери данных на концах анализируемого интервала.
Скользящеесреднее порядка L — этовременной ряд, состоящий из средних арифметических L соседних значений Yi,по всем возможным значениям времени. В качестве L выбирается нечетное число, обычно 3, 5 или 7, и эти схемыназывают трехточечной, пятиточечной и т.д. Для примера рассмотрим трехточечнуюсхему и обобщим ее на другие случаи.
Среднеерассчитывается по трем значениям Yi,одно из которых относится к прошлому периоду, одно – к искомому и одно – кбудущему. Так как для i = 1 несуществует прошлого значения, то в первой точке невозможно рассчитать сглаженноезначение. Для i = 2 сглаженноезначение будет средним арифметическим Yiпри i = 1, 2, 3; для i = 3 среднее арифметическое беретсядля 2-го, 3-го и 4-го значений Yi;в последней точке исходного интервала скользящее среднее также невозможнорассчитать из-за отсутствия будущего значения по отношению к рассчитываемому. Вобщем случае это можно представить как:
<img src="/cache/referats/13211/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">, (2.1)
где MAi– значение скользящего среднего по L-точечной схеме в i-ом элементе ряда.
Какследует из формулы, для схемы из L точек первое сглаженное значение будетприходиться на (L - 1) / 2 + 1-ймомент времени, и таким образом на концах исходного интервала будет теряться по(L - 1) / 2исходных точек; так для 5-точечного сглаживания будут потеряны два первых и двапоследних значения.
Способскользящих n-летних средних кривых (например,3-, 5- и 15-летних) был впервые предложен в 1896 г. П. Шрайбером и им жеиспользован для оценки колебаний некоторых элементов климата. Этот способполучил очень широкое распространение применительно к анализу многолетнего ходаи ценки циклических колебаний различных природных элементов. Между тем вотношении его использования существуют различные мнения.
Е.С.Рубинштейн отметила, что метод скользящих средних позволяет полностью иличастично погасить волны сравнительно коротких колебаний и выявить колебаниядлительностью большей, чем период осреднения.
В.Г.Андреянов показал, что скользящие n-летние средние значения чисел Вольфадают смещение циклических фаз во времени относительно реальных их границ навеличину, зависящую от принятого периода осреднения
А.Я. Безрукова,используя для оценки вековых колебаний солнечной активности скользящую кривую10-летних сумм среднегодовых чисел Вольфа, полагала, что такое осреднениепрактически исключает 11-летнюю цикличность. В результате для векового цикла XIXстолетия она получила сложный инеопределенный минимум цикла, эпоху которого трудно установить.
Скользящиесредние кривые действительно являются ограничительным средством при проведенииуказанного анализа. Эти кривые не только смещают реальные фазы в циклическомпроцессе, но и искажают характер его структуры. Осредненные же на этой основеданные природных элементов снижают результаты исследований при установлениивзаимозависимостей.
Вмаксимальных и минимальных среднегодовых значениях температуры воздуха, равнокак и для границ и фаз внутривековых циклов, наблюдается сдвиг, как правило, всторону запаздывания. Величина этого сдвига определяется в зависимости отразнообразия характера крутизны роста и спада во внутривековых циклах, ихпродолжительности и амплитуды колебаний и тем больше, чем скользящая n-летняя длиннее оптимальной общейпродолжительности этих циклов, и наоборот. Для большого сдвига границхарактерна слабая выраженность циклов, для малого – интенсивность развитияпроцесса. Однако с уменьшением периода осреднения сдвиг в границах и фазахуменьшается и, наоборот, с увеличением периода осреднения он увеличивается. Поэтой причине полученный способом скользящих средних кривых характервнутривековой изменчивости того или иного исследуемого элемента не отражает реальнойприродной картины, а лишь затушевывает ее.
Вотпочему П.С. Костин для центральной части Русской равнины в скользящих 5-летнихсредних кривых прироста колец деревьев нашел 6 – 16-летние внутривековые циклы,а в их 15-летних средних – 30- и 60-летние циклы. Заметим, что 60-летний цикл вприродных явлениях не установлен.
Применениеспособа скользящей средней кривой для анализа внутривековой цикличностивызывает большую условность в тех случаях, когда наблюдается вековаяизменчивость в элементах.
Нонельзя полностью отрицать применение способа скользящей n-средней. В особо сложных явлениях,например в циклических колебаниях годовых колец прироста деревьев, этот способможет быть успешно использован. Здесь этот способ позволяет исключить влияниетаких явлений, как вековой ход метеоэлементов и разность прироста колец взависимости от возраста деревьев. Но в этом случае с помощью его можно решитьзадачу в основном по выделению лишь внутривековых циклов. При этом следуетпользоваться не скользящей средней кривой, а значениями отклонений от этойкривой.
Способскользящего n-летнего осреднения также применятся при установлении связи междуисследуемыми элементами, в особенности когда им свойственна большая амплитудаколебаний на фоне главного циклического процесса. [1]
Метод разностной интегральной кривой
Способразностной интегральной кривой прямой для оценки циклических колебаний многихявлений природы впервые был предложен В.Г. Глушковым. В.Г. Андреянов впервыеначал производить сопоставительный анализ разнородного материала на основенормирования разностных интегральных кривых модульных коэффициентов.
Способвычисления разностной интегральной кривой заключается в том, что сначала дляданного ряда наблюдений выполняется вычисление модульных коэффициентов:
<img src="/cache/referats/13211/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (2.2)
где Mi– значение данного ряда, Mср– среднее значение ряда.
Затемопределяют их отклонения от середины К – 1 и наконец, производится построениеинтегральной кривой путем последовательного суммирования этих отклонений повыражению:
<img src="/cache/referats/13211/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (2.3)
Такимобразом разностная интегральная кривая представляет собой нарастающую суммуотклонений модульных коэффициентов от среднемноголетнего значения ряда на конецкаждого Miгода.
Положительныезначения отклонений модульных коэффициентов при суммировании за интервалвремени дают наклон разностной интегральной кривой вверх относительногоризонтальной линии, а отрицательные их значения – наклон кривой вниз.
Оцениваяциклические колебания исследуемых элементов на основе разностной интегральнойкривой, следует отметить, что в ней не учитывается циклический процесс в нашемпонимании. Наиболее характерные отрезки кривой в таком процессе соответствуютобластям впадин и вершин или наименьшим и наибольшим их значениям. Наразностной же интегральной кривой эти положения в циклах, за счет суммированияординат в повышенных и пониженных фазах, смещаются. По этой причине смещаются иприродные границы, которые в полных циклах принимаются по наименьшим значениямвпадин. Величина смещения границ зависит от характера структуры циклическойизменчивости изучаемого элемента.
Посколькуциклический процесс принципиально различен для разных взаимосвязанных природныхэлементов (даже для таких как атмосферные осадки и речной сток), вследствиевоздействия подстилающей поверхности, то величина смещения фаз по результатамразностной интегральной кривой в этом процессе получается несравнимой. Болеетого, в условиях векового хода природного процесса разностная интегральная криваяприводит к неточности в определении повышенных и пониженных фаз внутривековыхциклов, занижает или завышает их значения, либо вовсе их не учитывает. Так каксреднее значение векового цикла того или иного изучаемого элемента отличаетсяпо знаку от средних значений внутривековых его циклов, то например, навосходящей ветви этого цикла, в начале ее развития, повышенные фазывнутривековых циклов будут либо менее мощные, либо совершенно утрачены, чем вконце ее, и обратно, для пониженных фаз этих циклов. Очевидно, что нанисходящей ветви векового цикла повышенные и пониженные фазы циклов будут иметьобратную последовательность.
В случаесверхвекового хода отмеченные неточности будут усугубляться в зависимостивеличины изменчивости элемента. Таким образом, вычисление ординат от середины ипостроение по ним разностной интегральной кривой не отражает действительныхусловий полного циклического процесса.[1]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основныерезультаты данной работы заключатся в следующем:
1.<span Times New Roman"">
Описаны факторы, формирующие климат иего изменения.2.<span Times New Roman"">
Произведен анализ некоторых научныхработ, посвященных проблеме изменения климатического режима.3.<span Times New Roman"">
Кратко охарактеризованы визуальныеметоды оценки цикличности в ходе метеоэлементов, выявлены их положительные иотрицательные стороны.4.<span Times New Roman"">
Показана важность, значимость данногонаправления в метеорологии.Полученныерезультаты не являются окончательным, с течением времени они могут дополняться,изменяться, корректироваться. В дальнейшем имеет смысл провести более детальноеизучение данного вопроса, целесообразно будет включить мнения других авторовнаучных трудов, посвященных проблемам климатических изменений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.<span Times New Roman"">
Афанасьев А.Н. Колебаниягидрометеорологического режима на территории СССР. М.: Наука, 1967. 423 с.2.<span Times New Roman"">
Верещагин М. А., Переведенцев Ю.П.,.Шанталинский К.М, Тудрий В.Д., Батршина С.Ф., Лысая А.И. О некоторыхрезультатах изучения векового хода и межгодовой изменчивости глобальноготермического режима во второй половине XIX-го и в XX-м столетии // Метеорология на рубежевеков: итоги и перспективы развития. Тез. докл. Всеросс. науч. конф. Пермь,2000. С. 33-34.3.<span Times New Roman"">
Дроздов О.А. Арапов П.П., ЛугинаК.М., Мосолова Г.И. Об особенностях климата при потеплениях последних столетий// Тез. докл. Всеросс. науч. конф. Казань, 2000. С. 24-26.4.<span Times New Roman"">
Кароль И.Л. Введение в динамикуклимата Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 215 с.5.<span Times New Roman"">
Мазуров Г.И., Вишнякова Т.В.,Акселевич В.И. Меняется ли климат Земли? // Материалы Междун. научно-практич.конф. Пермь, 2002. С. 57-60.6.<span Times New Roman"">
Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А.,Шанталинский К.М. Изменчивость температуры воздуха и скорости ветра на востоке TXHв период 1966 – 1990 гг. //Метеорология на рубеже веков: итоги и перспективы развития. Тез. докл. Всеросс.науч. конф. Пермь, 2000. С. 35-36.7.<span Times New Roman"">
Урманова А.Г., Наумов Э.П., НиколаевА.А., Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Шанталинский К.М. Проявлениясовременного потепления климата Земли на территории Татарстана. // Сборникнауч. трудов. Казань, 1998. С. 111-132.