Параметризація трансформації регіональних кліматичних полів України в умовах глобального потепління

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

ПАРАМЕТРИЗАЦІЯ ТРАНСФОРМАЦІЇ РЕГІОНАЛЬНИХ КЛІМАТИЧНИХ ПОЛІВ УКРАЇНИ В УМОВАХ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛІННЯ

Спеціальність: Метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

СЕРДЮЧЕНКО НАДІЯ МИКОЛАЇВНА

Одеса, 2006 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широка зацікавленість кліматичними проблемами в другій половині 20-го ст. пов'язана з усвідомленням науковою громадськістю світу того факту, що земна кліматична система є енергетично відкритою і може змінювати стан своєї термодинамічної рівноваги (причому і суто випадково, і детерміновано) під впливом змін природних кліматоформуючих факторів, а також через чинники антропогенного походження, особливо в результаті антропогенного забруднення атмосфери газо-аерозольними домішками. Щоправда, донедавна одна з найважливіших складових цієї проблеми - глобальне потепління клімату в результаті антропогенного підсилення парникового ефекту - мала все ж суто науковий характер. І лише в середині 80-х років різко визначились її екологічні та соціально-політичні аспекти. Однією з важливих міжнародних дій з проблеми глобального потепління є розробка та прийняття Рамкової Конвенції зі змін клімату (Ріо-де-Жанейро, червень 1992 року).

Ця Рамкова Конвенція ратифікована Україною, і тим самим наша країна взяла на себе певні обов'язки, серед яких вважаємо за доцільне виділити наступні: підвищувати інтенсивність і ефективність наукових досліджень з питань глобальних та регіональних змін клімату та з питань оцінки екологічних і соціально-економічних наслідків від глобального потепління, підняти рівень кваліфікації інженерних та наукових кадрів з питань сучасних глобальних і регіональних змін клімату, створити можливості для широкого і об'єктивного інформування громадськості країни з питань змін клімату, їх екологічних та соціально-економічних наслідків.

При визначенні стратегії сталого соціально-економічного розвитку України необхідність урахування можливих змін клімату пов'язана з рядом обставин. Головна з них: різко виражена чутливість сільського господарства, енергетики, гідроресурсів країни до коливань регіональних кліматичних умов у зв'язку зі специфічним географічним розташуванням території України та можливість катастрофічного виснаження ресурсів прісної води при потеплінні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на ініціативній основі у відповідності з напрямками наукових досліджень кафедри фізики атмосфери Одеського державного екологічного університету.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є виявлення основних закономірностей та параметризація стану і трансформації кліматичних полів температури та атмосферних опадів в окремих регіонах України у другій половині 20-го ст. Для досягнення цієї мети у роботі поставлені і вирішені такі наукові задачі:

- провести аналіз опублікованих матеріалів щодо різних аспектів трансформації кліматичних полів в умовах глобального потепління та репрезентативності мережі кліматичних станцій України;

- оцінити залежність метеовеличин від висоти місцевості над рівнем моря та географічних координат і, на основі отриманих оцінок, побудувати напівемпіричні моделі стану та трансформації кліматичних полів для окремого фізико-географічного регіону (Волино-Подільської височини);

- дослідити характерні особливості трансформації кліматичних полів приземної температури повітря та атмосферних опадів регіону Волино-Подільської височини (ВПВ) у другій половині 20-го ст.;

- проаналізувати основні закономірності сучасного сезонно-широтного розподілу зонального кліматичного поля опадів у Північній півкулі в напрямку обґрунтування можливої аридизації кліматичних умов України при подальшому глобальному потеплінні.

Об'єкт дослідження - кліматичні поля температури та атмосферних опадів.

Предмет дослідження - вікова трансформація кліматичних полів температури та атмосферних опадів на території регіону України та Північної півкулі.

Методи дослідження:

- статистичний аналіз емпіричних часових рядів кліматичних полів, отриманих в результаті інструментальних спостережень;

- розробка напівемпіричних моделей трансформації кліматичних полів шляхом статистичної оцінки емпіричних значень констант для встановлених математичних співвідношень між фізичними параметрами досліджуваних кліматичних процесів;

- обґрунтування відповідних фізичних припущень щодо можливої динаміки регіональних кліматичних полів в умовах подальшого глобального потепління і на їх основі, за допомогою розроблених напівемпіричних моделей, оцінка тенденцій у їх можливій трансформації.

В роботі для статистичного аналізу використані наступні масиви розрахованих, емпіричних або відновлених за опосередкованими матеріалами даних:

- ряди IPCC (аномалії температури приземного повітря для Північної і Південної півкуль за період 1856-2002 рр.);

- ряди UEA/CRU зональних середньомісячних приземних температур та місячних сум атмосферних опадів для суходолу Північної півкулі (1901-1995 рр.);

- ряди Бабіченко середньомісячних температур приземного повітря і місячних сум атмосферних опадів за період 1900-1990 рр. на території України (результат обробки даних інструментальних спостережень на метеостанціях України), доповнених на основі аналізу масиву даних по опадам для всієї території колишнього СРСР, представлених Гройсманом, та уточнених шляхом співставлення з опублікованим в США архівом метеоданих ВНІІГМІ-МЦД колишнього СРСР;

- зібрані автором ряди середньомісячних температур приземного повітря і місячних сум атмосферних опадів за період 1950-2000 рр. на території регіону ВПВ (результат обробки даних інструментальних спостережень на 20 метеостанціях).

При статистичному аналізі цих рядів та їх взаємному зіставленні використовувались відомі статистичні методи оцінювання значимості слабкого сигналу на фоні дуже великого випадкового шуму.

Наукова новизна одержаних результатів:

- валідація методики параметризації аналітично-критеріальних співвідношень при побудові напівемпіричних моделей сезонної і вікової трансформації регіональних кліматичних полів України;

- оцінка кліматичної репрезентативності метеостанцій регіону Волино-Подільської височини на основі розробленого в роботі способу фільтрації емпіричних даних з метою виділення “мікрокліматичного шуму”;

- статистичні оцінки сучасного впливу висоти місцевості над рівнем моря і географічних координат на сезонний хід основних характеристик приземної температури та інтенсивності атмосферних опадів (кліматичних норм і коефіцієнтів лінійних трендів) для регіону Волино-Подільської височини;

- характерні закономірності трансформації кліматичних полів приземної температури та інтенсивності атмосферних опадів в регіоні Волино-Подільської височини у другій половині 20-го ст.;

- емпіричний ефект різкого зниження інтенсивності атмосферних опадів в регіоні Волино-Подільської височини і, в цілому, на території України у травні та серпні за останні 50 років. Обґрунтування гіпотези щодо фізичного механізму цього ефекту -можлива реакція процесів формування сезонно-широтного розподілу зонального кліматичного поля опадів у Північній півкулі на зміщення поясу субтропічних антициклонів у помірні широти при глобальному потеплінні;

- параметризація зміщення в помірні широти субтропічного мінімуму зонального кліматичного поля атмосферних опадів при глобальному потеплінні та обґрунтування гіпотези щодо можливого зсуву північної периферії поясу субтропічних антициклонів на південно-східні регіони України при подальшому глобальному потеплінні.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених досліджень можуть бути використані при плануванні національної стратегії по адаптації народного господарства України до нових кліматичних умов та при розробці заходів для пом'якшення несприятливих екологічних та соціально-економічних наслідків від глобального потепління.

Одержані в дисертації наукові результати можуть бути використані при розробці відповідних спецкурсів в учбових закладах географічного та екологічного напрямків.

Особистий внесок здобувача. Постановка наукових задач дисертаційного дослідження розроблена науковим керівником спільно зі здобувачем. Для вирішення задач дисертаційного дослідження здобувачем самостійно:

- проведено збір необхідного фактичного матеріалу інструментальних гідрометспостережень (середньомісячні температури та інтенсивність атмосферних опадів) та створено комп'ютерний банк емпіричних даних;

- проведено статистичний аналіз трансформації кліматичних полів температури повітря та інтенсивності атмосферних опадів.

У спільних публікаціях здобувач самостійно отримав і обґрунтував основні наукові результати, а фізичний аналіз механізмів, які могли б формувати отримані ефекти, здобувачем проведено спільно з науковим керівником. Також спільно з науковим керівником сформульовані напівемпіричні математичні співвідношення, які склали основу для аналізу тенденцій у трансформації кліматичних умов окремих регіонів України при подальшому глобальному потеплінні.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертації обговорені на семінарах кафедри метеорології Київського національного університету імені Тараса Шевченка, кафедри фізики атмосфери Одеського державного екологічного університету, кафедри меліорації Національного аграрного університету, а також на наступних наукових конференціях:

- 4th Annual Meeting of the European Meteorology Society (EMS-2004), France, Nice, 2004;

- 5-а Міжнародна наукова конференція “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”, Київ, 2004;

- Викладацька конференція, Національний аграрний університет, Київ, 2005.

Публікації. Наукові результати дисертації опубліковані в 7 наукових працях, з них 4 входять до відповідного переліку ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 136 сторінках машинописного тексту, містить 44 рисунки і 12 таблиць, складається із загального вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку використаних джерел (128 найменувань).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відмічена актуальність теми дисертації, сформульовані її мета та завдання, наукова новизна і практичне значення. Наведено отримані результати та основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі “Характерні особливості сучасної динаміки глобального і регіонального клімату” проведено аналіз характерних особливостей глобального потепління (вікового ходу та сезонно-географічного розподілу температури приземного повітря та атмосферних опадів планети в цілому та в Північній півкулі). Проведено критичний аналіз результатів наукових досліджень українських кліматологів з питань трансформації кліматичних умов України, в умовах глобального потепління.

У другому розділі “Методика побудови напівемпіричних математичних моделей стану та трансформації регіональних кліматичних полів” розглянуто фізичні механізми впливу висоти місцевості над рівнем моря на стан регіональних кліматичних полів, проведено валідацію методики оцінки залежності метеовеличин від висоти місцевості над рівнем моря та географічного положення для побудови напівемпіричних моделей стану і трансформації регіональних кліматичних полів. Для визначення залежності метеовеличини Щ від висоти ландшафтів над рівнем моря (h) і географічного положення (широти ? і довготи л) використано припущення, що просторові масштаби і орографічні особливості фізико-географічного регіону, що розглядається, в першому наближенні можна представити у вигляді наступної лінійної функції:

Параметри співвідношення (1) оцінювалися за допомогою методу найменших квадратів. Розрахункові формули для оцінки Gh (вертикального градієнта метеовеличини Щ) в цьому випадку будуть мати вигляд:

Кутовими дужками позначено усереднення по вибраній мережі станцій. Аналогічним чином проводимо розрахунки широтних G? і довготних Gл градієнтів. Сезонний хід метеовеличин Ш, Що, Gh, G?,, Gл апроксимується у вигляді:

У третьому розділі “Трансформація кліматичних полів приземної температури та інтенсивності атмосферних опадів на території Волино-Подільської височини у другій половині 20-го ст. під впливом глобального потепління” на основі статистичного аналізу матеріалів інструментальних спостережень мережі метеостанцій Волино-Подільської височини оцінено наступні статистичні характеристики часових рядів середньомісячних приземних температур (Т) та інтенсивності атмосферних опадів (Р).

В результаті аналізу отриманих статистичних характеристик метеовеличин встановлено значне підвищення середньорічної температури (на 1,2є/50 років).

У четвертому розділі “Оцінка залежності метеорологічних величин від висоти місцевості над рівнем моря та географічного положення” на основі отриманих у попередньому розділі значень норм та коефіцієнтів лінійного тренду температури приземного повітря та інтенсивності атмосферних опадів для станцій регіону ВПВ, за співвідношенням (1) отримано вертикальні, широтні та довготні градієнти цих статистичних характеристик, графічно представлено та проаналізовано особливості їх сезонного ходу.

Фільтрація кліматичних полів метеовеличин від впливу висоти місцевості над рівнем моря та географічного положення з метою виділення “мікрокліматичного шуму”.

Позначимо через емп(m,k) - емпіричне значення метеовеличини у т- ому місяці для k-ої метеостанції, а через мод(m,k) - її модельне значення. “Мікрокліматичний шум” щ визначимо наступним чином:

Операція (4) приводить в даному випадку до вибірки об'ємом 240 значень із генеральної сукупності для випадкової величини щ з нульовим центром. Якщо залежність метеовеличини Щ від параметрів h, ?, л за допомогою співвідношення (1) в основному знімається, то випадкова величина щ буде практично просторово однорідною. Тому операцію (4) будемо називати фільтрацією кліматичних полів метеовеличин від впливу висоти місцевості над рівнем моря та географічного положення з метою виділення “мікрокліматичного шуму”, наявність якого може бути пов'язана з рядом природних та антропогенних факторів і з похибкою вимірів.

В результаті проведеної фільтрації емпіричних даних кліматичних норм метеовеличин за період 1971-2000 рр. за схемою (4) виділимо “мікрокліматичний шум”. Станції регіону на яких він виходить за межі ± 1,5?, де є середньоквадратичне відхилення, варто вважати нерепрезентативними. Із 20-ти розглянутих метеостанцій регіону ВПВ нерепрезентативними по температурі повітря вважаємо Затишшя і Ямпіль, а по опадах - Шепетівку.

У п'ятому розділі “Параметризація сезонно-широтного зміщення поясу субтропічних антициклонів у північній півкулі при глобальному потеплінні” представлено аналіз широтного розподілу зональної середньорічної температури приземного повітря в Північній півкулі, сезонно-широтного розподілу кліматичного поля атмосферних опадів у Північній півкулі (суходіл), обговорюється гіпотеза щодо можливого зміщення північної периферії поясу субтропічних антициклонів в середні широти в умовах глобального потепління, параметризовано трансформацію субтропічного мінімуму зонального кліматичного поля атмосферних опадів при глобальному потеплінні та аналізуються особливості сезонного ходу інтенсивності атмосферних опадів на території України у другій половині 20-го ст. На основі аналізу статистичної обробки емпіричних часових рядів місячних сум атмосферних опадів за період 1901-1995 рр. (бази даних UEA/CRU) проведено аналіз сезонно-широтного розподілу зонального кліматичного поля атмосферних опадів у Північній півкулі. Встановлено, що субтропічний мінімум атмосферних опадів в літні місяці зміщується у північному напрямку до 35-40є (максимум зсуву у серпні до ~38-39є пн. ш.), а максимум помірних широт формується у зоні 55 ± 5є пн. ш.

Взимку та навесні зона субтропічного мінімуму зонального кліматичного поля опадів розміщується у широтній зоні ~15-22є пн. ш., а максимум помірних широт, на відміну від осінніх та літніх місяців, зміщується у південні широти і має згладжену форму. В результаті аналізу широтного розподілу місячних атмосферних опадів у Північній півкулі виявлено ефект вирівнювання широтного поля зональної кількості опадів у середніх широтах в травні приблизно із 18є і до ~55є пн. ш. Параметризація зсуву поясу субтропічного мінімуму зонального кліматичного поля атмосферних опадів при глобальному потеплінні. Німецькі кліматологи Корф і Флон при співставленні широтного положення субтропічних антициклонів (?s) і середньомісячного меридіонального перепаду температур “екватор-полюс” в тропосфері (в шарі 300-700 мбар) (ДТтр) для Північної півкулі встановили залежність положення поясу субтропічних антициклонів від різниці температур “екватор-полюс”. А саме, відбувається зміщення поясу субтропічних антициклонів у напрямку помірних широт при зменшенні вказаного перепаду температур. Залежність характеристик має лінійний характер і може бути представлена у вигляді наступної апроксимації:

Для підтвердження цього ефекту, на основі емпіричних рядів широтного розподілу зональної середньомісячної приземної температури та атмосферних опадів для суходолу Північної півкулі, ми співставили широтне положення субтропічного мінімуму місячних сум атмосферних опадів (цmin) із різницею значень середньомісячних приземних температур екватор-полюс (ДТпр) між 0-10є пн. ш. та 70-75є пн. ш. Залежність зіставлених параметрів також описується лінійною апроксимацією виду:

Коефіцієнти співвідношень (5) і (6) мають близькі значення, що свідчить про подібність досліджуваних процесів і є підтвердженням ефекту Корфа-Флона. Перепад середньорічної зональної температури повітря “екватор-полюс” Т при заданому рівні глобального потепління ?Т представимо у вигляді:

Залежність широтного положення субтропічного мінімуму зональних місячних сум атмосферних опадів (цmin) та різниці середньомісячних приземних температур повітря “екватор-полюс” (ДТпр) у Північній півкулі представимо у вигляді лінійної апроксимації із використанням параметра А:

Із врахуванням наведених співвідношень трансформацію широтної смуги положення субтропічного мінімуму зональної кількості атмосферних опадів Шmin запишемо у вигляді:

Параметр y показує, що при збільшенні рівня глобального потепління, відрахованого від значення, характерного для 20-го ст. (0,65єС/100 років) на 1єС відбувається зміщення смуги широтного положення зонального мінімуму атмосферних опадів на 2є широти у напрямку помірних широт. Результат модельних розрахунків параметризаційної функції Шmin (9), що характеризує положення субтропічного мінімуму зонального кліматичного поля атмосферних опадів у Північній півкулі, при різних рівнях глобального потепління. Широтна смуга на графіку представляє собою середнє положення субтропічного мінімуму атмосферних опадів в межах ±?.

Таким чином при потеплінні на 3-4?С (відрахованого від рівня 20-го ст.) субтропічний мінімум зонального кліматичного поля атмосферних опадів у Північній півкулі зміститься у напрямку помірних широт до 34 ± 5? пн. ш.

Введена параметризаційна функція Шmin дає істотні підстави до обґрунтування гіпотези можливого зміщення північної периферії поясу субтропічних антициклонів на південно-східні регіони України при подальшому глобальному потеплінні.

ВИСНОВКИ

В дисертації досліджено основні закономірності трансформації регіональних кліматичних полів приземної температури і атмосферних опадів України у другій половині 20-го ст. (на прикладі Волино-Подільської височини) та сконструйовано напівемпіричні моделі на основі розробленої методики параметризації метеовеличин.

В результаті виконаної роботи можна зробити висновки:

1. На основі статистичного аналізу матеріалів інструментальних спостережень на 20 метеостанціях, розташованих на території Волино-Подільської височини, виявлено характерні закономірності трансформації кліматичних полів приземної температури повітря та атмосферних опадів у другій половині 20-го ст.:

- встановлено значне підвищення середньорічної температури (на 1,2 оС/50 років), а також виявлено наступні особливості просторово-часової трансформації кліматичного поля приземної температури: максимальні значення коефіцієнтів лінійного тренду середньомісячних температур характерні для холодного періоду року (січень-березень), а мінімальні для літа, міжрічна мінливість середньомісячних приземних температур знижується при підвищенні середніх багатолітніх значень середньомісячних температур;

- у просторово-часовій трансформації кліматичного поля атмосферних опадів в регіоні ВПВ виявлено наступні характерні особливості: збільшення річної суми атмосферних опадів на 10-15% за період 1950-2000 рр., зростання коефіцієнтів лінійного тренду інтенсивності атмосферних опадів у червні-липні та вересні та зменшення у холодний період року.

2. Розроблено спосіб фільтрації кліматичних полів метеовеличин від впливу висоти місцевості над рівнем моря та географічного положення з метою виділення “мікрокліматичного шуму”. В результаті проведеної фільтрації емпіричних даних кліматичних норм метеовеличин на території регіону ВПВ за період 1971-2000 рр. після виділення “мікрокліматичного шуму”, наявність якого може бути пов'язана як з рядом природних і антропогенних факторів, так і з похибкою вимірів, визначили кліматичну репрезентативність метеостанцій. Станції, на яких “шум” виходить за межі ± 1,5?, вважаємо нерепрезентативними з кліматичної точки зору. Із 20-ти розглянутих метеостанцій регіону ВПВ нерепрезентативними по температурі повітря є Затишшя і Ямпіль, а по атмосферних опадах - Шепетівка. Таким чином запропонована нами методика може бути використана для оптимізації мережі кліматичних станцій;

3. Виявлено емпіричний ефект різкого зниження інтенсивності атмосферних опадів в регіоні Волино-Подільської височини і, в цілому, на території України у травні та серпні за останні 50 років. Обґрунтовано фізичний механізм цього ефекту - можлива реакція процесів формування сезонно-широтного розподілу зонального кліматичного поля опадів у Північній півкулі на зсув поясу субтропічних антициклонів у помірні широти; клімат атмосферний метеорологічний

4. Встановлено, що внаслідок зменшення перепаду температур “екватор-полюс” проявляється ефект зміщення субтропічного мінімуму зонального кліматичного поля опадів у помірні широти, який може призвести до опустелювання південних і південно-східних регіонів України;

5. Розроблено параметризацію і сконструйовано напівемпіричну модель зміщення субтропічного мінімуму зонального кліматичного поля атмосферних опадів у напрямку помірних широт при різних рівнях глобального потепління. За результатами модельних розрахунків встановлено, що широтна смуга положення субтропічного мінімуму атмосферних опадів при потеплінні на 3-4?С зміститься у напрямку помірних широт до 34 ± 5? пн. ш.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бойченко С.Г., Сердюченко Н.М. Оптимізація мереж метеорологічних спостережень та проблема вибору репрезентативних кліматичних станцій // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності, 2004. - №4. - C. 42-48.

2. Бойченко С.Г., Волощук В.М., Сердюченко Н.М. Про можливість зміщення поясу субтропічних антициклонів на південні регіони України при подальшому глобальному потеплінні // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності, 2004. - №5. - С. 53-58.

3. Бойченко С.Г., Сердюченко Н.М. Трансформація кліматичного поля атмосферних опадів на території Волино-Подільської височини під впливом сучасних глобальних змін клімату // Водне господарство України, 2005. - №5. - С. 39-43.

4. Бойченко С.Г., Сердюченко Н.Н. Оценка зависимости параметров региональных климатических полей от высоты местности над уровнем моря // Геофизический журнал, 2005. - №5. - С. 858-867.

Размещено на Allbest.ru